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我國鈦合金材料突破難關(guān)用于航空

   2020-09-01 互聯(lián)網(wǎng)中國鑄造網(wǎng)53380
核心提示:  鋁合金的比強(qiáng)度和比剛度與鋼相似,但由于其密度較低,在同樣的強(qiáng)度水平下可提供截面更厚的材料,在受壓

     鋁合金的比強(qiáng)度和比剛度與鋼相似,但由于其密度較低,在同樣的強(qiáng)度水平下可提供截面更厚的材料,在受壓時(shí)的抗屈曲能力更佳,因此鋁合金成了經(jīng)典的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料。
  歐美國家航空鋁合金的發(fā)展已經(jīng)歷了第一代靜強(qiáng)度鋁合金、第二代耐腐蝕鋁合金和第三代高純鋁合金。
  20世紀(jì)80年代末至90 年代中期,精密熱處理技術(shù)及合金成分精確控制等關(guān)鍵技術(shù)取得突破,第四代耐損傷鋁合金2524-T3和7150-T77研制成功,這是航空鋁合金研究跨時(shí)代的進(jìn)步。傳統(tǒng)鋁合金因此完成了向高性能鋁合金的里程碑式大發(fā)展。
  在第四代鋁合金技術(shù)發(fā)展的同時(shí),鋁鋰合金也被運(yùn)用在先進(jìn)的特大型民用飛機(jī)上??湛虯380選用鋁鋰合金制造地板梁,空客A350選用鋁鋰合金制造機(jī)身蒙皮和地板結(jié)構(gòu)等,其用量預(yù)計(jì)高達(dá)總結(jié)構(gòu)重量的23%。
  第四代鋁合金技術(shù)研制成功之后,國際上正在進(jìn)行低成本鋁合金的研制開發(fā)工作。2003年美鋁公司提出了“20-20計(jì)劃”:20年內(nèi)使飛機(jī)的制造成本降低20%,同時(shí)實(shí)現(xiàn)減重20%。
  國內(nèi)航空鋁合金的發(fā)展已走過幾個(gè)發(fā)展階段??偟膩碚f,我國鋁合金的研制主要瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)水平,但關(guān)鍵技術(shù)的突破以及品種、規(guī)格的系列化發(fā)展和工程應(yīng)用水平距離國外還有較大差距,亟待建立第三、四代鋁合金的完善材料體系。
  鈦合金
  鋁合金所能承受的溫度載荷有限,20世紀(jì)70年代,航空材料進(jìn)入鈦合金時(shí)代。由于鈦合金成形及切削加工非常困難、與某些化學(xué)品接觸時(shí)性能會(huì)發(fā)生變化等特點(diǎn),各飛機(jī)制造公司為鈦合金材料的研制付出巨大努力。
  1.飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金材料
  鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和耐高溫等一系列優(yōu)點(diǎn),能夠進(jìn)行各種方式的零件成形、焊接和機(jī)械加工,因而在先進(jìn)飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)今,鈦合金用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的百分比已成為衡量飛機(jī)用材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。鈦合金占F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的39%。鈦合金在國外民用飛機(jī)上的用量也隨飛機(jī)設(shè)計(jì)和性能水平的提高而不斷增加。
  高損傷容限性能是新一代戰(zhàn)斗機(jī)(包括高推比發(fā)動(dòng)機(jī))長壽命、高機(jī)動(dòng)性、低成本和損傷容限設(shè)計(jì)需要的重要材料性能指標(biāo)。美國率先把破損安全設(shè)計(jì)概念和損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則成功應(yīng)用在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上,F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)大量采用損傷容限型鈦合金及其大型整體構(gòu)件,以滿足高減重和長壽命的設(shè)計(jì)需求。
  Ti-6Al-4V ELI在美國C-17軍用運(yùn)輸機(jī)上的特大型鍛件上得到重要應(yīng)用,高強(qiáng)度鈦合金Ti-6-22-22S也在C-17飛機(jī)上的水平尾翼接頭(轉(zhuǎn)軸)等關(guān)鍵部位上得到應(yīng)用。這兩種鈦合金的使用,使大型運(yùn)輸機(jī)的壽命高達(dá)60000 飛行小時(shí)以上。在歐洲,空客A380是首架全鈦掛架的飛機(jī),未來的A350也將采用全鈦掛架。
  2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金
  高溫鈦合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、盤和機(jī)匣等零件,這些零件要求材料在高溫工作條件下(300~600℃)具有較高的比強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高,高壓壓氣機(jī)出口溫度升高導(dǎo)致高溫鈦合金葉片和盤的工作溫度不斷升高。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,固溶強(qiáng)化型的高溫鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。
  我國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的工作溫度在400℃以下的高溫鈦合金主要有 TC4和TC6,應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度較低的風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)第1、2級(jí)葉片。500℃左右工作的高溫鈦合金有TC11、TA15和TA7合金,其中 TC11是我國目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用量最大的鈦合金。
  單純采用固溶強(qiáng)化的鈦合金難以滿足600℃以上溫度環(huán)境對(duì)蠕變抗力和強(qiáng)度的要求。有序強(qiáng)化的鈦-鋁系金屬間化合物因其高比強(qiáng)度、比剛度、高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能,而成為600℃以上溫度非常有使用潛力的候選材料,其中 Ti3Al基合金長期工作溫度在650℃左右,而TiAl基合金工作溫度可達(dá)760℃~800℃。
  超高強(qiáng)度鋼
  超高強(qiáng)度鋼作為起落架材料應(yīng)用在飛機(jī)上。第二代飛機(jī)采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼,抗拉強(qiáng)度為1700MPa,這種起落架的壽命較短,約2000飛行小時(shí)。

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  第三代戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)要起落架求壽命超過5000飛行小時(shí),同時(shí)由于機(jī)載設(shè)備增多,飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)下降,對(duì)起落架選材和制造技術(shù)提出更高要求。美國和我國的第三代戰(zhàn)機(jī)均采用300M鋼(抗拉強(qiáng)度1950MPa)起落架制造技術(shù)。
  應(yīng)該指出的是,材料應(yīng)用技術(shù)水平的提高也在推動(dòng)起落架壽命的進(jìn)一步延長和適應(yīng)性的擴(kuò)大。如空客A380飛機(jī)起落架采用了超大型整體鍛件鍛造技術(shù)、新型氣氛保護(hù)熱處理技術(shù)和高速火焰噴涂技術(shù),使得起落架壽命滿足設(shè)計(jì)要求。由此,新材料和制造技術(shù)的進(jìn)步確保了飛機(jī)的更新?lián)Q代。
  飛機(jī)在耐腐蝕環(huán)境中的長壽命設(shè)計(jì)對(duì)材料提出了更高要求,AerMet100鋼較300M鋼而言,強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng),而耐一般腐蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能明顯優(yōu)于300M鋼,與之相配套的起落架制造技術(shù)已應(yīng)用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先進(jìn)飛機(jī)上。更高強(qiáng)度的Aermet310鋼斷裂韌性較低,正在研究中。損傷容限超高強(qiáng)度鋼AF1410的裂紋擴(kuò)展速率極慢,用作B-1飛機(jī)機(jī)翼作動(dòng)筒接頭,比Ti-6Al-4V減重10.6%,加工性能提高60%,成本降低 30.3%。俄羅斯米格-1.42上高強(qiáng)度不銹鋼用量高達(dá)30%。PH13-8Mo是唯一的高強(qiáng)度馬氏體沉淀硬化不銹鋼,廣泛用作耐蝕構(gòu)件。國內(nèi)探索超高強(qiáng)度不銹鋼取得初步效果。
  國外還發(fā)展了超高強(qiáng)度齒輪(軸承)鋼,如CSS-42L、GearmetC69等,并在發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)和宇航中試用。國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)傳動(dòng)材料技術(shù)十分落后,北京航空材料研究院已自主研究開發(fā)了一種超高強(qiáng)度軸承齒輪鋼。
  復(fù)合材料
  在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料家族中,復(fù)合材料是一位新成員。材料科學(xué)的發(fā)展造就了高強(qiáng)度、高模量、低比重的碳纖維,從而掀開了先進(jìn)復(fù)合材料時(shí)代的序幕。日本于 1959年首先發(fā)明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維,并于20世紀(jì)60年代初將其投入工業(yè)化生產(chǎn);70年代中期以碳纖維為增強(qiáng)相的先進(jìn)復(fù)合材料誕生。航空用的復(fù)合材料種類不少,其中的絕對(duì)主力就是樹脂基碳纖維復(fù)合材料。因?yàn)樘祭w維是目前已知的比強(qiáng)度、比剛度最好的材料。它比鋁還要輕,比鋼還要硬,其比重是鐵的四分之一,比強(qiáng)度是鐵的十倍;而且化學(xué)組成非常穩(wěn)定,還具有高抗腐蝕性,適用于航空和航天飛行器。
  碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常以環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為代表。對(duì)航空結(jié)構(gòu)而言,這種復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度(Compression Strength)和韌性(沖擊后壓縮強(qiáng)度,簡稱 CAI/Compression After Impact strength)已成為代別的主要指標(biāo),目前已發(fā)展到第三代,并已廣泛進(jìn)入軍民機(jī)產(chǎn)品。
  在航空復(fù)合材料應(yīng)用的進(jìn)程中,軍機(jī)、民機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)各自走過相似的發(fā)展道路。軍機(jī)上復(fù)合材料的應(yīng)用大致可分為三個(gè)階段。
  第一階段,復(fù)合材料主要用于艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等操縱面上,受力較小,制件尺寸較小,大約于20世紀(jì)70年代初即已實(shí)現(xiàn);
  第二階段,復(fù)合材料開始應(yīng)用于垂尾、平尾等受力較大、尺寸較大的尾翼級(jí)部件,其中,美國F-14戰(zhàn)斗機(jī)在1971年把硼纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成功應(yīng)用在平尾上,被稱為復(fù)合材料史上的一個(gè)里程碑。自20世紀(jì)70年代初至今,國外軍機(jī)尾翼級(jí)的部件均已用復(fù)合材料制造。
  第三階段,復(fù)合材料進(jìn)入機(jī)翼、機(jī)身等受力大、尺寸大的主要承力結(jié)構(gòu)中。其中,美國原麥道飛機(jī)公司于1976年率先研制了F/A-18的復(fù)合材料機(jī)翼,把復(fù)合材料的用量提高到了13%,成為復(fù)合材料史上的又一個(gè)重要里程碑。此后,國外軍機(jī)群起仿效,幾乎都采用了復(fù)合材料機(jī)翼。目前世界軍機(jī)上復(fù)合材料用量約占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 20%~50%不等。
  民機(jī)既強(qiáng)調(diào)安全性也強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性,同樣對(duì)結(jié)構(gòu)減重有迫切需求。以美國為例,復(fù)合材料在大型民機(jī)上的應(yīng)用,大致走過了四個(gè)階段,體現(xiàn)了循序漸進(jìn)的原則。
  第一階段,復(fù)合材料主要應(yīng)用在受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件,該階段于上世紀(jì)70年代中期實(shí)現(xiàn)。
  第二階段,受力較小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等開始應(yīng)用復(fù)合材料制造,該階段約于80年代中期結(jié)束。我國ARJ21新支線飛機(jī)的復(fù)合材料技術(shù)水平大致在這個(gè)階段。
  第三階段,復(fù)合材料應(yīng)用在受力較大的部件,主要是垂尾、平尾等,如波音公司B777的復(fù)合材料垂尾、平尾。波音777共用復(fù)合材料9.9噸,占結(jié)構(gòu)總重的11%。
  第四階段,復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)最主要受力部件機(jī)翼、機(jī)身等,如波音公司的B787“夢(mèng)想”飛機(jī),代表了飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化的發(fā)展趨勢(shì)。波音787飛機(jī)共使用復(fù)合材料50%,超過了鋁、鈦、鋼金屬材料的總和,主要應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁、后承壓框等部位,是第一個(gè)采用復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的大型商用客機(jī)。
  直升機(jī)包括軍用、民用和輕型直升機(jī)三類,先進(jìn)復(fù)合材料在各種直升機(jī)上的用量均很大。如V-22可垂直起落,傾轉(zhuǎn)旋翼后又能高速巡航,該機(jī)結(jié)構(gòu)的50%由復(fù)合材料制成,包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等,共用復(fù)合材料3000多千克。美國武裝直升機(jī)“科曼奇”(RAH- 66)共使用復(fù)合材料50%,歐洲最新的“虎”式武裝直升機(jī)復(fù)合材料用量高達(dá)80%,接近全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。我國與法國、新加坡合作研制的輕型直升機(jī) EC120的機(jī)身、垂尾、水平安定面、尾翼、前艙等結(jié)構(gòu)均由復(fù)合材料制成。
  無人機(jī)包括無人作戰(zhàn)機(jī)、無人偵察機(jī)和各種小型、微型、超微型無人機(jī)。軍用無人機(jī)具有的低成本、輕結(jié)構(gòu)、高機(jī)動(dòng)、大過載、高隱身、長航程的技術(shù)特點(diǎn),決定了其對(duì)減重的迫切需求,因此復(fù)合材料用量都很大,鮮明地體現(xiàn)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化的趨勢(shì)。美國波音公司X-45系列飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)90%以上,諾斯羅普·格魯門公司的X-47系列飛機(jī)基本上為全復(fù)合材料飛機(jī)。
  航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料可以大幅度提高其推重比,因此先進(jìn)復(fù)合材料已成為未來發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料之一。發(fā)動(dòng)機(jī)除使用樹脂基復(fù)合材料外,因溫度要求的關(guān)系,還會(huì)用到金屬基、陶瓷基、碳/碳等復(fù)合材料。
  結(jié)語
  如引言所述,飛機(jī)材料的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入第五階段,總趨勢(shì)是復(fù)合材料和鈦合金的用量不斷增多,創(chuàng)歷史新高。美國C-17大型軍用運(yùn)輸機(jī)的鈦用量占全機(jī)材料重量的 10.3%(鈦零件總重6.8噸),復(fù)合材料用量達(dá)8.1%;空客A380的復(fù)合材料用量22%,鈦合金用量10%;波音787復(fù)合材料用量50%,鈦用量15%;空客A350的復(fù)合材料用量52%,鈦合金用量9%。航空材料品種雖然沒有發(fā)生大變化,但材料的性能、品質(zhì),特別是與前幾階段在飛機(jī)上的應(yīng)用比例相比,卻發(fā)生了極大的變化。在這些數(shù)據(jù)的背后,更多的是材料科學(xué)技術(shù)的跨越式發(fā)展和創(chuàng)新與進(jìn)步。
  我國航空材料工業(yè)從跟蹤仿制開始,已經(jīng)走過了50年的發(fā)展歷程,經(jīng)歷了好幾個(gè)發(fā)展階段和材料代別,但相對(duì)于國際航空材料技術(shù)的先進(jìn)水平,我國航空材料技術(shù)還有相當(dāng)大的差距。為此,國家提出“探索一代、預(yù)研一代、研制一代、生產(chǎn)一代”的劃代發(fā)展思想,航空材料科學(xué)技術(shù)作為這“四個(gè)一代”發(fā)展的技術(shù)引領(lǐng)者和技術(shù)推動(dòng)者,應(yīng)該更加強(qiáng)化創(chuàng)新,超前部署,厚積薄發(fā)。中航工業(yè)北京航空材料研究院是國內(nèi)唯一面向航空,從事航空先進(jìn)材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究、材料研制與應(yīng)用技術(shù)研究和工程化研究的綜合性科研機(jī)構(gòu),志在“引領(lǐng)航空材料技術(shù),打造高新材料產(chǎn)業(yè)”,成為航空材料的“領(lǐng)跑者”??梢韵嘈牛S著國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,我國航空材料科學(xué)技術(shù)一定會(huì)迎來一個(gè)蓬勃發(fā)展的春天。

 
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