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一文讀懂航空航天領(lǐng)域里應(yīng)用的所用先進材料

2016-02-24 11:20:33 作者：本網(wǎng)整理來源：

摘要：航空航天材料是一類非常特殊的材料，它與軍事應(yīng)用密切相關(guān)。與此同時，航空航天材料的進步又對現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。推動航空航天領(lǐng)域新材料新工藝的發(fā)展，能夠引領(lǐng)和帶動相關(guān)技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，衍生出更為廣泛的、軍民兩用的新材料和新工藝。本文列舉了四種當今航空航天行業(yè)被廣泛運用的先進材料，即：鈦合金、復(fù)合材料、鋁鋅合金、超高強度鋼。這四種先進材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用解決了一系列飛機、戰(zhàn)斗機機身、發(fā)動機設(shè)計等方面的技術(shù)瓶頸。

前言

近年來，隨著科學技術(shù)的不斷進步，材料技術(shù)得到飛速發(fā)展。而航空航天材料的進展取決于下列3個因素：

①材料科學理論的新發(fā)現(xiàn)：例如，鋁合金的時效強化理論導(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)致高強度、高模量芳綸有機纖維的發(fā)展。

②材料加工工藝的進展：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際應(yīng)用；復(fù)合材料增強纖維鋪層設(shè)計和工藝技術(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。

③材料性能測試與無損檢測技術(shù)的進步：現(xiàn)代電子光學儀器已經(jīng)可以觀察到材料的分子結(jié)構(gòu)；材料機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)也有了飛速的進步。材料性能測試與無損檢測技術(shù)正在提供越來越多的、更為精細的信息，為飛行器的設(shè)計提供更接近于實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。

用航空航天材料制造的許多零件往往需要在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強腐蝕等極端條件下工作，有的則受到重量和容納空間的限制，需要以最小的體積和質(zhì)量發(fā)揮在通常情況下等效的功能，有的需要在大氣層中或外層空間長期運行，不可能停機檢查或更換零件，因而要有極高的可靠性和質(zhì)量保證。不同的工作環(huán)境要求航空航天材料具有不同的特性。比如高的比強度和比剛度、優(yōu)良的耐高低溫性能、耐老化和耐腐蝕、適應(yīng)空間環(huán)境、壽命和安全等等。

1.鈦合金材料（titanium alloy）

鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應(yīng)用。20世紀50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。

室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金，（α+β）合金和β合金。而現(xiàn)如今鈦合金材料的應(yīng)用主要有飛機結(jié)構(gòu)鈦合金、航空發(fā)動機用鈦合金和鑄造鈦合金三種。

1.1飛機結(jié)構(gòu)鈦合金

中常溫（—60～400℃）下作為承力構(gòu)件使用的鈦合金。主要為適應(yīng)飛機機體結(jié)構(gòu)件的需要發(fā)展起來的，隨后擴大應(yīng)用在火箭、衛(wèi)星、兵器和艦船等領(lǐng)域。以美國F—15飛機為例，主要用于制作機翼、水平尾、垂直尾、起落架和進氣道等。另外，結(jié)構(gòu)鈦合金還可以做機翼骨架、機座、發(fā)動機艙等，在油管、鉚釘、緊固件上的應(yīng)用也在增加。它在航天工程上主要用作壓力容器（儲存壓縮空氣或液體推進劑）、星箭連接帶、固體發(fā)動機殼體、各種蒙皮、構(gòu)件和輻射冷卻式噴管等。

美國1948年服役的F-86戰(zhàn)斗機是在飛機結(jié)構(gòu)中首次使用鈦合金的。它在后機身隔熱板、導(dǎo)風罩和機尾罩等非承力部件上應(yīng)用了鈦合金，約占結(jié)構(gòu)重量的1%。1957年，美國貝爾X-15試驗機使用的鈦合金占結(jié)構(gòu)重量的17.5%。此后，飛機結(jié)構(gòu)材料開始大量使用鈦合金，從后機身移向中機身、前機身，部分代替鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力件。目前，使用鈦合金最多的當屬美國3倍音速的高空高速偵察機SR-71。其鈦合金用量占結(jié)構(gòu)的93%，號稱“全鈦飛機”。在飛機機體結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用始于1950年左右，50年來得到了迅速的發(fā)展。中國在殲擊機機體上使用鈦合金是在60年代，1983年把TC4鈦合金模鍛件用于飛機的重要結(jié)構(gòu)件。90年代設(shè)計的新機種選用的鈦合金牌號有TA6、TA7、TC1、TC3、TC4、TC6、TC11、ZT3和ZT4等合金。

按強度可分為低強度（<750MPa）、中強度（750～1000MPa）和高強度（>1000MPa）3種，表中列出了最通用的各種強度范圍的結(jié)構(gòu)鈦合金。

1.2航空發(fā)動機用鈦合金

鈦合金主要用在航空發(fā)動機的風扇、壓氣機中。如壓氣機盤、葉片、導(dǎo)航儀、連接環(huán)等。使用鈦合金替代原鎳基高溫合金可使壓氣機的重量降低30%—35%。多年來，為了滿足高性能航空發(fā)動機的需求，歐美、俄羅斯等航空工業(yè)發(fā)達國家十分重視高溫鈦合金的研發(fā)，先后　研制出了在350-600℃使用的高溫鈦合金。前蘇聯(lián)在20世紀50年代末期就開發(fā)出了BT6，BT3-1，BT8，BT9等牌號的鈦合金，六七十年代又研制出了BT18，BT25合金。此后，為了提高高溫鈦合金的性能和工作壽命，在原有合金的基礎(chǔ)上改進研制BT18V，BT25V，BT8M，BT8-1和BT8M-1等牌號的高溫鈦合金。80年代以后，歐美設(shè)計的各種先進軍用戰(zhàn)斗機和轟炸機中，鈦合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20％以上，如第三代戰(zhàn)斗機F-15鈦合金用量占27％，而第四代戰(zhàn)斗機F-22鈦合金用量占41%。

這些合金的熱強性能由低到高的順序依次為BT22一BT6一ＢＴ８一ＢＴ８Ｍ一１一Ｂｒｒ９一BT25Y—BT18Y－BT36，當工作溫度不大于350℃時，使用BT22和BT6合金；而在400-500℃范圍使用ＢＴ８—１，ＢＴ８Ｍ一１合金；在500-550℃范圍使用BT25Y合金；在550-600℃范圍使用BT18V合金。使用溫度在600℃以上的BT36合金尚在進行適用研究，而BT3-1，BT9，BT25等合金僅在老式發(fā)動機上使用。

1.3鑄造鈦合金

用于澆鑄成一定形狀鑄件的鈦合金。大部分變形鈦合金具有良好的鑄造性能。其中最廣泛使用的是Ti-6A1-4V合金。它具有最好的鑄造工藝性能和穩(wěn)定的組織，在350℃以下具有良好的強度（5σb≥890MPa）與斷裂韌性。目前鑄造鈦合金的使用溫度一般為300～400℃。一般采用真空凝殼爐和石墨型熔鑄法制取。主要用于鑄造航空發(fā)動機匣、支承架、導(dǎo)向葉片等非轉(zhuǎn)動性部件、也用于鑄造葉輪等轉(zhuǎn)動性零件，取代不銹用在化工領(lǐng)域。

2.先進復(fù)合材料（Advanced Composites ACM）

先進復(fù)合材料專指可用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復(fù)合材料。

目前主要指有較高強度和模量的硼纖維、碳纖維、芳綸等增強的復(fù)合材料。ACM 在航空航天等軍事上的應(yīng)用價值特別大。比如，軍用飛機和衛(wèi)星，要又輕又結(jié)實；軍用艦船，要又耐高壓又耐腐蝕。這些苛刻的要求，只有借助新材料技術(shù)才能解決。ACM 具有質(zhì)量輕，較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導(dǎo)熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫，獨特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計性、制備的靈活性和易加工性等特點，被大量地應(yīng)用到航空航天等軍事領(lǐng)域中，是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。

2.1 在航空飛機上的應(yīng)用

飛機用 ACM 經(jīng)過近 40 a 的發(fā)展，已經(jīng)從最初的非承力構(gòu)件發(fā)展到應(yīng)用于次承力和主承力構(gòu)件，可獲得減輕質(zhì)量 20 %～30 % 的顯著效果。

目前已進入成熟應(yīng)用期，對提高飛機戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平的貢獻、可靠性、耐久性和維護性已無可置疑，其設(shè)計、制造和使用經(jīng)驗已日趨豐富。迄今為止，戰(zhàn)斗機使用的 ACM 占所用材料總量的 30 % 左右，新一代戰(zhàn)斗機將達到40 %；直升機和小型飛機 ACM 用量將達到 70 %～80 % 左右，甚至出現(xiàn)全 ACM 飛機。“科曼奇”直升機的機身有 70 % 是由 ACM 制成的，但仍計劃通過減輕機身前下部質(zhì)量，以及將 ACM 擴大到配件和軸承中，以使再減輕 15 % 質(zhì)量。“阿帕奇”為了減輕質(zhì)量，將采用 ACM 代替金屬機身。使用 ACM，未來的聯(lián)合運輸旋轉(zhuǎn)翼（JTR）飛機的成本將減少 6 %，航程增加 55 %，或者載荷增加 36 %。以典型的第四代戰(zhàn)斗機 F/A-22 為例，ACM 用量為 24.2 %，其中熱固性復(fù)合材料占 23.8 %，熱塑性復(fù)合材料占 0.4 % 左右。熱固性復(fù)合材料的 70 % 左右為雙馬來酰亞胺樹脂（BMI，簡稱雙馬）基復(fù)合材料，生產(chǎn) 200 多種復(fù)雜零件，其它主要為環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，此外還有氰酸酯和熱塑性樹脂基復(fù)合材料等。主要應(yīng)用部位為機翼、中機身蒙皮和隔框、尾翼等。

近 10 a 來，國內(nèi)飛機上也較多的使用了ACM。例如由國內(nèi) 3 家科研單位合作開發(fā)研制的某殲擊機 ACM 垂尾壁板，比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21kg，減質(zhì)量 30 %。北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的 QY8911/HT3 雙馬來酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其 ACM 已用于飛機前機身段、垂直尾翼安定面、機翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。由北京航空材料研究院研制的 PEEK/AS4C熱塑性樹脂單向碳纖維預(yù)浸料及其 ACM，具有優(yōu)異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能，適合制造飛機主承力構(gòu)件，可在120 ℃ 下長期工作，已用于飛機起落架艙護板前蒙皮。

2.2 在航空發(fā)動機上的應(yīng)用

美國通用電器飛機發(fā)動機事業(yè)集團公司（GE-AEB）和惠普公司，以及其他一些二次承包公司，都在用 ACM 取代金屬制造飛機發(fā)動機零部件，包括發(fā)動機艙系統(tǒng)的許多部位推力反向器、風扇罩、風扇出風道導(dǎo)流片等都用 ACM 制造。如發(fā)動機進口氣罩的外殼是由美國聚合物公司的碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)混料（E707A）疊鋪而成，它具有耐 177 ℃高溫的熱氧化穩(wěn)定性，殼表面光滑似鏡面，有利于形成層流。又如 FW4000 型發(fā)動機有 80 個149℃ 的高溫空氣噴口導(dǎo)流片，也是碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料制造的。

在 316 ℃ 這一極限溫度下的環(huán)境中，ACM不僅性能優(yōu)于金屬，而且經(jīng)濟效益高。據(jù)波音公司估算，噴氣客機質(zhì)量每減輕 1 kg，飛機在整個使用期限內(nèi)即可節(jié)省 2 200 美元。

2.3 在機用雷達天線罩上的應(yīng)用

機用雷達罩是一種罩在雷達天線外的殼形結(jié)構(gòu)，其使用性能要求透微波性能良好，能承受空氣動力載荷作用且保持規(guī)定的氣動外形，便于拆裝維護，能在嚴酷的飛行條件下正常工作，可抵抗惡劣環(huán)境引起的侵蝕。ACM 具有優(yōu)良的透雷達波性能、足夠的力學性能和簡便的成型工藝，使它成為理想的雷達罩材料。

目前制作雷達罩材料較多采用的是環(huán)氧樹脂和 E 玻璃纖維。玻璃纖維品種中還有空心的 S-2 纖維，其密度為 1.8 g/cm，制成的復(fù)合材料抗拉強度為 1.5 GPa。還有一種低介電 D-玻璃纖維，是一種硅硼纖維（72 %～75 % 的SiO，23 % 的 B O ），主要用于制造雷達罩，目的是改善電性能和減少電氣厚度以降低實心罩的質(zhì)量。隨著對雷達罩性能要求的不斷提高，D 玻璃纖維、石英玻璃纖維等增強材料及改性雙馬來亞胺樹脂、DAIP 樹脂、氰酸脂等具有更好介質(zhì)性能的 ACM 也投入了使用。石英纖維作為制作雷達罩材料在航天飛機、隱身飛機及導(dǎo)彈上已應(yīng)用了數(shù) 10 a，其電性能優(yōu)異，熱膨脹系數(shù)為 0，硬度高，用它代替以往的玻璃纖維，可以獲得高性能的雷達罩。這種雷達罩的探測范圍可以增大到 224 km，壽命更長，維修性能更好，同時可獲得較明顯的減質(zhì)量效果。與相同的 E-玻璃雷達罩相比，它可減質(zhì)量 6 %～20 %。

2.4在防熱方面的應(yīng)用

導(dǎo)彈、衛(wèi)星及其它航天器再入大氣層的防熱，是航天技術(shù)必須解決的關(guān)鍵問題之一。

由于經(jīng)過高空飛行以超高速進入稠密的大氣層時，飛行器周圍空氣受到強烈壓縮，使空氣溫度和壓力急劇升高，再入體受到嚴重的氣動力和氣動熱作用，如不采取有效防熱措施，將像流星一樣被燒毀。早在 1950 年代，美國就采用石棉酚醛作為燒蝕防熱材料，如“丘比特”中程導(dǎo)彈，蘇聯(lián)的“東方號”飛船也用該種材料。

此后廣泛地使用玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛，如美國的“MK-11A”彈頭和“水星號”飛船，蘇聯(lián)的“聯(lián)盟號”飛船，法國第一代導(dǎo)彈的彈頭等。近期采用了碳基ACM（碳/酚醛和碳/碳），如美國的“MK-12A”彈頭和法國的第二代導(dǎo)彈彈頭已應(yīng)用。另外國內(nèi)外均將高強度玻纖增強樹脂基復(fù)合材料用于多管遠程火箭彈和空空導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕-隔熱材料，使金屬噴管達到了塑料化，耐燒蝕-隔熱-結(jié)構(gòu)多功能化，實現(xiàn)了噴管收斂段、擴張段和尾翼架多部件一體化，大大減輕了武器質(zhì)量，提高了戰(zhàn)術(shù)性能。

2.5在衛(wèi)星和宇航器上的應(yīng)用

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對衛(wèi)星功能及運載火箭的要求至關(guān)重要，所以對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求很嚴。國際通訊衛(wèi)星 VA 中心推力筒用碳纖維 ACM取代鋁后減質(zhì)量 23 kg（約占 30 %），可使有效載荷艙增加 450 條電話線路，僅此一項盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費用。美、歐衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總質(zhì)量的 10 %，其原因就是廣泛使用了 ACM。目前衛(wèi)星的微波通訊系統(tǒng)、能源系統(tǒng)（太陽能電池基板、框架）各種支撐結(jié)構(gòu)件等已基本上做到ACM 化。

我國在“風云二號氣象衛(wèi)星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧 ACM 做主承力構(gòu)件，大大減輕了整星的質(zhì)量，降低了發(fā)射成本。

3.鋁鋰合金

3.1概述

AI-Li系合金是近年來引起人們廣泛關(guān)注的一種新型超輕結(jié)構(gòu)材料。該合金的研制與應(yīng)用，標志著半個多世紀以來鋁合金領(lǐng)域的重要發(fā)展。

鋰是一種極為活潑且很輕的化學元素，密度為0.533g·cm—3，為鋁的1／5，鐵的1／15。鋰元素為地球存在較多的金屬，同時海水中還有相當大的含量。

在鋁合金中加入鋰元素，可以降低其密度，并改善合金的性能。例如，添加鋰2％-3％，合金密度可減少10％，比剛度可增加20％—30％，強度可與LYl2媲美。

鋰在鋁中的溶解度隨溫度變化而改變。當鋰含量大于3％時，A1-Li合金的韌性明顯下降，脆性增大。因此，其合金中的鋰含量僅為2％—3％。

A1-Li系合金具有密度小，比強度高，比剛度大，疲勞性能良好，耐蝕性及耐熱性好等優(yōu)點（在一定熱處理條件下）。但A1-Li系合金的塑性和韌性差，缺口敏感性大，材料加工及產(chǎn)品生產(chǎn)困難。

用Al-Li合金制作飛機結(jié)構(gòu)件，可使飛機減重10％—20％，可提高飛機的飛行速度和承載能力。因此，AI-Li合金是一種在航空、航天領(lǐng)域中很有競爭力的一種新型超輕結(jié)構(gòu)材料，已受到世人的關(guān)注。A1-Li合金的價格是硬鋁價格的2—3倍，若在海水中萃取鋰的技術(shù)獲得成功，則可得到價格便宜的鋰材料。

目前在美國、英國、法國和前蘇聯(lián)等國家已成功研制出A1-Li合金并將其用于實際生產(chǎn)中，已開發(fā)的Al-Li合金大致有三個系列：A1-Cu-Li系合金、A1-Mg-Li系合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系合金等。

（圖一）Al-Li二元相圖

3.2新型鋁鋰合金的性能特點

新型鋁鋰合金主要產(chǎn)品形式有中厚板、薄板、擠壓型材等，國外已認證或在飛機上使用的產(chǎn)品牌號主要有美鋁的2099、2199、2397和加鋁的2196、2098、2198等，部分鋁鋰合金具備AMS材料規(guī)范，主要應(yīng)用于地板梁、機身蒙皮、長桁、框、粱、腹板等部位，它們的主要性能特點如下：

（ 1 ）適當?shù)拿芏冉档停ㄒ话惚瘸Ｒ?guī)鋁合金低5％～8％，Li<1.8％），而不是片面的追求低密度；

（ 2 ）更好的強度一韌性平衡；

（ 3 ）耐損傷、抗疲勞性能優(yōu)良；

（ 4 ）各向異性小；

（ 5 ）耐腐蝕優(yōu)良；

（ 6 ）熱穩(wěn)定性好，有較好的耐熱性；

（ 7 ）良好的加工成型性（適用于激光束焊接、攪拌摩擦焊接、時效成形）；

（ 8 ）更高的性價比。

（圖二）鋁鋰材料性能優(yōu)勢分析

（圖三）一些第三代鋁鋰合金的典型性能

（圖四）主要鋁鋰合金的力學性能

3.3鋁鋰合金的應(yīng)用

3.3.1鋁鋰合金的航空應(yīng)用

Al-Li合金已經(jīng)在軍用飛機、民用客機和直升飛機上使用或試用，主要用于機身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等等。

早在20世紀50年代，美國就開發(fā)了x2020鋁鋰合金后來用來取代7075用于RA-SC預(yù)警機。美國一公司將C-155鋁鋰合金用于波音777和空中客車A330/340飛機的垂尾和平尾，該合金比普通鋁合金有更好的抗疲勞性能和高的強度。其中A330/340飛機每架使用Al-Li合金650kg，可使飛機減重達4250kg，可以提高有效載荷及降低燃料消耗。麥道公司的C-17運輸機使用了鋁鋰合金板材和擠壓型材制造貨艙的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結(jié)構(gòu)，用量達2.8t，比用普通鋁合金減重208kg，法國幻影式戰(zhàn)斗機上也大量應(yīng)用鋁鋰合金，其成本低于熱固塑料和金屬基復(fù)合材料。在1988年的時候，洛克希德·馬丁戰(zhàn)術(shù)飛機系統(tǒng)公司、洛克希德·馬丁航空系統(tǒng)公司和雷諾茲金屬公司就開始AA2l97合金研制的聯(lián)合計劃，為軍用殲擊機隔板和艙壁生產(chǎn)重載厚板。1996年6月，雷諾茲金屬公司開始售出第一批AA2l97合金板材，用于取代其它材料制造美國空軍F－16飛機的后部隔板（艙壁）和其它零件。歐洲試驗型戰(zhàn)斗機EFA其前部所有薄板狀零件皆由8090薄板制成，占所有材料的9%，駕駛艙內(nèi)使用了不少A1-Li合金，其中用A1-Li超塑成形工藝制造的電子設(shè)備室的蓋板長達1.5m。英、意合作生產(chǎn)的大型直升機EH101上，其機身框架、蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用了相當多的A1－Li合金板材和鍛件，每架質(zhì)量減輕200kg。而據(jù)估計，直升機在整個服役期間每減輕1kg增加經(jīng)濟效益高達3000英鎊。

在航空鋁鋰合金的研究和應(yīng)用方面，前蘇聯(lián)及俄羅斯也一直處于世界的領(lǐng)先地位，比較有代表性的有01420、01421（含鈧）、01423（含鈧）、01430、01440、01450等。早在20世紀70年代，前蘇聯(lián)就將鋁鋰合金用于制造雅克－36飛機的主要構(gòu)件，包括機身蒙皮、尾翼、翼肋等，該飛機在惡劣的海洋氣候條件下使用，性能良好。20世紀90年代初又在米格－29和米格－31飛機上采用1420合金焊接結(jié)構(gòu)，使減重效果進一步提高。米格－29使用了1420合金薄板、模鍛件、擠壓壁板等制造機身、駕駛員座艙、油箱等，每架飛機鋁鋰合金用量達3.8t。采用焊接油箱后減重達24%，其中12%是由于材料比重的降低，12%是由于焊接結(jié)構(gòu)減少了鉚釘、螺釘、密封劑和搭接部分而達到的。1420合金在其它飛機，如運輸機、客機、直升機上用量也相當可觀。安－124用量近8t，圖－204用量2.7t，米－26用量1.8t，還有伊爾－86、安－72等也都采用了A1-Li合金。近年來，Al-Li合金也大量用在蘇－27、蘇－35、蘇－37等戰(zhàn)斗機上，以及遠程導(dǎo)彈彈頭殼體等。

（圖五）A380鋁鋰合金使用情況

（圖六）龐巴迪C系列材料使用情況

2.3.2鋁鋰合金的航天應(yīng)用

對于航天飛行器結(jié)構(gòu)，質(zhì)量的減輕可增加有效載荷，而有效載荷每增加1kg可帶來4,400～110,000美元的效益。因此，由于Al-Li合金密度低、性能好的特點，在很多航天飛行器中都采用Al-Li合金結(jié)構(gòu)。

美國洛克希德導(dǎo)彈和空間公司（LMSC）制造的飛行器使用低密度、中等強度和高剛度的材料，因此大量采用Al-Li合金產(chǎn)品。從20世紀80年代中期開始，大量選用8090及普通加工方法生產(chǎn)各種鍛件、厚板、薄板與擠壓件。LMSC在大力神有效載荷轉(zhuǎn)接器上使用8090板材，減輕質(zhì)量180kg。該公司使用AA2195合金生產(chǎn)的新的航天飛機“超輕型油箱”，長達47m，直徑達8.4m，用于盛裝低溫燃料和液態(tài)氫。AA2195合金的使用使油箱減輕5%（減重近3400kg），強度提高30%，有效地增加了有效載荷，節(jié)約成本約7500萬美元。麥道空間系統(tǒng)公司采用2090－T81板材制成直徑2.44m，長3.05m的低溫箱，用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器，質(zhì)量減輕15%。美國通用動力空間公司在阿特拉斯和半人馬運載火箭上的三個部件采用2090合金，總量達70kg，質(zhì)量較2024減輕8%。1997年12月的美國“奮進號”航天飛機外貯箱采用2195代替2219，運載能力提高了3.4t。

Al-Li合金在俄羅斯的航天業(yè)中也有很多的應(yīng)用。俄羅斯在1450合金基礎(chǔ)上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金，有更優(yōu)良的性能，將其應(yīng)用于大型運載火箭“能源號”的結(jié)構(gòu)件上。此外，還用在其它火箭、“暴風雪”號航天飛機和空間站的結(jié)構(gòu)件上。

4.超高強度鋼

室溫條件下抗拉強度大于1400 MPa、屈服強度大于1200 MPa的鋼被稱為超高強度鋼，通常還要求具有良好的塑韌性、優(yōu)異的疲勞性能、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能。超高強度鋼是應(yīng)用范圍很廣的一類重要鋼種，大量應(yīng)用于火箭發(fā)動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域。

典型超高強度鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

4.1低合金超高強度鋼

AISI 4340是最早出現(xiàn)的低合金超高強度鋼，也是低合金超高強度鋼的典型代表。美國從20世紀40年代中期開始研究4340鋼，通過降低回火溫度，使鋼的抗拉強度達到1600~1900MPa。1955年4340鋼開始用于F-104飛機起落架。通過淬火和低溫回火處理，AISI 4130、4140、4330或4340鋼的抗拉強度均可超過1500MPa，而且缺口沖擊韌性較高。

為了抑制低合金超高強度鋼回火脆性，1952 年美國國際鎳公司開發(fā)了300M鋼。該鋼通過添加了1~2％的硅來提高回火溫度（260~315℃），并可抑制馬氏體回火脆性。300M鋼在1966 年后作為美國的軍機和主要民航飛機的起落架材料而獲廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)-15、F-16、DC-10、MD-11 等軍用戰(zhàn)斗機都采用了300M 鋼，此外波音747 等民用飛機的起落架及波音767 飛機機翼的襟滑軌、縫翼管道等也采用300M 鋼制造。

盡管以4340 和300M 鋼為代表的低合金超高強度鋼具有高強度，但它們的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力都比較差，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。美國于60 年代初開始研制D6AC，由AISI 4340 鋼改進而成，被廣泛用于制造戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動機殼體及飛機結(jié)構(gòu)件。到了70 年代中期，D6AC 逐漸取代了其它合金結(jié)構(gòu)鋼，成為一種制造固體火箭發(fā)動機殼體的專用鋼種。美國新型地空導(dǎo)彈“愛國者”，小型導(dǎo)彈“紅眼睛”，大中型導(dǎo)彈“民兵”、“潘興”、“北極星”、“大力神”等，美國航天飛機的φ3.7m助推器殼體也采用D6AC 鋼制造。D6AC 還曾用于制造F-111飛機的起落架和機翼軸等。

蘇聯(lián)具有自己的鋼種體系，最有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA（ЭИ643）鋼。30XГCH2A 是在30XГC 基礎(chǔ)上加入1.4~1.8%的鎳而得到的低合金超高強度鋼，由于鎳的加入提高了鋼的強度、塑性和韌性，也提高了鋼的淬透性，由此改良和派生出了一系列鋼種。40XH2CMA 是在40XH2MA 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，40XH2CBA是用W代替40XH2CMA中Mo而成的。近十幾年來他們又研制了新型經(jīng)濟型的低合金超高強度鋼35XCH3M1A（BKC-8）和35XC2H3M1ФA（BKC- 9），其抗拉強度分別可達到1800~2000MPa 和1950~2150MPa。

406鋼是我國自行設(shè)計、自行研制低合金超高強度鋼最成功的典范。它是為解決大型固體火箭發(fā)動機殼體材料而研制的超高強度鋼，1966年由冶金部和七機部聯(lián)合下達研制任務(wù)，1980年11月定型生產(chǎn)。采用406鋼制造的巨浪一號兩級發(fā)動機殼體，使用強度>1715 MPa，KIC＞72 MPa·m1/2，相當于美國“北極星A2”導(dǎo)彈一級發(fā)動機殼體所用的D6AC鋼。

406鋼制造的DF-21導(dǎo)彈一級發(fā)動機殼體

為了提高大型固體火箭發(fā)動機的可靠性，又在406鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了D406A鋼，通過降低碳含量和采用VIM+VAR冶煉技術(shù)，提高了純凈度。D406A鋼的強度稍有下降，但提高了韌性（σb＞1620MPa，KIC＞87 MPa·m1/2）。1993年通過技術(shù)鑒定，已成功用于東風和巨浪系列導(dǎo)彈一級發(fā)動機殼體。

4.2二次硬化超高強度鋼

二次硬化超高強度鋼特點是在 480~550℃范圍回火（或時效）后，析出合金碳化物產(chǎn)生強化效應(yīng)，強度和硬度明顯提高，具有硬化峰值，表現(xiàn)出二次硬化特征，同時韌性提高。

HY180鋼是1965 年由美國U.S.鋼公司開發(fā)出來的優(yōu)良高韌性超高強度鋼，其化學成分（重量百分比）為：0.10C、10Ni、8Co、2Cr、1Mo，應(yīng)用于深海艦艇殼體，海底石油勘探裝置等，但它一直未能在航空航天結(jié)構(gòu)上獲得應(yīng)用，其原因在于該鋼的比強度和韌性雖能滿足對低溫高壓深水潛艇使用要求，但尚不能滿足航空航天器對超高強度鋼的高強韌性的要求。

隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，開發(fā)強度高（1586 1724MPa）、斷裂韌性好（125 MPa·m1/2）、可焊接性好的新型材料成為發(fā)展方向。為了達到航空構(gòu)件材料的損傷容限和耐久性，在對Fe10Ni 系合金鋼進行的研究基礎(chǔ)上，對HY180 進行了改進，1978年開發(fā)了AF1410超高強度合金鋼，該鋼經(jīng)830℃油淬+510℃時效后，σ0.2≥1517MPa，KIC≥154MPa·m1/2。因此該鋼以極高的強韌性、良好的加工性能和焊接性能成為受航空界歡迎的一種新型高強度鋼。

在保持AF 1410 超高強度合金鋼良好韌性的基礎(chǔ)上，為進一步提高其強度及在海水環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能和降低韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，1992年Carpenter公司開發(fā)出Aermet 100 超高強度合金鋼。該鋼與AF1410 鋼相比，強度有了進一步提高（σb≥1930 MPa），但韌性稍有下降（KIC≥110MPa·m1/2）。Aermet 100是目前綜合性能最高的超高強度鋼，是新一代軍事裝備中關(guān)鍵器件的首選材料，美國己成功地將其應(yīng)用在最先進的F/A-22戰(zhàn)斗機起落架和F-18艦載機的起落架上。

以Aermet 100為材料的F/A-22起落架

以Aermet 100為材料的F/A-22起落架

4.3 馬氏體時效鋼

馬氏體時效鋼以無碳（或微碳）馬氏體為基體的，時效時能產(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化的超高強度鋼。具有工業(yè)應(yīng)用價值的馬氏體時效鋼，是20世紀60年代初由國際鎳公司（INCO）首先開發(fā)出來的。1961～1962年間該公司在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鈷、鉬、鈦，通過時效硬化得到屈服強度分別達到1400、1700、1900MPa的18Ni（200）、 18Ni（250）和18Ni（300）鋼，并首先將18Ni（200）和18Ni（250）應(yīng)用于火箭發(fā)動機殼體。

馬氏體時效鋼在相同的強度級別韌性比低合金鋼要高，加工硬化指數(shù)低，沒有脫碳問題，熱處理工藝簡單，冷加工成型性好。固體火箭發(fā)動機殼體用18Ni馬氏體時效鋼，使用強度為1750 MPa，濃縮鈾離心分離機旋轉(zhuǎn)筒體用馬氏體時效鋼，使用強度達到2450MPa。但合金元素含量高致使馬氏體時效鋼的成本增高。90年代，國內(nèi)在18Ni馬氏體時效鋼的基礎(chǔ)上，采用取消鈷元素，提高鎳、鈦含量的方法，成功研制出了T250、T300馬氏體時效鋼。T250馬氏體時效鋼力學性能為： σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2，是制造我國固體發(fā)動機殼體的新一代材料。2006年，寶鋼特殊鋼分公司、撫鋼、安大廠和太鋼等單位聯(lián)合攻關(guān)，成功試制出直徑為1200mm的T250鋼固體發(fā)動機殼體，已用于某航天型號。

4.4Ferrium S53 超高強、高韌耐蝕不銹鋼

FerriumS53是一種宇航結(jié)構(gòu)件用耐腐蝕超高強度不銹鋼，其力學性能等于或優(yōu)于傳統(tǒng)的超高強度不銹鋼，比如300M和SAE4340，而耐腐蝕性能類似于1.5-5PH。開發(fā)超高強度不銹鋼FerriumS53的目的是要淘汰有毒的金屬鍍層。

FerriumS53不銹鋼的特點如下：

耐蝕相當于15-5PH H900

強度與與300M（AMS 6257A）相當或更好

耐應(yīng)力腐蝕破裂：KIscc≥16.5 MPa

具有最大耐疲勞的最佳顯微結(jié)構(gòu)特征

對磨損和疲勞的表面可使硬度大于67 HRC

高強度高韌性細條狀馬氏體基體

細晶粒與極細金屬碳化物彌散分布，以提高耐磨性能和韌性

通過回火使納米級金屬碳化物（M2C）彌散進行強化，同時避免其他碳化物，使強度、耐磨性能以及韌性最大化

為了獲得最佳的耐腐蝕性能，形成了一種穩(wěn)定的鈍態(tài)氧化物薄膜

目前飛機起落架選用的鋼材（如：300M、SAE4340）都要求進行保護性的以氰化物為基礎(chǔ)的鍍鎘處理。鎘是大家熟知的一種致癌物，在最初的飛機制造和在飛機維修過程中都存在明顯的環(huán)境污染風險。此外，為了避免氫脆，鍍鎘工藝要求隨后進行氫還原退火操作。在這些用途中用Ferrium53來取代其他材料就不需要鍍鎘和隨后的氫還原退火操作。而且該不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能（SCC）也優(yōu)于300M和SAE4340。另外，還有更高的可硬化性能。對于一個給定的截面尺寸，適合的淬火條件并不那么嚴格，因此，在熱處理過程中幾乎沒有變形。這種不銹鋼的處理工藝與其他淬火和回火的馬氏體二次硬化鋼的處理工藝類似。為了避免表面脫碳，推薦進行真空熱處理和真空回火。淬火冷卻到室溫之后，再進行低溫處理，以保證完全的馬氏體轉(zhuǎn)變。它有代表性的回火溫度是470℃，接近這個溫度時，這種不銹鋼有優(yōu)異的熱阻性能。這就允許采用更高的研磨速度而不會產(chǎn)生研磨燒傷的風險，因而使用中更加耐用。FerriumS53的一般耐腐蝕性能類似于有代表性的沉淀硬化不銹鋼，比如l7-4PH和15-5PH。線性極化試驗測得的開路電位（OCP）大約是-0.30V，與室溫下在3.5％的氯化鈉溶液中的飽和Ag／AgCl參比電極相比較，年平均腐蝕速度為0.01mm。在3.5％氯化鈉溶液中它是不生銹的。

5.結(jié)論：

（1）鋁鋰合金具有密度小，比強度高，比剛度大，疲勞性能良好，耐蝕性及耐熱性好、性價比高等優(yōu)點，在航空航天中的應(yīng)用越來越廣泛。

（2）復(fù)合材料以其質(zhì)量輕，較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導(dǎo)熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫，獨特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計性、制備的靈活性和易加工性等特點，被廣泛應(yīng)用到飛機、雷達等多種航空航天領(lǐng)域。

（3）鈦合金具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好，成為航空航天中的重要材料，主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件

（4）航空工業(yè)的發(fā)展，特別是新型飛機的發(fā)展需要強度高、韌性好、耐蝕性好的結(jié)構(gòu)材料。雖然不斷出現(xiàn)各類新材料，但超高強度鋼在彈性模量、沖擊韌性和強度等方面依然具有很大的優(yōu)勢，在今天和可預(yù)見的未來，仍將是一種不可替代的關(guān)鍵材料之一。

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