鋁合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用

 

   鋁合金一直是軍事工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料。鋁合金具有密度低、強度高、加工性能好等特點，作為結(jié)構(gòu)材料，因其加工性能優(yōu)良，可制成各種截面的型材、管材、高筋板材等，以充分發(fā)揮材料的潛力，提高構(gòu)件強度。所以，鋁合金是武器輕量化首選的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

 

   鋁合金在航空工業(yè)中主要用于制造飛機的蒙皮、隔框、長梁和珩條等；在航天工業(yè)中，鋁合金是運載火箭和宇宙飛行器結(jié)構(gòu)件的重要材料；在兵器領(lǐng)域，鋁合金已成功地用于步兵戰(zhàn)車和裝甲運輸車上，最近研制的榴彈炮炮架也大量采用了新型鋁合金材料。

 

   近年來，鋁合金在航空航天業(yè)中的用量雖有所減少，但它仍是軍事工業(yè)中主要的結(jié)構(gòu)材料之一。鋁合金的發(fā)展趨勢是追求高純、高強、高韌和耐高溫，在軍事工業(yè)中應(yīng)用的鋁合金主要有鋁鋰合金、鋁銅合金（2000 系列）和鋁鋅鎂合金（7000 系列）。

 

   新型鋁鋰合金應(yīng)用于航空工業(yè)中，預(yù)測將為飛機減重8%~15%，因此，鋁鋰合金同樣也將可能成為航天飛行器和薄壁導(dǎo)彈殼體的候選結(jié)構(gòu)材料。隨著航空航天業(yè)的迅速發(fā)展，鋁鋰合金的研究重點仍然是解決厚度方向的韌性差和降低成本的問題。

 

鈦合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用
 

   鈦合金具有較高的抗拉強度（441~1470 兆帕），較低的密度（4.5g/cm3），優(yōu)良的抗腐蝕性能和在300℃~550℃溫度下有一定的高溫持久強度和很好的低溫沖擊韌性，是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鈦合金具有超塑性的功能特點，采用超塑成形－擴散連接技術(shù)，可以以很少的能量消耗和材料消耗將合金制成形狀復(fù)雜和尺寸精密的制品。鈦合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用主要是制作飛機的機身結(jié)構(gòu)件、起落架、支撐梁、發(fā)動機壓氣機盤、葉片和接頭等；在航天工業(yè)中，鈦合金主要用來制作承力構(gòu)件、框架、氣瓶、壓力容器、渦輪泵殼、固體火箭發(fā)動機殼體及噴管等零部件。20 世紀(jì)50 年代初，在一些軍用飛機上開始使用工業(yè)純鈦制造后機身的隔熱板、機尾罩、減速板等結(jié)構(gòu)件；60 年代，鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用擴大到襟翼滑軋、承力隔框、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)中；70 年代以來，鈦合金在軍用飛機和發(fā)動機中的用量迅速增加，從戰(zhàn)斗機擴大到軍用大型轟炸機和運輸機，它在F14 和F15 飛機上的用量占結(jié)構(gòu)重量的25%，在F100 和TF39 發(fā)動機上的用量分別達到25%和33%；80 年代以后，鈦合金材料和工藝技術(shù)達到了進一步發(fā)展，一架B1B 飛機需要90402 公斤鈦材。

 

   現(xiàn)有的航空航天用鈦合金中，應(yīng)用最廣泛的是a+b 型Ti-6Al-4V 合金。近年來，西方和俄羅斯相繼研究出兩種新型鈦合金，它們分別是高強高韌可焊及成形性良好的鈦合金和高溫高強阻燃鈦合金，這兩種先進鈦合金在未來的航空航天業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。

 

   隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，陸軍部隊需求具有威力大、射程遠(yuǎn)、精度高、有快速反應(yīng)能力的多功能的先進加榴炮系統(tǒng)。先進加榴炮系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是新材料技術(shù)。自行火炮炮塔、構(gòu)件、輕金屬裝甲車用材料的輕量化是武器發(fā)展的必然趨勢。在保證動態(tài)與防護的前提下，鈦合金在陸軍武器上有著廣泛的應(yīng)用。155 火炮制退器采用鈦合金后不僅可以減輕重量，還可以減少火炮身管因重力引起的變形，有效地提高了射擊精度；在主戰(zhàn)坦克及直升機－反坦克多用途導(dǎo)彈上的一些形狀復(fù)雜的構(gòu)件可用鈦合金制造，這既能滿足產(chǎn)品的性能要求又可減少部件的加工費用。

 

   在過去相當(dāng)長的時間里，鈦合金由于制造成本昂貴，應(yīng)用受到了極大的限制。近年來，世界各國正在積極開發(fā)低成本的鈦合金研究，為在降低成本的同時，還要提高鈦合金的性能。在我國，鈦合金的制造成本還比較高，隨著鈦合金用量的逐漸增大，尋求較低的制造成本是發(fā)展鈦合金的必然趨勢。

 

發(fā)動機殼體
 

   金屬基復(fù)合材料具有高的比強度、高的比模量、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，在軍事工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁、鎂、鈦是金屬基復(fù)合材料的主要基體，而增強材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類，其中顆粒增強鋁基復(fù)合材料已進入型號驗證，如用于F－16 戰(zhàn)斗機作為腹鰭代替鋁合金，其剛度和壽命大幅度提高。碳纖維增強鋁、鎂基復(fù)合材料在具有高比強度的同時，還有接近于零的熱膨脹系數(shù)和良好的尺寸穩(wěn)定性，成功地用于制作人造衛(wèi)星支架、L 頻帶平面天線、空間望遠(yuǎn)鏡、人造衛(wèi)星拋物面天線等；碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有良好的高溫性能和抗磨損的特點，可用于制作火箭、導(dǎo)彈構(gòu)件，紅外及激光制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)件，精密航空電子器件等；碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料具有良好的耐高溫和抗氧化性能，是高推重比發(fā)動機的理想結(jié)構(gòu)材料，目前已進入先進發(fā)動機的試車階段。在兵器工業(yè)領(lǐng)域，金屬基復(fù)合材料可用于大口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈彈托，反直升機/反坦克多用途導(dǎo)彈固體發(fā)動機殼體等零部件，以此來減輕戰(zhàn)斗部重量，提高作戰(zhàn)能力。

 

  4、先進高溫合金
 

發(fā)動機渦輪盤
 

   高溫合金是航空航天動力系統(tǒng)的關(guān)鍵材料。高溫合金是在600℃~1200℃高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化和抗腐蝕能力的合金，它是航空航天發(fā)動機渦輪盤的首選材料。按照基體組元的不同，高溫合金分為鐵基、鎳基和鈷基三大類。發(fā)動機渦輪盤在20 世紀(jì)60 年代前一直是用鍛造高溫合金制造，典型的牌號有A286 和Inconel718。70 年代，美國GE 公司采用快速凝固粉末Rene95__合金制作了CFM56 發(fā)動機渦輪盤，大大增加了它的推重比，使用溫度顯著提高，從此，粉末冶金渦輪盤得以迅速發(fā)展。最近美國采用噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金渦輪盤，與粉末高溫合金相比，工序簡單，成本降低，具有良好的鍛造加工性能，是一種有極大發(fā)展?jié)摿Φ闹苽浼夹g(shù)。

 

 

鎢合金零部件
 

   鎢的熔點在金屬中最高，其突出的優(yōu)點是高熔點帶來材料良好的高溫強度與耐蝕性，在軍事工業(yè)特別是武器制造方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。在兵器工業(yè)中它主要用于制作各種穿甲彈的戰(zhàn)斗部。鎢合金通過粉末預(yù)處理技術(shù)和大變形強化技術(shù)，細(xì)化了材料的晶粒，拉長了晶粒的取向，以此提高材料的強韌性和侵徹威力。我國研制的主戰(zhàn)坦克125Ⅱ型穿甲彈鎢芯材料為W-Ni-Fe，采用變密度壓坯燒結(jié)工藝，平均性能達到抗拉強度1200 兆帕，延伸率為15%以上，戰(zhàn)技指標(biāo)為2000米距離擊穿600 毫米厚均質(zhì)鋼裝甲。目前鎢合金廣泛應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克大長徑比穿甲彈、中小口徑防空穿甲彈和超高速動能穿甲彈用彈芯材料，這使各種穿甲彈具有更為強大的擊穿威力。

 

 

   應(yīng)用于軍事工業(yè)中的新材料均具有較高的技術(shù)含量，因而軍用新材料的產(chǎn)業(yè)化速度普遍比較緩慢。世界范圍內(nèi)的軍用新材料正向功能化、超高能化、復(fù)合輕量和智能化的方向發(fā)展。由此看來，鈦合金、復(fù)合材料和納米材料在軍事工業(yè)中具有十分良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

 

   鈦是20 世紀(jì)50 年代發(fā)展起來的一種性能優(yōu)異、資源豐富的金屬。隨著軍事工業(yè)對高強低密度材料需求的日益迫切，鈦合金的產(chǎn)業(yè)化進程顯著加快。在國外，先進飛機上鈦材重量已達到飛機結(jié)構(gòu)總重的30%~35%。我國在“九五”期間，為滿足航空、航天、艦艇等部門需要，國家把鈦合金作為新材料的發(fā)展重點之一，預(yù)計“十三五”將成為我國鈦合金新材料新工藝的高速發(fā)展時期。

 

   軍事高技術(shù)的發(fā)展要求材料不再是單一的結(jié)構(gòu)材料，在這種條件下我國在先進復(fù)合材料的研制和應(yīng)用方面取得了很大的成績，它在“十三五”期間的發(fā)展會更加引人注目。同時，其發(fā)展方向?qū)榈统杀尽⒏咝阅堋⒍喙δ芎椭悄芑?/div>