詳解航空材料的“五大金剛”

發(fā)布日期：2018.12.19 來(lái)源：中國(guó)數(shù)字科技館

你是否好奇過(guò)宇宙飛船、火箭、國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)是用什么做的呢，小時(shí)候總是在想為什么飛機(jī)可以在天上飛，那時(shí)天真的認(rèn)為飛機(jī)是有什么魔法呢。現(xiàn)在知道他們是用特殊的材料做成的，這種材料叫航空材料，也怪小編才疏學(xué)淺，那今天大家一起詳細(xì)的了解一下航空材料到底是啥?

C919不久前遠(yuǎn)航轉(zhuǎn)場(chǎng)成功，牽動(dòng)著國(guó)人的眼球。

“一代材料，一代飛機(jī)”，是世界航空發(fā)展史的真實(shí)寫照。航空結(jié)構(gòu)材料通常處于材料領(lǐng)域的最前沿，其技術(shù)含量之高和技術(shù)難度之大表明它無(wú)愧于高技術(shù)領(lǐng)域的一員，無(wú)愧于材料世界的“天之驕子”。

日前，在由順義區(qū)科協(xié)等單位舉辦的“聚焦新材料——2017智匯順義”創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)大講堂活動(dòng)中，中國(guó)科學(xué)院院士、材料科學(xué)家曹春曉，詳細(xì)講述了當(dāng)前航空材料領(lǐng)域里的幾位重要“成員”。

“五大金剛”之一：鈦合金

淬火爐生產(chǎn)線

在航空?qǐng)@地上繁花盛開

鈦合金是大飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料。鈦合金具有四大特點(diǎn)，一是耐高溫，二是密度較低，三是強(qiáng)度高，四是抗腐蝕性好，因此主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和盤、發(fā)動(dòng)機(jī)掛架、飛機(jī)起落架、機(jī)身隔框、機(jī)翼梁、尾翼接頭等重要承力構(gòu)件。

鈦合金在飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量不斷創(chuàng)新高。由于鈦合金的密度比鋼小得多，而強(qiáng)度又和鋼很接近，因此，它可以大大減輕飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。早期的美國(guó)波音707飛機(jī)，鈦合金用量只有0.2%，到了波音777飛機(jī)，鈦合金用量就上升到7%至8%。波音787機(jī)體鈦合金用量達(dá)15%，創(chuàng)下民用客機(jī)機(jī)體鈦合金用量最高紀(jì)錄。

我國(guó)研制的民航客機(jī)中，ARJ21的鈦合金用量是4.8%，C919的鈦合金用量達(dá)8%左右，與波音777和A380的鈦用量相當(dāng)。

美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)上鈦合金用量不斷增高，在F/A-22上達(dá)到了高峰，達(dá)到41%，創(chuàng)造了戰(zhàn)斗機(jī)鈦用量迄今為止的最高世界紀(jì)錄。

我國(guó)殲擊機(jī)的鈦用量也呈逐漸升高的趨勢(shì)：殲8為2%，殲10為4%，殲11為15%，殲20為20%，殲31則高達(dá)25%。

我國(guó)大型軍用運(yùn)輸機(jī)“運(yùn)20”(鯤鵬)的鈦合金用量為10%，與美國(guó)先進(jìn)的C-17運(yùn)輸機(jī)(環(huán)球霸王)的鈦合金用量(10.3%)相當(dāng)。

歷史上鈦用量最大的飛機(jī)是SR-71高空高速偵察機(jī)(黑鳥)，其鈦用量達(dá)到93%，號(hào)稱全鈦飛機(jī)。其飛行速度達(dá)音速的3倍，飛行高度達(dá)3萬(wàn)米。

60年來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料用量的總趨勢(shì)是從鋼、鋁時(shí)代逐漸轉(zhuǎn)化成冷端以鈦為主、熱端以鎳為主的鎳、鈦、鋼“三足鼎立”的時(shí)代。未來(lái)的趨勢(shì)是部分地被樹脂基、金屬基、陶瓷基復(fù)合材料和金屬間化合物所取代。

我國(guó)太行發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)25%，與國(guó)外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量相當(dāng)。我國(guó)正在研制的高推重比軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量預(yù)計(jì)為30%至35%。

“五大金剛”之二：復(fù)合材料

發(fā)展“浪潮”洶涌澎湃

20世紀(jì)60年代末，高性能碳纖維作為增強(qiáng)纖維實(shí)現(xiàn)了初步的商業(yè)化，以連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的高性能樹脂基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。

自20世紀(jì)70年代后，航空工業(yè)中復(fù)合材料的使用量正在不斷地增加。制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)材料包括鋁、鋼和鈦。復(fù)合材料的主要好處是減輕飛機(jī)重量和較簡(jiǎn)單的裝配。復(fù)合材料也用于替換老舊飛機(jī)上的金屬部件。

復(fù)合材料不僅比強(qiáng)度、比剛度高，而且便于整體結(jié)構(gòu)化，因而顯著減輕了飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量(例如波音787減重4500千克)，相應(yīng)地顯著減少了燃油消耗(例如波音787減耗8%)。

到了21世紀(jì)的前10年，高性能復(fù)合材料飛機(jī)應(yīng)用的兩個(gè)劃時(shí)代意義的里程碑當(dāng)數(shù)空客公司的A380飛機(jī)和波音公司的“夢(mèng)幻飛機(jī)”波音787飛機(jī)。其中，在A380上，高性能復(fù)合材料用量達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)用量的25%。波音787復(fù)合材料整體機(jī)身段是新一代大型飛機(jī)材料技術(shù)的第一亮點(diǎn)。波音787的整個(gè)機(jī)身是由若干個(gè)整體機(jī)身段組成的，從而減少了1500個(gè)零件和4萬(wàn)至5萬(wàn)個(gè)連接件，顯著減輕了結(jié)構(gòu)重量，大幅度地降低了制造、裝配、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

液態(tài)復(fù)合成型和自動(dòng)化鋪層等新型制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，如虎添翼地促進(jìn)了復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用。

我國(guó)一些飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料用量也在不斷提高。第三代殲擊機(jī)為6%至9%，新型殲擊機(jī)殲20為29%(已占首席)。軍用運(yùn)輸機(jī)Y-20目前為8%，商用支線飛機(jī)ARJ21為1%，干線飛機(jī)C919目前為12%。正在研制中的新型商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料用量預(yù)計(jì)約1%。

“五大金剛”之三：高溫合金

在發(fā)動(dòng)機(jī)中享“皇冠”地位

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的抗疲勞性能、抗斷裂韌性等綜合性能，又被稱為“超合金”。

高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。

在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%至60%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端零部件;此外，還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

F119渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤用了第二代粉末高溫合金，渦輪葉片用了第二代單晶高溫合金。前者被稱為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的“皇冠”，后者被稱為“皇冠上的珍珠”。

我國(guó)也已成功地研制了單晶渦輪葉片和粉末渦輪盤，并已先后應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

“五大金剛”之四：鋁合金

不斷亮出制勝“法寶”

美國(guó)的鋁合金研制，在7075(上世紀(jì)40年代推出)、7050(70年代推出)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，先后在上世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)初推出7150、7055和7085合金。在第一代蒙皮合金2024(30年代推出)等的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，在上世紀(jì)90年代推出了第二代蒙皮合金2524。其中7150、7055和2524被稱為美國(guó)20世紀(jì)后期借以建立航空鋁合金優(yōu)勢(shì)的“三大法寶”，而7085則是美國(guó)21世紀(jì)借以擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)的“最新法寶”。

鋁鋰合金的發(fā)展也提高了鋁合金的競(jìng)爭(zhēng)力。

7085的問(wèn)世為特大鍛件在A380上的應(yīng)用開辟了道路。已有高強(qiáng)鋁合金的鍛件或厚板的厚度均有一定限制，例如7055限于38毫米，7150雖較理想，其厚度也不允許大于120毫米。為了能獲得厚度更大的高強(qiáng)鋁合金鍛件或厚板，美國(guó)Alcoa公司開創(chuàng)了一個(gè)具有專利權(quán)的7085鋁合金，由于淬透性和熔鑄性好，其最大厚度可達(dá)250毫米。用7085合金制成的特大的梁模鍛件已成功地應(yīng)用于A380大型客機(jī)。

“五大金剛”之五：鋼

仍占有不可或缺的地位

超高強(qiáng)度鋼300M、Aermet100、S50的先后問(wèn)世，使鋼的競(jìng)爭(zhēng)力不斷提高。

美國(guó)B737-300型及其后推出的波音系列客機(jī)的鋼制起落架基本上都選用300M鋼。美國(guó)的第三代戰(zhàn)斗機(jī)也通常選用300M鋼制造起落架，但第四代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-22和F35的起落架開始選用新推出的Aermet100。與300M鋼相比，Aermet100不僅強(qiáng)度更高一些，而且抗腐蝕能力和損傷容限要好得多，疲勞性能也更好。然而，迄今為止，美國(guó)的民用客機(jī)仍未選用Aermet100，價(jià)格太貴可能是一個(gè)重要原因。

S50的耐腐蝕性能又比Aermet100高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

我國(guó)C919客機(jī)的起落架活塞桿等關(guān)鍵零部件就是用300M鋼制成的。

在航空事業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，材料的更新?lián)Q代的速度是越來(lái)越快，材料和飛機(jī)一直在相互推動(dòng)下不斷發(fā)展。

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