航空材料概论第1章绪论课件

航空材料概论 参考书目 1 材料世界的天之骄子 航空材料 清华大学出版社 暨南大学出版社 曹春晓 郝应其编著2 航空航天材料 国防工业出版社 李成功 傅恒志 于翘等编著3 航空材料学 哈尔滨工程大学出版社 张耀良 韩广才4 航空材料学 上海科学技术出版社 北京航空材料研究所 主要内容 第一章绪论1 1航空材料的特殊性1 2航空材料分类1 3航空材料的演变1 4航空发动机用材的演变 第二章轻合金及超高强度钢2 1引言2 2铝及铝合金2 3钛及钛合金2 4镁及镁合金2 5超高强度钢重点 铝合金 钛合金 镁合金以及超高强度钢的特点应用 第三章高温合金3 1引言3 2高温合金基本性能概述3 3常用耐热钢及其热处理3 4镍基高温合金3 5高温钛合金和金属间化合物3 6高温合金在航空航天中的应用重点 航空高温结构部件的工作特点及对材料的要求 第四章先进聚合物基复合材料4 1引言4 2复合材料增强体材料4 3复合材料聚合物基体材料4 4聚合物基复合材料制件的基本成型方法4 5功能聚合物基复合材料重点 了解复合材料增强体材料 聚合物基体材料的种类及特点 了解聚合物基复合材料制件的基本成型方法 了解一些功能聚合物基复合材料 第七章先进功能材料 7 1引言7 2微电子材料7 3光电子材料7 4信息显示 存储与传输材料 7 5功能陶瓷与敏感材料7 6隐身材料7 7智能结构材料 重点 先进功能材料的特点以及在航空领域的应用 第八章航空新材料8 1超塑性合金8 2快凝颗粒合金8 3非晶态金属8 4纳米材料8 5空心微球8 6超细纤维 第一章航空材料概述 1 1航空材料的特殊性 一 几个概念航空 地球大气层以内的航行活动 航空材料 泛指用于制造航空飞行器的材料 一架军用飞机包括机体 发动机 机载电子和火力控制四大部分一架民用客机包括机体 发动机 机载电子和机舱四大部分 可以说 航空材料涵盖了当前材料科技领域中最先进的科技成果 从飞机的心脏 发动机 到飞机的结构 甚至一个细小的环节都与现代材料高科技紧密相关 机体材料和发动机材料是航空材料中最重要的结构材料 而电子信息材料是航空机载装置中最重要的功能性材料 但它一般不直接算作航空材料 出于航空飞行及其安全性的考虑 航空结构材料的特点是轻质 高强 高可靠 飞行器作为一个整体 还用到少量非结构性材料 如阻尼 减振 降噪 密封材料等 但是在现代航空工业技术中 功能材料用于制造各种传感器 换能器和信息处理器 已成为航空器制导 测控 电子 电气 通信 武器火控系统以及生命保障系统中不可缺少的重要材料 是现代航空技术先进性的决定因素之一 微电子器件材料 光电子器件材料 传感器敏感元件材料 信息材料和智能结构材料等关键功能材料是发展的重点 将对未来的航空工业与其他国防工业及国民经济产生极其重要的作用 二 航空材料的特殊性航空材料是航空工业主要基础 航空材料与航空技术的关系极为密切 航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用 航空材料既是研制生产航空产品的物质保障 又是推动航空产品更新换代的技术基础 1 航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在 轻质高强 高温耐蚀 所谓 轻质高强 是指 要求材料的比强度高 即要求材料不但强度 静强度高 能承受大过载 疲劳强度高 高而且密度小 航空工业有一句口号叫做 为每一克减重而奋斗 反映了减重对于航空产品的重大经济意义 见表1 1 而且材料减重对飞机减重的贡献也越来越大 所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求 高温耐蚀 的 高温 是指航空材料要能耐受较高的工作温度 对机身材料 气动力加热效应使表面温度升高 需要结构材料具有好的高温强度 对发动机材料 要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能 耐蚀 是指航空材料要有优良的抗腐蚀 特别是抗应力腐蚀 腐蚀疲劳的能力 当然 除以上性能外 对某些材料还要求有其他方面的性能 如 非金属材料要具有良好的耐老化性能和耐气候性能 透明材料要具有良好的光学性能 电工材料具有良好的电学性能 以及防火安全性能等等 2 航空产品的高可靠性 多样性对航空材料提出了更高的质量要求 航空器是技术密集 高集成度的复杂产品 只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠 性能优良的飞机 发动机 航空产品的多样性和小批量生产 导致了航空材料研制和生产上的多品种 多规格 小批量 技术质量要求高等特点 3 航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料 新型号的先进飞机价格不断攀升 各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了 买得起 的要求 而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额 所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向 二 航空材料性能特点 高的比强度和比刚度优良的耐高低温性能耐老化和耐腐蚀适应空间环境寿命和安全 三 航空材料的发展方向 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 以铝 钛及金属间化合物 陶瓷基 SiC或C纤维增强的SiC和Si3N4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 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 6 环境相容性 要求低 无污染 有良好的可回收性 1 2航空材料的分类 航空材料有不同的分类方式 一 按成份可分为四大类 金属材料 铝合金 镁合金 钛合金 钢 高温合金 粉末冶金合金等 无机非金属材料 玻璃 陶瓷等 高分子材料 透明材料 胶粘剂 橡胶及密封剂 涂料 工程塑料等 先进复合材料 聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 碳 碳复合材料等 二 按使用功能可分为两大类 结构材料功能材料 1 3航空材料的演变 一 飞机结构材料的演变 5个阶段 第一阶段 1903 1919 木 布结构 图1 1飞行者一号 复制品 第二阶段 1920 1949 铝 钢结构 a Me109型战斗机 德国 1935年 b 喷火式战斗机 英国 1936年 图1 2 第三阶段 1950 1969年 铝 钛 钢结构 SR 71 黑鸟 3倍声速 第四阶段 1970 21世纪初 铝 钛 钢 复合材料结构 以铝为主 如F 14 美国 1970年 图1 3 图1 3F 14 雄猫 可变后掠翼战斗机 F 14的机体结构中有25 的钛合金 15 的钢 36 的铝合金 还有4 的非金属材料和20 的复合材料 由于采用了可变后掠翼 F 14背部有着结构复杂的箱形结构 翼盒 翼盒两端容纳可变翼翼根转轴 此部分是可变翼设计飞机的重点 也是飞机死重的来源 为了使翼盒重量尽可轻而又不应影响强度 格鲁曼采用高强度轻重量的钛合金来制造 第五阶段 21世纪初 复合材料 铝 钛 钢结构 以复合材料为主 二十一世纪初起 复合材料开始在飞机材料中占据主动地位 其结构重量百分比甚至超过了50 有人说航空复合材料时代已经到来 二 材料的选择 合理的选材 直接影响飞机的战术性能 设计定型进度 生产可行性 寿命和可靠性等 也直接导致飞机结构效率的提高 重量的减轻 推重比的增加 机动性的改善 载重量的提高以及航程的增大等一系列结果 材料选择的总体要求 飞机的选材必须要满足几个方面的要求 首先 飞机材料要能满足型号设计的战术技术要求 在选材前必须弄清飞机使用包线 飞机寿命 使用环境 过载 飞行速度和飞行高度等一系列指标 同时 对具体构件来说 还应进一步掌握其载荷状况 连接关系和工作环境等细节情况 其次 飞机选材必须从整个研制周期进行考虑 如果原型机设计进度很重要 那么对一些风险大而又不可能按设计周期来完成的材料研制项目 即使有发展前途也可能不能选用 最后 飞机的选材还要满足制造经济性要求 设计师需要保证飞机材料在整个批生产期间内均能符合成本效率原则 除了与材料重量有关 经济性还受新合金的选用 材料工艺的特性 压缩材料的品种和规格 材料选用的继承性等因素影响 大量采用高比强度和高比模量的轻质 高强 高模材料 从而提高飞机的结构效率 降低飞机结构重量系数 其中又以先进复合材料和钛合金用量的增加 传统铝合金和钢材的用量相应减少的特点最为突出 先进复合材料和钛合金的用量 材料本身的性能指标 结构设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一 三 机体结构用材料的主要特点 从各种材料的角度分析 今后航空产品结构用材的发展趋势是 铝合金铝合金因其技术成熟 成本低 使用经验丰富等优势 在相当长的时期内 仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一 结构钢一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架 主要接头 隔框等一些主要承力构件的备选材料 钛合金钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑 但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性能 是影响使用的很大因素 先进复合材料由于先进复合材料具有比钢 铝 钛高得多的比强度 比模量和耐疲劳等优点 在未来高性能的飞机结构材料中 先进复合材料将会占据越来越重要的地位 甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机 橡胶紧箍件铝合金臂板 铝合金材料 接头 7055 铝合金 机翼前缘 上 飞机油泵安装口框 下 树脂基复合材料 芳纶铝合金层 各种飞机复合材料结构件 蜂窝材料是一种用于夹层结构的轻质材料 芳纶纸 Nomex 蜂窝具有高的比强度和比刚度 突出的耐腐蚀性和自熄性 优良的耐环境性和热绝缘性 独特的介电性能和高温稳定性 优异的工艺性 广泛用于航空航天 船舶 火车和体育用品 蜂窝夹层结构 蜂窝 钛合金以TC4 TB5 TB6 TB8 TA15 TC16等为代表的结构 高强减轻了结构重量 提高了飞机飞行性能 钛合金机翼接头 飞机承力框异型筒状零件 飞机钛合金接头 四 欧美新一代大型飞机的材料技术特色 1 复合材料和钛合金的用量创历史新高 空客民机机体上钛合金和复合材料的用量 复合材料在军民用飞机上的应用增长趋势 大型飞机钛用量随年代的变化 707 727 737 747 747 SP 757 767 777 787 A380 A340 A320 C 5 C 17 A300 C 17运输机 钛用量10 3 钛零件总重6 8吨 铝合金用量69 3 钢用量12 3 复合材料用量8 1 欧洲军用运输机A400M 复合材料用量35 40 空中 泰坦尼克 A380 铝合金61 复合材料用量22 钛合金用量10 空中客车A350 复合材料用量37 铝锂合金用量23 铝合金用量11 钛合金用量9 钢用量14 其它用量6 波音787 复合材料用量50 铝合金用量20 钛用量15 钢用量10 垂直稳定面 尾翼 水平稳定面 纤维复合材料 襟翼 阻流板 机翼箱 发动机舱罩 主起落架舱门 前起落架舱门 机头 A380选用纤维增强树脂基复合材料的部位 副翼 波音787选材 2 一些具有新意的材料技术崭露头角 1 波音787复合材料整体机身段 2 A380率先在中央翼盒上大量采用复合材料 原为全金属结构 波音787则进一步发展为全复合材料翼盒直至全复合材料机翼 A380中央翼盒重11吨 其中复合材料4 5吨 减重1 5吨 3 液态复合成形 LCM 已作为成熟的工程技术应用于新一代大型飞机 由于LCM技术具有成本低 周期短 质量高 工作环境好和有利于结构整体化等优点 使原来在减重方面就占优势的树脂基复合材料如虎添翼 显著增强了与金属材料的竞争力 LCM可分为RTM 树脂转移模塑 和RFI 树脂薄膜浸渗 两种制备技术 比如A380中央翼盒的5个工字梁用RTM制成 并率先采用RFI技术制造复合材料襟翼滑轨梁 波音787机身的很多地板横梁用RFI技术制造 其起落架撑杆则用RTM技术制造 4 波音787 A350等大型客机用的GenX发动机采用了复合材料前风扇机匣和带钛前缘的复合材料风扇叶片 复合材料风扇叶片在GE90上使用近十年来未出现任何问题 GE90的成功使用 使GenX放心地正式选用带钛前缘的复合材料风扇叶片 5 A380和波音787分别选用了层间混杂复合材料 纤维金属层板 GLARE和TiGr 第一代ARALL 第二代GLARE 第三代CARE 第四代TiGr 与ARALL相比 GLARE的密度较高和模量较低 但其成本显著降低 而且显著提高了疲劳性能 拉伸强度 压缩性能 冲击性能和阻尼性能 因此GLARE层板一问世 就引起世界各大飞机制造公司的关注 九五期间BAIM的疲劳试验结果表明 3 2GLARE的疲劳寿命为胶接铝板的23 35倍 这是由于纤维的桥接作用降低了铝板裂纹尖端的应力强度因子 经过一定循环次数后裂纹以近似恒定的速率扩展 在A380上GLARE机身壁板一共有27块 最长的一块为11米 总覆盖面积达470平方米 见下一页的图 图中的橄榄色给出了GLARE在A380机身上的使用位置 此外GLARE还用在垂直尾翼的前缘和水平稳定面上 GLARE用量占A380总结构重量的3 使A380结构重量减轻800Kg 还提高了使用寿命和可维修性 成本却与铝材相近 由于CARE很难彻底解决碳纤维与铝合金之间的接触腐蚀问题 因此迄今无商品化产品 而TiGr既无电化学腐蚀问题 又可进一步提高综合性能 特别是高温性能 因此就应运而生 据报导 波音公司将选用TiGr制造B787的机翼和机身蒙皮 TiGr还可以用来作为蜂窝夹层的面板 实践表明 用自动铺放的TiGr层板的性能高于手工铺叠的TiGr层板 6 A380是首次推出全钛挂架的飞机 A350也采用全钛挂架 均选用 退火的Ti 6Al 4VELI 全钛合金挂架 GERP后机身 GERP外机翼机盒 优化的机身设计 铝锂合金 采用激光焊接 7 新型高强高韧近 型钛合金Ti 5Al 5V 5Mo 3Cr 1Zr首次在A380平台上闪亮登场 这是空客公司与俄合作在BT22 Ti 5Al 5V 5Mo 1Cr 1Fe 基础上研发的一种新合金 已选用于A380机翼与挂架的连接装置 它那令人惊异的强度与韧性之间的优良组合受到了设计师们和钛合金工作者的青睐 8 在F A 22 V 22等军用飞机上迅猛崛起的钛合金精铸技术正逐步进入大型飞机领域 1999年 B777的发动机后安装框架钛合金精铸件在零件静力试验成功后已用于B777 这是首次在民机上获得成功应用 由于客机在安全可靠性方面的更高要求 故这一开端具有重要意义 近期 A380客机的钛合金刹车扭力管已由英国Doncasters公司采用离心熔模精铸技术制成 这是欧洲首次采用钛合金刹车扭力管精铸件取代以往的锻件 最近 Howmet公司 波音公司与美国空军研究实验室联合进行薄壁钛铸件的开发 选择C 17军用运输机发动机挂架为对象 各用一个整体铸件取代由17个Ti 6Al 4V钣金件组成的鼻帽和由多个零件 不少紧固件组成的防火封严件 目前已达到1 27mm厚度的要求 并引入新生产的C 17飞机 60个鼻帽铸件在全寿命期可节约320万美元 防火封严件改用薄壁铸件后可降低成本70 以上 一大型军用运输机用的钛合金铸件 虽然F A 22敢于采用Ti 6Al 4V大型整体铸件制造翼身接头 但考虑到大型飞机更高的安全性要求 目前设计师们还不敢立即选用钛合金铸件制造大型飞机翼身接头 例如B787的两个钛合金翼身接头特大锻件正是该机最大的金属件 A400M翼身接头也是钛锻件 9 第三代铝锂合金在A350 A380上的大量应用是空客新一代飞机的一大特色 A380已正式选用铝锂合金制造地板梁 正打算用作机身蒙皮和下翼面的桁条 A350已选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等 其用量高达总结构重量的23 东山再起的主要原因是在不断优化成分的基础上推出了2094 2195 2097 2197等第三代合金 这些合金的共同特点是降低了锂含量和优化了铜等合金元素的含量 从而控制了Al3Li相的析出 解决了第二代合金出现的上述问题 第三代铝锂合金取代2124 2024铝合金制成的零部件在F 16战斗机上的成功验证也是东山再起的重要原因 10 新型高强铝合金7085的问世为特大锻件在A380上的应用开辟了道路 已有高强铝合金的锻件或厚板的厚度均有一定限制 例如7055限于38mm 7150虽较理想 其厚度也不允许大于120mm 为了能获得厚度更大的高强铝合金锻件或厚板 美国Alcoa公司开创了一个具有专利权的7085铝合金 由于淬透性好 其最大厚度可达300mm 7085铝合金的成分特点是锌镁比大和控制的Fe Si含量很低 见下表 7085铝合金的化学成分 7085铝合金的基本性能 7085合金制成的A380飞机后翼梁是迄今为止最大的一个飞机模锻件 尺寸为6 4米长 1 9米宽 重约3900公斤 Alcoa公司与飞机制造商合作制造一支线飞机的紧急出口舱门用的7085铝合金整体锻件 将零件数由147个减至40个 紧固件由1400个减至450个 使装配时间减少80 生产占地面积减少60 成本降低20 25 减重20 一 简介制造航空发动机的汽缸 活塞 压气机 燃烧室 涡轮 轴和尾喷管等主要部件所用的各种结构材料 航空发动机早期采用铝合金 镁合金 高强度钢和不锈钢等制造 后期为适应增加发动机推力 提高飞机飞行速度的需要 钛合金 高温合金和复合材料相继得到应用 1 4航空发动机用材 航空发动机的特点是体积小 功率大 各部件的工作条件严酷 特别是转动件在不同的温度 载荷 环境介质 空气 燃气 下工作 大多须用比强度高 耐热性好和抗腐蚀能力强的材料制造 航空发动机的使用期限不尽相同 军用飞机发动机一般为100 1000小时 民用机发动机甚至要求1万小时以上 所用材料的组织和性能须保持长时间稳定 二 航空发动机用材的演变用铸铝合金 合金钢制造的活塞式航空发动机 在1903年装备了第一架螺旋桨式飞机 40年代到50年代初有了高温合金 涡轮喷气发动机才得以研制成功 使飞机的飞行速度超过了音速 60年代由于铸造高温合金和钛合金的应用和发展 涡轮风扇发动机得以研制成功 70年代定向凝固高温合金空心涡轮叶片 粉末高温合金涡轮盘和新的钛合金的出现 使涡轮进口温度提高到1370 C 使涡轮风扇发动机的推重比达到8以上 活塞式航空发动机汽缸一般用强度达1000兆帕 约100公斤 毫米2 的中碳铬 钼 铝钢制做 以便表面渗氮 提高耐磨性和耐蚀性 活塞用强度为300兆帕 约30公斤 毫米2 的锻造铝合金制作 再嵌装上合金铸铁涨圈 起耐磨和封严的作用 联杆和曲轴用优质的铬 镍合金钢制造 有耐磨要求的部位还经过渗碳或氮化处理 涡轮喷气发动机压气机的零部件工作温度一般低于650 要求用比强度和疲劳强度高 抗冲击和耐腐蚀的材料制造 离心式压气机的叶轮使用高强度铝合金 轴流式压气机的前风扇叶片用钛合金 低压转子的轮盘和叶片用钢和铝合金 发展趋势是全部用钛合金 高压转子的轮盘和叶片用耐热钢 发展趋势是用高温合金 前机匣用钢或钛合金制造 有的机匣为了隔音还需要用吸音材料 燃烧室内燃烧区的温度高达1800 2000 C 尽管引入气流冷却 燃烧室壁温一般仍在900 C以上 常用易成形 可焊接的高温合金 新型镍基和钴基合金 板材制造 为了防止燃气冲刷 热腐蚀和隔热 常喷涂防护涂层 弥散强化合金不需涂层即可用于制造耐1200 C的燃烧室 燃烧室用的材料均可用于制造加力燃烧室和尾喷管 制造涡轮叶片和涡轮盘的材料是影响发动机性能的重要材料 适宜于制造涡轮叶片的材料有铸造镍基合金 现代试验型发动机的涡轮进口温度已达到1650 C 更高的要求达到1930 C 正在研制定向单晶 定向共晶 钨丝增强镍基合金和陶瓷材料 研制弥散强化镍基合金和新型粉末涡轮盘合金 以适应更先进发动机的涡轮叶片和涡轮盘