航空航天材料

材料与航空航天2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛目录前言航宇材料的特点材料在航空航天的地位航宇材料1234结束语52008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛航空与航天的发展是人类现代化的重要标志之一，也是一个国家科技水平与工业水平的体现。当前大飞机的立项与神舟7号的成功，为国人长志气，为世人所瞩目，是我国宇航工作者的骄傲，也是材料工作者的光荣。现仅就航空航天材料的一般情况进行介绍，以供参考。由于航空航天事业发展很快，对材料的需求也与日俱增，青年科学工作者继往开来，责重道远。前言2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛航宇材料的特点总要求高质量高可靠性保障供应价格因素2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛航空材料的特点高性能（高比强度及比刚度，耐高温）长寿命（抗疲劳，耐腐蚀与氧化、抗磨损、耐高温）高可靠性（测试与质量保证的投入高）投入或损失可靠性图1材料测试投入与报废率的关系2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛航天材料的特点除高比强度、高比刚度、高可靠、批量小、高成本以外。还要求：耐空间环境真空出氧和质量损耗耐电子和原子辐照耐氧原子：氧原子在高空200km，飞行速度达8km/s条件下，温度可达1000～1500K，有机物挥发严重。耐冷热交变疲劳（-120℃～+170℃）抗空间微陨石和空中垃圾撞击，以及屏蔽设计选材2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛因再入温度可高达2000℃以上，用于军事目的的导弹还要求弹头材料耐更高温度和比强度。弹头减轻1kg，可增加15km的射程或相当于减少起飞重量50kg，下图为材料与导弹射程的关系。射程(公里)玻璃钢芳纶C/C复合材料金属图2导弹壳体材料与射程关系此外，由于再入时温度过高，烧蚀材料发生电离，形成黑障及尾流，要求防热材料高纯度，碱金属或碱土金属含量要求很低。2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛0材料性能（比强度、比刚度等）飞行器所收效益与飞行速度有关，因而飞行器材料的价格与飞行器的速度密切相关。材料在航空与航天所处地位图3飞行器每减重1公斤减重所取得的经济效益汽车材料……………………….1民航材料…………………100军机材料………………150空间材料………..1,500以效能为重点以价格为重点图4不同材料使用性能与价格关系（价格VS效能）2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛对卫星及航天飞机来说，需要最好的材料，而很少考虑材料的价格，因为选用好材料每减重1克其收益就很显著，反之汽车每减重1公斤，所得收益很少，而材料在汽车产值中占53%，材料的价格就影响很大。材料决定飞机及其发动机的性能，因而有“一代材料，一代飞机”，“一代材料一代发动机”的说法。图5材料对飞机性能的提高所处地位42%294269%29％29%2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛由于材料、设计及动力装置的不断改进，以及机型的加大，波音飞机从波音707（1958）到747（1988），燃油效率提高2.5倍。图6历代民机座·哩的油耗燃油效率(每座·哩/加仑)初始服役年份客机从波音707到747，30年间燃油效率提高2.5倍2.5倍2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛航空发动机是飞机的心脏，下表为历代发动机的主要参数及所用材料航宇材料表1国外军用发动机典型部件现役机种(3代)现役机种(4代)预研机种(5代)整机推重比7-99-1115-20代表型号F100，RB199F119压气机增压比20-3035-4065-75出口温度(℃)590695765关键材料钛合金、高温合金TiAl,Ti合金高温合金Ti合金、TiAl金属基复合材料燃烧室温升(℃)8001050-11501250-1350关键材料850℃镍基高温合金1100℃镍基高温合金+陶瓷涂层1540℃陶瓷基复合材料高压涡轮进气温度(℃)1350-15001550-17501800-2100绝热效率0.860.89-0.900.92冷却复合冷却高效冷却气膜冷却关键材料定向凝固或单晶叶片(1100℃)粉末涡轮盘单晶叶片+热障涂层金属间化物(1200℃)多孔层板金属间化物复合材料C/C复合材料2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛推重比的不断提高要求材料的轻量化，高压涡轮温度的攀升是材料中的最大难点。除了采用耐高温材料以外，需要有效冷却。图7为美国宇航局对今后航空发动机材料的预测。图7未来发动机材料预测Ni基合金Ti基复合材料难熔钢Ni、Fe、Nb铝化物基复合材料钛铝化合物基复合材料碳基复合材料钴基合金高分子基复合材料Al、Mg基复合材料可以看出，今后TiAl基材料大幅增加，不耐氧化的碳基及难熔金属也将介入。2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛应该指出，涡轮前温度提高对发动机推力的提高十分重要，一般来说，涡轮前温度每提高100℃，推力提高20～25％，热效率提高8％，对材料来说，难度最大的是涡轮叶片和涡轮盘。对叶片材料来说，目前是镍基高温合金，由于熔点（1250～1350℃）所限，工作温度不可能太高，因而采用以下几种措施：1.发展更耐高温的合金2.采用先进制造工艺铸造高温合金：多晶（1958）－柱晶（1962）－单晶（1970）3.采用不同冷却技术对流冷却（60年代初，美61年，中国66年）冲击冷却气膜冷却层板冷却（冷却效果700-800℃）发汗冷却（难点：碳化问题）4.发展热障涂层导热率最低的ZrO2涂层可提高250℃，用于海洋及工业气氛中的抗腐蚀涂层采用Pt-Al，一般腐蚀采用Al或MCrAlY2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛涡轮盘在航空发动机中是另一类难度最大的材料，温度虽然不太高（850℃），但受力复杂，除承受涡轮叶片高强的离心力外，还有热应力，涡轮盘的断裂将导致机毁人亡，而且由于其尺寸较大，在凝固过程中容易发生合金元素的偏析，而导致脆性相的发生。解决的办法：1.粉末冶金法真空感应炉熔炼－喷粉－粉末筛分－去夹杂物－除气装罐－热等静压－等温锻造成型2.喷射成型合金熔炼－雾化沉积－锻压成型，工艺简单，成品率高，洁净度高3.复合结构涡轮盘4.整体成型用于小型发动机，铸造→HIP→探伤→机加工5.低偏析技术降低微量元素含量，减少偏析，可提高锻造温度，降低抗力，精密成型，提高成品率2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛轮缘（高温，粗晶）轮体（高强，细晶）图8复合结构的涡轮盘图9整体成型的涡轮盘图10高温合金凝固中的低偏析原理2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛飞机材料一直以铝为主，近年来钛合金及复合材料发展很快。机种年代材料（％）铝钢钛复合材料B7471969811341A300B1973761345B7571982781263B7671981801423A320198776.513.54.55.5B77719947011711A340199175868A3802005－－1022B7872007－－1550A3502010－－937表2民机机体主要材料的使用量2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛几种典型材料1.复合材料复合除有较高的比强度、比刚度、抗疲劳及消震性能以外，还有整体制造和智能化的优点。所谓智能化就是通过功能元件、光纤传导，达到自诊断，自恢复及自愈合的目的，这是其它类型材料难以完成的。复合材料大体可分为以下几种类型：高分子基：树脂＋增强体应用广泛金属基：成本高，回收难，未能大量推广陶瓷基：作为解决脆性的一个途径碳碳复合材料：超高温，高强，高模量2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛图11结构用材料的比强度与温度的关系图12高温材料工作温度和强度的关系表3几种复合材料与金属材料性能对比纤维(%)比重强度(MPa)模量(GPa)碳纤维/树脂651.51380124S玻璃/树脂651.71100180E玻璃/树脂651.716048芳纶/树脂651.3124060钢07.81380200铝02.756070Ti6Al4V04.515001102008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛碳纤维1878年，爱迪生用棉、竹经硝酸处理溶于酒精纺成丝，高温碳化成为电灯丝1910年，GE实验室的W.D.Coolidge用钨丝代替碳丝1959年，美国（UnionCarbide）用人造丝造碳纤维1959年，日本进藤昭男用聚丙烯腈造碳纤维，1970年又发明以沥青作原料1962年，金属所、长春应化所开始研究碳纤维聚丙烯腈（PAN）碳化（1000－1600℃）预氧化（200－300℃）碳纤维石墨化（2500－2800℃）高模量765432图13不同型号碳纤维的强度和模量2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛碳纤维的用途体育器械：球拍、鱼竿等工业：建筑、风扇叶片、电缆芯等航空航天：飞机机体材料、卫星结构材料等图14复合材料在军民用飞机上的应用增长趋势82008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛2.高温合金在现代航空发动机中，高温合金占50%图15世界高温合金的发展趋势和我国主要合金的研制2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛合金牌号CrCrMoWTaReNbAlTiHf比重工作温度(℃)第一代（1984）PWA1480105-412--5.01.5-8.70~950Rene’N498264-0.53.74.2-8.56CMSX-2850.686--5.61.0-8.56DD39.5545.5---5.82.0-8.20第二代（1989）PWA14845102693-5.6-0.18.95~980Rene’N577.51.5573-6.2-0.158.63CMSX-46.590.666.53-5.610.18.70DD64.39287.520.55.6-0.18.83第三代（1994）Rene’N64.212.51.467.25.4-5.75-0.158.98~1100CMSX-10230.45860.15.70.20.039.03第四代MC-N94-1554-60.50.18.75（Ru4%）表4单晶叶片（镍基高温合金）典型成分特点：第二、三代加Re（铼），第四代又加Ru（钌）4%2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛除镍基高温合金外，Ni-Al中间化物研究颇多，如NiAl和Ni3Al系高温合金。NiAl在Ni-Al系中具有最高熔点（1640℃），Ni3Al（1395℃），密度低（5.86)，Ni3Al（7.5），特别是热导率是一般高温合金的4－8倍，这对叶片温度分布均匀，防止局部过热大有好处，尤其对空心叶片冷却效率的提高更为有利，所以国际上对此十分注意，但是这种材料的弱点就是室温塑性和韧性很低，尽管在较高温度下具有超塑性。Ni3Al（γ’）是镍基高温合金的主要强化相，在IN-100合金中已占70%，但以此为基的合金却因脆性问题而未成功。1979年日本人发现加硼能提高塑性。北京航材院韩雅芳研制的IC6（Ni-14Mo-Al-8）成分简单，初熔温度高（1315℃，比镍基合金高50－70℃），铸成定向凝固的导向叶片已用于发动机，这是国际上第一个达到实用状态的镍基中间化合物。2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛表5几种典型涡轮盘成分合金CrCoMoWNbTiAlFeCIN718Rene95Udimet700Rene88DTЭП7421914151614--818.5131033.5545--3.5--4--5.13.5--0.72.60.92.53.43.72.60.53.54.32.12.618.5--------0.080.160.070.030.062008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛3.钛合金及中间化合物钛合金特点：资源丰富，次于铁、铝和镁居第四比重小（4.51，高温合金8.0）耐腐蚀（特别耐海水腐蚀），不抗氧化（钛火）弹性模量低（103GPa）（高温合金200GPa），消震性能好、无磁、无毒，生物相容性好熔点高（1675℃），但高温强度低（650℃)2008航空宇