第一章航空材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1、第 章 航空材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀第 1 頁(yè) 共 8 頁(yè)課 題目 的 與 要 求重 點(diǎn)難 點(diǎn)教 具復(fù) 習(xí) 提 問(wèn)新知 識(shí)點(diǎn) 考查布置 作業(yè)課后 回憶第一章航空材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀明確航空材料在航空制造業(yè)中的地位和作用熟悉復(fù)合材料在航空發(fā)展中的特殊地位和發(fā)展前景熟悉航空產(chǎn)業(yè)對(duì)復(fù)合材料的特殊要求了解目前我國(guó)復(fù)合材料的發(fā)展障礙和復(fù)材相比較，其他材料在航空制造中的地位和要求明確航空材料在航空制造業(yè)中的地位和作用熟悉復(fù)合材料在航空發(fā)展中的特殊地位和發(fā)展前景和復(fù)材相比較，其他材料在航空制造中的地位和要求熟悉航空產(chǎn)業(yè)對(duì)復(fù)合材料的特殊要求 了解目前我國(guó)復(fù)合材料的發(fā)展障礙熟悉復(fù)合材料在航空發(fā)展中的特殊地位和發(fā)展前景和

2、復(fù)材相比較，其他材料在航空制造中的地位和要求課堂布置和復(fù)材相比較，其他材料在航空制造中的地位和要求備注教員第章航空材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀第7頁(yè)共8頁(yè)4 84JORD 1985199019952000年份圖1現(xiàn)代飛機(jī)用材料的發(fā)展?fàn)顩rFig.1 Development situation of the materialsused for the modern aircraft碳纖維生合材對(duì)oooooo 6 5 4 3 2 IZ/金幫余翔蠅鈦拈化合物合材料警 E? tTtt.135。1970!980199020()02010年時(shí)圖2先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)用材料發(fā)展趨勢(shì)Fig.2 Development trend

3、of materials used for the advanced enginep/翹隹朝苗(在工叁一曲唯£三二在埔圖3葉片合金的承溫能力Fig.3 Temperature bearing capability of the blade alloy1 .主要應(yīng)用1.1. 航空材料的地位和作用先進(jìn)材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要支柱，是21世紀(jì)關(guān)系國(guó)家安全、 推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大關(guān)鍵技術(shù)之一。航空材料及其制備技術(shù)是航空三大關(guān) 鍵技術(shù)之一，是材料科學(xué)領(lǐng)域中富有創(chuàng)造性和開(kāi)拓性的一個(gè)重要分支，是航空現(xiàn)代化和 高科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。先進(jìn)材料還是航空技術(shù)的先導(dǎo)，先進(jìn)飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)

4、機(jī)對(duì)材料技術(shù)的依賴性越 來(lái)越大，航空材料是航空產(chǎn)品的技術(shù)性能、生存能力、延長(zhǎng)壽命和提高經(jīng)濟(jì)可承受能 力的基礎(chǔ)，屬于優(yōu)先發(fā)展、重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。航空材料的研發(fā)和應(yīng)用水平也反映 著一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力和科技水平。1.2. 現(xiàn)代航空材料的基本要求高性能飛機(jī)的特點(diǎn)是具備優(yōu)良的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能和機(jī)動(dòng)性；安全可靠、長(zhǎng)壽命以及 具有良好的使用維護(hù)經(jīng)濟(jì)性，所以對(duì)新一代材料有以下要求：(1)高性能。要求質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模、高韌、抗疲勞、抗振動(dòng)、耐高溫、耐低溫、 抗氧化、耐腐蝕。(2)高功能、多功能。用于雷達(dá)、火控和隱身結(jié)構(gòu)的材料要求有高功能的光、電、 熱、磁特性；承載和功能一體化以及多功能化。(3)復(fù)合化。采用樹(shù)脂基

5、、金屬基、陶瓷基、C/C復(fù)合材料。(4)智能化。采用智能材料和結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)和壽命預(yù)測(cè)。(5)近凈形化。采用精鑄件、精鍛件、噴射成形件等工藝。(6)低成本。包括原材料、制備和加工、檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)以及維修方面的低成本。(7)環(huán)境相容性。要求低/無(wú)污染,有良好的可回收性。2 .現(xiàn)代航空材料的發(fā)展?fàn)顩r2.1. 現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀近20年來(lái)，現(xiàn)代航空材料取得了重大發(fā)展，圖1示出飛機(jī)用結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)外干線客機(jī)和軍用飛機(jī)各類材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比見(jiàn)表1,2,從表中可以看出現(xiàn)役飛機(jī)仍以鋁合金為主，鋼用量趨于減少，鈦合金用量顯著增加，樹(shù)脂基復(fù)合材料已 在承力件上得到全面應(yīng)用。

6、現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展目標(biāo)和趨勢(shì)是 ：表1國(guó)外干線客機(jī)各類材料結(jié)構(gòu)占比w/%機(jī)型首飛年份鋁鋼鈦復(fù)合材料其他B74719698113411B75719827812631B76719818014231B777199470117111DC1019707814512MD111990769582A-320198776.513.54.55.5A-3401991758683(1)大力發(fā)展高比強(qiáng)度、高比剛度、高韌性、高損傷容限、抗腐蝕、耐環(huán)境侵蝕 的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料和整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。(2)積極開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)承載和功能一體化的材料，要求采用既承受氣動(dòng)載荷又具備多功 能的復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)。(3)加強(qiáng)新材料疲勞壽命、耐

7、久性和損傷容限的研究，提高機(jī)體的使用壽命和可靠 性。(4)重視新材料及相關(guān)制備技術(shù)的研究，不斷降低制造和維護(hù)成本。表2國(guó)外軍用飛機(jī)各類材料結(jié)構(gòu)占比w/%機(jī)型設(shè)計(jì)年代鋁合金結(jié)構(gòu)鋼鈦合金復(fù)合材料F-1419693917241F-151972366272F-16197664332F-18197849151210幻影200019692312C y-271969608182F-11719832052510B-219882762337YF-2219893552423F-22198615541242.2. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料發(fā)展現(xiàn)狀先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)用材料的發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)圖 2。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向是提高渦輪前溫度、

8、提高壓氣機(jī)增壓比和降低油耗，我國(guó)在 發(fā)動(dòng)機(jī)推重比發(fā)展趨勢(shì)方面與世界各國(guó)的差距仍有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。以軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，國(guó)外軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)役機(jī)種、研制機(jī)種和預(yù)研機(jī)種的技 術(shù)性能要求、典型結(jié)才和關(guān)鍵材料見(jiàn)表 3?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料總的發(fā)展趨勢(shì)是,2000年以后傳統(tǒng)金屬材料和工藝將逐 漸被一些新型材料和先進(jìn)制造技術(shù)所代替。其主要的特點(diǎn)是：(1)采用帶熱障涂層和各種先進(jìn)冷卻方式的單晶渦輪葉片或無(wú)冷卻陶瓷、C/C復(fù)合整體渦輪,以適應(yīng)1 650c以上使用和滿足減重要求。(2)減少壓氣機(jī)級(jí)數(shù)，采用整體結(jié)構(gòu)；用高溫鈦合金和金屬間化合物制造低展弦比無(wú) 凸臺(tái)空心葉片。(3)燃燒室采用短環(huán)形、浮壁結(jié)構(gòu)，由金屬

9、發(fā)展到陶瓷浮壁、整體結(jié)構(gòu)。(4)長(zhǎng)壽命和降低全壽命成本，如F-119發(fā)動(dòng)機(jī)總壽命為8 000 h,發(fā)動(dòng)機(jī)冷端和熱端壽命要求分另I達(dá)至IJ 4 000 h和2 000 h3 .我國(guó)航空材料發(fā)展中的幾個(gè)重大技術(shù)問(wèn)題半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)已形成一支航空材料的科研、生產(chǎn)和應(yīng) 用的技術(shù)隊(duì)伍初步掌握了第三代飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載設(shè)備的材料和制備技術(shù) ，但是尚 存在一些重要技術(shù)問(wèn)題亟待解決。下文簡(jiǎn)要評(píng)述渦輪葉片、渦輪盤、鈦合金、鋁合金、 超高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料構(gòu)件及其制備技術(shù)等方面的問(wèn)題 ，并提出相應(yīng)的對(duì)策和建議。3.1. 復(fù)合材料構(gòu)件復(fù)合材料的使用量及其性能水平已成為飛行器先進(jìn)性的重要特征之一，

10、如美國(guó)F-22飛機(jī)樹(shù)脂基復(fù)合材料用量達(dá) 24%,F-35(JSFK機(jī)的復(fù)合材料使用量達(dá)30%。我國(guó) 的復(fù)合材料研制和開(kāi)發(fā)能力已初具規(guī)模，并能生產(chǎn)出一些大型復(fù)合材料構(gòu)件，但用量較 低，在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面尚待加強(qiáng)；樹(shù)脂尚未形成系列，質(zhì)量不穩(wěn)定；國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)也較 薄弱，一些增強(qiáng)材料尚不能完全立足于國(guó)內(nèi)；復(fù)合材料與制造技術(shù)的工程化問(wèn)題尚待解 決,過(guò)去的成果大部分是在試驗(yàn)室完成的，缺乏工業(yè)化、批量生產(chǎn)和規(guī)模化生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn) 低成本的復(fù)合材料制備和加工技術(shù)研究還不夠深入。20世紀(jì)70年代以來(lái)，在金屬、陶瓷、石墨基體中添加不同增強(qiáng)劑的高溫結(jié)構(gòu)復(fù) 合材料已取得重要發(fā)展，圖9示出了高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的使用溫度范圍。圖

11、9各種高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的使用溫度范圍Fig.9 Operating temperature range for all kinds of high temperature structure composites (1)金屬基復(fù)合材料。近年來(lái)，以鋁、鈦及金屬間化合物為基的復(fù)合材料也取得了重大進(jìn)展 ，如以SiC纖 維增強(qiáng)的Ti、Ti3Al、TiAl和MoSi為基的復(fù)合材料。采用高熔點(diǎn)金屬間化合物 Nb3Si 或Nb5Si3加入Nb合金中形成Nb-Si自生復(fù)合材料，工作溫度較單晶高200C,密度比 第三代單品低25%,也是一種有應(yīng)用前景的金屬基復(fù)合材料。(2)陶瓷基復(fù)合材料。目前主要的陶瓷基復(fù)合材

12、料產(chǎn)品是以SiC或C纖維增強(qiáng)的SiC和Si3N4基復(fù)合材料，用于制造靜止零件，如加力筒體、燃燒室瓦片、噴嘴、火焰穩(wěn)定器等以代替高溫 合金。增韌Si3N4、SiCF/SiC和CF/SiC復(fù)合材料分別耐溫1 350C > 1 450c和1 650c , 國(guó)內(nèi)外已制成多種全陶瓷模擬件，并在進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)定。第章航空材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀第9頁(yè)共8頁(yè)(3)C/C 復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料由于具有密度小于2 g/cm3、耐溫高于2 000c以及高強(qiáng)度、高模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹率以及良好的抗蠕變和抗熱沖擊性等優(yōu)點(diǎn),已成功應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管喉襯、隔熱瓦片和飛機(jī)剎車塊等部位,這種材料主要的弱點(diǎn)是抗氧化性差

13、,因此,發(fā)展新的涂層系列將成為C/C 復(fù)合材料應(yīng)用于高推比發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。為此,建議加強(qiáng)設(shè)計(jì)所、試飛院和材料、工藝院所的聯(lián)系,建立對(duì)復(fù)合材料試驗(yàn)件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、試飛管理體系,進(jìn)行跟蹤檢查,積累數(shù)據(jù),制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則;在”十五”計(jì)劃中,安排一些型號(hào)需要的高性能樹(shù)脂、固化劑、促進(jìn)劑等原材料的試制和生產(chǎn),同時(shí)安排一些大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)-制造工藝-材料一體化的研究;加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),根據(jù)型號(hào)需求,加強(qiáng)材料與設(shè)計(jì)、材料與制造工藝之間的統(tǒng)籌規(guī)劃,明確優(yōu)先發(fā)展的材料和構(gòu)件及其制造技術(shù);適當(dāng)安排下一代高性能的非聚合物為基的復(fù)合材料和制備工藝技術(shù),如用于壓氣機(jī)葉片和盤件的鈦基復(fù)合材料,用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室

14、調(diào)節(jié)件的SiC 纖維強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料及其制造技術(shù)等。3.2. 鈦合金構(gòu)件鈦合金在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用量也是衡量其先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一,如美國(guó)第四代飛機(jī)F-22機(jī)體鈦合金使用量已達(dá)41%,其中,特大型鈦合金整體鍛件已廣泛用于機(jī)翼和后機(jī)身;而美國(guó)先進(jìn)的V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金用量也達(dá)到了30%左右。我國(guó)航空用鈦量與國(guó)外相差懸殊,進(jìn)一步提高用量并趕上國(guó)際先進(jìn)水平是目前我國(guó)鈦合金應(yīng)用研究的主要目標(biāo)之一。美國(guó)在第四代飛機(jī)中采用了一批大型整體鈦合金鍛件，如F-22機(jī)身4個(gè)承力框鍛件重量達(dá)23 t,機(jī)翼隔框鍛件投影面積達(dá)5.53 m2, 而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中等強(qiáng)度鈦合金鍛件的投影面積較小。這幾年我國(guó)在高性能新型鈦

15、合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究方面取得了一定的成績(jī),特別是對(duì)高強(qiáng)度鈦合金如TB6、 TB5、 TB8、 TC18 等和中強(qiáng)高韌鈦合金如TA15、 TC4、TC6 等的研究已積累了較豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),但目前仍要加強(qiáng)新型高強(qiáng)、高韌、可焊、損傷容限型鈦合金(如TC21 鈦合金)和中等強(qiáng)度高損傷容限型鈦合金(如Ti-6Al-4VELI)等的研究和在新機(jī)種上的應(yīng)用。美F-22飛機(jī)使用了近6.2%的鈦合金鑄件，以代替部分鈦合金鍛件，說(shuō)明發(fā)展鑄造鈦合金技術(shù)具有重要意義。近年來(lái)我國(guó)鑄造鈦合金已取得了較顯著的進(jìn)展,大型、薄壁、復(fù)雜鈦合金和Ti-Al 合金鑄件(如機(jī)匣)等一些關(guān)鍵技術(shù)已取得初步突破。我國(guó)耐熱鈦合金開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方

16、面也落后于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,英國(guó)的600高溫鈦合金 IMI834 已正式應(yīng)用于多種航空發(fā)動(dòng)機(jī),美國(guó)的 Ti-1100 也開(kāi)始用于T55-712 改型發(fā)動(dòng)機(jī),而我國(guó)用于制造壓氣機(jī)盤、葉片的高溫鈦合金尚在研制中。其他像纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料、抗燃燒鈦合金、Ti-Al 金屬間化合物等雖都立項(xiàng)開(kāi)展研究,但要實(shí)際應(yīng)用還需一個(gè)過(guò)程。為此,建議加速進(jìn)行適應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)需要的高強(qiáng)韌鈦合金TC21 合金和中等強(qiáng)度高損傷容限型Ti-6Al-4V 的研制和工程化應(yīng)用研究;發(fā)展大型整體模鍛件的鍛造技術(shù)、焊接技術(shù),包括大型鍛件的拼焊、超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)及相應(yīng)的裝備;加強(qiáng)高溫鈦合金成分和熱工藝研究,解決蠕變抗力和熱穩(wěn)定性的

17、最佳匹配問(wèn)題;進(jìn)一步開(kāi)展大型、薄壁、復(fù)雜鈦合金精密鑄件的研究和應(yīng)用;發(fā)展鈦合金構(gòu)件防熱耐沖刷的涂層等技術(shù)。鋁合金是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料。F-22戰(zhàn)機(jī)采用了當(dāng)時(shí)（20世紀(jì)80年代初）最先進(jìn) 的高純鋁合金7050和2124，用作機(jī)體內(nèi)部的框架、加強(qiáng)肋、腹板、接頭件以及某些蒙 皮等結(jié)構(gòu)，具重量占前機(jī)身的50%,中機(jī)身的35%,后機(jī)身的22%,中央翼的23%。90年 代以來(lái)，航空鋁合金發(fā)展有了重大突破，研制成功了以7150、2524、7055、2197為代表 的高性能鋁合金，滿足了新型低成本、多用途第四代戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)選材的需要。 1995年開(kāi) 始研制、2000年首飛的F-35戰(zhàn)機(jī)上采用了這幾種最先進(jìn)的鋁合金

18、，其總用量在30%以 上，仍占主體地位。圖8為飛機(jī)用鋁合金屈服強(qiáng)度近年來(lái)的發(fā)展情況及其應(yīng)用年份。80年代以來(lái),采用快速凝固粉末冶金工藝研制成功 Al-Fe-Mo-Si系高溫鋁合金，它們?cè)?50350c問(wèn) 仍具有良好性能。高溫鋁合金、阻尼鋁合金已取得初步成果，復(fù)雜薄壁精密鋁合金鑄件已用于直升機(jī)粒子分離器前機(jī)匣（薄壁整體封閉型腔、無(wú)余量三層結(jié)構(gòu)）和飛機(jī)進(jìn)氣 道唇口鑄件（I類,ZL114A合金）。707777 757-767 7O55-T77517I7B-T65 7I50-T651747OQQQ C17DC-J2024-TJ0 OJunkers F-320I7-T4OB297O75-1'65

19、|07074-TO A3I0 力5Q-T775I； MD-11C)I 735O-T615I7075-T76SI19JO 1940 )950 I960 1970 19Ho 990 2000首次在飛機(jī)上使用的年階圖8鋁合金的屈服強(qiáng)度和首次在飛機(jī)上應(yīng)用的年份Fig.8 The yield strength of Al alloy and thefirst application year on the aircraft在我國(guó)，已經(jīng)在“七五”、“八五”期間對(duì)幾類先進(jìn)鋁合金進(jìn)行了一定程度的開(kāi)發(fā) ， 但還需進(jìn)行工程化應(yīng)用研究。另外，大規(guī)格的鋁合金預(yù)拉伸厚板的需求進(jìn)一步擴(kuò)大，國(guó) 內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備還需進(jìn)一步改造。

20、為此建議，根據(jù)第四代機(jī)的需求，重點(diǎn)開(kāi)展抗拉強(qiáng)度在700 MPa以上超高強(qiáng)度鋁 合金和而t溫在150300c以上的高溫鋁合金；重點(diǎn)加強(qiáng)現(xiàn)有鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)體系研究和 新型鋁合金工程化研究，開(kāi)展大規(guī)格厚板應(yīng)用和熔煉、軋制、熱壓、等溫鍛造工藝研 究;加強(qiáng)鑄造鋁合金及其復(fù)雜薄壁零件的研究；籌建大噸位鍛壓設(shè)備，用于大規(guī)格型材、 擠壓壁板和大規(guī)格厚板的生產(chǎn)。3.5超高強(qiáng)度鋼超高強(qiáng)度鋼在現(xiàn)役飛機(jī)中約占5%,用于重要承力件中，如起落架、翼梁、承力螺 栓等,其中第I類為低合金超高強(qiáng)度鋼，具有中、高強(qiáng)度和中等斷裂韌性，如GC-4,3H 643,300M,35NCD等;第II類為高Co的低碳二次硬化高強(qiáng)度鋼，嚴(yán)格控制Si,Mn含量, 采用碳化物二次硬化，具有超高強(qiáng)度、高斷裂韌性和低裂紋擴(kuò)展速率（