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详解航空材料“五朵金花”

2017年11月22日 13:55来源:北京日报

国产大飞机C919不久前远航转场成功,牵动着国人的眼球。

“一代材料,一代飞机”,是世界航空发展史的真实写照。航空结构材料通常处于材料领域的最前沿,其技术含量之高和技术难度之大表明它无愧于高技术领域的一员,无愧于材料世界的“天之骄子”。

日前,在由顺义区科协等单位举办的“聚焦新材料——2017智汇顺义”创新驱动大讲堂活动中,中国科学院院士、材料科学家曹春晓,详细讲述了当前航空材料领域里的几位重要“成员”。

“金花”之一:钛合金

在航空园地上繁花盛开

钛合金是大飞机的重要结构材料。钛合金具有四大特点,一是耐高温,二是密度较低,三是强度高,四是抗腐蚀性好,因此主要用于航空发动机叶片和盘、发动机挂架、飞机起落架、机身隔框、机翼梁、尾翼接头等重要承力构件。

钛合金在飞机及其发动机中的用量不断创新高。由于钛合金的密度比钢小得多,而强度又和钢很接近,因此,它可以大大减轻飞机及其发动机的重量。早期的美国波音707飞机,钛合金用量只有0.2%,到了波音777飞机,钛合金用量就上升到7%至8%。波音787机体钛合金用量达15%,创下民用客机机体钛合金用量最高纪录。

我国研制的民航客机中,ARJ21的钛合金用量是4.8%,C919的钛合金用量达8%左右,与波音777和A380的钛用量相当。

美国战斗机和轰炸机上钛合金用量不断增高,在F/A-22上达到了高峰,达到41%,创造了战斗机钛用量迄今为止的最高世界纪录。

我国歼击机的钛用量也呈逐渐升高的趋势:歼8为2%,歼10为4%,歼11为15%,歼20为20%,歼31则高达25%。

我国大型军用运输机“运20”(鲲鹏) 的钛合金用量为10%,与美国先进的C-17运输机(环球霸王)的钛合金用量(10.3%)相当。

历史上钛用量最大的飞机是SR-71高空高速侦察机(黑鸟),其钛用量达到93%,号称全钛飞机。其飞行速度达音速的3倍,飞行高度达3万米。

60年来,航空发动机结构材料用量的总趋势是从钢、铝时代逐渐转化成冷端以钛为主、热端以镍为主的镍、钛、钢“三足鼎立”的时代。未来的趋势是部分地被树脂基、金属基、陶瓷基复合材料和金属间化合物所取代。

我国太行发动机的钛用量达25%,与国外先进发动机的钛用量相当。我国正在研制的高推重比军用发动机的钛用量预计为30%至35%。

“金花”之二:复合材料

发展“浪潮”汹涌澎湃

20世纪60年代末,高性能碳纤维作为增强纤维实现了初步的商业化,以连续碳纤维增强的高性能树脂基复合材料应运而生。

自20世纪70年代后,航空工业中复合材料的使用量正在不断地增加。制造飞机结构的传统材料包括铝、钢和钛。复合材料的主要好处是减轻飞机重量和较简单的装配。复合材料也用于替换老旧飞机上的金属部件。

复合材料不仅比强度、比刚度高,而且便于整体结构化,因而显著减轻了飞机结构重量(例如波音787减重4500千克),相应地显著减少了燃油消耗(例如波音787减耗8%)。

到了21世纪的前10年,高性能复合材料飞机应用的两个划时代意义的里程碑当数空客公司的A380飞机和波音公司的“梦幻飞机”波音787飞机。其中,在A380上,高性能复合材料用量达到飞机结构用量的25%。波音787复合材料整体机身段是新一代大型飞机材料技术的第一亮点。波音787的整个机身是由若干个整体机身段组成的,从而减少了1500个零件和4万至5万个连接件,显著减轻了结构重量,大幅度地降低了制造、装配、运营和维护成本。

液态复合成型和自动化铺层等新型制造技术的发展和应用,如虎添翼地促进了复合材料的扩大应用。

我国一些飞机的机体结构中复合材料用量也在不断提高。第三代歼击机为6%至9%,新型歼击机歼20为29%(已占首席)。军用运输机Y-20目前为8%,商用支线飞机ARJ21为1%,干线飞机C919目前为12%。正在研制中的新型商用涡扇发动机的复合材料用量预计约1%。

“金花”之三:高温合金

在发动机中享“皇冠”地位

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的抗疲劳性能、抗断裂韧性等综合性能,又被称为“超合金”。

高温合金是为了满足现代航空发动机对材料的苛刻要求而研制的,至今已成为航空发动机热端部件不可替代的一类关键材料。

在现代先进的航空发动机中,高温合金材料用量占发动机总量的40%至60%。在航空发动机上,高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热端零部件;此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

F119涡扇发动机的涡轮盘用了第二代粉末高温合金,涡轮叶片用了第二代单晶高温合金。前者被称为航空发动机中的“皇冠”,后者被称为“皇冠上的珍珠”。

我国也已成功地研制了单晶涡轮叶片和粉末涡轮盘,并已先后应用于航空发动机。

“金花”之四:铝合金

不断亮出制胜“法宝”

美国的铝合金研制,在7075(上世纪40年代推出)、7050(70年代推出)的基础上加以改进,先后在上世纪80年代、90年代和21世纪初推出7150、7055和7085合金。在第一代蒙皮合金2024(30年代推出)等的基础上加以改进,在上世纪90年代推出了第二代蒙皮合金2524。其中7150、7055和2524被称为美国20世纪后期借以建立航空铝合金优势的“三大法宝”,而7085则是美国21世纪借以扩大优势的“最新法宝”。

铝锂合金的发展也提高了铝合金的竞争力。

7085的问世为特大锻件在A380上的应用开辟了道路。已有高强铝合金的锻件或厚板的厚度均有一定限制,例如7055限于38毫米,7150虽较理想,其厚度也不允许大于120毫米。为了能获得厚度更大的高强铝合金锻件或厚板,美国Alcoa公司开创了一个具有专利权的7085铝合金,由于淬透性和熔铸性好,其最大厚度可达250毫米。用7085合金制成的特大的梁模锻件已成功地应用于A380大型客机。

“金花”之五:钢

仍占有不可或缺的地位

超高强度钢300M、Aermet100、S50的先后问世,使钢的竞争力不断提高。

美国B737-300型及其后推出的波音系列客机的钢制起落架基本上都选用300M钢。美国的第三代战斗机也通常选用300M钢制造起落架,但第四代战斗机F/A-22和F35的起落架开始选用新推出的Aermet100。与300M钢相比,Aermet100不仅强度更高一些,而且抗腐蚀能力和损伤容限要好得多,疲劳性能也更好。然而,迄今为止,美国的民用客机仍未选用Aermet100,价格太贵可能是一个重要原因。

S50的耐腐蚀性能又比Aermet100高出一个数量级。

我国C919客机的起落架活塞杆等关键零部件就是用300M钢制成的。

延伸阅读

航空结构材料的百年变化

从1903年到20世纪10年代,飞机机体采用木和布,发动机采用钢,飞机的飞行速度≤200千米/小时,活塞式发动机功率重量比≤1。

20世纪20年代至40年代,飞机机体采用铝、钢,发动机采用钢、铝,飞机的飞行速度>200千米/小时;活塞式发动机功率重量比>1。

20世纪50年代至60年代,飞机机体采用铝、钛、钢,发动机采用镍、钛、钢、铝,60年代推出推重比为5的涡喷发动机,出现超音速飞机。

20世纪70年代至21世纪初,飞机机体采用铝、钛、钢、复合材料(铝占首位),发动机采用镍、钛、钢,出现推重比为8-10的涡扇发动机和高性能飞机。

21世纪初至今,飞机机体采用复合材料、铝、钛、钢(复合材料占首位),发动机采用镍、钛、钢、复合材料,出现更高性能和低油耗的飞机和涡扇发动机。