航空材料发展史

航空材料发展史

第一章远古的梦

人类有史以来就向往着能够自由飞行。古老的神话故事诉说着人类早年的飞行梦，直至1900年10月的一个傍晚，当威尔伯.莱特趴在易碎的滑翔机骨架上，迎着海风飘了起来，直至1903年12月17日，“飞行者一号”试飞成功。人类从此开始了征服蓝天的旅程。100多年间，航空领域迅速发展，各式的飞机层出不穷。人类对飞机性能要求越来越高，早期的木质‘飞行者一号’早已经进入了历史的博物馆。

(1903年12月17日莱特兄弟驾驶他们制造的飞行器员进行首次持续的、有动力的、可操纵的飞行)

最早的飞机机翼是木质骨架帆布蒙皮,其根本是由于材质轻盈。这样才足以达到升力大于重力而飞行的最基本要求。由于材料过于轻

便，导致天气因素对于飞行影响较大，天空中总是存在风的，这就使得实现飞机飞行的关键在于如何调节飞机前后左右各个方向的受力平衡，特别是飞机的重心和升力受力点之间的关系。如何解决平衡和操纵问题就成了阻碍人类飞行的第一个难题。尽管莱特兄弟的‘飞行者一号’被一阵狂风掀飞遭到严重损坏，但是这已经促进了航空商业事业的萌发和未来的发展。

第二章战争的催化

之后德国人和法国人注意到了飞机在军事上的重要作用，第一次世界大战初期，飞机首先用于战场上空指引炮兵射击、侦察和轰炸,飞机逐渐发展为装备有手枪、手榴弹而后发展成为机枪、炸弹而颇具攻击性得战场杀手。这就是歼击机的鼻祖。限于当时技术的影响，飞机的材料仍然局限于木质和帆布。之后硬铝的出现给机体结构带来巨大的变化。1910～1925年开始用钢管代替木材作机身骨架，用铝作蒙皮，制造全金属结构的飞机。金属结构飞机提高了结构强度，改善了气动外形，使飞机性能得到了提高。飞机的时代已经开始了。

第一次世界大战结束后，各国都没有停止对全金属结构的战斗机的探索，在二战中，飞机得到了更加广泛的使用。人们此时更加致力于寻找材料可以使飞机的行动更加敏捷。40年代全金属结构飞机的时速已超过600公里。

洛克希德P-38，击落山本五十六的功臣

然而，在飞机不断提速过程中，如何冷却发动机和机身地严丝合缝，成为当时的首要难题。当时发动机主要由铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造，由于战争影响，民用航空飞机始终发展缓慢。在两次世界大战之间各国逐渐发展了全金属结构的战斗机，重要的是不锈钢骨架铝合金蒙皮的结构，并且出现了翼盒的设计。当然二战期间由于金属缺乏各国都采用过木质结构的飞机，但是不锈钢骨架铝合金蒙皮的全金属飞机已经成为主流。

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。适合用于承载大重量的中等结构材料中。

铝合金示例。

铝合金的一些性能参数：

铝合金的典型机械性能(Typical Mechanical Properties)铝

合

金

牌号及状态拉伸强

度

(25°C

屈服强

度

(25°C

硬度

500kg

力

10mm

球

延伸率(1/16in)厚度

505

2-H

112

1751956012

508

3-H

1802116514

飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。飞机依用途的不同，铝的用量也不一样。着重于经济效益的民用机因铝合金价格便宜而大量采用，如波音767客机采用的铝合金约占机体结构重量81%。军用飞机因要求有良好的作战性能而相对地减少铝的用量，如最大飞行速度为马赫数的F-15高性能战斗机仅使用%铝合金。

第三章新星：钛合金

二战结束后，航空领域取得巨大进步，50年代末喷气式飞机的速度已超过2倍音速,给飞机材料带来了热障问题。铝合金耐高温性能差,在200°C时强度已下降到常温值的1/2左右,需要选用耐热性更好的钛或钢，这主要是因为铝合金和钢在不少情况下已不能满足先进飞

机在减轻结构重量和提高飞行速度（相应地提高零部件工作温度）等方面的新实求，而钛合金和复合材料仿优良性能恰恰适应了先进飞机发展的客观需要。自然就产生了对以往选材格局的极大冲击。钛合金的强度和使用温度上限与钢相近，密度却只有钢的57％左右，以钛代钢的减重效果显而易见。铝合金的密度虽小，但由于强度显著低于钛合金，其“比强度”仍不及钛合金，尤其当零部件工作温度较高时，使用温度上限较低的铝合金更不得不让位给钛合金。

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。

钛合金具有如下特性：

强度高：钛合金的密度一般在cm3左右，仅为钢的60%，纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

热强度高：使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。

抗蚀性好：钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

低温性能好：钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。

化学活性大：钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN

钛合金制品

硬质表层：在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达～mm，硬化程度为20%～30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。