航空航天领域里不可缺少的先进材料--先进陶瓷材料
2018-4-9 9:21:49
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摘要:航空航天材料是一类非常特殊的材料,它与军事应用密切相关。与此同时,航空航天材料的进步又对现代工业产生了深远的影响。推动航空航天领域新材料新工艺的发展,能够引领和带动相关技术进步和产业发展,衍生出更为广泛的、军民两用的新材料和新工艺。本文列举了四种当今航空航天行业被广泛运用的先进材料,即:钛合金、复合材料、铝锌合金、超高强度钢。这四种先进材料的发现和应用解决了一系列飞机、战斗机机身、发动机设计等方面的技术瓶颈。


    前言


    近年来,随着科学技术的不断进步,材料技术得到飞速发展。而航空航天材料的进展取决于下列3个因素:


    ①材料科学理论的新发现:例如,铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展;高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。


    ②材料加工工艺的进展:例如,古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术,从而使高性能的叶片材料得到实际应用;复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展,使它在不同的受力方向上具有最优特性,从而使复合材料具有“可设计性”,并为它的应用开拓了广阔的前景;热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件,如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。


    ③材料性能测试与无损检测技术的进步:现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构;材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱,而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息,为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据,为生产提供保证产品质量的检测手段。


    一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段,才有可能应用于飞行器上。 因此,世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。


    用航空航天材料制造的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作,有的则受到重量和容纳空间的限制,需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能,有的需要在大气层中或外层空间长期运行,不可能停机检查或更换零件,因而要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。比如高的比强度和比刚度、优良的耐高低温性能、耐老化和耐腐蚀、适应空间环境、寿命和安全等等。


    1.钛合金材料(titanium alloy)


    钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。20世纪50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金,70年代开发出一批耐蚀钛合金,80年代以来,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。


    室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类:α合金,(α+β)合金和β合金。而现如今钛合金材料的应用主要有飞机结构钛合金、航空发动机用钛合金和铸造钛合金三种。


    1.1飞机结构钛合金


    中常温(—60~400℃)下作为承力构件使用的钛合金。主要为适应飞机机体结构件的需要发展起来的,随后扩大应用在火箭、卫星、兵器和舰船等领域。以美国F—15飞机为例,主要用于制作机翼、水平尾、垂直尾、起落架和进气道等。另外,结构钛合金还可以做机翼骨架、机座、发动机舱等,在油管、铆钉、紧固件上的应用也在增加。它在航天工程上主要用作压力容器(储存压缩空气或液体推进剂)、星箭连接带、固体发动机壳体、各种蒙皮、构件和辐射冷却式喷管等。


    美国1948年服役的F-86战斗机是在飞机结构中首次使用钛合金的。它在后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力部件上应用了钛合金,约占结构重量的1%。1957年,美国贝尔X-15试验机使用的钛合金占结构重量的17.5%。此后,飞机结构材料开始大量使用钛合金,从后机身移向中机身、前机身,部分代替钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力件。目前,使用钛合金最多的当属美国3倍音速的高空高速侦察机SR-71。其钛合金用量占结构的93%,号称“全钛飞机”。在飞机机体结构件上的应用始于1950年左右,50年来得到了迅速的发展。中国在歼击机机体上使用钛合金是在60年代,1983年把TC4钛合金模锻件用于飞机的重要结构件。90年代设计的新机种选用的钛合金牌号有TA6、TA7、TC1、TC3、TC4、TC6、TC11、ZT3和ZT4等合金。


    按强度可分为低强度(<750MPa)、中强度(750~1000MPa)和高强度(>1000MPa)3种,表中列出了最通用的各种强度范围的结构钛合金。
 

    1.2航空发动机用钛合金


    钛合金主要用在航空发动机的风扇、压气机中。如压气机盘、叶片、导航仪、连接环等。使用钛合金替代原镍基高温合金可使压气机的重量降低30%—35%。多年来,为了满足高性能航空发动机的需求,欧美、俄罗斯等航空工业发达国家十分重视高温钛合金的研发,先后 研制出了在350-600℃使用的高温钛合金。前苏联在20世纪50年代末期就开发出了BT6,BT3-1,BT8,BT9等牌号的钛合金,六七十年代又研制出了BT18,BT25合金。此后,为了提高高温钛合金的性能和工作寿命,在原有合金的基础上改进研制BT18V,BT25V,BT8M,BT8-1和BT8M-1等牌号的高温钛合金。80年代以后,欧美设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中,钛合金用量已经稳定在20%以上,如第三代战斗机F-15钛合金用量占27%,而第四代战斗机F-22钛合金用量占41%。


    这些合金的热强性能由低到高的顺序依次为BT22一BT6一BT8一BT8M一1一Brr9一BT25Y—BT18Y-BT36,当工作温度不大于350℃时,使用BT22和BT6合金;而在400-500℃范围使用BT8—1,BT8M一1合金;在500-550℃范围使用BT25Y合金;在550-600℃范围使用BT18V合金。使用温度在600℃以上的BT36合金尚在进行适用研究,而BT3-1,BT9,BT25等合金仅在老式发动机上使用。
 

    1.3铸造钛合金


    用于浇铸成一定形状铸件的钛合金。大部分变形钛合金具有良好的铸造性能。其中最广泛使用的是Ti-6A1-4V合金。它具有最好的铸造工艺性能和稳定的组织,在350℃以下具有良好的强度(5σb≥890MPa)与断裂韧性。目前铸造钛合金的使用温度一般为300~400℃。一般采用真空凝壳炉和石墨型熔铸法制取。主要用于铸造航空发动机匣、支承架、导向叶片等非转动性部件、也用于铸造叶轮等转动性零件,取代不锈用在化工领域。


    2.先进复合材料(Advanced Composites ACM)


    先进复合材料专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。


    目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料。ACM 在航空航天等军事上的应用价值特别大。比如,军用飞机和卫星,要又轻又结实;军用舰船,要又耐高压又耐腐蚀。这些苛刻的要求,只有借助新材料技术才能解决。ACM 具有质量轻,较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温,独特的耐烧蚀性、透电磁波,吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点,被大量地应用到航空航天等军事领域中,是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。


    2.1 在航空飞机上的应用


    飞机用 ACM 经过近 40 a 的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件,可获得减轻质量 20 %~30 % 的显著效果。
 

    目前已进入成熟应用期,对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑,其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止,战斗机使用的 ACM 占所用材料总量的 30 % 左右,新一代战斗机将达到40 %;直升机和小型飞机 ACM 用量将达到 70 %~80 % 左右,甚至出现全 ACM 飞机。“科曼奇”直升机的机身有 70 % 是由 ACM 制成的,但仍计划通过减轻机身前下部质量,以及将 ACM 扩大到配件和轴承中,以使再减轻 15 % 质量。“阿帕奇”为了减轻质量,将采用 ACM 代替金属机身。使用 ACM,未来的联合运输旋转翼(JTR)飞机的成本将减少 6 %,航程增加 55 %,或者载荷增加 36 %。以典型的第四代战斗机 F/A-22 为例,ACM 用量为 24.2 %,其中热固性复合材料占 23.8 %,热塑性复合材料占 0.4 % 左右。热固性复合材料的 70 % 左右为双马来酰亚胺树脂(BMI,简称双马)基复合材料,生产 200 多种复杂零件,其它主要为环氧树脂基复合材料,此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。主要应用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。


    近 10 a 来,国内飞机上也较多的使用了ACM。例如由国内 3 家科研单位合作开发研制的某歼击机 ACM 垂尾壁板,比原铝合金结构轻21kg,减质量 30 %。北京航空制造工程研究所研制并生产的 QY8911/HT3 双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其 ACM 已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的 PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其 ACM,具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能,适合制造飞机主承力构件,可在120 ℃ 下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。


    2.2 在航空发动机上的应用


    美国通用电器飞机发动机事业集团公司(GE-AEB)和惠普公司,以及其他一些二次承包公司,都在用 ACM 取代金属制造飞机发动机零部件,包括发动机舱系统的许多部位推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用 ACM 制造。如发动机进口气罩的外壳是由美国聚合物公司的碳纤维环氧树脂预混料(E707A)叠铺而成,它具有耐 177 ℃高温的热氧化稳定性,壳表面光滑似镜面,有利于形成层流。又如 FW4000 型发动机有 80 个149℃ 的高温空气喷口导流片,也是碳纤维环氧预浸料制造的。


    在 316 ℃ 这一极限温度下的环境中,ACM不仅性能优于金属,而且经济效益高。据波音公司估算,喷气客机质量每减轻 1 kg,飞机在整个使用期限内即可节省 2 200 美元。


    2.3 在机用雷达天线罩上的应用


    机用雷达罩是一种罩在雷达天线外的壳形结构,其使用性能要求透微波性能良好,能承受空气动力载荷作用且保持规定的气动外形,便于拆装维护,能在严酷的飞行条件下正常工作,可抵抗恶劣环境引起的侵蚀。ACM 具有优良的透雷达波性能、足够的力学性能和简便的成型工艺,使它成为理想的雷达罩材料。


    目前制作雷达罩材料较多采用的是环氧树脂和 E 玻璃纤维。玻璃纤维品种中还有空心的 S-2 纤维,其密度为 1.8 g/cm,制成的复合材料抗拉强度为 1.5 GPa。还有一种低介电 D-玻璃纤维,是一种硅硼纤维(72 %~75 % 的SiO,23 % 的 B O ),主要用于制造雷达罩,目的是改善电性能和减少电气厚度以降低实心罩的质量。随着对雷达罩性能要求的不断提高,D 玻璃纤维、石英玻璃纤维等增强材料及改性双马来亚胺树脂、DAIP 树脂、氰酸脂等具有更好介质性能的 ACM 也投入了使用。石英纤维作为制作雷达罩材料在航天飞机、隐身飞机及导弹上已应用了数 10 a,其电性能优异,热膨胀系数为 0,硬度高,用它代替以往的玻璃纤维,可以获得高性能的雷达罩。这种雷达罩的探测范围可以增大到 224 km,寿命更长,维修性能更好,同时可获得较明显的减质量效果。与相同的 E-玻璃雷达罩相比,它可减质量 6 %~20 %。