在航空運(yùn)輸日益發(fā)達(dá)的今天，人們對飛行已經(jīng)相當(dāng)熟悉：伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)有力的轟鳴聲，飛機(jī)騰空而起，起落架隨之緩緩收入艙內(nèi)，飛機(jī)經(jīng)過短暫的爬升后迅速消失在地平線上。所有這些，依賴的是高效的機(jī)體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)、強(qiáng)壯的起落架、先進(jìn)的系統(tǒng)等，而構(gòu)成這一切零部件基礎(chǔ)的主要是航空金屬材料。

    01合金家族之一：鋁合金

日新月異的航空金屬材料 未來之星當(dāng)屬鎂合金
 

    1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機(jī)，所選用的材料是木材和帆布，飛行速度只有每小時(shí)16公里，和騎自行車的速度相差無幾。

    1911年，鋁合金研制成功，并很快取代了木材和帆布，成為制造飛機(jī)的主要材料。第一次世界大戰(zhàn)期間，全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)已經(jīng)很普遍了。

    從木布結(jié)構(gòu)過渡到金屬結(jié)構(gòu)，飛機(jī)的速度和其他性能實(shí)現(xiàn)了一次飛躍。例如，到1939年，螺旋槳飛機(jī)創(chuàng)造的最高時(shí)速已達(dá)755公里，僅36年的時(shí)間，飛機(jī)的飛行速度提高了47倍。如今，在飛機(jī)所使用的金屬材料中，鋁合金仍占有重要地位。

    航空用鋁合金密度低、耐腐蝕性能好，且具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，容易加工成型，有足夠的使用經(jīng)驗(yàn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的理想材料。

    從誕生以來，鋁合金隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)的要求而不斷發(fā)展，其性能也日益強(qiáng)大。例如，1954年，英國的3架“彗星”飛機(jī)先后墜毀，事故分析表明，墜機(jī)的主要原因是材料疲勞以及部分7075-T6鋁合金構(gòu)件被嚴(yán)重腐蝕。經(jīng)過探索，研究人員突破了過時(shí)效熱處理問題，研制出第二代耐腐蝕鋁合金，有效提升了飛機(jī)的安全水平。

    如今，航空鋁合金的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入第六階段。2005年4月27日，世界上最大的寬體客機(jī)空客A380在圖盧茲機(jī)場成功首飛。A380能夠取得成功，先進(jìn)材料的應(yīng)用立下了汗馬功勞。其中，加拿大鋁業(yè)公司和美國鋁業(yè)公司就為A380開發(fā)了新型鋁合金材料。

    早在1998年，加拿大鋁業(yè)公司就與空客公司達(dá)成協(xié)議，共同組建為A380飛機(jī)攻關(guān)的集成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，一起開發(fā)新型鋁合金材料。根據(jù)A380各部件的特點(diǎn)，加拿大鋁業(yè)公司開發(fā)出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列鋁合金。每種合金都具有不同的性能和特點(diǎn)。

    以7040-T7651合金為例，A380外翼的前梁和中央翼梁對材料的靜強(qiáng)度以及斷裂韌性提出了很高的要求。同時(shí)，材料還必須具有良好的延展性和機(jī)械加工性。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，加拿大鋁業(yè)公司對原有合金AA7010/7050-T7651進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)出新型合金7040-T7651。這種合金具有高靜強(qiáng)度、高韌性、低殘余應(yīng)力和良好的延展性等特點(diǎn)。

    美國鋁業(yè)公司成立于1888年。一百多年來，該公司研發(fā)了一系列鋁合金材料，為航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

    美國鋁業(yè)公司也參與了空客A380的研發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的整體化、大型化，該公司開發(fā)出可用于整體結(jié)構(gòu)的新型鋁合金7085大型鍛件，其截面厚度可達(dá)300毫米。在A380項(xiàng)目中，用7085鍛件制造的應(yīng)急艙門，零件數(shù)量從147個(gè)減至40個(gè)，緊固件由1400個(gè)減至450個(gè)，重量減輕了20%，成本降低了20%?25%，承載能力和疲勞壽命也得到了顯著提高。

    02合金家族之二：鈦合金

    鈦及鈦合金材料密度低、比強(qiáng)度高（目前金屬材料中最高）、耐腐蝕、耐高溫、無磁、組織性能和穩(wěn)定性好，可以與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)直接連接，而且兩者之間的熱膨脹系數(shù)相近，不易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，具有優(yōu)良的綜合性能。因此，鈦合金在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

    1949年，美國道格拉斯公司在DC-7運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙和隔熱板上，第一次使用了鈦合金。洛克希德公司的“黑鳥”高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)SR-71，飛行速度超過3馬赫，在高速飛行時(shí)，機(jī)體表面溫度將超過常規(guī)鋁合金蒙皮的極限，如果用鋼制造，飛機(jī)重量會(huì)大大增加，影響飛行速度和升限等性能。因此，SR-71的機(jī)身大量采用了鈦合金，總重達(dá)30多噸，占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%。

    隨著人們對飛機(jī)性能要求的不斷提高，民用飛機(jī)的鈦合金用量也在逐漸增加。早期波音707上的鈦合金部件用量僅占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%，到最新的波音787，占比高達(dá)15%。

    此外，鈦合金也是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料。早期美國F-4戰(zhàn)斗機(jī)使用的J79發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦合金的用量只有50千克，不到總重量的2%。而現(xiàn)在大多數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量已經(jīng)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的25%?30%。如波音747、767的發(fā)動(dòng)機(jī)JT9D，其用鈦量為總重量的25%;空客A320的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)，其用鈦量為總重量的31%。

    鈦合金的另一大用途是作為螺栓、鉚釘?shù)染o固件材料。這些緊固件雖小，但用量卻很大，使用鈦合金緊固件可以大大減輕重量。據(jù)估算，C-5大型運(yùn)輸機(jī)有70%的緊固件為鈦合金緊固件，飛機(jī)因此而減重1噸左右。

    現(xiàn)在鈦合金3D打印技術(shù)已用于飛機(jī)制造。鈦合金3D打印技術(shù)由于擺脫了傳統(tǒng)的模具制造這一顯著延長研發(fā)時(shí)間的環(huán)節(jié)，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零件，因而為先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。

責(zé)任編輯：班英飛

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