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1、封面故事4一代材料 一代装备浅谈航空新材料与飞机、发动机的发展 文/李晓红2 0 0 8 年8 月8 日晚8 时，世界瞩目、国人企盼已久的北京奥运会在国家体育场“鸟巢”：隆重开幕。之前一直严格保密的开幕式表演终于亮相，其规模宏大、创意新颖、美轮美奂。对于开幕式，人们除欣赏那齐如一人、气势如虹的方阵和天籁般动听的主题歌外，也为其声、光、电等现代科技手段的巧妙运用而赞叹，这其中给人们印象最深的是场地中央那幅巨大的“画卷”。两根长长的“画轴”徐徐打开“画卷”，露出一幅神奇的“画纸”。“纸”面晶莹、柔韧、致密、厚美，还能卷曲自如，当其承载演员在上面舞蹈、绘画时，更是妙不可言。可以说，这张吸引了全世界目
2、光的“画纸”是奥运会开幕式所有创意中最令人惊艳的神来之“笔”，它倾倒了全场观众，也通过电视，倾倒了世界亿万人们。这绝妙的“画纸”并不是普通的纸，而是中国航空材料研究院应北京奥运会开闭幕式运营中心之邀，经过一年的努力，克服各种技术难关，运用成熟的航空复合材料和高超的制作工艺精心研制出来的。这张选用2 0 毫米厚的新型蜂窝板材，由1 2 米2 4 米的小板用航空复合胶粘剂拼合成的大“画纸”，是航空材料在非航空工业领域应用的精彩案例。5COVER STORY图 1 等轴晶、定向凝固和单 晶合金的发动机叶片图 2 B 7 7 7飞机的材料、特别是先进铝合 金材料的应用分布图 3 美国第三代战斗机 F-
3、1 5和 F-1 8以及第四 代战斗机F-2 2上钛合金等用量的增长部人类文明史从某种意义上说就是一部使用材料和发展材料的历史。对材料的认识、以及研制材料、发展材料、使用材料的能力是人类社会进步的最基础、最原始、最本质的驱动力。作为高技术最集中的技术领域，国防工业对先进材料的依赖也最直接、最敏感，因此，先进材料技术始终引领、支撑着国防装备的发展。前国务委员兼国防部长曹刚川将军在视察中国一航北京航空材料研究院时指出“一代材料、一代装备”。把“一代材料”放在国防装备之前，突出强调了材料的重要性、先导性和基础性。航空工业领域从来就是先进材料技术展现风采、争奇斗艳的大舞台。1 0 0多年来，材料与飞机
4、一直在相互推动不断发展，至今已经历了四个发展阶段，正在跨入第五阶段。第一阶段是1 9 0 3 1 9 1 9 年，机体采用木、布结构。第二阶段是1 9 2 0 1 9 4 9 年，机身使用了铝合金和钢。第三阶段是1 9 5 6 1 9 6 9 年，飞机材料中增加了钛。第四个阶段是1 9 7 0年到当前，其特点是增加了复合材料。2 0 0 6 年2 月9 日，国务院发布了我国 国家中长期科学和技术发展规划纲要（2 0 0 6 2 0 2 0 年），其第四章“重大一专项”里确定了大型飞机等1 6 个国家级重大专项。据论证，大飞机专项的关键技术包括“发动机”、“材料”和“电子设备”三项，而事实上，发
5、动机和电子设备的发展基础依然是材料，即高温合金材料和电子、微电子材料等。这再次突显了材料在航空工业发展中的关键作用。下面，笔者以中国一航北京航空材料研究院研制或参与研制的、在现代飞机和发动机中最重要的高温合金、铝合金、钛合金、超高强度结构钢、复合材料等五大类结构材料为例，探讨这些材料的发展历程（代别）及其对航空工业的推动和支撑作用。高温合金高温合金是为满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，是军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已超过5 0%。可以说，没有高温合金就没有现代航空工业。高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关。发
6、动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。在高温合金发展过程中，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，研制出了M a r-M 2 0 0、I n-1 0 0 和B-1 9 0 0 等高性能的铸造高温合金。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。目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看，N i基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱
7、晶和单晶合金体系（图1）。国外定向柱晶合金发展了三代，第二、三代合金与第一、二代单晶合金性能相当，单晶合金第一代、第二代、第三代都已成功在航空发动机上应用，如 PWA1480、封面故事6图 4 美国 F-2 2机翼的用材分布图 5 钛合金的机翼大梁P W A 1 4 8 4、C M S X-4、R e n e N 5、R R 3 0 0 0 等。四代单晶合金也在研制之中，并制造成复合冷却空心叶片，用于高性能发动机。新单晶合金的超冷叶片（双空壁铸冷）也在高性能验证机上使用。粉末高温合金也由第一代6 5 0 发展到7 5 0、8 5 0 粉末涡轮盘和双性能粉末盘，在先进高性能发动机上使 用。如 损
8、 伤 容 限 粉 末 合 金R e n e 8 8 D T 已用作F 1 1 9 发动机一级涡轮盘。我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。2 0 世纪7 0年代前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，我国研制和发展了G H 系列的变形高温合金，如G H 4 1 3 3、G H 4 0 4 9、G H 4 1 6 9 以及 K系列的铸造高温合金，如 K 4 0 3、K 4 0 5、K 4 1 7 G 等。其中有仿苏联、仿欧美，也有独立自主研制的，同时也发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。其中最为突出的是K 4 1 7 合金9 小孔
9、空心冷却涡轮叶片，它是我国第一个铸造空心冷却叶片在航空发动机上使用。2 0 世纪7 0 年代后，我国测仿了欧美航空发动机，高温合金的研制中也引进了欧美的技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高的要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。DZ系列的定向凝固柱晶合金如D Z 4、D Z 2 2等，D D系列的单晶合金D D 3、D D 4 0 2等使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶，基本达到和接近西方工业发达国家的水平。最为显著的是复合冷却D Z 2 2 定向柱晶无余量精铸叶片的研制，已在某高性能发动机上成功应用。D D 3 单晶涡轮叶片和
10、F G H 9 5粉末盘首次在小型发动机上使用，开创了先进高性能发动机研制的新局面。近年来，根据我国三、四代机的研制发展需求，我国高温合金研发进入新阶段，研制和生产了一系列高性能新合金。第一、二代定向合金如D Z 1 2 5、D Z 6，第一、二 代 单 晶 合 金 如D D 4 0 2、D D 3、D D 6，研制的相应合金叶片在发动机上成功应用，建立和完善了A A制粉工艺粉末高温合金研制生产线，FGH95、F G H 9 6粉末涡轮盘，在三、四代发动机上得到使用。我国即将研制新单晶合金超冷叶片，8 5 0 双性能粉末涡轮盘等，以满足下一代新发动机的发展和使用要求。铝合金铝合金的比强度和比刚
11、度与钢相似，但由于其密度较低，因此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，因此铝合金成为经典的飞机结构材料。欧美国家航空铝合金的发展已经历了第一代静强度铝合金、第二代耐腐蚀铝合金和第三代高纯铝合金。它们广泛用作 B 7 3 7、B 7 4 7系列改型、B 7 5 7/7 6 7、A 3 2 0、A 3 3 0、A 3 4 0 等民用客机以及F 1 5、F 1 6、F 1 8、F 2 2 等战斗机主体结构材料。2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代中期，第四代耐损伤铝合金2 5 2 4-T 3 和7 1 5 0-T 7 7 的研制成功是航空铝合金跨时代的进步，是铝合金
12、发展史上的里程碑。引领这个发展的推动力来自精密热处理技术及合金成分精确控制等关键技术的突破。传统铝合金因此完成了向高性能铝合金的里程碑式大发展，其标志性产品是2 0 0 0 系传统铝合金和7 0 0 0系传统铝合金推陈出新的牌号耐损伤2 5 2 4-T 3 合金和高强、高韧、耐蚀7 1 5 0-T 7 7 和7 0 5 5 T 7 7 合金。7 1 5 0-T 7 7厚板和挤压材、7 0 5 5-T 7 7 厚板和挤压材、2 5 2 4-T 3 板材、2 1 9 7-T 8 6 1 板材等高性能铝合金为第四代战斗机 F-3 5、第三代民机B 7 7 7 以及大型军用运输机C-1 7 等飞机耐久
13、性/损伤容限设计思想的实现提供了材料技术保障（图2）。在第四代铝合金技术发展的同时，铝锂合金在最先进的特大型民用飞机A 3 8 0 上的大量应用是空客新一代飞机的一大特色。A 3 8 0 选用铝锂合金制造地板梁，A 3 5 0 选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量预计高达7COVER STORY图 6 我国高温钛合金的发展图 7 常规技术的榫槽连接结构与整体叶盘结构示意图总结构重量的2 3%。新型高强铝合金7 0 8 5 的问世为特大锻件在A 3 8 0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7 0 5 5 限于3 8 毫米，7 1 5 0 虽较理想，其厚
14、度也不允许大于1 2 0 毫米。为了能获得厚度更大的高强铝合金锻件或厚板，美国美铝公司开创了一个具有专利权的7 0 8 5铝合金，由于淬透性好，其最大厚度可达3 0 0 毫米，制成的A 3 8 0 飞机后翼梁是迄今为止最大的一个飞机模锻件，尺寸为6.4米1.9 米，重约3.9 吨。2 0 世纪9 0 年代以来，国际上无论是民机还是军机，降低成本的呼声越来越高。2 0 0 3年美铝公司又提出了“2 0-2 0 计划”，即2 0 年内使飞机的制造成本降低2 0，同时实现减重2 0。国内航空铝合金的发展已走过几个发展阶段。总的讲，我国铝合金的研制主要跟踪国际先进水平，但关键技术的突破以及品种、规格的
15、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、四代铝合金完善的材料体系。除铝合金材料之外，欧洲首先发明了纤维-金属层板复合材料，其早期产品是芳纶纤维-铝合金复合材料层板，出现已超过2 0 年，其后是玻璃纤维-铝合金层板。美铝公司又推出所谓“无忧”材料混杂结构创新的概念，它综合了纤维增强树脂基复合材料抗疲劳的优势和先进铝合金材料低成本、抗腐蚀的性能优势，可望在未来的机身材料竞争中占得一席之地。钛合金铝合金所能承受的温度载荷有限，导致钛合金航空材料在2 0 世纪7 0 年代出现，并在飞机上使用。飞机结构钛合金材料钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零
16、件成形、焊接和机械加工，因而在飞机及发动机上获得了广泛应用。当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一(图3)。此外，国外军用运输机钛合金用量也在不断提高。美国1 9 7 0 年开始服役的C-5 运输机钛用量为6%，1 9 9 2 年开始服役的C-1 7 运输机钛用量已增至 1 0.3%。俄伊尔-7 6 运输机的钛合金用量达1 2%。钛合金在国外民用飞机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。高损伤容限性能是新一代战斗机（包括高推比发动机）长寿命、高机动性、低成本和损伤容限设计需要的重要材料性能指标。美国率先把破损-安全设计概念和损伤容限设计准则成功
17、应用在先进战斗机上。F-2 2战斗机的一个非常明显的特点就是大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以此满足高减重和长寿命的设计需求。其被选用在F-2 2 飞机中后机身、机翼、发动机附近对强度及耐久性要求高的重要或关键承力部件如梁结构(图4、图5)等，而F-2 2 后机身几乎就是钛合金与复合材料制造的。T i-6 A l-4 V E L I 在美C-1 7军用运输机上的特大型锻件上得到重要的应用；高强度钛合金T i-6-2 2-2 2 S 也在C-1 7 飞机上的水平尾翼接头(转轴)等重要关键部位上得到应用。这两种钛合金的使用使大型运输机的寿命超过6 0 0 0 0 飞行小时。在欧洲，空客A
18、 3 8 0是首次推出全钛挂架的飞机，未来的A 3 5 0 也将采用全钛挂架。此外，空客公司与俄罗斯合作在B T 2 2(T i-5 A l-5 V-5 M o-1 C r-1 F e)基础上研发的一种新合金，具有强度与韧性的优良组合，已用于A 3 8 0 机翼与挂架的连接装置。A 3 8 0封面故事8图 8 A 3 8 0飞机的主起落架支柱图 9 A 3 8 0飞机的前起落架客机的钛合金刹车扭力管采用离心熔模精铸技术制成，这是欧洲首次采用钛合金刹车扭力管精铸件取代以往的锻件。航空发动机用高温钛合金高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件。这些零件要求材料在高温3 0 0 6
19、 0 0 的工作条件下具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固熔强化型的高温钛合金最高工作温度由3 5 0 提高到了6 0 0。我国高温钛合金发展历程见图6 所示。我国在航空发动机上使用的工作温度在4 0 0 以下的高温钛合金主要有T C 4 和T C 6，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2 级叶片。5 0 0 左右工作的高温钛合金有T C 1 1、T A 1 5 和 T A 7 合金，其中T C 1 1 是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金
20、。已经正式获得应用的6 0 0 高温钛合金是I M I 8 3 4 钛合金，该合金已经成功应用于E F 2 0 0 0 战斗机发动机上，用于制造高压压气机整体叶盘。我国的6 0 0 高温钛合金T i 6 0 还处于研制阶段。在高温钛合金领域有几个重要的发展方向。一是6 0 0 高温钛合金整体叶盘，它已用在第四代战斗机的动力装置推重比1 0 发动机F 1 1 9 和E J 2 0 0上。风扇、压气机和涡轮采用整体叶盘结构，与普通的叶片-轮盘榫槽连接结构相比可减重3 0%。其整体叶盘结构示意图见图7 所示。其次是T i A l 金属间化合物材料。它具有低密度(3.8 4.0克/厘米3)、高弹性模量
21、(1 6 0 吉帕)、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在7 6 0 8 0 0 长期工作，是非常具有发展前途的轻质耐高温结构材料，在航空发动机上最佳的应用是制造高压压气机叶片和低压涡轮叶片。超高强度钢超高强度钢在飞机上的关键应用是作为起落架材料(图8、图9)。第二代飞机采用的起落架材料是3 0 C r M n S i N i 2 A 钢，抗拉强度为1.7 吉帕，涉及的主要制造技术有锻件锻造工艺、零件在空气炉或保护气氛炉中的热处理工艺、焊接工艺、以镀铬为主的防护工艺等。这种起落架的寿命较短，约2 0 0 0 飞行小时，如国内歼7 飞机的起落架等。第三代战机设计要求寿命超过5 0 0 0 飞
22、行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，这就要求起落架选材和制造技术取得进步，因此3 0 0 M 钢（抗拉强度1.9 5 吉帕）应用到第三代飞机的起落架上，主要的制造技术包括大型整体锻件锻造工艺、零件真空热处理工艺、表面强化工艺（喷丸、孔挤压、螺纹滚压）、和表面防护工艺（镀镉-钛）和镀铬等。美国和我国的第三代战机均采用3 0 0 M 钢起落架制造技术。应该指出的是，材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步提高和适应性的扩大。如A 3 8 0 飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速9COVER STORY图 1 1 A 3 8 0飞机起落架的高速
23、火焰 喷涂技术处理图 1 0 A 3 8 0飞机起落架的新型保护 气氛热处理设备与工艺图 1 2 我国 A R J 2 1飞机的复合材料 应用情况示意火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求（图1 0、图1 1）。由此可见，新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。超高强度钢A e r m e t 1 0 0 比强度很高，用作F-2 2 飞机起落架。更高强度的A e r m e t 3 1 0 钢断裂韧性较低，正在研究中。飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计 对 材 料 提 出 了 更 高 的 要 求，A e r M e t 1 0 0 钢较3 0 0 M 钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和
24、耐应力腐蚀性能明显优于3 0 0 M 钢，与之相配套的起落架制造技术已应用于 F/A-1 8 E/F、F-2 2、F-3 5 等先进飞机上。国内探索超高强度不锈钢的工作取得了初步效果。国外还发展有超高强度齿轮（轴承）钢，如C S S-4 2 L、G e a r m e t C 6 9 等，并在发动机、直升机和宇航中试用。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。复合材料飞机、发动机结构材料家族中，复合材料是新成员。材料科学的发展造就了高强度、高模量、低比重的碳纤维，从而掀开了先进复合材料时代的序幕。日本于1 9 5 9 年首先发明了聚丙烯
25、腈（P A N）基碳纤维，并于6 0年代初进入工业化生产；7 0年代中期诞生了以碳纤维为增强相的先进复合材料。碳纤维增强复合材料的突出优势是目前其他任何材料无可比拟的高比强度（强度比密度）及高比刚度（模量比密度）性质以及耐腐蚀、耐疲劳特性，因此非常适应需要摆脱地心引力飞翔的航空飞行器和航天飞行器。P A N基碳纤维大致有通常用 T字母开头的高强度级、用M 开头的高模量级和用M 开头、J 后缀的高强高模级三类。较早的武器装备采用T 3 0 0 级别的碳纤维，而先进武器装备至少需要T 8 0 0 级别或M 级别的碳纤维，甚至还要用到更高的 M-J级别的碳纤维。我国自主生产的碳纤维大体上在T 3 0
26、 0 水平。碳纤维增强复合材料通常以环氧树脂基复合材料为代表。对航空结构而言，这种复合材料的压缩强度和韧性已成为代别的主要指标，目前已发展到第三代，并已广泛进入军民机产品。我国航空树脂基复合材料的技术水平大致在第二代。在航空复合材料应用的进程中，军机、民机、直升机、无人机各自走过相似的发展道路。军机复合材料的应用可分为三个阶段。第一阶段，复合材料主要用于舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等操纵面上，受力较小，制件尺寸较小，大约于2 0 世纪7 0 年代初即已实现。第二阶段，复合材料开始应用于垂尾、平尾等受力较大、尺寸较大的尾翼级部件，其中，美国F-1 4 战斗机在1 9 7 1 年把硼纤维增
27、强的环氧树脂复合材料应用在平尾上获得成功，被称为复合材料发展史上的一个里程碑。此后有F-1 5、F-1 6、米格-2 9、幻影2 0 0 0、F/A-1 8 等复合材料尾翼问世。自2 0 世纪7 0 年代初至今，国外军机尾翼级的部件均已用复合材料制造。一般一架军机的垂尾、平尾全采用复合材料，则可占结构总重的5%左右。第三阶段，复合材料进入机翼、机身等主要承力结构的应用。这些结构受力大，尺寸大，其中，美国原麦道飞机公司于1 9 7 6 年率先研制了 F/A-1 8的复合材料机翼，并于1 9 8 2 年进入服役，把复合材料的用量提高到了 1 3%，成为复合材料应用发展史上的又一个重要的里程碑。此后
28、，国外军机群起仿效，几乎都采用了复合材料机翼。如果飞机机身也采用复合材料，则复合材料的用量将超过2 0%，此进程亦从原麦道公司A V-8 B的前机身研制始。目前世界军机上复合材料用量约占全机结构重量的2 0 5 0%不等。如果占到5 0%左右，则全机的主要结构几乎多由复封面故事10图 13 国际飞机复合材料结构重量百分比的增长图 1 4 美国科曼奇 R A H-6 6武装直升机的材料及其工艺技术示意合材料制成，如美国B-2 飞机即如此。民机从2 0 世纪7 0 年代初开始，也加入了应用复合材料的进程。以美国为例，大致走过了四个阶段。第一阶段，复合材料主要应用在受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流
29、板等构件，该阶段于2 0 世纪7 0 年代中期实现。第二阶段，受力较小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等开始应用复合材料制造，该阶段约于8 0 年代中期结束。我国A R J 2 1 支线飞机的复合材料技术水平大致在这个阶段（图1 2）。第三阶段，复合材料应用在受力较大的部件，主要是垂尾、平尾等，如波音公司B 7 7 7 的复合材料垂尾、平尾，其共用复合材料9.9 吨，占结构总重的1 1%。第四阶段，复合材料进入飞机最主要受力部件机翼、机身上的应用，这主要是指波音公司的B 7 8 7“梦想”飞机。复合材料在B 7 8 7 上的应用典型地代表了飞机结构复合材料化的发展趋势。B 7 8 7 飞机共使用
30、复合材料5 0%，超过了铝、钛、钢金属材料的总和，主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。波音强调指出，如此的选材决定将使波音占据世界先进材料技术的制高点，领跑世界的飞机结构设计技术。波音还认为，先进复合材料除可大幅减重，增加燃油效率2 0%外，还可提供更好的耐久性，降低使用维护要求，增加未来发展的潜力和空间。在欧洲，空客亦于2 0 世纪7 0 年代中期开始了先进复合材料在A 3 0 0 系列飞机上的研究应用,用七年时间，于1 9 8 5 年完成了A 3 2 0 全复合材料垂尾的研制，此后，A 3 0 0 系列飞机的尾翼一级的
31、部件均采用了复合材料，将复合材料的用量迅速推进到了1 5%左右，此时的情况超过了美国波音。空客A 3 8 0 超大型客机于2 0 0 5 年年初下线并首飞。该机共用各种复合材料2 5%左右，主要应用在中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等，仅中央翼盒就用复合材料5.3 吨，实现减重1.5 吨。其水平尾翼的大小超过A 3 2 0 的机翼，半展长1 9 米，内装燃油，号称世界上正在飞行的最大复合材料整体油箱。其机身后承压框为6.2米5.5 米，号称世界上最大的R F I 整体成型构件。机身上壁板应用 G L A R E复合材料，共2 7 块，4 7 0 平方米，用量占A 3 8 0 总结
32、构重量的3%，提高了使用寿命和可维修性。总之，A 3 8 0 开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。欧洲正在研制的大型运输机A 4 0 0 M 将使用复合材料4 0%，包括机翼、垂尾、平尾和4 8 共3 2 个螺旋桨桨叶。世界军机、大型民机复合材料的应用情况见图1 3 所示。直升机包括军用、民用和轻型直升机三类。先进复合材料在各种直升机上的用量均很大，如V-2 2 可垂直起落，倾转旋翼后又能高速巡航，该机结构的5 0%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3 吨多。美国武装直升机“科曼奇”（R A H-6 6）共使用复合材料5 0%（图1 4）。欧洲最新的“虎
33、”式武装直升机复合材料用量高达8 0%，接近全复合材料结构。我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 E C-1 2 0 的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由复合材料制成。无人机(UAV)包括无人作战机(U C A V)、无人侦察机和各种小型、微型、超微型无人机。军用无人机具有的低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程的技术特点，决定了其对减重的迫切需求，因此复合材料用量都很大，鲜明地体现了飞机结构复合材料化的趋势。波音公司X-4 5 系列飞机复合材料用量达11COVER STORY图 1 5 T i-M M C复合材料图 1 6 整体叶环9 0%以上，诺格公司的X-4 7 系列
34、飞机基本上为全复合材料飞机，美国著名的“全球鹰”高空长航时无人侦察机共用复合材料6 5%，其机翼、尾翼、后机身、大型雷达罩等均由复合材料制成，全复合材料机翼长达3 5 米。欧洲的多任务无人验证机“梭鱼”、美国的远程攻击无人机“臭鼬”等的情况基本如此。航空发动机应用复合材料可以大幅度提高其推重比，因此先进复合材料已成为未来发动机关键材料之一。发动机用除树脂基复合材料外，因温度要求的关系，还会用到金属基、陶瓷基、碳/碳基等复合材料。发动机树脂基复合材料主要用于冷端部件,如带钛前缘的复合材料风扇叶片、外涵道、静子叶片，转子叶片，包容机匣、反推力装置等。复合材料静子叶片与铝静子叶片比可减重 5 0%以
35、上，成本下降5 0%以上。发动机所用树脂基体多为可耐高温的聚酰亚胺树脂，如P M R-1 5 可耐温3 1 6，P M R-可耐温3 7 1。S i C长纤维增强 T i基复合材料(T i-M M C)具有比强度高、比刚度高，使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例如德国研制的 SCS-6SiC/I M I 8 3 4 复合材料的抗拉强度高达 2.2吉帕，刚度达2 2 0 吉帕，而且具有极为优异的热稳定性，在 7 0 0 温度暴露2 0 0 0 h 后，力学性能不降低。T i M M C叶环代替压气机盘，可使压气机的结构质量减轻7 0%。图1 5、图1 6 所示为T i-M M C复合材料和英国
36、罗罗公司研制的S i C/I M I 8 3 4 整体叶环。未来发动机的低压压气机叶片和静子叶片、整体叶环、机匣及涡轮轴将采用金属基复合材料制造。结 语如引言所述，飞机材料的发展已经进入第五阶段，总趋势是复合材料和钛合金的用量不断增多。美国C-1 7大型军用运输机的钛用量占全机材料重量的1 0.3%（钛零件总重6.8 吨），复合材料用量8.1%，铝合金用量6 9.3%，钢用量1 2.3%;欧洲军用运输机A 4 0 0 M复合材料用量3 5%4 0%;空客A 3 8 0 的铝合金用量 6 1%，复合材料用量2 2%，钛合金用量1 0%;波音B 7 8 7 复合材料用量5 0%，铝合金用量2 0%
37、，钛用量1 5%，钢用量1 0%;未来空客A 3 5 0的复合材料用量5 2%，铝锂合金用量2 3%，铝合金用量1 1%，钛合金用量9%，钢用量1 4%，其他材料用量6%。上面的材料品种虽然没有发生大变化，但材料的性能、品质，与前几阶段在飞机上的应用比例相比，却发生了极大的变化。在这些数据的背后，是材料科学技术的跨越式发展、创新与进步。我国航空材料工业从跟踪仿制开始，已经走过了5 0 年的发展，经历了几个发展阶段和材料代别，但相对于国际航空材料技术的先进水平，我国航空材料技术还有相当大的差距。为此，国家提出“探索一代、预研一代、研制一代、生产一代”的划代发展思想，航空材料科学技术作为这四个一代发展的技术引领者和技术推动者，应该更加强化创新，超前部署，厚积薄发。北京航空材料研究院是国内唯一面向航空，从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究和工程化研究的综合性科研机构，肩负着引领我国航空材料技术的重大使命。可以相信，随着国民经济的进一步发展，我国航空材料科学技术一定会迎来一个蓬勃发展的春天！作者简介:李晓红，中国第一航空工业集 团 公 司 北 京 航 空 材 料 研 究 院 院 长，研 究 员