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航空材料发展情况

发布时间:2018-06-07    浏览次数:36


航空材料与航空技术的关系极为密切,航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用:航空材料既是研制生产航空产品的物质保障,又是推动航空产品更新换代的技术基础。

一、航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀”。

所谓“轻质高强”是指,要求材料的比强度高,即要求材料不但强度(静强度高、能承受大过载、疲劳强度高)高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”,反映了减重对于航空产品的重大经济意义(见表1.1)。而且材料减重对飞机减重的贡献也越来越大,所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。

1.1 飞行器结构减重带来的效益(1990年数据)

机种

小型民
用飞机

直升机

先进
战斗机

商用
运输机

超音速与高超
音速运输机

航天飞机

美元/

 50

 300

 400

 800

 3 000

 30 000

 “高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料,气动力加热效应使表面温度升高,需要结构材料具有好的高温强度;对发动机材料,要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。

 “耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀,特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。

当然,除以上性能外,对某些材料还要求有其他方面的性能,如:非金属材料要具有良好的耐老化性能和耐气候性能;透明材料要具有良好的光学性能;电工材料具有良好的电学性能;以及防火安全性能。


二、航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。

航空器是技术密集、高集成度的复杂产品,只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠、性能优良的飞机、发动机。

航空产品的多样性和小批量生产,导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、技术质量要求高等特点。



三、航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。

新型号的先进飞机价格不断攀升,各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额,所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。


航空材料的分类

航空材料有不同的分类方式:

按成份可分为四大类

  • 金属材料:铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等。

  • 无机非金属材料:玻璃、陶瓷等。

  • 高分子材料:透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等。

  • 先进复合材料:聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳/碳复合材料等。

按使用功能可分为两大类

  • 结构材料

  • 功能材料

本课程主要介绍结构材料。所谓结构,是指由板、杆等承力单元件构成的承力系统,在载荷作用下,该系统只产生小的弹性形变,即系统应具有几何不变性。如承力系统是几何可变的,则承力系统不是结构,而是机构。以飞机为例,航空产品中典型的结构包括:机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、各种操纵面、起落架(除传动机构之外的部分)等。用于加工制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。


航空材料的演变

一、飞机结构材料的演变

早期飞机的结构以木材、蒙布、金属丝绑扎而成(图1.1),后来又发展为木材与金属的混合结构。

1.1 飞行者一号(复制品)

到了二十世纪三十年代,随着铝合金材料的发展,全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构形式(图1.2)。

aMe 109型战斗机(德国,1935年)

b)喷火式战斗机(英国,1936年)

1.2 二十世纪三十年代出现了全金属承力蒙皮结构的飞机

二十世纪三、四十年代,镁合金开始进入航空结构材料的行列。四、五十年代,不锈钢成为航空结构材料。

到五十年代中期开始出现钛合金,嗣后并被用于飞机的高温部位。

二十世纪六十年代,开发出树脂基先进复合材料,后来在树脂基复合材料的基础上又出现了金属基复合材料。

现代飞机大量采用新型材料。如F-14(美国,1970年,图1.3)的机体结构中有25%的钛合金、15%的钢、36%的铝合金、还有4%的非金属材料和20%的复合材料。

1.3 F-14“雄猫”可变后掠翼战斗机

由于采用了可变后掠翼,F-14背部有着结构复杂的箱形结构——翼盒。翼盒两端容纳可变翼翼根转轴。此部分是可变翼设计飞机的重点,也是飞机死重的来源。为了使翼盒重量尽可轻而又不应影响强度,格鲁曼采用高强度轻重量的钛合金来制造。

新近投入使用或正在开发中的先进飞机(包括军机和民航机)的机体结构用材料的主要特点是:大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料,从而提高飞机的结构效率,降低飞机结构重量系数。其中又以先进复合材料和钛合金用量的增加,传统铝合金和钢材的用量相应减少的特点最为突出。先进复合材料和钛合金的用量、材料本身的性能指标、结构设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一。

从各种材料的角度分析,今后航空产品结构用材的发展趋势是:

  1. 铝合金

铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势,在相当长的时期内,仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。

  1. 结构钢

一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。

  1. 钛合金

钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑,但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性,是影响使用的很大因素。

  1. 先进复合材料

由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点,在未来高性能的飞机结构材料中,先进复合材料将会占据越来越重要的地位,甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。


二、航空发动机用材的演变

早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。

涡轮喷气发动机(包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机)的性能水平很大程度上依赖于高温材料的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键:

  1. 涡轮叶片材料

在二十世纪四十年代,尽管喷气式发动机的原理早已提出,但由于没有合适的高温材料用于制造涡轮,所以发展迟缓。

到五十年代初,英国的White公司开发出了镍基高温合金。

到六十年代,开始使用真空熔炼方法制造高温合金,合金的纯度得到提高,性能更好。

七十年代,开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺,使叶片的最高工作温度和耐疲劳性能进一步提高。


  1. 涡轮盘材料

二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为800~900℃,采用了16-25-6铁基合金。

五十年代,随着涡轮进口温度提高到950℃,出现了沉淀硬化合金,应用沉淀强化原理使合金具有更高的高温强度。

到七十年代,进口温度提高到了1240℃,出现了Rene 95合金和粉末冶金高温合金。

对航空产品性能的要求日益攀升,要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军用发动机的推重比已经达到10,如美国的F119发动机已装备了F22战斗机。大推力涡轮风扇发动机如GE90PW4073/4084Trent800等早已为B777A330等大型宽体客机所选用。

在这些先进航空发动机中,高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金(压气机盘和叶片)、高温合金板材(燃烧室)和粉末冶金材料和单晶叶片材料(涡轮)等,民用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料。