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1、-代材料-代飞机谈航空材料与飞机、发动机的互动发展史中国航空学会常务理事李晓红某种意义上说,人类的文明史,就是材料的使用和发展史。航空领域从来都是先进材料技术争奇斗艳的大舞台。材料与飞机互动发展经历了四个发展阶段,第一阶段从1903年到1919年,机体采用木、布结构;第二阶段是19⒛年到19⒆年,三阶段从1956年到19⒆年,飞机材随着飞机速度的提高,出现了铝合金和钢的机体材料;第料中增加了钛合金;第四阶段是1970年到当前,其突出特点是复合材料的出现;可以预见下一阶段飞机主干材料除高性能复合材料和高损伤容限性能金属结构材料外,结构/功能一体化材料的
2、应用会越来越广泛。“”项目是16个国家级重大专项之一。其三项关键技术是发动机、研制中的大型飞机材料和电子设备。而事实上,发动机和电子设备的发展基础依然是材料,高温合金材料和电子、微电子材料将直接关系着项目的未来。工业最重要的材料研发基地,多年来研制或中航工业北京航空材料研究院是我国航空参与研制了高温合金、铝合金、钛合金、超高强度钢、复合材料等多种航空材料。本文以上述5大类结构材料为例,谈谈这些材料的发展历程(代别)及其对航空装备的推动和支撑作用。高温合金高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的,至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不
3、可替代的一类关键材料。目前,在先进的航空发动机中,高温合金用量所占比例已高达50%以上。高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关,尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺已成为发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出宁很高要求,早期英国研制了Ni3(A1、Ti)强化的NimoⅡcg0合金,用做涡轮喷汽发Nimonic系列合金。美国开发了含A1、⒎的弥散强动机涡轮叶片材料,同时,又相继发展了公司分别开发出Incone1、Mar-M和Udm止化型镍基合金,如普惠公司、GE公司和特殊金属等合金系列。在高温合金发展过程中,
4、制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现,合金中有害杂质和气体的去除,特别是合金成分的精确控制,使高温合金性能不’断提高。随后,定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功,推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出,采用这种工艺制出的定向、单晶合金,其使用温度接近初熔点的90%。目前各国先进航空发动基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。国外镍甾0℃发展至750℃、850C粉末涡轮盘和双性能固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由航空学会通讯
5、2010年第10期
6、∷1{粉末盘,用在先进高性能发动机上。我国高温合金随航空发动机的研制和生产需求而发展。⒛世纪70年代前,是我国高温合金的创业和起步时期,由于我国第一、二代发动机的需求,研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K系列的铸造高温合金。其中,有仿制的,也有独立自主研制的。许多新的制造技术,如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等也在同期得到发展。TO年代后,我国在高温合金的研制中引进了欧美技术,研制出了高性能变形高温合金和铸造高温合金。尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金研究与发展,代表着我国高温合金在生产工艺技术和产品
7、质量控制方面上了一个新台阶。近几年来,根据我国新型飞机的研制发展需求,我国高温合金研发又进人新阶段。通过新材料、新工艺的发展和应用,研制和生产了一系列高性能的新合金。铝合金铝合金的比强度和比刚度与钢相似,但由于其密度较低,在同样的强度水平下可提供截面更厚的材料,在受压时的抗屈曲能力更佳,因而一直是经典的飞机结构材料。欧美国家航空铝合金经历了静强度铝合金、耐腐蚀铝合金和高纯铝合金三代的发展过程。⒛世纪80年代末至90年代中期,第四代耐损伤铝合金2524—T3和7150-T77的研制成功是铝合金发展史上的里程碑。这项发展的推动力来自精密热处理技术及合金成
8、分精确控制等关键技术的突破。在第四代铝合金技术发展的同时,铝一锂合金在大型民用飞机A380上大量采用,使之成为空客新-代飞机的一大特色。A380选用铝一锂合金制造地板梁,A350选用铝一锂合金制造机身蒙皮和地板结构等,其用量预计占总结构重量的23%。“此后,低成本铝合金的研制开发工作进入人们的视野。⒛03年,美铝公司提出了⒛-”⒛计划,即⒛年内使飞机的制造成本降低⒛%,同时实现减重⒛%。∷我国在铝合金领域始终在跟踪国际先进技术,至今已走过几个发展阶段,但关键技术的突破以及品种、规格的系列化发展和工程应用水平距离国外还有较大差距,亟待建立第三、四代铝合
9、金完善的材料体系。钛合金铝合金所能承受的温度载荷有限,致使钛合金航空材料在20世纪70年代出现。钛合金具有比
