航空材料与腐蚀防护讲义 (航空材料部分)

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。
另外，高压远距离输电技术研究成功给铝工业带来了另一个机遇。
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。
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。
而人类到公元1825年才首次制得几毫克铝粉。铝发现得晚，炼铝技术成熟得更晚。无论是在人们发现的金属元素，还是作为一种结构材料，铝及其合金都是小字辈。但是铝和铝合金的出现，却极大地推动了工业文明，特别是航空航天科技和工业的发展。
在1746年，波特（J. H. Pott）用明矾制得一种氧化物。我们都知道明矾是铝和钾的复合硫酸盐。把它在高温下灼烧分解，失去二氧化硫和水，再将氧化钾用水洗去就剩下氧化铝了。当然那个时代的人们没有我们现在这么丰富的化学知识罢了。当时其他的科学家，如法国的拉瓦锡（A. L. Lavoisier）认为，这是一种与氧结合很牢的未知金属的氧化物，用碳和其他还原剂都夺取不了它所结合的氧。这样，就拉开了提炼单质铝的帷幕。
1845年，德国化学家沃勒（Priedrich Wohler）也用钾还原氯化铝的方法得到了一些10~15mg的铝珠，并初步测定了它的密度、延展性和熔点等。
以上还只是在实验室中出于研究的目的少量制取铝。到了1854年，法国冶金学家戴维尔（Henri Sainte Claire Deville）用便宜的钠代替钾，用吸水性较小，稳定性较好的复盐NaAlCl4代替极易吸水而水解的无水氯化铝，制得纯度为97~97.3%的铝。同年，在拿破仑三世（拿破仑一世的侄子）的支持下建厂进行工业生产。
1.2
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：
在发明炼铝技术之后，埃鲁和霍尔就分别开始了开拓铝工业的艰辛道路。
当时，人们受习惯思维的限制，总认为铝只能用来做些首饰而已，铝应用尚未打开局面。到1900年，也就是十九世纪的最后一年，全世界只有7个铝厂，总年产量不超过八千吨。但是这个时候，铝价已经降到每公斤0.5美元了。虽然人们已经知道可以利用现成的设备加工铝制品，而且铝在家用器具，如炊具生产上有优势。但制造商们却因需要购置新设备和重新培训工人而无动于衷。
1855年，一件稀世之宝——银光闪闪的铝标本呈现在巴黎博览会上。它无穷的魅力立即引起了全世界的巨大反响。美英德等国相继建厂生产珍贵的铝。铝自问世即得到显贵们的宠爱。这个时候生产出来的铝比白金还贵，每千克价格达到600美元，只能用来制作昂贵的首饰以显耀豪富。当时，西欧的国王和往后视铝如宝石，戴在头上或挂在胸前以示其尊贵。法兰西帝国皇帝拿破仑三世（1808-1873）喜欢宴请四方宾客，每次设宴时，宾客用的都是银碗，惟有他一人用铝碗。后来虽然经过30年的改进，铝加逐步降到9美元一公斤，仍然相当贵。
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。
2.1
一、铝合金的发展历史
在历史上，先后有几种金属材料得到广泛应用，推动了生产力的发展和人类自身的进步。首先得到应用的是金。随后是铜，特别是青铜，几大文明发源地都先后出现了灿烂的青铜文化。铜的发展历史有8000多年。铁和锡也有5000多年。另外还有铅和汞也都有几千年的历史了。
1886年，霍尔与埃鲁不约而同地将氧化铝投入熔融的冰晶石中，通入直流电电解出金属铝。这个方法不再需要消耗昂贵的金属钠作还原剂了，成本大大降低，产量和质量也有很大的进步。这就是著名的，现在仍在使用的霍尔-埃鲁电解法。这两个人有很多巧合的地方，同一年出生，同一年作出重大发现，专利申请日期只相差2个月，霍尔是在1886年2月23日申请美国专利，埃鲁在4月23日申请法国专利，5月23日申请书寄到美国专利局。当然美国专利已经给了霍尔了。这是一个巧合。这两位科学家都在1914年，也就是51岁的时候英年早逝，都死于伤寒。
到了1906年，这在铝工业发展历史上同样是一个重要的年份。在这一年，德国的冶金学家阿弗列•威尔莫（Wilm）尝试将其他金属元素添加到铝中，终于发明了一种含有铜、锰、镁和铝的合金。他还发现这种铝合金具有一种神奇的效应，即在常温下放置4天会自动变得非常坚硬，很适合用来制造运输工具和其他工业装备。因为这种铝合金首次在杜拉实现工业生产，故命名为杜拉铝。
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
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。
“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；以及防火安全性能等等。
二
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。
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。
1807年，英国的戴维（H. Dary）用铂片做阳极，铁丝做阴极，用直流电电解熔融的钾碱与这种氧化物的混合物，结果只制得少量的合金。戴维虽然没有成功地提炼出单质金属，但他坚信这种金属的存在，并命名为Aluminium，后来去掉第二个i，改称Aluminum，但有些国家仍称为Aluminium。
1825年3月，丹麦物理学家奥尔斯泰（Hans Christan Oersted）用钾汞齐还原无水氯化铝，然后在真空条件下把得到的铝汞齐中的汞蒸馏掉，得到了几毫克的铝粉。奥尔斯泰的报告中说，铝具有与锡相同的颜色和光泽。
1.3
一
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）
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
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：
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。
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。
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。
可是，只过了20年，因为电解法炼铝的成功，铝价大跌。就像成长中的婴儿，铝开始蹒跚起步了。
用戴维尔的化学法总共只生产了200t铝。
发明电解炼铝法的是两个人。他们是当时同为23岁的青年——美国俄亥俄州的霍耳（Charles Martin Hall）和法国诺曼底的埃鲁（Paul Lovis Toussaint Herroult）。
从此，铝的需求量逐渐增加。世界铝产量从1906年的1.45万t，1910年的4.38万t，增长到1913年的6.82万t。铝第一次作为飞行器结构材料是在一战期间，德国人用杜拉铝（当时其成分及硬化工艺是保密的）制成一种硬式飞艇，它的航速达100km/h、航程在200km以上，能携带炸弹，具有很强的威慑力ห้องสมุดไป่ตู้协约国军事专家为此大伤脑筋。战后杜拉铝的秘密被揭开，全世界马上开始了用铝合金研制飞艇的热潮，铝被誉为“飞行金属”，进入航空工业市场。杜拉铝的发明为铝工业的发展提供了一个机遇。
第一
1.1
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、
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。