工艺创新在航空材料中的作用

1、1. 前言前言2. 航空材料发展背景航空材料发展背景3. 工艺创新在航空材料发展中的显要作用工艺创新在航空材料发展中的显要作用3.1 塑性成形工艺的典例塑性成形工艺的典例3.2 凝固成形工艺的典例凝固成形工艺的典例3.3 粉末成形工艺的典例粉末成形工艺的典例3.4 热处理工艺的典例热处理工艺的典例3.5 复合工艺的典例复合工艺的典例4. 结束语结束语材料发展的驱动力材料发展的驱动力永无止境地追永无止境地追求两求两“高高”两两“低低”的目标。的目标。高性能高性能 高效率高效率 低成本低成本 低污染低污染不同的使用对象和不同的历史时期，不同的使用对象和不同的历史时期，材料发展的驱动力可能有不同的侧

2、重，材料发展的驱动力可能有不同的侧重，但是应综合考虑两但是应综合考虑两“高高”两两“低低”的要的要求。求。材料的力学性能和使用可靠性取决于组织结构材料的力学性能和使用可靠性取决于组织结构（包括缺陷情况），而组织结构不仅取决于成分，（包括缺陷情况），而组织结构不仅取决于成分，而且取决于工艺（制备技术）。而且取决于工艺（制备技术）。材料发展的创新途径（成分创新、工艺创新）材料发展的创新途径（成分创新、工艺创新）目的都是在更高层次上满足两目的都是在更高层次上满足两“高高”两两“低低”的的要求。要求。不同的具体情况下，材料创新途径可能有不同不同的具体情况下，材料创新途径可能有不同的侧重，但都应把成分创

3、新与工艺创新紧密结合的侧重，但都应把成分创新与工艺创新紧密结合起来。在很多情况下，工艺创新往往是最有效的起来。在很多情况下，工艺创新往往是最有效的综合达到两综合达到两“高高”两两“低低”目标的途径。目标的途径。 先进飞机及其发动机（特别是军用的）的先进飞机及其发动机（特别是军用的）的需求是航空材料发展的强大推动力。需求是航空材料发展的强大推动力。 美国美国21世纪保持空中优势的主要支柱：世纪保持空中优势的主要支柱：三大战斗机：三大战斗机：F/A-18E/F，F/A-22，F35无人机：侦察机和作战机无人机：侦察机和作战机轰炸机：轰炸机：B-2和高超音速轰炸机和高超音速轰炸机F/A-18C/D（

4、黄蜂）的放大型（增大（黄蜂）的放大型（增大25%）作战半径增大约作战半径增大约40%可生存性大可生存性大610倍倍武器挂点增加武器挂点增加2个个隐身性能提高隐身性能提高 隐身隐身 巡航巡航M1.5，Mmax=2.0 非常规机动性好非常规机动性好 先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。2004年年4月月29日开始的日开始的使用试验证实，一次演习中用使用试验证实，一次演习中用5架架F-15对付一架对付一架F/A-22，F/A-22在在3分钟内完成了攻击，分钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见甚至还未看见F/A-22。 轻型多用途轻型多用途 Mmax=2.5，不超音速巡航，不超

5、音速巡航 隐身隐身 价廉，价廉，28003500万美元万美元/架架 美三军和英皇家海军共订购美三军和英皇家海军共订购3002架，以色列、新加坡、架，以色列、新加坡、希腊、波兰、韩国、澳大利亚、台湾都要加盟希腊、波兰、韩国、澳大利亚、台湾都要加盟 飞行高度最终目标为飞行高度最终目标为1.2万米万米 2006年将让无人作战机与人工驾驶机混合战斗训练年将让无人作战机与人工驾驶机混合战斗训练 2002年年5月月22日日 X-45A首次秘密试飞成功首次秘密试飞成功 隐身、无尾隐身、无尾 隐形，雷达截面积隐形，雷达截面积0.1m2 远程，航程（空中加油一次）远程，航程（空中加油一次）18530km 精确制

6、导，每架可投掷精确制导，每架可投掷16颗颗2000磅钻地弹磅钻地弹 与与F/A-22组成一支能快速部署的全球隐身打击特遣部队组成一支能快速部署的全球隐身打击特遣部队M5，1小时内横越大西洋，几小时内轰炸小时内横越大西洋，几小时内轰炸世界上任何地点世界上任何地点隐身隐身载弹量载弹量B-52机机型型F-16YF-17 F/A-18A/BF/A-18C/DF/A-18E/FF/A-22F-35B-1B-2X-45A X-45B复复合合材材料料389.51023243629385090钛钛合合金金2712131541272126铝铝合合金金8373505029154119钢钢510151614596

7、随着军用飞机的发展，各种材料在飞随着军用飞机的发展，各种材料在飞机机体上的用量不断变化，总的趋势是机机体上的用量不断变化，总的趋势是复合材料和钛合金的用量逐渐增多复合材料和钛合金的用量逐渐增多 高超音速轰炸机用材必然要发生很高超音速轰炸机用材必然要发生很大变化。即使早期研制成功的大变化。即使早期研制成功的SR-71高空高速侦察机（高空高速侦察机（M=3），由于蒙皮），由于蒙皮温度已相当高，故钛合金用量高达温度已相当高，故钛合金用量高达93%。当。当M5时，蒙皮温度高达数千时，蒙皮温度高达数千华氏度，材料问题非常突出。华氏度，材料问题非常突出。机型机型B707B727B737B747B747SP

8、B757B767B777B7E7钛合金钛合金0.212.22.5462715复合复合材料材料1331150 随着民用飞机的发展，各种材料在飞随着民用飞机的发展，各种材料在飞机机体上的用量也有变化，总的趋势也是机机体上的用量也有变化，总的趋势也是复合材料和钛合金的用量不断增多。复合材料和钛合金的用量不断增多。机机型型钛钛合合金金复复合合材材料料第第三三代代客客机机A3204.55.5第第四四代代客客机机A34068研研制制中中客客机机A3801022空客民机机体上钛合金和复空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（合材料的用量（%） F414（推重比（推重比9，F/A-18E/F用）用） F119（

9、推重比（推重比10，F/A-22用）用） F135（F119的推力增大型，的推力增大型，F35用）用） 推重比推重比1520发动机（综合高性能涡轮发动机技术）发动机（综合高性能涡轮发动机技术） 高超音速飞机用冲压喷气发动机高超音速飞机用冲压喷气发动机 现代民用飞机均采用涡扇发动机作为动现代民用飞机均采用涡扇发动机作为动力装置，而其中罗力装置，而其中罗罗公司生产的三轴式涡罗公司生产的三轴式涡扇发动机最具特色。扇发动机最具特色。 随着航空发动机的发展，各种材料在发动随着航空发动机的发展，各种材料在发动机中的用量不断变化。总的趋势是从钢、铝时机中的用量不断变化。总的趋势是从钢、铝时代逐渐转化成冷端以

10、钛为主、热端以镍为主的代逐渐转化成冷端以钛为主、热端以镍为主的镍、钛、钢镍、钛、钢“三三国鼎立国鼎立”的时代。的时代。未来的趋势是部未来的趋势是部分地被树脂基、分地被树脂基、金属基、陶瓷基金属基、陶瓷基复合材料和金属复合材料和金属间化合物所取代。间化合物所取代。 从上述发展背景可以看出，为了满足飞机及其发从上述发展背景可以看出，为了满足飞机及其发动机日新月异的需求，航空材料必须不断创新，而材动机日新月异的需求，航空材料必须不断创新，而材料创新的内涵包含成分创新和工艺创新两大部分。成料创新的内涵包含成分创新和工艺创新两大部分。成分创新在满足飞机及其发动机需求方面的重要作用通分创新在满足飞机及其发

11、动机需求方面的重要作用通常不会被人们忽视或忘却，而工艺创新在满足飞机及常不会被人们忽视或忘却，而工艺创新在满足飞机及其发动机需求方面的重要作用却容易被一部分人忽视其发动机需求方面的重要作用却容易被一部分人忽视或忘却。因此，很有必要通过下面的各种典型实例阐或忘却。因此，很有必要通过下面的各种典型实例阐明工艺创新在航空材料发展中的显要作用。明工艺创新在航空材料发展中的显要作用。3.1.1 钛合金高低温交替锻造工艺钛合金高低温交替锻造工艺金属材料从铸锭开坯经坯料锻造直至最终模锻往往要金属材料从铸锭开坯经坯料锻造直至最终模锻往往要经过很多火次，每火的加热温度通常是从高温递减至较经过很多火次，每火的加热

12、温度通常是从高温递减至较低温度，国内外钛合金传统的锻造工艺也是如此。然而，低温度，国内外钛合金传统的锻造工艺也是如此。然而，钛合金大型锻件及其坯料的组织经常出现严重的不均匀，钛合金大型锻件及其坯料的组织经常出现严重的不均匀，俗称俗称“大花脸大花脸”，对力学性能不利。，对力学性能不利。经过研究和生产实践，我们根据全程组织设计的概经过研究和生产实践，我们根据全程组织设计的概念，进行了全程工艺设计，创立了念，进行了全程工艺设计，创立了AHLT工艺，即从铸工艺，即从铸锭开坯直至最终模锻进行全程的统筹安排，其锻前加锭开坯直至最终模锻进行全程的统筹安排，其锻前加热温度经历了热温度经历了“高高低低高高低低”

13、的程序，其中的程序，其中“高高”指指区加热，区加热，“低低”指指区加热。该工艺获得了均匀区加热。该工艺获得了均匀的金相组织和优良的综合性能。的金相组织和优良的综合性能。俄罗斯和我国钛合金盘高倍组织均匀性的对比俄罗斯和我国钛合金盘高倍组织均匀性的对比俄罗斯钛合金盘的高低倍组织俄罗斯钛合金盘的高低倍组织我国钛合金盘的高低倍组织我国钛合金盘的高低倍组织TC11钛合金高压压气机转子，其压气机盘全部采钛合金高压压气机转子，其压气机盘全部采用高低温交替锻造工艺。该用高低温交替锻造工艺。该“工艺研究工艺研究”项目获项目获国家科技进步一等奖。迄今为止，国家科技进步一等奖。迄今为止，TC11仍是我国仍是我国军用

14、工业中年用量最大的一种钛合金牌号，有力军用工业中年用量最大的一种钛合金牌号，有力地推动了钛合金材料的发展。地推动了钛合金材料的发展。3.1.2 钛合金高温形变强韧化工艺钛合金高温形变强韧化工艺传统的传统的锻造工艺虽能获得较高的锻造工艺虽能获得较高的、，但，但KIC低，低，da/dN快，蠕变抗力低，这不适应损伤容限设计和高温快，蠕变抗力低，这不适应损伤容限设计和高温零件的要求。因此，国内外均在发展高温形变强韧化工零件的要求。因此，国内外均在发展高温形变强韧化工艺，花样颇多，如近艺，花样颇多，如近锻、准锻、准锻、亚锻、亚锻、锻、 锻、全锻、全锻锻等，均在不同程度上提高了等，均在不同程度上提高了KI

15、C和蠕变强度，减慢了和蠕变强度，减慢了da/dN，其，其和和虽在多数情况下有不同程度降低，但并虽在多数情况下有不同程度降低，但并不影响使用可靠性。这种关键性能上的戏剧性变化是单不影响使用可靠性。这种关键性能上的戏剧性变化是单纯依靠合金成分的改变所办不到的。性能上的变化取决纯依靠合金成分的改变所办不到的。性能上的变化取决于组织上的变化，而组织又取决工艺。于组织上的变化，而组织又取决工艺。钛合金不同类型的显微组织钛合金不同类型的显微组织123456987101112131415TA12钛合金高压压气机盘和鼓筒钛合金高压压气机盘和鼓筒（采用急冷式（采用急冷式模锻工艺）模锻工艺）百花齐放的各种高温形变

16、强百花齐放的各种高温形变强韧化工艺均取得良好效果和韧化工艺均取得良好效果和不同程度的应用。其中以急不同程度的应用。其中以急冷式冷式模锻工艺为主要创新模锻工艺为主要创新点的点的TA12钛合金应用研究获钛合金应用研究获部级科技进步一等奖，而近部级科技进步一等奖，而近锻造工艺最近获国防科学锻造工艺最近获国防科学技术一等奖。技术一等奖。钛合金材料发展过程遇到的较大困难是塑性加工温度钛合金材料发展过程遇到的较大困难是塑性加工温度范围狭窄，而且由于导热性差（见表）而使坯料表面范围狭窄，而且由于导热性差（见表）而使坯料表面温度冷却很快，其变形不均匀问题很难解决，相应地温度冷却很快，其变形不均匀问题很难解决，

17、相应地组织性能不均匀和表面裂纹等问题突出。组织性能不均匀和表面裂纹等问题突出。测测试试温温度度，TC6 钛钛合合金金30CrMnSiA钢钢2A11 铝铝合合金金100829.313040012.630.617670016.827.2三种材料的热导率三种材料的热导率 W/(m ) 这三种工艺在定义上是有差别的，这三种工艺在定义上是有差别的，但相互联系很紧密，就合而言之。但相互联系很紧密，就合而言之。美国美国GE公司采用公司采用近等温塑性加工工近等温塑性加工工艺发展艺发展Ti-Al系金属系金属间化合物材料间化合物材料创新性等温或近等创新性等温或近等温塑性加工工艺促进温塑性加工工艺促进了了SP700

18、(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)等新型超塑等新型超塑性钛合金的发展性钛合金的发展早在早在11世纪末到世纪末到13世纪末的世纪末的200年里，骠悍年里，骠悍的阿拉伯骑兵那闪闪发光、锋利无比的大马的阿拉伯骑兵那闪闪发光、锋利无比的大马士革宝刀曾使东征的十字军闻风丧胆。锻打士革宝刀曾使东征的十字军闻风丧胆。锻打宝刀的铁坯产于印度，能被叙利亚工匠锻成宝刀的铁坯产于印度，能被叙利亚工匠锻成削铁如泥的宝刀，但运至欧洲让最高明的工削铁如泥的宝刀，但运至欧洲让最高明的工匠锻造时，却脆得无法成形。这是因为当含匠锻造时，却脆得无法成形。这是因为当含碳量高达碳量高达1.5%时，虽可显著提高钢的强度和时，虽

19、可显著提高钢的强度和硬度，却因形成大量脆性的渗碳体网状组织硬度，却因形成大量脆性的渗碳体网状组织而无法锻打刀剑。而无法锻打刀剑。宝刀虽尚能找到，锻造技术却久已失传。直到宝刀虽尚能找到，锻造技术却久已失传。直到20世纪世纪60年代，美国斯坦福大学的两位冶金师年代，美国斯坦福大学的两位冶金师揭开了大马士革宝刀的秘密。原来高含量碳的揭开了大马士革宝刀的秘密。原来高含量碳的加入虽会导致脆性，但也能阻止晶粒长大而获加入虽会导致脆性，但也能阻止晶粒长大而获得超细晶粒（平均直径为九个微米），从而在得超细晶粒（平均直径为九个微米），从而在一定条件下使它处于超塑性状态。现在，这种一定条件下使它处于超塑性状态。现

20、在，这种新的经过超塑性加工的钢刀钢剪已在美国和日新的经过超塑性加工的钢刀钢剪已在美国和日本上市，人们在自己的厨房里就可一试大马士本上市，人们在自己的厨房里就可一试大马士革宝刀的锋芒了。革宝刀的锋芒了。普通碳钢的拉伸强度为普通碳钢的拉伸强度为290590MPa，但日本在，但日本在90年代将低碳铁素体钢经特殊热处理后再以年代将低碳铁素体钢经特殊热处理后再以99.99%变形变形量通过金刚石模板连续冷拉成超细纤维量通过金刚石模板连续冷拉成超细纤维(1m长的丝材长的丝材坯料被拉成坯料被拉成1万米的纤维万米的纤维)，这时它的拉伸强度竟高达，这时它的拉伸强度竟高达5300MPa，同时又保留了铁素体原来的塑性

21、和韧性。同时又保留了铁素体原来的塑性和韧性。这与组织的细化和缺陷的减少有关。这与组织的细化和缺陷的减少有关。冷拉超细纤维的直径越小，强度越高。直径冷拉超细纤维的直径越小，强度越高。直径50 m纤维纤维的强度为的强度为4170MPa，直径直径15 m纤维的强度为纤维的强度为5300MPa。单纤维冷拉效率低，近期发展的集束包套冷拉工艺可单纤维冷拉效率低，近期发展的集束包套冷拉工艺可一次将上百根金属丝坯拉制成超细纤维。包套用铜制成，一次将上百根金属丝坯拉制成超细纤维。包套用铜制成，具有很好的润滑性。拉制后用化学铣削法去除铜套，纤具有很好的润滑性。拉制后用化学铣削法去除铜套，纤维表面光滑，截面均匀，还

22、可防止断丝。目前已用此法维表面光滑，截面均匀，还可防止断丝。目前已用此法获得直径为获得直径为10 m的不锈钢超细纤维。的不锈钢超细纤维。冷拉超细纤维与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等组合冷拉超细纤维与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等组合成混合纤维，加入到树脂基体中制成复合材料可发挥综成混合纤维，加入到树脂基体中制成复合材料可发挥综合性能优势，获得飞机设计师们的青睐。合性能优势，获得飞机设计师们的青睐。3.2.1 金属型精铸工艺金属型精铸工艺美美Howmet公司和公司和P&W公司联合推出，公司联合推出，1991年开始年开始用于高温合金，后来又用于钛合金。用于高温合金，后来又用于钛合金。分分GMM（重力金

23、属型铸造）和（重力金属型铸造）和VDC（真空金属模（真空金属模铸造）。铸造）。与陶瓷型熔模铸造相比，节省成本与陶瓷型熔模铸造相比，节省成本4050%，减少，减少了污染，提高了性能（见图）。了污染，提高了性能（见图）。钛合金金属型铸件与陶瓷型铸件、锻件的性能对比钛合金金属型铸件与陶瓷型铸件、锻件的性能对比已用已用GMM工艺制造了工艺制造了F119发动机压气机第发动机压气机第4、5级级阻燃钛合金可调式导流叶片精铸件（见图）阻燃钛合金可调式导流叶片精铸件（见图）。打算用打算用VDC工艺制造钛合金风扇和压气机叶片，如工艺制造钛合金风扇和压气机叶片，如能实现，则更是一个重大突破能实现，则更是一个重大突破

24、。F119发动机压气机第发动机压气机第4、5级阻燃钛合金可调式导流级阻燃钛合金可调式导流叶片金属型铸件叶片金属型铸件小型件小型件大型整体发动机机匣大型整体发动机机匣大型复杂整体飞机结构件大型复杂整体飞机结构件应用典例之一应用典例之一V-22 Osprey垂直起落飞机（倾转式旋翼）垂直起落飞机（倾转式旋翼）的转接座（见图）的转接座（见图）V-22 Osprey飞机飞机Ti-6Al-4V 转接座转接座应用典例之二应用典例之二F-22 飞机的垂尾方向舵作飞机的垂尾方向舵作动筒支座动筒支座F-22（2005年前开始服役年前开始服役） 为什么要用？为什么要用？主要是为了大幅度减少零件数而显著降低成本、缩

25、短周主要是为了大幅度减少零件数而显著降低成本、缩短周期和减轻结构重量。以期和减轻结构重量。以V-22转接座为例，降低成本转接座为例，降低成本30%，加工和安装时间减少加工和安装时间减少62%V-22转接座前后两种方案的对比示意图转接座前后两种方案的对比示意图主要靠关键技术及其诱人的效果壮了胆。主要靠关键技术及其诱人的效果壮了胆。三大关键技术：三大关键技术：(1)计算机技术（特别是工艺模拟）；计算机技术（特别是工艺模拟）；(2)热等静压；热等静压；(3)热处理。热处理。诱人的效果：铸造系数从诱人的效果：铸造系数从1.252.00降至降至1.00；既精确；既精确控形，也精确控性。控形，也精确控性。

26、促进了钛合金铸件在促进了钛合金铸件在F-22等飞机上的大量应用，等飞机上的大量应用，F-22就就有有6个大型个大型Ti-6Al-4V铸件，连铸件，连F-22的侧机身与机翼的接头的侧机身与机翼的接头这种非常关键的零件都采用了这种非常关键的零件都采用了Ti-6Al-4V铸件，无疑这是铸件，无疑这是钛合金铸造技术迈出的非常大的一步！钛合金铸造技术迈出的非常大的一步！2002年初年初Howmet公司又接到一批公司又接到一批F-22大型钛铸大型钛铸件的订货合同，总价值件的订货合同，总价值800万美元。万美元。 为什么敢用？为什么敢用？美国、英国与航美国、英国与航材院涡轮叶片用材院涡轮叶片用高温合金的发展

27、高温合金的发展叶片冷却方式与涡轮进口温度的关系叶片冷却方式与涡轮进口温度的关系F119发动机发动机(F-22用用)的涡轮转子叶片选用的涡轮转子叶片选用了第二代单晶高温合金了第二代单晶高温合金PWA1484,该材料本身的该材料本身的最高工作温度为最高工作温度为1070左右，由于采用了计算左右，由于采用了计算流体动力学程序设计制造了超级冷却叶片，使流体动力学程序设计制造了超级冷却叶片，使涡轮转子叶片的工作温度提高至涡轮转子叶片的工作温度提高至16211677 （F100发动机为发动机为1400）。具有如此复杂的冷）。具有如此复杂的冷却孔道的叶片要精铸成单晶材料，其工艺创新却孔道的叶片要精铸成单晶材

28、料，其工艺创新的技术含量是非常高的，也可从中看到工艺创的技术含量是非常高的，也可从中看到工艺创新在材料发展中的重要地位。新在材料发展中的重要地位。无论是定向凝固还是单晶叶片，可工艺创新之处是无论是定向凝固还是单晶叶片，可工艺创新之处是很多的。例如型芯材料（定向常用氧化硅，单晶常很多的。例如型芯材料（定向常用氧化硅，单晶常用氧化铝），凝固成形过程的数值模拟等。用氧化铝），凝固成形过程的数值模拟等。大型单晶叶片与较小叶片对比大型单晶叶片与较小叶片对比GE公司用第二代单晶合公司用第二代单晶合金金ReneN5铸出长铸出长400mm、重重9Kg的的GE90发动机单发动机单晶空心叶片。地面燃机晶空心叶片。

29、地面燃机的单晶叶片更大（见图）的单晶叶片更大（见图）用于用于760以下工作的高温合金零件。目以下工作的高温合金零件。目的是避免或减少与粗晶伴生的连续析出碳的是避免或减少与粗晶伴生的连续析出碳化物、偏析和微观缩孔，提高疲劳性能和化物、偏析和微观缩孔，提高疲劳性能和使用可靠性。使用可靠性。细化途径：振动法、热控法、细化剂法细化途径：振动法、热控法、细化剂法 细晶精铸工艺细晶精铸工艺斯贝发动机起动器细晶叶盘。斯贝发动机起动器细晶叶盘。BIAM采用机械振动法采用机械振动法+热热控法制成，使用控法制成，使用1000次以上仍不损坏，而从英国进口的次以上仍不损坏，而从英国进口的叶轮使用叶轮使用900次以下就

30、损坏次以下就损坏细晶叶盘与普通叶盘的晶粒度对比细晶叶盘与普通叶盘的晶粒度对比高温合金定向叶片高温合金定向叶片/细晶轮毂整体叶盘细晶轮毂整体叶盘3.3.1 高温合金涡轮盘材料的发展史同样离不开高温合金涡轮盘材料的发展史同样离不开工艺创新的重要贡献工艺创新的重要贡献随着航空发动机推重比的不断提高随着航空发动机推重比的不断提高,涡轮盘材料的涡轮盘材料的关键性地位越来越突出。有人把它誉为关键性地位越来越突出。有人把它誉为“发动机的皇发动机的皇冠冠”（涡轮叶片则誉为（涡轮叶片则誉为“皇冠上的众多明珠皇冠上的众多明珠”）。）。原来采用变形工艺的涡轮盘材料，由于偏析等问原来采用变形工艺的涡轮盘材料，由于偏析

31、等问题很难妥善解决，其高温蠕变抗力和疲劳性能等难以题很难妥善解决，其高温蠕变抗力和疲劳性能等难以满足较高推重比发动机的要求，于是美国创立了新的满足较高推重比发动机的要求，于是美国创立了新的粉末盘的工艺路线。粉末盘的工艺路线。GE公司早期没有采用公司早期没有采用P&W公司的超塑性锻造工艺，而公司的超塑性锻造工艺，而采用了热等静压工艺。采用了热等静压工艺。1980年，用热等静压工艺制成的年，用热等静压工艺制成的F404发动机发动机Rene95粉末涡轮盘破裂而导致一等事故。粉末涡轮盘破裂而导致一等事故。后来欧美的粉末盘都采用了后来欧美的粉末盘都采用了“挤压开坯挤压开坯+超塑性锻造超塑性锻造”的工艺，

32、以保证消除尺寸过大的陶瓷夹杂和改善组织性的工艺，以保证消除尺寸过大的陶瓷夹杂和改善组织性能。需能。需2万万3.5万万t挤压机。挤压机。 与多工序的铸锭与多工序的铸锭/热变形的传统工艺相比，由于它热变形的传统工艺相比，由于它是由金属液直接雾化和沉积成近净型半成品，因此是由金属液直接雾化和沉积成近净型半成品，因此周期短，成本低。周期短，成本低。 与铸造工艺相比，由于具有快速凝固的特点，金与铸造工艺相比，由于具有快速凝固的特点，金相组织细小均匀，更适合于在喷射成形后经少量变相组织细小均匀，更适合于在喷射成形后经少量变形（如热轧、冷轧、超塑成形）加工成最终成品。形（如热轧、冷轧、超塑成形）加工成最终成

33、品。 适合于一些难变形合金或铸造时易严重偏析的合适合于一些难变形合金或铸造时易严重偏析的合金（如金（如TiAl合金）合金）铝合金、高温合金、钛合金、金属间化合铝合金、高温合金、钛合金、金属间化合物均适用物均适用优越性优越性三种喷射成形方式的示意图三种喷射成形方式的示意图应用情况应用情况 美国海军的喷射成形美国海军的喷射成形In625合金大口径厚壁管等合金大口径厚壁管等已用于舰艇鱼雷发射管、尾轴及轴密封套等。已用于舰艇鱼雷发射管、尾轴及轴密封套等。 P&W发动机公司和发动机公司和Howmet公司制备的喷射成公司制备的喷射成形（形（+热等静压热等静压+环轧）环轧）In718合金高压涡轮机匣已合金高

34、压涡轮机匣已分别在分别在PW4000和和F100-PW220发动机上通过了试发动机上通过了试车车。 GE公司喷射成形高温合金涡轮盘将用于新一代公司喷射成形高温合金涡轮盘将用于新一代GE-90发动机，见图。发动机，见图。从从1400的高温合金熔液雾化沉积成盘件的实况的高温合金熔液雾化沉积成盘件的实况喷射成形的喷射成形的TiAl合金合金(Ti-48Al-2Nb-2Mn)环形件环形件喷射成形设备喷射成形设备（70Kg容量）容量）BIAM较早就建立了喷射成形设备（见图）和较早就建立了喷射成形设备（见图）和开展了研究。航天某涡扇发动机的开展了研究。航天某涡扇发动机的GH742涡轮盘涡轮盘很易锻裂，很易锻

35、裂，0.2也不够高。现改用喷射成形工艺也不够高。现改用喷射成形工艺并制成并制成5个成品盘（见图），个成品盘（见图）， 0.2提高了提高了200MPa，即将进，即将进行超转试验和发动机试车。行超转试验和发动机试车。某涡扇发动机用某涡扇发动机用GH742喷射成形沉积坯制喷射成形沉积坯制成涡轮盘半成品的过程成涡轮盘半成品的过程喷射成形喷射成形GH742涡轮盘成品涡轮盘成品在美政府的国防先进研究项目局和海军研究办公室的资在美政府的国防先进研究项目局和海军研究办公室的资助下，由两个大学（助下，由两个大学（Johns Hopkins大学和宾夕法尼亚州大学和宾夕法尼亚州大学）、两个公司（大学）、两个公司（M

36、TS系统公司和系统公司和AeroMet公司）联合公司）联合研究成功。研究成功。这是一种由高功率激光镀覆技术与先进的快速成形技术这是一种由高功率激光镀覆技术与先进的快速成形技术结合而成的金属粉末熔化和直接沉积的新工艺结合而成的金属粉末熔化和直接沉积的新工艺激光成形设备由一个激光成形设备由一个14KW CO2激光器、一个特殊的粉激光器、一个特殊的粉末喂料系统和一个很大的可充氩的工作室（末喂料系统和一个很大的可充氩的工作室（3x3x1.2m）组成，工件与激光束的三维相对运动通过计算机软件控制组成，工件与激光束的三维相对运动通过计算机软件控制（见图）。（见图）。激光成形设备激光成形设备优越性优越性是软

37、件驱动的柔性加工，不用添置加工设备、工夹具是软件驱动的柔性加工，不用添置加工设备、工夹具等硬件，最适用于通常要改变设计的研制工作。等硬件，最适用于通常要改变设计的研制工作。生产周期短，可快速反应。生产周期短，可快速反应。材料利用率高。材料利用率高。力学性能达到锻件水平力学性能达到锻件水平可裁缝式地制成可裁缝式地制成“变成分变成分”的材料和零件的材料和零件一种比传统补焊好得多的修补手段一种比传统补焊好得多的修补手段应用实例应用实例F/A-18E/F已选定已选定4个个Ti-6Al-4V大型构件应用此工艺大型构件应用此工艺鉴于激光成形工艺可显著降低研制周期与成本，鉴于激光成形工艺可显著降低研制周期与

38、成本，对航空工业高性能金属构件有战略性重要意义，对航空工业高性能金属构件有战略性重要意义，美国国防后勤局最近与明尼苏达州的美国国防后勤局最近与明尼苏达州的AeroMet 公司签订了公司签订了1900万美元的多年协议，用激光成万美元的多年协议，用激光成形法为军用飞机与发动机制造钛合金结构件的形法为军用飞机与发动机制造钛合金结构件的试生产件，由试生产件，由CAD文档驱动高功率激光器将钛文档驱动高功率激光器将钛合金粉末熔结而制成近净形件。合金粉末熔结而制成近净形件。热处理的特大热处理的特大Ti-6Al-4V锻件（锻件（F-22后机身隔框）后机身隔框）3.4.1 钛合金钛合金热处理工艺热处理工艺损伤容

39、限设计用的损伤容限设计用的TC11钛合金采用了一种新型的钛合金采用了一种新型的热处热处理工艺理工艺BRCT热处理。热处理。室温拉伸室温拉伸合金合金热处理工艺热处理工艺bMPa5%-1(107次次)MPa备注备注1025 1h 油淬油淬570 6h 空冷空冷13281.85.3与英国快冷式工艺相当TC11BRCT11549.05.5513新型工艺910 1.5h 水淬水淬630 8h 空冷空冷13531.43.1与英国快冷式工艺相当Ti-17BRCT114511.016.0新型工艺1040 1h 空冷空冷600 2h 空冷空冷104813.1260与英、美空冷式工艺相当Ti-55BRCT1078

40、15.9547新型工艺不同不同热处理工艺对钛合金力学性能的影响热处理工艺对钛合金力学性能的影响不同热处理工艺对不同热处理工艺对TC11钛合金显微组织的影响钛合金显微组织的影响空冷二重热处理空冷二重热处理急冷二重热处理急冷二重热处理空冷二重热处理空冷二重热处理BRCT热处理热处理BRCT热处理的TC11钛合金的拉伸断口特征a、穿晶断裂；b、局部沿晶断裂BRCT热处理的热处理的TC11钛合金压气机盘钛合金压气机盘BRCT热处理的热处理的TC11钛合金伞舱梁钛合金伞舱梁热热处处理理工工艺艺bMPa0.2MPa5%bh/bKt=3akuKJ/m2KICmMPaBRCT104091811.418.01.

41、4855996.0102693113.941.91.5648374.2蠕蠕变变性性能能应应力力热热稳稳定定*无无应应力力热热稳稳定定*/0热热处处理理工工艺艺bMPahp%bMPa5%100h500hBRCT5203431000.17810428.011.21.00.825003431000.1380.93TC11钛合金压气机盘的室温拉伸性能、钛合金压气机盘的室温拉伸性能、缺口敏感系数、冲击韧性和断裂韧性缺口敏感系数、冲击韧性和断裂韧性TC11钛合金压气机盘的蠕变和热稳定性钛合金压气机盘的蠕变和热稳定性*本表中所列的蠕变试样100小时试验后的室温拉伸性能。*/0为520(BRCT)或500(热

42、处理)100h或500h热暴露后与暴露前断面收缩率的比值。左图为两种热处理工艺的左图为两种热处理工艺的TC11钛合金伞舱梁与钛合金伞舱梁与Ti-10-2-3合金锻坯（厚合金锻坯（厚30mm）的的疲劳裂纹扩展特性。疲劳裂纹扩展特性。CT试试样，样，L-T取向，室温，空气，取向，室温，空气，R=0.1，f=513Hz合合 金金bM Pa0.2M Pa%K1CTC 11D T10301225 885 6 12 85*Ti-622D T 1030 930 6 12 77mMPa10152025 30 35 4050406080 10014010-410-3MPam1/2K，kgmm-3/2da/dN，

43、mm/周周TC11(热处理热处理)TC11(热处理热处理)Ti-10V-2Fe-3AlF119的的DTPIn100粉末盘采用双性能热处理，高温处理粉末盘采用双性能热处理，高温处理的外缘获得高的的外缘获得高的K1C、蠕变抗力和低的蠕变抗力和低的da/dN，而低温而低温处理的内处理的内缘则获得高的缘则获得高的0.2和低周疲劳强度。和低周疲劳强度。通过热处理工艺创新提高综合性能通过热处理工艺创新提高综合性能改善强度与抗蚀改善强度与抗蚀性的匹配性的匹配实例：实例：B-777大量选大量选用用7055-T77和和7150-T77（见（见B-777选材选材图）图）高强度铝合金的发展与应用高强度铝合金的发展与

44、应用(1) 精确控温的高温固溶处理精确控温的高温固溶处理固溶处理温度非常接近过烧温度，因此必须精确控温固溶处理温度非常接近过烧温度，因此必须精确控温（3），出炉后水冷（一般采用滚道式上下喷水）。），出炉后水冷（一般采用滚道式上下喷水）。(2) 三级时效三级时效第一级第一级 较低温度时效（通常水冷），达较低温度时效（通常水冷），达90%强度。强度。第二级第二级 较高温度过时效（通常水冷），以提高抗腐蚀性。较高温度过时效（通常水冷），以提高抗腐蚀性。第三级第三级 较低温度时效（温度等同或接近第一次时效，通较低温度时效（温度等同或接近第一次时效，通常空冷），补充强化至应有水平，即充分利用过饱和效果。

45、常空冷），补充强化至应有水平，即充分利用过饱和效果。3.5.1 树脂转移成形（树脂转移成形（RTM）在室温或较低温度下靠加压（抽真空）将低粘度的树脂注入在室温或较低温度下靠加压（抽真空）将低粘度的树脂注入放好预成型坯（编织好的增强纤维）的密闭模中，而后加热固化。放好预成型坯（编织好的增强纤维）的密闭模中，而后加热固化。主要特点（与传统的预浸料铺叠主要特点（与传统的预浸料铺叠/热压成形工艺相比）热压成形工艺相比）制品设计自由度大，各种复杂异形件均不必缝合，有利于结构制品设计自由度大，各种复杂异形件均不必缝合，有利于结构整体化和提高强度、刚度、抗分层、抗冲击等综合性能；整体化和提高强度、刚度、抗分

46、层、抗冲击等综合性能；材料空隙率很低（材料空隙率很低（00.2%）；）；纤维含量高，可达纤维含量高，可达5060%，甚至，甚至75%；尺寸精确，重复性好，装配工时显著减少；尺寸精确，重复性好，装配工时显著减少；能耗低，生产周期短，成本降低能耗低，生产周期短，成本降低20%，增强了与金属件的竞争，增强了与金属件的竞争力（金属件虽比力（金属件虽比RTM成本还低成本还低10%，但重，但重40%）；）；工作环境好工作环境好耐热性、耐湿性、韧性等性能仍应满足使用要求；耐热性、耐湿性、韧性等性能仍应满足使用要求；在室温或较低温度下具有低粘度在室温或较低温度下具有低粘度(0.11PaS)；对增强纤维有良好的

47、浸润性、匹配性和粘附性；对增强纤维有良好的浸润性、匹配性和粘附性；固化时不产生挥发物或其他不良副反应；固化时不产生挥发物或其他不良副反应；环氧树脂一般能适应上述要求，如用双马来酰亚胺，环氧树脂一般能适应上述要求，如用双马来酰亚胺，则可用各种单体与它聚合或加入活性稀释剂。则可用各种单体与它聚合或加入活性稀释剂。F-22是首例大量采用是首例大量采用RTM工艺的飞机。有工艺的飞机。有400多个零件多个零件采用采用RTM。应用实例：进气唇口，前机身部分隔框和构架，。应用实例：进气唇口，前机身部分隔框和构架，燃油箱骨架和箱壁，中机身武器舱门帽形加强筋，机翼中间燃油箱骨架和箱壁，中机身武器舱门帽形加强筋，

48、机翼中间梁，尾翼的梁和肋。梁，尾翼的梁和肋。F-35（JSF）的垂尾及平尾原来采用铝合金蜂窝芯）的垂尾及平尾原来采用铝合金蜂窝芯/复合复合材料蒙皮结构，为进一步减轻结构重量，成功地用材料蒙皮结构，为进一步减轻结构重量，成功地用RTM技术技术验证了全复合材料结构（石墨纤维验证了全复合材料结构（石墨纤维/双马树脂）的垂尾，使零双马树脂）的垂尾，使零件数从原来件数从原来13个减至个减至1个，紧固件取消了个，紧固件取消了1000个，制造费相应个，制造费相应减少减少60%以上。这一以上。这一90Kg重的大型复杂复合材料结构件制造重的大型复杂复合材料结构件制造技术的突破与技术的突破与RTM流动模型（最佳注

49、射部位及程序）的建立流动模型（最佳注射部位及程序）的建立紧密相关。紧密相关。我国已成功地用我国已成功地用RTM工艺制备了歼八工艺制备了歼八机翼隔框模拟件，机翼隔框模拟件，相应地研制成功适用于相应地研制成功适用于RTM的酚醛树脂、的酚醛树脂、BMI和环氧树脂。和环氧树脂。 工艺过程：模塑出包含肋条、桁条、电气线工艺过程：模塑出包含肋条、桁条、电气线路及其他附件的整体泡沫芯子路及其他附件的整体泡沫芯子固化固化缠绕缠绕以增强用的纤维以增强用的纤维送回模具注射树脂送回模具注射树脂固化。固化。 应用：原用于制造冲浪船，后来美国泡沫基应用：原用于制造冲浪船，后来美国泡沫基体公司用该复合工艺制成体公司用该复

50、合工艺制成X-45无人作战机的轻型无人作战机的轻型机翼，既具有高强度，也显著降低了成本，获波机翼，既具有高强度，也显著降低了成本，获波音公司音公司2002年供应商创新奖。年供应商创新奖。空客研制的空客研制的A380是世界上最大的双层客舱式的民用飞机，其载客量达是世界上最大的双层客舱式的民用飞机，其载客量达555人。订单已达人。订单已达129架，每架架，每架2.8亿美元。亿美元。2004年年5月月7日，空客公司在日，空客公司在法国图卢兹为法国图卢兹为A380开始总装举行盛大庆祝仪式。开始总装举行盛大庆祝仪式。 A380采用了大量的称为采用了大量的称为GLARE的创新性材料，其主要的创新性材料，其

51、主要创新点是新型的复合工艺。该工艺是将创新点是新型的复合工艺。该工艺是将0.25毫米厚的铝材毫米厚的铝材和玻璃纤维和玻璃纤维/环氧树脂复合材料在模子里交替层铺并粘接在环氧树脂复合材料在模子里交替层铺并粘接在一起，然后在固化炉内成形固化。一起，然后在固化炉内成形固化。GLARE板材的厚度为板材的厚度为1.73毫米毫米15毫米。毫米。 GLARE取代铝板制造取代铝板制造A380机身壁板后，不但减重机身壁板后，不但减重25%，而且具有更高的强度、更好的抗疲劳特性和更长的使用寿而且具有更高的强度、更好的抗疲劳特性和更长的使用寿命。铝板如果出现裂纹，会向各方向扩展而导致结构破坏，命。铝板如果出现裂纹，会

52、向各方向扩展而导致结构破坏，而而GLARE壁板一旦出现裂纹却不会继续扩展。壁板一旦出现裂纹却不会继续扩展。GLARE另另一个优点是可以和单片铝板一样钻孔和切削，便于制造和一个优点是可以和单片铝板一样钻孔和切削，便于制造和维修。因此在维修。因此在A380上的用量很大。上的用量很大。材料科学与工程领域的发展历程反映了一个辩证关系：成材料科学与工程领域的发展历程反映了一个辩证关系：成分创新与工艺创新密不可分，相辅相成，互相依赖，互相分创新与工艺创新密不可分，相辅相成，互相依赖，互相促进。一种成分创新的新材料的诞生，往往由于它独有的促进。一种成分创新的新材料的诞生，往往由于它独有的特性而推动一些工艺技术的发展，甚至创立一种崭新的工特性而推动一些工艺技术的发展，甚至创立一种崭新的工艺技术；反过来，一种工艺创新的新技术的诞生，又往往艺技术；反过来，一种工艺创新的新技术的诞生，又往往由于它新的思路而推动一些材料