鋁合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用

 

   鋁合金一直是軍事工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料。鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、加工性能好等特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料，因其加工性能優(yōu)良，可制成各種截面的型材、管材、高筋板材等，以充分發(fā)揮材料的潛力，提高構(gòu)件強(qiáng)度。所以，鋁合金是武器輕量化首選的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

 

   鋁合金在航空工業(yè)中主要用于制造飛機(jī)的蒙皮、隔框、長(zhǎng)梁和珩條等；在航天工業(yè)中，鋁合金是運(yùn)載火箭和宇宙飛行器結(jié)構(gòu)件的重要材料；在兵器領(lǐng)域，鋁合金已成功地用于步兵戰(zhàn)車(chē)和裝甲運(yùn)輸車(chē)上，最近研制的榴彈炮炮架也大量采用了新型鋁合金材料。

 

   近年來(lái)，鋁合金在航空航天業(yè)中的用量雖有所減少，但它仍是軍事工業(yè)中主要的結(jié)構(gòu)材料之一。鋁合金的發(fā)展趨勢(shì)是追求高純、高強(qiáng)、高韌和耐高溫，在軍事工業(yè)中應(yīng)用的鋁合金主要有鋁鋰合金、鋁銅合金（2000 系列）和鋁鋅鎂合金（7000 系列）。

 

   新型鋁鋰合金應(yīng)用于航空工業(yè)中，預(yù)測(cè)將為飛機(jī)減重8%~15%，因此，鋁鋰合金同樣也將可能成為航天飛行器和薄壁導(dǎo)彈殼體的候選結(jié)構(gòu)材料。隨著航空航天業(yè)的迅速發(fā)展，鋁鋰合金的研究重點(diǎn)仍然是解決厚度方向的韌性差和降低成本的問(wèn)題。

 

鈦合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用
 

   鈦合金具有較高的抗拉強(qiáng)度（441~1470 兆帕），較低的密度（4.5g/cm3），優(yōu)良的抗腐蝕性能和在300℃~550℃溫度下有一定的高溫持久強(qiáng)度和很好的低溫沖擊韌性，是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鈦合金具有超塑性的功能特點(diǎn)，采用超塑成形－擴(kuò)散連接技術(shù)，可以以很少的能量消耗和材料消耗將合金制成形狀復(fù)雜和尺寸精密的制品。鈦合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用主要是制作飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)件、起落架、支撐梁、發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、葉片和接頭等；在航天工業(yè)中，鈦合金主要用來(lái)制作承力構(gòu)件、框架、氣瓶、壓力容器、渦輪泵殼、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及噴管等零部件。20 世紀(jì)50 年代初，在一些軍用飛機(jī)上開(kāi)始使用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等結(jié)構(gòu)件；60 年代，鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用擴(kuò)大到襟翼滑軋、承力隔框、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)中；70 年代以來(lái)，鈦合金在軍用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量迅速增加，從戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)大到軍用大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，它在F14 和F15 飛機(jī)上的用量占結(jié)構(gòu)重量的25%，在F100 和TF39 發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量分別達(dá)到25%和33%；80 年代以后，鈦合金材料和工藝技術(shù)達(dá)到了進(jìn)一步發(fā)展，一架B1B 飛機(jī)需要90402 公斤鈦材。

 

   現(xiàn)有的航空航天用鈦合金中，應(yīng)用最廣泛的是a+b 型Ti-6Al-4V 合金。近年來(lái)，西方和俄羅斯相繼研究出兩種新型鈦合金，它們分別是高強(qiáng)高韌可焊及成形性良好的鈦合金和高溫高強(qiáng)阻燃鈦合金，這兩種先進(jìn)鈦合金在未來(lái)的航空航天業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。

 

   隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，陸軍部隊(duì)需求具有威力大、射程遠(yuǎn)、精度高、有快速反應(yīng)能力的多功能的先進(jìn)加榴炮系統(tǒng)。先進(jìn)加榴炮系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是新材料技術(shù)。自行火炮炮塔、構(gòu)件、輕金屬裝甲車(chē)用材料的輕量化是武器發(fā)展的必然趨勢(shì)。在保證動(dòng)態(tài)與防護(hù)的前提下，鈦合金在陸軍武器上有著廣泛的應(yīng)用。155 火炮制退器采用鈦合金后不僅可以減輕重量，還可以減少火炮身管因重力引起的變形，有效地提高了射擊精度；在主戰(zhàn)坦克及直升機(jī)－反坦克多用途導(dǎo)彈上的一些形狀復(fù)雜的構(gòu)件可用鈦合金制造，這既能滿足產(chǎn)品的性能要求又可減少部件的加工費(fèi)用。

 

   在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，鈦合金由于制造成本昂貴，應(yīng)用受到了極大的限制。近年來(lái)，世界各國(guó)正在積極開(kāi)發(fā)低成本的鈦合金研究，為在降低成本的同時(shí)，還要提高鈦合金的性能。在我國(guó)，鈦合金的制造成本還比較高，隨著鈦合金用量的逐漸增大，尋求較低的制造成本是發(fā)展鈦合金的必然趨勢(shì)。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)殼體
 

   金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、高的比模量、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，在軍事工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁、鎂、鈦是金屬基復(fù)合材料的主要基體，而增強(qiáng)材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類(lèi)，其中顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已進(jìn)入型號(hào)驗(yàn)證，如用于F－16 戰(zhàn)斗機(jī)作為腹鰭代替鋁合金，其剛度和壽命大幅度提高。碳纖維增強(qiáng)鋁、鎂基復(fù)合材料在具有高比強(qiáng)度的同時(shí)，還有接近于零的熱膨脹系數(shù)和良好的尺寸穩(wěn)定性，成功地用于制作人造衛(wèi)星支架、L 頻帶平面天線、空間望遠(yuǎn)鏡、人造衛(wèi)星拋物面天線等；碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有良好的高溫性能和抗磨損的特點(diǎn)，可用于制作火箭、導(dǎo)彈構(gòu)件，紅外及激光制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)件，精密航空電子器件等；碳化硅纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有良好的耐高溫和抗氧化性能，是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的理想結(jié)構(gòu)材料，目前已進(jìn)入先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的試車(chē)階段。在兵器工業(yè)領(lǐng)域，金屬基復(fù)合材料可用于大口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈彈托，反直升機(jī)/反坦克多用途導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等零部件，以此來(lái)減輕戰(zhàn)斗部重量，提高作戰(zhàn)能力。

 

  4、先進(jìn)高溫合金
 

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)
 

   高溫合金是航空航天動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵材料。高溫合金是在600℃~1200℃高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化和抗腐蝕能力的合金，它是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的首選材料。按照基體組元的不同，高溫合金分為鐵基、鎳基和鈷基三大類(lèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)在20 世紀(jì)60 年代前一直是用鍛造高溫合金制造，典型的牌號(hào)有A286 和Inconel718。70 年代，美國(guó)GE 公司采用快速凝固粉末Rene95__合金制作了CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)，大大增加了它的推重比，使用溫度顯著提高，從此，粉末冶金渦輪盤(pán)得以迅速發(fā)展。最近美國(guó)采用噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金渦輪盤(pán)，與粉末高溫合金相比，工序簡(jiǎn)單，成本降低，具有良好的鍛造加工性能，是一種有極大發(fā)展?jié)摿Φ闹苽浼夹g(shù)。

 

 

鎢合金零部件
 

   鎢的熔點(diǎn)在金屬中最高，其突出的優(yōu)點(diǎn)是高熔點(diǎn)帶來(lái)材料良好的高溫強(qiáng)度與耐蝕性，在軍事工業(yè)特別是武器制造方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。在兵器工業(yè)中它主要用于制作各種穿甲彈的戰(zhàn)斗部。鎢合金通過(guò)粉末預(yù)處理技術(shù)和大變形強(qiáng)化技術(shù)，細(xì)化了材料的晶粒，拉長(zhǎng)了晶粒的取向，以此提高材料的強(qiáng)韌性和侵徹威力。我國(guó)研制的主戰(zhàn)坦克125Ⅱ型穿甲彈鎢芯材料為W-Ni-Fe，采用變密度壓坯燒結(jié)工藝，平均性能達(dá)到抗拉強(qiáng)度1200 兆帕，延伸率為15%以上，戰(zhàn)技指標(biāo)為2000米距離擊穿600 毫米厚均質(zhì)鋼裝甲。目前鎢合金廣泛應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克大長(zhǎng)徑比穿甲彈、中小口徑防空穿甲彈和超高速動(dòng)能穿甲彈用彈芯材料，這使各種穿甲彈具有更為強(qiáng)大的擊穿威力。

 

 

   應(yīng)用于軍事工業(yè)中的新材料均具有較高的技術(shù)含量，因而軍用新材料的產(chǎn)業(yè)化速度普遍比較緩慢。世界范圍內(nèi)的軍用新材料正向功能化、超高能化、復(fù)合輕量和智能化的方向發(fā)展。由此看來(lái)，鈦合金、復(fù)合材料和納米材料在軍事工業(yè)中具有十分良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

 

   鈦是20 世紀(jì)50 年代發(fā)展起來(lái)的一種性能優(yōu)異、資源豐富的金屬。隨著軍事工業(yè)對(duì)高強(qiáng)低密度材料需求的日益迫切，鈦合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程顯著加快。在國(guó)外，先進(jìn)飛機(jī)上鈦材重量已達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重的30%~35%。我國(guó)在“九五”期間，為滿足航空、航天、艦艇等部門(mén)需要，國(guó)家把鈦合金作為新材料的發(fā)展重點(diǎn)之一，預(yù)計(jì)“十三五”將成為我國(guó)鈦合金新材料新工藝的高速發(fā)展時(shí)期。

 

   軍事高技術(shù)的發(fā)展要求材料不再是單一的結(jié)構(gòu)材料，在這種條件下我國(guó)在先進(jìn)復(fù)合材料的研制和應(yīng)用方面取得了很大的成績(jī)，它在“十三五”期間的發(fā)展會(huì)更加引人注目。同時(shí)，其發(fā)展方向?qū)榈统杀尽⒏咝阅堋⒍喙δ芎椭悄芑?/div>