航空材料的发展现状与展望

南昌航空大学航空制造工程学院飞行器制造工程航空新材料机热处理航空材料的发展现状与展望08032328冯绍红摘要：航空材料的发展事关我国近后几年甚至几十年航空技术的发展，间接关乎我国空中力量的强弱对于科技迅猛发展的现代空中力量是一个国家强弱的标志在此介绍现代飞机和先进航空发动机的技术特点及其对材料和构件的需求;指出了目前我国航空材料研究中的关键技术，分析了其中一些主要项目的发展现状、存在问题和解决办法;最后,对我国航空材料和热工艺技术的发展方向、前景做以分析并提出个人的建议。关键字:航空材料;复合材料;合金;超高强度钢航空材料的发展现状科学技术发展和国民经济建设的重要支柱以及21世纪关系国家安全、推动技术进步和经济发展的三大关键技术之一是先进材料。航空材料及其制备技术是航空三大关键技术之一是材料科学领域中富有创造性和开拓性的一个重要分支是航空现代化和高科技发展的物质基础。先进材料还是航空技术的先导先进飞机和航空发动机对材料技术的依赖性越来越大航空材料是航空产品的技术性能、生存能力、延长寿命和提高经济可承受能力的基础属于优先发展、重点突破的关键技术。航空材料的研发和应用水平也反映着一个国家的综合实力和科技水平。从1980年到2000年以来，现代航空材料取得了重大发展图1示出飞机用结构材料的发展趋势目前国外十线客机和军用飞机各类材料结构质量分数占比见表1,2，从表中可以看出，现役飞机仍以铝合金为主,钢用量趋于减少，46E钛合金用量显著增加,树脂基复合材料已在承力件上得结构质量分数占比见表1,2，从表中可以看出，现役飞机仍以铝合金为主,钢用量趋于减少，46E钛合金用量显著增加,树脂基复合材图1现代飞机用材料的发展状况到全面应用。现代飞机结构材料的发展目标和趋势是(1)大力发展高比强度、高比刚度、高韧性、高损伤容限、抗腐蚀、耐环境侵蚀的表1国外干线客机各类材料结构占比w/%先进结构材料和整机型首飞年份铝钢钛复合材料其他B74719698113411体结构，实现结构B75719827812631减重。B76719818014231B77719947011111(2)积极开发DC1019707814512结构承载和功能一MD111990769582A-320198776.513,54.55,5体化的材料,要求A-3401991758683|米用既承受气动载荷又具备多功能的复合材料和结构。加强新材料疲劳寿命、耐久性和损伤容限的研究提高机体的使用寿命和可靠性。重视新材料及相关制备技术的研究不断降低制造和维护成本。

航空发动机表2国外军用飞机各类材料结构占比w/%的发展方向是提机型设计年代铝合金结构钢钛合金复合材料F-1419693917241高涡轮前温度、F-151972366272提高压气机增压F-16197664332F-18197849151210比和降低油耗，幻影200019692312我国在发动机推Cy-271969608182F-11719832052510重比发展趋势方B-219882762337面与世界各国的YF-2219893552423F-2219861554124差距仍有逐渐扩大的趋势。现代航空发动机结构材料总的发展趋势是2000年以后传统金属钛铝化合物196。197019802010年份2010材料和工艺将逐渐被一些新型材料和先进制造技术所代替其主要的特点是:

采用带热障涂层和各种先进冷却方式的单晶涡轮叶片或无冷却陶瓷、C/C复合整体涡轮以适应1650°C以上使用和满足减重要求。减少压气机级数采用整体结构;用高温钛合金和金属间化合物制造低展弦比无凸台空心叶片。燃烧室采用短环形、浮壁结构由金属发展到陶瓷浮壁、整体结构。长寿命和降低全寿命成本如F-119发动机总寿命为8000h,发动机冷端和热端寿命要求分别达到4000h和2000h。对航空材料的要求高性能飞机的特点是具备优良的战术技术性能和机动性安全可靠、长寿命以及具有良好的使用维护经济性所以对新一代材料有以下要求：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。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。复合化。采用树脂基、金属基、陶瓷基、C/C复合材料。智能化。采用智能材料和结构能实现自诊断、自适应、白修复和寿命预测。近净形化。采用精铸件、精锻件、喷射成形件等工艺。低成本。包括原材料、制备和加工、检验、评价以及维修方南昌航空大学航空制造工程学院飞行器制造工程航空新材料机热处理面的低成本。环境相容性。要求低、无污染，有良好的可回收性。发展中亟待突破的技术问题钛合金构件钛合金在飞机和发动机中的使用量也是衡量其先进性的重要指标之一，如美国第四代飞枷-22机体钛合金使用量已达41%,其中，特大型钛合金整体锻件已广泛用于机翼和后机身而美国先进的V2500发动机钛合金用量也达到了30%左右。我国航空用钛量与国外相差悬殊进一步提高用量并赶上国际先进水平是目前我国钛合金应用研究的主要目标之一。美国在第四代飞机中采用了一批大型整体钛合金锻件如F-22机身4个承力框锻件重量达2〜3t,机翼隔框锻件投影面积达5.53m2，而国内生产中等强度钛合金锻件的投影面积较小。这几年我国在高性能新型钛合金的开发和应用研究方面取得了一定的成绩特别是对高强度钛合金如TB6、TB5、TB8、TC18等和中强高韧钛合金如TA15、TC4、TC6等的研究已积累了较丰富的应用经验但目前仍要加强新型高强、高韧、可焊、损伤容限型钛合金(如TC21钛合金)和中等强度高损伤容限型钛合金(如Ti-6Al-4VELI)等的研究和在新机种上的应用。我国耐热钛合金开发和应用方面也落后于工业发达国家英国的600°C高温钛合金IMI834已正式应用于多种航空发动机美国的Ti-1100也开始用于T55-712改型发动机,而我国用于制造压气机盘、叶片的高温钛合金尚在研制中。其他像纤维增强钛基复合材料、抗燃南昌航空大学航空制造工程学院飞行器制造工程航空新材料机热处理烧钛合金、Ti-Al金属间化合物等虽都立项开展研究但要实际应用还需一个过程。为此,建议加速进行适应损伤容限设计需要的高强韧钛合金TC21合金和中等强度高损伤容限型^-6A1-4V的研制和工程化应用研究；发展大型整体模锻件的锻造技术、焊接技术，包括大型锻件的拼焊、超塑成形/扩散连接技术及相应的装备;加强高温钛合金成分和热工艺研究，解决蠕变抗力和热稳定性的最佳匹配问题进一步开展大型、薄壁、复杂钛合金精密铸件的研究和应用;发展钛合金构件防热耐冲刷的涂层等技术。（2）铝合金构件铝合金是飞机结构的主要材料。F-22战机采用了当时（20世纪80年代初）最先进的高纯铝合金7050和2124,用作机体内部的框架、加强肋、腹板、接头件以及某些蒙皮等结构其重量占前机身的50%，中机身的35%,后机身的22%，中央翼的23%。90年代以来航空铝合金发展有了重大突破研制成功了以7150>2524、7055、2197为代表的高性能铝合金满足了新型低成本、多用途第四代战机设计选材的需要。1995年开始研制、2000年首飞的F-35战机上采用了这几种最先进的铝合金其总用量在30%以上,仍占主体地位。图3为飞机用铝合金屈服强度近年来的发展情况及其应用年份。80年代以来,采用快速凝固粉末冶金工艺研制成功Al-Fe-Mo-Si系高温铝合金,它们在150〜350°C间仍具有良好性能。高温铝合金、阻尼铝合金已取得初步成果复杂薄壁精密铝合金铸件已用于直升机700560420280140700560420280140777707757-7677055-T77517I78-T651715Q-T651?IO747OOO111OO7074-T65]A3[07134T7乃】B29ODC—37O75-T65JL1011蒙]二'吾24-T3°7075-T76517150-T6151JunkersE—132017-T40⑼0(920193019401950]960】970198019902000

首次在飞上使用的年场在我国，已经在“七五”、“八五”期间对几类先进铝合金进行了一定程度的开发，但还需进行工程化应用研究。另外，大规格的铝合金预拉伸厚板的需求进一步扩大国内现有的设备还需进一步改造。为此建议，根据第四代机的需求重点开展抗拉强度在700MPa以上超高强度铝合金和耐温在150〜300°C以上的高温铝合金;重点加强现有铝合金的标准体系研究和新型铝合金工程化研究开展大规格厚板应用和熔炼、轧制、热压、等温锻造工艺研究加强铸造铝合金及其复杂薄壁零件的研究；筹建大吨位锻压设备用于大规格型材、挤压壁板和大规格厚板的生产。（3）超高强度钢超高强度钢在现役飞机中约占5%,用于重要承力件中，如起落架、南昌航空大学航空制造工程学院飞行器制造工程航空新材料机热处理翼梁、承力螺栓等，其中第I类为低合金超高强度钢具有中、高强度和中等断裂韧性，如GC-4,30643,300M,35NCD等;第II类为高京的低碳二次硬化高强度钢严格控制Si,Mn含量，采用碳化物二次硬化，具有超高强度、高断裂韧性和低裂纹扩展速率(da/dN),如AF1410,Aermet100,Aermet310等；第III类为新型耐蚀高强度钢、新型不锈钢和齿轮钢。表3列出几类超高强度钢的典型力学性能类别.牌号MPaMMPa%%MPahi12IGC-41820150010.543"72300M199316899.53457n16651517156S154AermetlOO196517581465115A^rmetS1021721896146071m新型不锈钢190715001565119新型齿轮钢185014201567120/140表3其中Aermet100比强度高,已成功用作F-22飞机起落架，近年来俄罗斯研制出的超高强度钢KBK42和BKC240强度已分别达到2200MPa和2400MPa。我国超高强度钢已成功用于现役机种使起落架的寿命达到与机体同寿。强度更高、韧性更好的超高强度钢正在应用研究中。近期还发展了两种具有高断裂韧性的超高强度耐蚀不锈钢和齿轮钢。当前除应进一步提高超高强度钢大型锻件的质量外还应加强新一代机种所需要的超高强度钢、新型高强度耐蚀钢、齿轮钢以及7b南昌航空大学航空制造工程学院飞行器制造工程航空新材料机热处理q400MPa的超高强度钢的研究。⑷复合材料构件复合材料的使用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要特征之一，如美国F-22飞机树脂基复合材料用量达24%,F-35(JSF)飞机的复合材料使用量达30%。我国的复合材料研制和开发能力已初具规模，并能生产出一些大型复合材料构件但用量较低，在应用基础研究方面尚待加强；树脂尚未形成系列，质量不稳定；国内基础工业也较薄弱，一些增强材料尚不能完全立足于国内；复合材料与制造技术的工程化问题尚待解决，过去的成果大部分是在试验室完成的，缺乏工业化、批量生产和规模化生产的经验低成本的复合材料制备和加工技术研究还不够深入。20世纪70年代以来在金属、陶瓷、石墨基体中添加不同增强剂的高温结构复合材料已取得重要发展图4示出了高温结构复合材料的使用温度范围。金属基复合材料。近年来，以铝、钛及金属间化合物为基的复合材料也取得了重大进展，如以SiC纤维增强的Ti、Ti3Al、TiAl和MoSi为基的复合材料。采用高熔点金属间化合物Nb3Si或Nb5Si3加入防合金中形成^-Si自生复合材料，工作温度较单晶高200r,密度比第三代单晶低25%，也是一种有应用前景的金属基复合材料。陶瓷基复合材料。目前主要的陶瓷基复合材料产品是以5况或C纤维增强的SiC和Si3N4基复合材料，用于制造静止零件，如加力筒体、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等以代替高温合金。增韧Si3N4、SiCF/SiC和◎$50110016502200£750温度/X图4CF/SiC复合材料分别耐温1350°C、1450°C和1650°C,国内外已制成多种全陶瓷模拟件，并在进行试验评定。C/C复合材料。C/C复合材料由于具有密度小于2g/cm3、耐温高于2000C以及高强度、高模量、高导热性、低膨胀率以及良好的抗蠕变和抗热冲击性等优点，已成功应用于火箭发动机的喷管喉衬、隔热瓦片和飞机刹车块等部位，这种材料主要的弱点是抗氧化性差因此，发展新的涂层系列将成为C/C复合材料应用于高推比发动机的关键技术。为此,建议加强设计所、试飞院和材料、工艺院所的联系,建立对复合材料试验件设计、试验、试飞管理体系,进行跟踪检查，积累数据，南昌航空大学航空制造工程学院飞行器制造工程航空新材料机热处理制定相应的设计规范和准则;在“十五”计划中，安排一些型号需要的高性能树脂、固化剂、促进剂等原材料的试制和生产同时安排一些大型复合材料结构件的设计-制造工艺-材料一体化的研究;加强顶层设计，根据型号需求，加强材料与设计、材料与制造工艺之间的统筹规划，明确优先发展的材料和构件及其制造技术适当安排下一代高性能的非聚合物为基的复合材料和制备工艺技术如用于压气机叶片和盘件的钛基复合材料，用于发动机燃烧室调节件的5况纤维强化陶瓷基复合材料及其制造技术等。我国航空材料技术的发展方向我国航空材料的发展目标是实现“探索一代、预研一代研制一代、生产一代”的叠代进步和跨越式发展。研制和应用新型飞机、发动机用高比强、高比刚金属、非金属、复合材料及综合性能优异的材料进一步提高飞机的隐身性能和发动机的推重比，延长使用寿命促进新型铝合金、钛合金、复合材料的研制和应用，提高其所占重量比例进一步降低飞机、发动机、机载设备及武器装备的结构重量系数。在“十五”期间，通过采用材料、设计、工艺综合措施，使树脂基复合材料的用量技术储备达至25%以上,钛合金的用量技术储备达到20%〜30%,同时加强Al-Li合金的应用研究，不断扩大Al-Li合金和高纯高强新型铝合金的使用量。研制和应用高推重比发动机风扇、压气机、涡轮、燃烧室等重要部件所需的关键材料包括高温钛合金、粉末盘、单晶叶片材料等,提高发动机涡轮前温度和推重比发展金属间化合物以及以金属、南昌航空大学航空制造工程学院飞行器制造工程航空新材料机热处理环氧、陶瓷为基的耐高温复合材料和C/C复合材料等，进一步提高涡轮进口温度，并逐步研究和开发能满足更高推重比发动机用的新材料及其制备技术。（3）研制和应用新型功能材料提高机载设备和导弹的性能。重点发展红外材料、激光晶体、功能陶瓷、压电材料、增透薄膜等材料以及隐身材料和隔热、抗氧化、封严、耐磨等高推比发动机用涂层材料;开展对阻尼减震降噪、防弹装甲、密封、绝缘、形状记忆、导电高分子材料、耐高低温橡胶等材料的应用研究跟踪智能材料和高温超导材料的世界先进水平。（4）加强新材料的应用及应用技术基础研究不断提高航空产品的可靠性和寿命特别要重视开展综合环境下的寿命研究。（5）改善科研、生产和试验条件有计划地建立某些材料和工程研究重点实验室、科研生产中心和基地。我国航空材料技术的发展前景（1）钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而得到广泛应用，在飞机和发动机中的使用量也是衡量其先进性的重要指标之一