航空航天高技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與軍事應用密切相關，但更重要的是人類在這個產(chǎn)業(yè)部門所取得的巨大進展，對國民經(jīng)濟的眾多部門和社會生活的許多方面都產(chǎn)生了重大而深遠的影響，推動并改變著世界的面貌。進入21世紀之后，航空航天高技術產(chǎn)業(yè)將為人類認識和駕馭自然注入新的強大動力，航空航天活動的作用將遠超科學領域，對政治、經(jīng)濟、軍事以至人類社會生活都會產(chǎn)生更加廣泛而深遠的影響，并不斷地創(chuàng)造出嶄新的科技成果和巨大的經(jīng)濟效益。

    航空航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作，除了依靠優(yōu)化的結構設計之外，還有賴于材料所具有的優(yōu)異特性和功能。由此可見，航空航天材料在航空航天產(chǎn)品發(fā)展中的極其重要的地位和作用。

    航天航天產(chǎn)品在追求輕質和減重方面可以說是“克克計較”，圖1為飛行器每減重1kg所取得的經(jīng)濟效益與飛行速度的關系。如對航天飛機來說，每減重1kg的經(jīng)濟效益將近十萬美元。

    圖1  減輕結構所得經(jīng)濟效益（相對值）

    飛行器每減重1kg后所得經(jīng)濟效益與飛行速度的關系

    新型材料及改型材料在軍機結構減重中的重要性及發(fā)展趨勢見圖2，從中可見，新型材料和改進型材料與主動載荷控制、顫振抑制、自動化設計及先進結構概念等相比，在飛行器結構減重中占有主導地位，也正因為這個原因比強度和比模量這些概念在航空航天領域具有更為重要的意義。

    圖2 新型材料及改進型材料在軍機結構減重中的重要性及發(fā)展趨勢

    高溫材料是制約航空航天產(chǎn)品性能的另一類關鍵材料。飛機和發(fā)動機的發(fā)展對工作溫度的需求見圖3。

    圖3 飛機和發(fā)動機發(fā)展對服役溫度的需求

    由圖可見目前飛機蒙皮的最高溫度達1000℃以上，而發(fā)動機的工作溫度則高達近2000℃，不同的航空航天材料的耐溫性見圖4。

    圖4  航空航天材料的耐溫性

    可見，為了支撐航空航天產(chǎn)品提高工作溫度的要求，許多新型材料如金屬間化合物、陶瓷、碳/碳及各種復合材料正在加速發(fā)展之中。

    高性能航空航天結構材料對于降低結構重量和提高飛行器的結構效率、服役可靠性及延長壽命具有極為重要的作用，是航空航天材料的主要發(fā)展趨勢。

    航空航天結構材料的高性能主要是：輕質、高強、高模、高韌、耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等性能。

    近來在航空航天產(chǎn)品設計中引入損傷容限設計的概念，意味著對材料的韌性要求更高了，有時寧可犧牲一點強度，也要確保韌性的要求，這是由于航空航天產(chǎn)品已發(fā)展到高可靠性、高耐久性和長壽命的要求。

    對于航空航天飛行器的動力裝置來說，特別重要的是耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等性能要求，這幾乎是結構材料中最高的性能要求。

    高性能材料在新一代飛行器動力裝置起到了關鍵性的作用，如航空發(fā)動機中的單晶渦輪葉片材料和航天固體發(fā)動機中的高能推進劑材料等。

    航空發(fā)動機相當于飛機的心臟，是確保飛機使用性能、可靠性和經(jīng)濟性的決定因素。第四代戰(zhàn)斗機配套的推重比為10的發(fā)動機已投入廣泛使用，如美國的F119發(fā)動機已裝備了F22戰(zhàn)斗機。民用大推力渦輪風扇發(fā)動機如GE90、PW4073/4084、Trent800等為B777、A380等大型寬體客機所選用。提高推力重量比或功率重量比、提高渦輪前進口溫度、提高壓氣機平均級壓比和降低油耗是高性能軍用發(fā)動機的發(fā)展方向。與軍用發(fā)動機相比，民用發(fā)動機的推重比雖增加不大，但其渦輪前溫度、涵道比和總增壓比的增加，已促使耗油率大幅度下降，僅為軍用發(fā)動機的1/3-1/4。發(fā)達國家航空發(fā)動機的產(chǎn)值已占整個航空工業(yè)產(chǎn)值的25%-30%，其性能水平很大程度上依賴于高溫材料的性能水平。如新型高溫合金和高溫鈦合金、金屬間化合物及其復合材料、熱障涂層材料、金屬基復合材料、陶瓷基和碳/碳復合材料等。在一臺先進發(fā)動機上，高溫合金和鈦合金的用量分別要占發(fā)動機總結構重量的55%-65%和25%-40%。 發(fā)動機材料的發(fā)展目標和重點見表1。

    液體火箭發(fā)動機通常以不銹剛、高溫合金、難熔金屬及合金加抗氧化涂層或者碳/碳復合材料加涂層材料為主。渦輪泵是液體火箭發(fā)動機的關鍵部件，其中渦輪盤和葉片工作條件最為苛刻，早期曾采用不銹鋼，后來發(fā)展演化為鐵基、鎳基、鈷基的高溫合金以及它們的金屬間化合物。

    當代高性能固體火箭發(fā)動機的主要特征是“高能-輕質-可控”，三者互相關聯(lián)，而且是以材料和工藝技術為基礎集成起來。

    先進的材料及新工藝的全面應用是提高固體火箭發(fā)動機性能的一項決定性因素。表2列出液體和固體火箭發(fā)動機對材料的需求。

    從前面列舉的航空航天材料的發(fā)展歷程和趨向可以看出，先進航空航天產(chǎn)品構件越來越多地采用高性能的新型材料以滿足日益提高的性能要求，特別是在承受高溫的構件方面，以金屬間化合物、高溫合金、單晶合金、難熔合金及先進陶瓷材料等為代表的新型材料扮演了日益重要的角色。

    圖5 航空航天未來發(fā)動機用材的預測（NASA）

    圖5為美國航空航天局對先進航空發(fā)動機用材趨勢的預測，可以看出，到2020年Ti基復合材料、TiAl及Ni、Fe基金屬間化合物、陶瓷復合材料，難熔合金與Ni基高溫及單晶合金等將占發(fā)動機用材料的百分之八十五左右，其中相當一部分關鍵高溫構件要采用凝固和塑性加工制備。就以TiAl基合金來說，GE公司宣布，波音787選用的GENX發(fā)動機低壓渦輪后兩級葉片采用TiAl合金可減重200公斤，表3為GE公司TiAl基合金的應用情況與發(fā)展計劃。

    我國在航空航天領域2011-2022年先進材料與熱工藝技術發(fā)展重點計劃中也將高性能TiAl合金及冷坩堝熔鑄和定向凝固作為研究開發(fā)的重點，如表4。

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責任編輯：王元

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