航空材料介绍

航空材料介绍
航空材料发展情况
航空材料的重要性
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。

⼀、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。

表1.1 飞⾏器结构减重带来的效益（1990年数据）
机种⼩型民
⽤飞机
直升机
先进
战⽃机
商⽤
运输机
超⾳速与⾼超
⾳速运输机
航天飞机
美元/磅50 300 400 800 3 000 30 000
“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。

⼆、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。

三、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。

航空材料的分类
航空材料有不同的分类⽅式：
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。

按使⽤功能可分为两⼤类：
●结构材料
●功能材料
本课程主要介绍结构材料。

所谓结构，是指由板、杆等承⼒单元件构成的承⼒系统，在载荷作⽤下，该系统只产⽣⼩的弹性形变，即系统应具有⼏何不变性。

如承⼒系统是⼏何可变的，则承⼒系统不是结构，⽽是机构。

以飞机为例，航空产品中典型的结构包括：机⾝、机翼、垂直尾翼、⽔平尾翼、各种操纵⾯、起落架（除传动机构之外的部分）等。

⽤于加⼯制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。

航空材料的演变
⼀、飞机结构材料的演变
早期飞机的结构以⽊材、蒙布、⾦属丝绑扎⽽成（图1.1），后来⼜发展为⽊材与⾦属的混合结构。

图1.1 飞⾏者⼀号（复制品）
到了⼆⼗世纪三⼗年代，随着铝合⾦材料的发展，全⾦属承⼒蒙⽪逐渐成为普遍的结构形式（图1.2）。

（a）Me 109型战⽃机（德国，1935年）
（b）喷⽕式战⽃机（英国，1936年）
图1.2 ⼆⼗世纪三⼗年代出现了全⾦属承⼒蒙⽪结构的飞机
⼆⼗世纪三、四⼗年代，镁合⾦开始进⼊航空结构材料的⾏列。

四、五⼗年代，不锈钢成为航空结构材料。

到五⼗年代中期开始出现钛合⾦，嗣后并被⽤于飞机的⾼温部位。

⼆⼗世纪六⼗年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上⼜出现了⾦属基复合材料。

现代飞机⼤量采⽤新型材料。

如F-14（美国，1970年，图1.3）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。

图1.3 F-14“雄猫”可变后掠翼战⽃机
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。

新近投⼊使⽤或正在开发中的先进飞机（包括军机和民航机）的机体结构⽤材料的主要特点是：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。

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：
1.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。

2.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。

3.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，是影响使⽤的很⼤因素。

4.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。

⼆、航空发动机⽤材的演变
早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。

涡轮喷⽓发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能⽔平很⼤程度上依赖于⾼温材料的发展。

其中尤以涡轮部件材料最为关键：
1.涡轮叶⽚材料
在⼆⼗世纪四⼗年代，尽管喷⽓式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的⾼温材料⽤于制造涡轮，所以发展迟缓。

到五⼗年代初，英国的White公司开发出了镍基⾼温合⾦。

到六⼗年代，开始使⽤真空熔炼⽅法制造⾼温合⾦，合⾦的纯度得到提⾼，性能更好。

七⼗年代，开发出定向凝固、单晶铸造等⾼温部件制造⼯艺，使叶⽚的最⾼⼯作温度和耐疲劳性能进⼀步提⾼。

2.涡轮盘材料
⼆⼗世纪四⼗年代的涡轮进⼝温度约为800~900℃，采⽤了16-25-6铁基合⾦。

五⼗年代，随着涡轮进⼝温度提⾼到950℃，出现了沉淀硬化合⾦，应⽤沉淀强化原理使合⾦具有更⾼的⾼温强度。

到七⼗年代，进⼝温度提⾼到了1240℃，出现了Rene 95合⾦和粉末冶⾦⾼温合⾦。

对航空产品性能的要求⽇益攀升，要求使⽤推重⽐更⾼、经济性更好的航空发动机。

军⽤发动机的推重⽐已经达到10，如美国的F119发动机已装备了F22战⽃机。

⼤推⼒涡轮风扇发动机如GE90、PW4073/4084、Trent800等早已为B777、A330等⼤型宽体客机所选⽤。

在这些先进航空发动机中，⾼温材料仍属于核⼼技术。

如军⽤发动机中的⾼温钛合⾦（压⽓机盘和叶⽚）、⾼温合⾦板材（燃烧室）和粉末冶⾦材料和单晶叶⽚材料（涡轮）等，民⽤发动机中使⽤的单晶叶⽚材料和粉末⾼温合⾦涡轮盘材料。