航空材料的发展现状与展望-----08032328冯绍红摘要:航空材料的发展事关我国近后几年甚至几十年航空技术的发展,间接关乎我国空中力量的强弱.对于科技迅猛发展的现代,空中力量是一个国家强弱的标志.在此介绍现代飞机和先进航空发动机的技术特点及其对材料和构件的需求;指出了目前我国航空材料研究中的关键技术,分析了其中一些主要项目的发展现状、存在问题和解决办法;最后,对我国航空材料和热工艺技术的发展方向、前景做以分析并提出个人的建议。

关键字:航空材料;复合材料;合金;超高强度钢航空材料的发展现状科学技术发展和国民经济建设的重要支柱以及21 世纪关系国家安全、推动技术进步和经济发展的三大关键技术之一是先进材料。

航空材料及其制备技术是航空三大关键技术之一,是材料科学领域中富有创造性和开拓性的一个重要分支,是航空现代化和高科技发展的物质基础。

先进材料还是航空技术的先导,先进飞机和航空发动机对材料技术的依赖性越来越大,航空材料是航空产品的技术性能、生存能力、延长寿命和提高经济可承受能力的基础,属于优先发展、重点突破的关键技术。

航空材料的研发和应用水平也反映着一个国家的综合实力和科技水平。

从1980年到2000年以来,现代航空材料取得了重大发展,图1示出飞机用结构材料的发展趋势,目前国外干线客机和军用飞机各类材料结构质量分数占比见表1 ,2 ,从表中可以看出,现役飞机仍以铝合金为主,钢用量趋于减少,钛合金用量显著增加,树脂基复合材料已在承力件上得到全面应用。

现代飞机结构材料的发展目标和趋势是:(1) 大力发展高比强度、高比刚度、高韧性、高损伤容限、抗腐蚀、耐环境侵蚀的先进结构材料和整体结构,实现结构减重。

(2) 积极开发结构承载和功能一体化的材料,要求采用既承受气动载荷又具备多功能的复合材料和结构。

(3) 加强新材料疲劳寿命、耐久性和损伤容限的研究,提高机体的使用寿命和可靠性。

(4) 重视新材料及相关制备技术的研究,不断降低制造和维护成本。

航空发动机的发展方向是提高涡轮前温度、提高压气机增压比和降低油耗,我国在发动机推重比发展趋势方面与世界各国的差距仍有逐渐扩大的趋势。

现代航空发动机结构材料总的发展趋势是,2000年以后传统金属材料和工艺将逐渐被一些新型材料和先进制造技术所代替。

其主要的特点是:(1) 采用带热障涂层和各种先进冷却方式的单晶涡轮叶片或无冷却陶瓷、C/ C 复合整体涡轮,以适应1 650 ℃以上使用和满足减重要求。

(2) 减少压气机级数,采用整体结构;用高温钛合金和金属间化合物制造低展弦比无凸台空心叶片。

(3) 燃烧室采用短环形、浮壁结构,由金属发展到陶瓷浮壁、整体结构。

(4) 长寿命和降低全寿命成本,如F - 119 发动机总寿命为8 000h ,发动机冷端和热端寿命要求分别达到4 000 h 和2 000 h 。

对航空材料的要求高性能飞机的特点是具备优良的战术技术性能和机动性;安全可靠、长寿命以及具有良好的使用维护经济性,所以对新一代材料有以下要求:(1) 高性能。

要求质轻、高强、高模、高韧、抗疲劳、抗振动、耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀。

(2) 高功能、多功能。

用于雷达、火控和隐身结构的材料要求有高功能的光、电、热、磁特性;承载和功能一体化以及多功能化。

(3) 复合化。

采用树脂基、金属基、陶瓷基、C/ C 复合材料。

(4) 智能化。

采用智能材料和结构,能实现自诊断、自适应、自修复和寿命预测。

(5) 近净形化。

采用精铸件、精锻件、喷射成形件等工艺。

(6) 低成本。

包括原材料、制备和加工、检验、评价以及维修方面的低成本。

(7) 环境相容性。

要求低、无污染,有良好的可回收性。

发展中亟待突破的技术问题(1)钛合金构件钛合金在飞机和发动机中的使用量也是衡量其先进性的重要指标之一,如美国第四代飞机F - 22 机体钛合金使用量已达41 % ,其中,特大型钛合金整体锻件已广泛用于机翼和后机身;而美国先进的V2500 发动机钛合金用量也达到了30 %左右。

我国航空用钛量与国外相差悬殊,进一步提高用量并赶上国际先进水平是目前我国钛合金应用研究的主要目标之一。

美国在第四代飞机中采用了一批大型整体钛合金锻件,如F - 22 机身4 个承力框锻件重量达2～3 t ,机翼隔框锻件投影面积达5. 53 m2 ,而国内生产中等强度钛合金锻件的投影面积较小。

这几年我国在高性能新型钛合金的开发和应用研究方面取得了一定的成绩, 特别是对高强度钛合金如TB6 、TB5 、TB8 、TC18 等和中强高韧钛合金如TA15 、TC4 、TC6等的研究已积累了较丰富的应用经验,但目前仍要加强新型高强、高韧、可焊、损伤容限型钛合金(如TC21钛合金) 和中等强度高损伤容限型钛合金(如Ti - 6Al- 4V EL I) 等的研究和在新机种上的应用。

我国耐热钛合金开发和应用方面也落后于工业发达国家,英国的600 ℃高温钛合金IMI834 已正式应用于多种航空发动机,美国的Ti - 1100 也开始用于T55- 712 改型发动机,而我国用于制造压气机盘、叶片的高温钛合金尚在研制中。

其他像纤维增强钛基复合材料、抗燃烧钛合金、Ti - Al 金属间化合物等虽都立项开展研究,但要实际应用还需一个过程。

为此,建议加速进行适应损伤容限设计需要的高强韧钛合金TC21 合金和中等强度高损伤容限型Ti -6Al - 4V 的研制和工程化应用研究;发展大型整体模锻件的锻造技术、焊接技术,包括大型锻件的拼焊、超塑成形/ 扩散连接技术及相应的装备;加强高温钛合金成分和热工艺研究,解决蠕变抗力和热稳定性的最佳匹配问题;进一步开展大型、薄壁、复杂钛合金精密铸件的研究和应用;发展钛合金构件防热耐冲刷的涂层等技术。

(2)铝合金构件铝合金是飞机结构的主要材料。

F - 22 战机采用了当时(20 世纪80 年代初) 最先进的高纯铝合金7050和2124 ,用作机体内部的框架、加强肋、腹板、接头件以及某些蒙皮等结构,其重量占前机身的50 % ,中机身的35 % ,后机身的22 % ,中央翼的23 %。

90 年代以来,航空铝合金发展有了重大突破, 研制成功了以7150 、2524 、7055 、2197 为代表的高性能铝合金,满足了新型低成本、多用途第四代战机设计选材的需要。

1995 年开始研制、2000 年首飞的F - 35 战机上采用了这几种最先进的铝合金,其总用量在30 %以上,仍占主体地位。

图3为飞机用铝合金屈服强度近年来的发展情况及其应用年份。

80 年代以来,采用快速凝固粉末冶金工艺研制成功Al - Fe - Mo - Si 系高温铝合金,它们在150～350 ℃间仍具有良好性能。

高温铝合金、阻尼铝合金已取得初步成果,复杂薄壁精密铝合金铸件已用于直升机粒子分离器前机匣(薄壁整体封闭型腔、无余量三层结构) 和飞机进气道唇口铸件( Ⅰ类,ZL114A 合金) 。

图3在我国,已经在“七五”、“八五”期间对几类先进铝合金进行了一定程度的开发,但还需进行工程化应用研究。

另外,大规格的铝合金预拉伸厚板的需求进一步扩大,国内现有的设备还需进一步改造。

为此建议,根据第四代机的需求,重点开展抗拉强度在700 MPa以上超高强度铝合金和耐温在150～300 ℃以上的高温铝合金;重点加强现有铝合金的标准体系研究和新型铝合金工程化研究,开展大规格厚板应用和熔炼、轧制、热压、等温锻造工艺研究;加强铸造铝合金及其复杂薄壁零件的研究;筹建大吨位锻压设备,用于大规格型材、挤压壁板和大规格厚板的生产。

(3)超高强度钢超高强度钢在现役飞机中约占5 % ,用于重要承力件中,如起落架、翼梁、承力螺栓等,其中第I 类为低合金超高强度钢,具有中、高强度和中等断裂韧性,如GC - 4 , ЗИ643 ,300M ,35NCD 等;第II 类为高Co 的低碳二次硬化高强度钢,严格控制Si ,Mn 含量,采用碳化物二次硬化,具有超高强度、高断裂韧性和低裂纹扩展速率( d a/ d N ) ,如AF1410 ,Aermet 100 ,Aermet310 等;第III 类为新型耐蚀高强度钢、新型不锈钢和齿轮钢。

表3列出几类超高强度钢的典型力学性能,表3其中Aermet100 比强度高,已成功用作F - 22 飞机起落架,近年来俄罗斯研制出的超高强度钢КВК42 和ВКС240 强度已分别达到2200 MPa 和2 400 MPa 。

我国超高强度钢已成功用于现役机种,使起落架的寿命达到与机体同寿。

强度更高、韧性更好的超高强度钢正在应用研究中。

近期还发展了两种具有高断裂韧性的超高强度耐蚀不锈钢和齿轮钢。

当前除应进一步提高超高强度钢大型锻件的质量外,还应加强新一代机种所需要的超高强度钢、新型高强度耐蚀钢、齿轮钢以及σb≈2 400 MPa 的超高强度钢的研究。

(4)复合材料构件复合材料的使用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要特征之一,如美国F - 22 飞机树脂基复合材料用量达24 % ,F - 35 (J SF) 飞机的复合材料使用量达30 %。

我国的复合材料研制和开发能力已初具规模,并能生产出一些大型复合材料构件,但用量较低,在应用基础研究方面尚待加强;树脂尚未形成系列,质量不稳定;国内基础工业也较薄弱,一些增强材料尚不能完全立足于国内;复合材料与制造技术的工程化问题尚待解决,过去的成果大部分是在试验室完成的,缺乏工业化、批量生产和规模化生产的经验,低成本的复合材料制备和加工技术研究还不够深入。

20 世纪70 年代以来,在金属、陶瓷、石墨基体中添加不同增强剂的高温结构复合材料已取得重要发展,图4示出了高温结构复合材料的使用温度范围。

(1) 金属基复合材料。

近年来,以铝、钛及金属间化合物为基的复合材料也取得了重大进展,如以SiC 纤维增强的Ti 、Ti3Al 、TiAl 和MoSi 为基的复合材料。

采用高熔点金属间化合物Nb3Si 或Nb5Si3 加入Nb 合金中形成Nb - Si 自生复合材料,工作温度较单晶高200 ℃,密度比第三代单晶低25 % ,也是一种有应用前景的金属基复合材料。

(2) 陶瓷基复合材料。

目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC 或C 纤维增强的SiC和Si3N4 基复合材料,用于制造静止零件,如加力筒体、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等以代替高温合金。

增韧Si3N4 、SiCF/ SiC 和图4CF/ SiC 复合材料分别耐温1 350 ℃、1 450 ℃和1 650 ℃,国内外已制成多种全陶瓷模拟件,并在进行试验评定。

(3) C/ C 复合材料。

C/ C 复合材料由于具有密度小于2 g/ cm3 、耐温高于2 000 ℃以及高强度、高模量、高导热性、低膨胀率以及良好的抗蠕变和抗热冲击性等优点,已成功应用于火箭发动机的喷管喉衬、隔热瓦片和飞机刹车块等部位,这种材料主要的弱点是抗氧化性差,因此,发展新的涂层系列将成为C/ C 复合材料应用于高推比发动机的关键技术。