航空航天材料的應(yīng)用與發(fā)展

1、航空航天材料的應(yīng)用與發(fā)展航空航天材料的應(yīng)用與發(fā)展航空航天材料的應(yīng)用與發(fā)展S201201張明潔2012040301003飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料，是航空航天工程技術(shù) 發(fā)展的決定性因素之一。航空航天材料科學(xué)是材料科學(xué)中富有開拓性的一個(gè)分 支。飛行器的設(shè)計(jì)不斷地向材料科學(xué)提出新的課題，推動航空航天材料科學(xué)向 前發(fā)展；各種新材料的出現(xiàn)也給飛行器的設(shè)計(jì)提供新的可能性，極大地促進(jìn)了 航空航天技術(shù)的發(fā)展。航空航天材料的進(jìn)展取決于下列3個(gè)因素:材料科學(xué)理論的新發(fā)現(xiàn)：例如, 鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化理論導(dǎo)致硬鋁合金的發(fā)展；高 分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導(dǎo)致高強(qiáng) 度、高模量芳綸有機(jī)纖維的發(fā)展。材

2、料加工工 藝的進(jìn)展：例如，古老的鑄、鍛技術(shù)已發(fā)展成為 定向凝固技術(shù)、精密鍛壓技術(shù)，從而使高性能的 葉片材料得到實(shí)際應(yīng)用；復(fù)合材料增強(qiáng)纖維鋪層 設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的發(fā)展，使它在不同的受力方向 上具有最優(yōu)特性，從而使復(fù)合材料具有“可設(shè)計(jì) 性”，并為它的應(yīng)用開拓了廣闊的前景；熱等靜 壓技術(shù)、超細(xì)粉末制造技術(shù)等新型工藝技術(shù)的成 就創(chuàng)造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材 料和制件，如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤、高效 能陶瓷制件等。材料性能測試與無損檢測技術(shù) 的進(jìn)步：現(xiàn)代電子光學(xué)儀器已經(jīng)可以觀察到材料 的分子結(jié)構(gòu)；材料機(jī)械性能的測試裝置已經(jīng)可以 模擬飛行器的載荷譜，而且無損檢測技術(shù)也有了 飛速的進(jìn)步。材料性能測

3、試與無損檢測技術(shù)正在 提供越來越多的、更為精細(xì)的信息，為飛行器的 設(shè)計(jì)提供更接近于實(shí)際使用條件的材料性能數(shù) 據(jù)，為生產(chǎn)提供保證產(chǎn)品質(zhì)量的檢測手段。一種 新型航空航天材料只有在這三個(gè)方面都已經(jīng)發(fā) 展到成熟階段，才有可能應(yīng)用于飛行器上。因此， 世界各國都把航空航天材料放在優(yōu)先發(fā)展的地 位。材料不僅是制造航空產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí) 也是使航空產(chǎn)品達(dá)到人們所期望的技術(shù)性能、使 用壽命與可靠性的技術(shù)基礎(chǔ)。航空技術(shù)的進(jìn)步與 發(fā)展對航空材料起著積極的“牽引作用；與此同 時(shí)，材料科學(xué)與工程發(fā)展，新型材料的出現(xiàn)，制 造工藝與理化測試技術(shù)的進(jìn)步，又為航空新產(chǎn)品 的設(shè)計(jì)與制造提供重要的物質(zhì)與技術(shù)，從而對航 空產(chǎn)業(yè)的發(fā)

4、展起著有效的推動作用。例如，承 載與隱形一體化材料的出現(xiàn)，既是隱形飛機(jī)設(shè)計(jì) 構(gòu)思提出的需求，同時(shí)也使隱形飛機(jī)從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；優(yōu)質(zhì)單晶高溫合金的出現(xiàn)，使發(fā)動機(jī)渦輪 前溫度得以大大提高，推動著高推重比航空發(fā)動 機(jī)的進(jìn)步。由于航空產(chǎn)品具備高科技密集、系統(tǒng)龐大復(fù) 雜、使用條件惡劣多變，要求長壽命、高可靠性 和品種多、批量小等特點(diǎn)，從而使航空材料也相 應(yīng)地具有一系列特點(diǎn)：(1)種類、品種、規(guī)格多。航空材料按用 途分有結(jié)構(gòu)材料、功能材料及工藝與輔助材料三 大類：按化學(xué)成分分有金屬材料、有機(jī)高分子材 料、無機(jī)非金屬材料以及各種復(fù)合材料。各類材 料又涉及眾多的牌號、品種與規(guī)格。(2)高的比強(qiáng)度(rb /p)和

5、高的比剛度 (E / p )是航空結(jié)構(gòu)材料的重要特點(diǎn)。減輕結(jié) 構(gòu)重量既可增加飛機(jī)、直升機(jī)的運(yùn)載能力，提高 機(jī)動性，加大航程，又可減少燃油消耗。因此， 高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金以及先進(jìn)復(fù)合材料在航空 上得到廣泛的應(yīng)用。(3)高溫合金是航空材料極其重要的組成部 分。燃?xì)鉁u輪(包括渦輪噴氣、渦輪風(fēng)扇、渦輪 螺旋槳、渦輪軸)發(fā)動機(jī)是現(xiàn)代飛機(jī)、直升機(jī)的 主要?jiǎng)恿ρb置，而各類高溫合金則是制造現(xiàn)代航 空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵材料。隨著發(fā)動機(jī)推重 比(或功重比)的提高，渦輪前溫度也隨之升高， 對材料的耐溫要求也愈來愈高。(4)質(zhì)量要求高。由于飛機(jī)、直升機(jī)是一種 載人反復(fù)運(yùn)行的產(chǎn)品，在規(guī)定的使用壽命期內(nèi)， 對使用可靠

6、性、安全性有著極其嚴(yán)格的要求。為 此對航空材料要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。(5)抗疲勞性能是航空材料的另一個(gè)突出特 點(diǎn)。大量的事實(shí)說明，在飛機(jī)、發(fā)動機(jī)所發(fā)生的 失效事件中，約80%以上是各種形式的疲勞損 傷所引起。航空材料的抗疲勞性能是關(guān)系到航空 產(chǎn)品使用可靠性和使用壽命的一項(xiàng)非常重要的 性能指標(biāo)。(6)成本高、價(jià)格貴。由于航空產(chǎn)品品種多 樣而批量小，相應(yīng)地航空材料的牌號品種也多， 批量也小，難以形成規(guī)模化生產(chǎn)，同時(shí)質(zhì)量要求 又高，從而導(dǎo)致材料的成本高，價(jià)格貴。材料費(fèi) 用在航空產(chǎn)品成本中占有很大比重。 如何降低其 價(jià)格是航空材料發(fā)展的一個(gè)重要努力方向。中國航空產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從修理、引進(jìn)、仿 制到改進(jìn)、改

7、型和自行設(shè)計(jì)研制的發(fā)展歷程。用 以制造航空產(chǎn)品的材料也經(jīng)歷了引進(jìn)、 仿制、改 進(jìn)、改型和自行研制的發(fā)展歷程。到目前為止， 我國已定型生產(chǎn)的航空用金屬、有機(jī)高分子材 料、無機(jī)非金屬材料以及復(fù)合材料的牌號約2000余個(gè)；已建成具有一定規(guī)模的航空材料研 究與生產(chǎn)基地，擁有生產(chǎn)航空產(chǎn)品所需各類材料 牌號、品種與規(guī)格的生產(chǎn)設(shè)備及檢測儀器；先后 制訂了 1000余份各類航空材料、熱工藝及理化 檢測標(biāo)準(zhǔn)（包括國標(biāo)、國軍標(biāo)與航空標(biāo)準(zhǔn)）；編 寫出版了中國航空材料手冊、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)手冊及航空材料選用目錄 等；頒布了 航空工業(yè)材料及熱工藝技術(shù)工作規(guī) 定、航空材料（含鍛、鑄件）技術(shù)管理辦法 等法規(guī)性

8、文件。從總體上看，我國目前已定型生 產(chǎn)的航空材料（含類別、牌號、品種與規(guī)格）及 其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，基本上能滿足第二代航空 產(chǎn)品批生產(chǎn)的需求。針對第三代航空產(chǎn)品所需關(guān) 鍵材料，如熱強(qiáng)鈦合金、高強(qiáng)鋁合金、超高強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼、樹脂基復(fù)合材料、單晶與粉末高 溫合金等，從技術(shù)上看，已具備試用條件，但要 轉(zhuǎn)化為在特定工況下使用的零部件，并體現(xiàn)出第 三代航空產(chǎn)品的總體效能（技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)性能、使 靠勝與壽命以及經(jīng)濟(jì)效益等）尚需做大量的工 作。我國航空材料的現(xiàn)狀與新一代航空產(chǎn)品 （飛機(jī)以F-22為代表,發(fā)動機(jī)以推比10為代表） 對材料的需求之間尚存在較大的差距，主要有如 下三方面：（1）前沿材料研究滯后，新

9、材料儲備小，第三代、第四代航空產(chǎn)品所需的一些關(guān)鍵材料，如 快速凝固材料、高強(qiáng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、熱強(qiáng)鈦合金、 超高強(qiáng)度鋼、金屬間化合物及以其為基的復(fù)合材 料、樹脂基復(fù)合材料等的研究滯后，與國外先進(jìn) 新材料研制水平的差距約為1520年；（2）新材料研制、生產(chǎn)和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)條 件較差，如超純?nèi)蹮?、高溫整體擴(kuò)散連接、噴射 成型、等溫鍛造、電子束沉積涂層、納米材料制 備、超高溫檢測、超聲顯微鏡、激光無損檢測等 先進(jìn)的合成與加工設(shè)備、質(zhì)量檢測與控制手段等 不能滿足新材料研制、生產(chǎn)與應(yīng)用的需要；（3） 一些常用結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量不穩(wěn)定，性能 數(shù)據(jù)分散，表面質(zhì)量差，尺寸精度低，有些品種 規(guī)格不能正常供貨，滿足不了生

10、產(chǎn)使用要求。建立中國航空材料體系的具體思路應(yīng)包括以下幾個(gè)層次:1 .逐步理順和建立我國航空用各類材料的牌 號序列首先要對現(xiàn)有用于各類航空產(chǎn)品的材料 加以收集匯總，然后按照“淘汰落后材料，限用 綜合性能差與使用面窄的材料，合并性能水平相 近的材料，推薦綜合性能好的材料，補(bǔ)充暫缺的 先進(jìn)材料”等原則，加以分類整理，建立起適合 我國國情的具有不同性能水平檔次的各類材料 的牌號序列，并逐步納入國標(biāo)、國軍標(biāo)或航標(biāo)。2,正確處理并逐步解決多國材料并存、重復(fù)、 互不兼容的復(fù)雜局面(1)對已往在引進(jìn)國外航空產(chǎn)品過程中所仿制 的，目前尚未納入國標(biāo)、國軍標(biāo)或航標(biāo)的各類國 外材料，進(jìn)行全面清理和綜合對比分析，選擇其

11、 中國內(nèi)沒有且有應(yīng)用前景的材料牌號，加以研究 完善，而后使其盡快納入國標(biāo)、國軍標(biāo)、或航標(biāo) 中，編入到該類材料的牌號序列中。其余的國外 材料牌號要加以限用，即限制在除原引進(jìn)航空產(chǎn) 品以外的產(chǎn)品上使用。(2)隨著我國對外開放的深入和加入“WTO” 步伐的臨近，引進(jìn)航空產(chǎn)品及技術(shù)將會不斷增 加，妥善處理其中的材料問題將是建立中國航空材料體系的關(guān)鍵。為此，要在熟悉和掌握國 外各類材料牌號與標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行對比分 析，分別采取代用與仿制兩種方法加以處置。 首先是用國內(nèi)現(xiàn)有材料牌號代用。由于各國礦產(chǎn) 資源和技術(shù)水平的不同，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后 形成了各自的材料牌號序列。各國間完全相同的 材料牌號是極少的

12、，大多數(shù)只存在相當(dāng)或相近的 對應(yīng)關(guān)系。因此，如果國內(nèi)現(xiàn)有某材料牌號的化 學(xué)成分與引進(jìn)產(chǎn)品所用某一材料的化學(xué)成分相 近，力學(xué)性能與工藝性能相當(dāng)，即可用該材料代 用相應(yīng)國外材料。在這里需要的是理性的、實(shí)事 求是的科學(xué)分析，必須摒棄過去那種一絲不茍 照搬照抄國外的做法。在沒有相應(yīng)國內(nèi)材料牌號 與之對應(yīng)的國外材料，且又沒有仿制價(jià)值時(shí)，可 根據(jù)具體的使用條件，采取以優(yōu)代劣”的辦法加 以處置。其次是對國內(nèi)現(xiàn)有材料牌號難以代用的 少量國外材料可作如下處置：對確有先進(jìn)性和應(yīng) 用前景者，則可立項(xiàng)仿制；若用量少，要求高， 國內(nèi)難以仿制生產(chǎn)或雖可仿制生產(chǎn)， 但經(jīng)濟(jì)上很 不合算，同時(shí)國外又能正常供貨的材料，可直接 向國外采購，不必拘泥于一切立足于國內(nèi)。3 .加大對現(xiàn)有定型材料的改進(jìn)改型研究力度通過調(diào)控成分或變更工藝等手段，充分挖掘現(xiàn)有 材料的潛力，做到“一材多用。4 .加強(qiáng)對新材料的研究先進(jìn)航空產(chǎn)品的發(fā)展，對材料的要求愈來愈高，因此，要加強(qiáng)對樹 脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、金屬間化合物、 高強(qiáng)高韌、可焊、耐蝕合金鋼、高強(qiáng)鋁合金、耐 熱鈦合金等的研究。5 .在建立材料牌號序列的同時(shí)，建立航空材料 性能數(shù)據(jù)庫對那些用作關(guān)鍵件、重要件的材料， 要補(bǔ)充測試有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性評估與壽命預(yù) 測等所需的性能數(shù)據(jù)。6 .加強(qiáng)特種工