航空材料与飞机研究进展

航空材料的研究进展报告人：王桂青航空材料发展的几个阶段高温合金铝合金钛合金超高强度结构钢复合材料报告内容一部人类文明史从某种意义上说就是一部使用材料和发展材料的历史。对材料的认识、以及研制材料、发展材料、使用材料的能力是人类社会进步的最基础、最原始、最本质的驱动力。材料的使用与发展航空工业领域从来就是先进材料技术展现风采、争奇斗艳的大舞台。100多年来，材料与飞机一直在相互推动不断发展，至今已经历了四个发展阶段，正在跨入第五阶段。第一阶段是1903～1919年，机体采用木、布结构。第二阶段是1920～1949年，机身使用了铝合金和钢。第三阶段是1956～1969年，飞机材料中增加了钛。第四个阶段是1970年到当前，其特点是增加了复合材料。航空材料发展的几个阶段现代飞机和发动机中最重要的五大类结构材料：高温合金、铝合金、钛合金、超高强度结构钢、复合材料高温合金高温合金是为满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，是军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已超过50%。可以说，没有高温合金就没有现代航空工业。高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关。发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用。真空熔炼技术：使得合金中有害杂质和气体有效去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高，研制出了Mar-M200、In-100和B-1900等高性能的铸造高温合金。定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功推动了高温合金的迅猛发展。定向凝固技术最为突出。目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。高温合金制造工艺从国际范围来看，Ni基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系定向柱晶合金发展了三代，第二、三代合金与第一、二代单晶合金性能相当。单晶合金第一代、第二代、第三代都已成功在航空发动机上应用，如PWA1480、PWA1484、CMSX-4、ReneN5、RR3000等。四代单晶合金也在研制之中，并制造成复合冷却空心叶片，用于高性能发动机。新单晶合金的超冷叶片（双空壁铸冷）也在高性能验证机上使用。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，在先进高性能发动机上使用。如损伤容限粉末合金Rene'88DT已用作F119发动机一级涡轮盘。国外高温合金的发展20世纪70年代前高温合金的创业和起步时期，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形高温合金，如GH4133、GH4049、GH4169以及K系列的铸造高温合金，如K403、K405、K417G等。其中有仿苏联、仿欧美，也有独立自主研制的。同时也发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。其中最为突出的是K417合金9小孔空心冷却涡轮叶片，它是我国第一个铸造空心冷却叶片在航空发动机上使用。我国高温合金的发展用于生产铸造涡轮叶片的模具组20世纪70年代后，我国测仿了欧美航空发动机，高温合金的研制中也引进了欧美的技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高的要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。DZ系列的定向凝固柱晶合金如DZ4、DZ22等，DD系列的单晶合金DD3、DD402等使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶，基本达到和接近西方工业发达国家的水平。最为显著的是复合冷却DZ22定向柱晶无余量精铸叶片的研制，已在某高性能发动机上成功应用。DD3单晶涡轮叶片和FGH95粉末盘首次在小型发动机上使用，开创了先进高性能发动机研制的新局面。我国高温合金的发展铝合金铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度较低，因此在同样的强度水平下可提供截面更厚的材料，在受压时的抗屈曲能力更佳，因此铝合金成为经典的飞机结构材料。欧美国家航空铝合金的发展已经历了第一代静强度铝合金、第二代耐腐蚀铝合金和第三代高纯铝合金。它们广泛用作B737、B747系列改型、B757/767、A320、A330、A340等民用客机以及F15、F16、F18、F22等战斗机主体结构材料。特点发展20世纪80年代末至90年代中期，第四代耐损伤铝合金2524-T3和7150-T77的研制成功是航空铝合金跨时代的进步，是铝合金发展史上的里程碑。引领这个发展的推动力来自精密热处理技术及合金成分精确控制等关键技术的突破。传统铝合金因此完成了向高性能铝合金的里程碑式大发展，其标志性产品是2000系传统铝合金和7000系传统铝合金推陈出新的牌号——耐损伤2524-T3合金和高强、高韧、耐蚀7150-T77和7055T77合金。7150-T77厚板和挤压材、7055-T77厚板和挤压材、2524-T3板材、2197-T861板材等高性能铝合金为第四代战斗机F-35、第三代民机B777以及大型军用运输机C-17等飞机耐久性/损伤容限设计思想的实现提供了材料技术保障。铝合金——发展在第四代铝合金技术发展的时，铝锂合金在最先进的特大型民用飞机A380上的大量应用是空客新一代飞机的一大特色。A380选用铝锂合金制造地板梁，A350选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量预计高达总结构重量的23%。空客A350宽体飞机空客A380铝合金——发展新型高强铝合金7085的问世为特大锻件在A380上的应用开辟了道路。已有高强铝合金的锻件或厚板的厚度均有一定限制，例如7055限于38毫米，7150虽较理想，其厚度也不允许大于120毫米。为了能获得厚度更大的高强铝合金锻件或厚板，美国美铝公司开创了一个具有专利权的7085铝合金，由于淬透性好，其最大厚度可达300毫米，制成的A380飞机后翼梁是迄今为止最大的一个飞机模锻件，尺寸为6.4米×1.9米，重约3.9吨。铝合金——发展国内航空铝合金的发展已走过几个发展阶段。总的讲，我国铝合金的研制主要跟踪国际先进水平，但关键技术的突破以及品种、规格的系列化发展和工程应用水平距离国外还有较大差距，亟待建立第三、四代铝合金完善的材料体系。铝合金——国内发展除铝合金材料之外，欧洲首先发明了纤维-金属层板复合材料，其早期产品是芳纶纤维-铝合金复合材料层板，出现已超过20年，其后是玻璃纤维-铝合金层板。美铝公司又推出所谓“无忧”材料混杂结构创新的概念，它合了纤维增强树脂基复合材料抗疲劳的优势和先进铝合金材料低成本、抗腐蚀的性能优势，可望在未来的机身材料竞争中占得一席之地。铝合金复合材料——发展铝合金所能承受的温度载荷有限，导致钛合金航空材料在20世纪70年代出现，并在飞机上使用。飞机结构钛合金材料钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，因而在飞机及发动机上获得了广泛应用。当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一。钛合金铝合金的缺点钛合金的缺点钛合金的应用钛合金国外军用运输机钛合金用量也在不断提高。美国1970年开始服役的C-5运输机钛用量为6%，1992年开始服役的C-尔-76运输机的钛合金用量达12%。钛合金在国外民用飞机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。钛合金——应用高损伤容限性能是新一代战斗机（包括高推比发动机）长寿命、高机动性、低成本和损伤容限设计需要的重要材料性能指标。美国率先把破损-安全设计概念和损伤容限设计准则成功应用在先进战斗机上。F-22战斗机的一个非常明显的特点就是大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以此满足高减重和长寿命的设计需求。其被选用在F-22飞机中后机身、机翼、发动机附近对强度及耐久性要求高的重要或关键承力部件如梁结构等，而F-22后机身几乎就是钛合金与复合材料制造的。钛合金——应用Ti-6Al-4VELI在美C-17军用运输机上的特大型锻件上得到重要的应用；高强度钛合金Ti-6-22-22S也在C-17飞机上的水平尾翼接头(转轴)等重要关键部位上得到应用。这两种钛合金的使用使大型运输机的寿命超过60000飞行小时！！钛合金——应用在欧洲，空客A380是首次推出全钛挂架的飞机，未来的A350也将采用全钛挂架。此外，空客公司与俄罗斯合作在BT22(Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe)基础上研发的一种新合金，具有强度与韧性的优良组合，已用于A380机翼与挂架的连接装置。A380客机的钛合金刹车扭力管采用离心熔模精铸技术制成，这是欧洲首次采用钛合金刹车扭力管精铸件取代以往的锻件。钛合金——应用副翼强支座后梁Ti-6Al-4V合金侧机身接头精铸件前梁吊架铸件梁Ti-6-22-22锻件Ti-6-4锻件Ti-6-4EL1锻件、厚板Ti-6-4薄板7050铝厚板石墨、双马来（BMI）复合材料F-22机翼结构材料高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件。这些零件要求材料在高温300℃～600℃的工作条件下具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固熔强化型的高温钛合金最高工作温度由350℃提高到了600℃。航空发动机用高温钛合金我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有TC4和TC6，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片。500℃左右工作的高温钛合金有TC11、TA15和TA7合金，其中TC11是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金。已经正式获得应用的600℃高温钛合金是IMI834钛合金，该合金已经成功应用于EF2000战斗机发动机上，用于制造高压压气机整体叶盘。我国的600℃高温钛合金Ti60还处于研制阶段。航空发动机用高温钛合金一是600℃高温钛合金整体叶盘，它已用在第四代战斗机的动力装置推重比10发动机F119和EJ200上。风扇、压气机和涡轮采用整体叶盘结构，与普通的叶片-轮盘榫槽连接结构相比可减重30%。其整体叶盘结构示意图见图所示。其次是TiAl金属间化合物材料。它具有低密度(3.8～4.0克/厘米3)、高弹性模量(～160吉帕)、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在760℃～800℃长期工作，是非常具有发展前途的轻质耐高温结构材料，在航空发动机上最佳的应用是制造高压压气机叶片和低压涡轮叶片。高温钛合金领域几个重要的发展方向超高强度钢在飞机上的关键应用是作为起落架材料。第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1.7吉帕，涉及的主要制造技术有锻件锻造工艺、零件在空气炉或保护气氛炉中的热处理工艺、焊接工艺、以镀铬为主的防护工艺等。这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时，如国内歼7飞机的起落架等。超高强度钢第三代战机设计要求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，这就要求起落架选材和制造技术取得进步，因此300M钢（抗拉强度1.95吉帕）应用到第三代飞机的起落架上，主要的制造技术包括大型整体锻件锻造工艺、零件真空热处理工艺、表面强化工艺（喷丸、孔挤压、螺纹滚压）、和表面防护工艺（镀镉-钛）和镀铬等。美国和我国的第三代战机均采用300M钢起落架制造技术。超高强度钢材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步提高和适应性的扩大。如A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求。新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。超高强度钢Aermet100比强度很高，用作F-22飞机起落架。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。超高强度钢飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高的要求，AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起