金属材料在军工生产中的应用

金属材料在军工生产中的应用
人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。

继石器时代之后
出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。

现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

金属材料的结构及其性能决定了它的应用。

而金属材料的性能包括工艺性
能和使用性能。

工艺性能是指在加工制造过程中材料适应加工的性能，如铸造性、锻造性、焊接性、淬透性、切削加工性等。

使用性能是指材料在使用条件
和使用环境下所表现出来的性能，包括力学性能（如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）、物理性能（如熔点、密度热容、电阻率、磁性强度等）和化学
性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）。

我们对金属材料的认识应从以下几方面开始：
一、分类：
金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

1、黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳 2％～4％的铸铁，含碳小于 2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高
温合金、精密合金等。

广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

2、有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。

有色合金的强度和硬度一
般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

3、特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。

其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金
属基复合材料等。

金属材料具有许多优良性能，是目前国名经济各行业、各部门应用最广泛
的工程材料之一，特别是在车辆、机床、热能、化工、航空航天、建筑等行业
各种部件和零件的制造中，发挥了不可替代的作用。

在航空航天中的应用。

航空航天产品受使用条件和环境的制约，对材料提
出严格要求。

采用的结构材料须轻质、高强、耐高温和耐高温腐蚀。

航空航天
材料主要包括航空航天结构材料和航空航天功能材料。

结构材料主要包括运载
火箭及导弹材料和航天飞行材料。

运载火箭箭体用金属材料主要是高强铝合金，推进剂储存箱用金属材料主要是高强可焊铝锂合金。

火箭发动机主要使用电寿
材料、高温合金、超低温钛合金、高强钛合金、不锈钢、金属间化合物等材料。

二、金属材料的发展趋势
金属材料，尤其是新型金属材料在目前的情况下，应用较为广泛，前景依
然不错，这种状况将持续很长时间，非金属材料的研究进展将决定这种状态的
时间长短。

（1）镁及镁合金
镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认
为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。

汽车、摩托车等交通类产品用镁合金，镁作为实际应
用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的
重视。

世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。

电子及家
电用镁合金，汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，镁合金的使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪
器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。

其中，镁合金应用发展最快的
是电子信息和仪器仪表行业。

在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。

另外，镁合金外壳
可使产品更豪华、美观。

在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量
和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面广，其用量也是巨大的。

所以，近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的
另一重要因素。

其它如铝合金添加剂、镁牺牲阳极和型材用镁合金等。

镁牺牲
阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的地下铁制
管道和石油储罐。

（2）、钛及钛合金
钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。

随着国民经济
及国防工业的发展，钛日渐被人们普遍认识，广泛地应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。

钛合金所具有的这一系列突出优点，使其在飞机结
构和航空发动机中获得了越来越广泛的应用。

近年来，世界钛工业和钛材加工
技术得到了飞速发展，海绵钛和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平。

我国钛资源丰富，储量居世界前列，目前已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后，具有完整工业体系和生产能力的世界第4大钛工业国，加强我国钛
合金材料的研究和应用推广对促进我国航空工业的快速发展具有重要意义。

伴
随着钛工业的发展，我国钛及钛合金的标准从建立、发展也已经历近40年，现已形较为完整的标准体系。

从钛的应用领域来看，以美国、日本为例，美国钛
的最大应用领域是航空航天，占到总消费量的58.5%；日本则是火力、核电厂，及板式热交换器，两者合计占总消费量的41.9%。

从下表可以看出，与美国相比，日本在更多方面使用钛。

在体育用品方面，除了在高尔夫球杆头上使用钛
以外，还有短距离用跑鞋的销钉、羽毛球拍及冰杖等登山器具、滑雪滑冰用的
冰刀刃、自行车架、轮椅等等。

美日两国在化学工业及油气田钻探装置上的用
钛量都在增加。

在计算机磁盘(真空镀膜)、纤维纺织机的框架、餐具、帐篷用具、拐杖和照相机等方面都巧妙地使用钛。

相对于美国、前苏联、德国、英国、法国等工业化国家在钛合金工业领域
发展而言，我国在钛合金材料方面的研究和应用起步较晚。

与上述钛工业化强
国存在不小的差距。

我国生产的熔炼用的海绵钛的纯净度低，钛合金铸锭的杂
质含量高，组织均匀性差，熔炼工艺的稳定性不高。

钛合金半成品加工设备的
能力普遍偏低，同时造成钛合金半成品的质量低且不稳定。

从钛合金材料标准
角度来看，与美国112项AMS宇航专用钛合金材料标准相比，我国的钛合金材
料标准数量明显不能满足于未来航空工业的发展需求。

在标准的技术内容方面
与上述国家的差距则主要体现在钛合金半成品的规格、质量要求、检验测试手
段及品种类型等。

我国钛合金材料和钛合金材料标准与这些国家产生差距的原
因有两方面：一是我国钛工业化历史的时间短，在我国开始钛合金研究的时候，上述国家已经进入钛的工业化阶段了；二是终端航空武器装备的差距，各种型
号的大型军用运输机、轰炸机、歼击机、武装直升机等。

为了满足我国航空武
器装备的需求，更好地服务于国防事业，在钛合金材料的研究和应用领域及钛
合金材料的标准化工作领域应着手开展以下的工作。

（3）、铝及铝合金
铝合金具有密度小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用
于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的
合金。

随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高，目前交通
运输业已成为铝合金材料的第一大用户。

铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐
腐蚀性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。

在航天
领域，铝锂合金己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。

铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。

国外预测，含钪铝-镁合金及其它系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。

TiAl基合金的板材除了有望直
接用作结构材料外，还可以用作超塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成
型航空、航天发动机的零部件及超高速飞行器的翼、壳体等
总之，随着科技的进步，未来将会有大量的金属及金属合金产品面世。

金
属的应用将会应用到极致，其发展趋势也将一片明朗。

（4）、铝合金材料在航空航天中的应用
铝合金是亚音速飞机的主要用材，目前民用飞机结构上的用量为70%～80%，其中仅铝合金铆钉一项每架飞机就有40～150万个；据波音飞机公司的统计，
制造各类民用飞机31.6万架，共用铝材7100千吨，平均每架用铝22吨。

铝制零部件在先进军用飞机中的比例虽低一些，但仍占其自身总质量的40%～60%。

据预测，2010年全球航空航天铝材的消费量可达60万吨，年平均增长率约为
4.5%。

航空航天铝材的价格比普通民用铝材的价格高得多，为后者的18倍左右，是一个非常重要的市场，而其政治与军事意义则尤为重大。

2002年美国航空航
天铝材的价格为33000～44100美元/吨，而普通民用铝材的价格只不过2200～3500美元/吨。

美国是世界航空航天工业巨头，其用铝约占全球此领域用铝量的50%强，
其他国家如法国、俄罗斯、中国、日本、巴西、加拿大、英国等的用量为50%弱。

2002年，全世界航空航天用铝量约42万吨，其中美国的用量为21.4万吨。

美国铝业公司（Alcoa）是世界航空航天铝材的主要供应者，占全球总供应量的35%以上，为了保持其在该领域的世界霸主地位，获得更大的利润，经过
精心的全面的调查研究与策划后，于2002年提出了一个名为“20-20攻关计划（20-20Initiative）”的计划。

计划内容与目标包括：在20年时间内，开发
一批新的高性能铝合金，改进铝制零部件的设计，采用高技术制造工艺，使铝
制零部件的质量下降20%，使铝制零部件的制造成本与维护费用减少20%。

铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐
腐蚀性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。

在航天
领域，铝锂合金己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。

铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。

国外预测，含钪铝-镁合金及其它系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。

TiAl基合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超
塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成型航空、航天发动机的零部件及超
高速飞行器的翼、壳体等。

三、结语
随着金属合金材料日益广泛的应用到各个领域中，甚至于军事武器装备，
势必对金属合金材料的研究与开发创造了更好的机遇，也对金属合金材料提出
了更严格更高标准的要求，开创出更多性能优异的金属合金材料势在必行。