{首页主词},&

詳解航空材料“五朵金花”

2017-11-27 10:00:41 作者：本網整理來源：北京日報分享至：

編者導讀

國產大飛機C919不久前遠航轉場成功，牽動著國人的眼球。

“一代材料，一代飛機”，是世界航空發展史的真實寫照。航空結構材料通常處于材料領域的最前沿，其技術含量之高和技術難度之大表明它無愧于高技術領域的一員，無愧于材料世界的“天之驕子”。

日前，在由順義區科協等單位舉辦的“聚焦新材料——2017智匯順義”創新驅動大講堂活動中，中國科學院院士、材料科學家曹春曉，詳細講述了當前航空材料領域里的幾位重要“成員”。

“金花”之一：鈦合金

在航空園地上繁花盛開

鈦合金是大飛機的重要結構材料。鈦合金具有四大特點，一是耐高溫，二是密度較低，三是強度高，四是抗腐蝕性好，因此主要用于航空發動機葉片和盤、發動機掛架、飛機起落架、機身隔框、機翼梁、尾翼接頭等重要承力構件。

鈦合金在飛機及其發動機中的用量不斷創新高。由于鈦合金的密度比鋼小得多，而強度又和鋼很接近，因此，它可以大大減輕飛機及其發動機的重量。早期的美國波音707飛機，鈦合金用量只有0.2%，到了波音777飛機，鈦合金用量就上升到7%至8%。波音787機體鈦合金用量達15%，創下民用客機機體鈦合金用量最高紀錄。

我國研制的民航客機中，ARJ21的鈦合金用量是4.8%，C919的鈦合金用量達8%左右，與波音777和A380的鈦用量相當。

美國戰斗機和轟炸機上鈦合金用量不斷增高，在F/A-22上達到了高峰，達到41%，創造了戰斗機鈦用量迄今為止的最高世界紀錄。

我國殲擊機的鈦用量也呈逐漸升高的趨勢：殲8為2%，殲10為4%，殲11為15%，殲20為20%，殲31則高達25%。

我國大型軍用運輸機“運20”（鯤鵬）的鈦合金用量為10%，與美國先進的C-17運輸機（環球霸王）的鈦合金用量（10.3%）相當。

歷史上鈦用量最大的飛機是SR-71高空高速偵察機（黑鳥），其鈦用量達到93%，號稱全鈦飛機。其飛行速度達音速的3倍，飛行高度達3萬米。

60年來，航空發動機結構材料用量的總趨勢是從鋼、鋁時代逐漸轉化成冷端以鈦為主、熱端以鎳為主的鎳、鈦、鋼“三足鼎立”的時代。未來的趨勢是部分地被樹脂基、金屬基、陶瓷基復合材料和金屬間化合物所取代。

我國太行發動機的鈦用量達25％，與國外先進發動機的鈦用量相當。我國正在研制的高推重比軍用發動機的鈦用量預計為30%至35%。

“金花”之二：復合材料

發展“浪潮”洶涌澎湃

20世紀60年代末，高性能碳纖維作為增強纖維實現了初步的商業化，以連續碳纖維增強的高性能樹脂基復合材料應運而生。

自20世紀70年代后，航空工業中復合材料的使用量正在不斷地增加。制造飛機結構的傳統材料包括鋁、鋼和鈦。復合材料的主要好處是減輕飛機重量和較簡單的裝配。復合材料也用于替換老舊飛機上的金屬部件。

復合材料不僅比強度、比剛度高，而且便于整體結構化，因而顯著減輕了飛機結構重量（例如波音787減重4500千克），相應地顯著減少了燃油消耗（例如波音787減耗8%）。

到了21世紀的前10年，高性能復合材料飛機應用的兩個劃時代意義的里程碑當數空客公司的A380飛機和波音公司的“夢幻飛機”波音787飛機。其中，在A380上，高性能復合材料用量達到飛機結構用量的25%。波音787復合材料整體機身段是新一代大型飛機材料技術的第一亮點。波音787的整個機身是由若干個整體機身段組成的，從而減少了1500個零件和4萬至5萬個連接件，顯著減輕了結構重量，大幅度地降低了制造、裝配、運營和維護成本。

液態復合成型和自動化鋪層等新型制造技術的發展和應用，如虎添翼地促進了復合材料的擴大應用。

我國一些飛機的機體結構中復合材料用量也在不斷提高。第三代殲擊機為6%至9%，新型殲擊機殲20為29%（已占首席）。軍用運輸機Y-20目前為8%，商用支線飛機ARJ21為1%，干線飛機C919目前為12%。正在研制中的新型商用渦扇發動機的復合材料用量預計約1%。

“金花”之三：高溫合金

在發動機中享“皇冠”地位

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的抗疲勞性能、抗斷裂韌性等綜合性能，又被稱為“超合金”。

高溫合金是為了滿足現代航空發動機對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。

在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料用量占發動機總量的40%至60%。在航空發動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端零部件；此外，還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

F119渦扇發動機的渦輪盤用了第二代粉末高溫合金，渦輪葉片用了第二代單晶高溫合金。前者被稱為航空發動機中的“皇冠”，后者被稱為“皇冠上的珍珠”。

我國也已成功地研制了單晶渦輪葉片和粉末渦輪盤，并已先后應用于航空發動機。

“金花”之四：鋁合金

不斷亮出制勝“法寶”

美國的鋁合金研制，在7075（上世紀40年代推出）、7050（70年代推出）的基礎上加以改進，先后在上世紀80年代、90年代和21世紀初推出7150、7055和7085合金。在第一代蒙皮合金2024（30年代推出）等的基礎上加以改進，在上世紀90年代推出了第二代蒙皮合金2524。其中7150、7055和2524被稱為美國20世紀后期借以建立航空鋁合金優勢的“三大法寶”，而7085則是美國21世紀借以擴大優勢的“最新法寶”。

鋁鋰合金的發展也提高了鋁合金的競爭力。

7085的問世為特大鍛件在A380上的應用開辟了道路。已有高強鋁合金的鍛件或厚板的厚度均有一定限制，例如7055限于38毫米，7150雖較理想，其厚度也不允許大于120毫米。為了能獲得厚度更大的高強鋁合金鍛件或厚板，美國Alcoa公司開創了一個具有專利權的7085鋁合金，由于淬透性和熔鑄性好，其最大厚度可達250毫米。用7085合金制成的特大的梁模鍛件已成功地應用于A380大型客機。

“金花”之五：鋼

仍占有不可或缺的地位

超高強度鋼300M、Aermet100、S50的先后問世，使鋼的競爭力不斷提高。

美國B737-300型及其后推出的波音系列客機的鋼制起落架基本上都選用300M鋼。美國的第三代戰斗機也通常選用300M鋼制造起落架，但第四代戰斗機F/A-22和F35的起落架開始選用新推出的Aermet100。與300M鋼相比，Aermet100不僅強度更高一些，而且抗腐蝕能力和損傷容限要好得多，疲勞性能也更好。然而，迄今為止，美國的民用客機仍未選用Aermet100，價格太貴可能是一個重要原因。

S50的耐腐蝕性能又比Aermet100高出一個數量級。

我國C919客機的起落架活塞桿等關鍵零部件就是用300M鋼制成的。

延伸閱讀

航空結構材料的百年變化

從1903年到20世紀10年代，飛機機體采用木和布，發動機采用鋼，飛機的飛行速度≤200千米/小時，活塞式發動機功率重量比≤1。

20世紀20年代至40年代，飛機機體采用鋁、鋼，發動機采用鋼、鋁，飛機的飛行速度＞200千米/小時；活塞式發動機功率重量比＞1。

20世紀50年代至60年代，飛機機體采用鋁、鈦、鋼，發動機采用鎳、鈦、鋼、鋁，60年代推出推重比為5的渦噴發動機，出現超音速飛機。

20世紀70年代至21世紀初，飛機機體采用鋁、鈦、鋼、復合材料（鋁占首位），發動機采用鎳、鈦、鋼，出現推重比為8-10的渦扇發動機和高性能飛機。

21世紀初至今，飛機機體采用復合材料、鋁、鈦、鋼（復合材料占首位），發動機采用鎳、鈦、鋼、復合材料，出現更高性能和低油耗的飛機和渦扇發動機。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：殷鵬飛

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事