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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19年到19年,随着飞机速度的提高,出现了铝合金和钢的机体材料;第三阶段从1956年到19年,飞机材料中增加了钛合金;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/功能一体化材料的应用会越来越广泛。研制中的“大型飞机”项 目是1
2、6个国家级重大专项之一。其三项关键技术是发动机、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。中航工业北京航空材料研究院是我国航空工业最重要的材料研发基地,多年来研制或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
3、。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Ni 3(A1、Ti)强化的Ni m o c g 0合金,用做涡轮喷汽发动机涡轮叶片材料,同时,又相继发展了Ni m o n i c 系 列合金。美国开发了含A1、的弥散强化型镍基合金,如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出In c o n e 1、Ma r-M和Ud m 止等合金系列。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,
4、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机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。国外镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由甾0发展至750、850C粉末涡轮盘和双性能航空学会通讯 2010年第10期|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。世纪70年代前,是我国高温合金的创业和
5、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
6、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。世纪80年代末至90年代中期,第四代耐损伤铝合金2524T3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
7、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。03年,美铝公司提出了“-计划”,即年内使飞机的制造成本降低%,同时实现减重%。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件成形、焊接和机械加工,因而在先进飞机及发动机上获得了广泛应用。结构钛合金材料当今,钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡
8、量飞机用材先进程度的重要标志之一,钛合金占F-”飞机机体结构重量的39%,占F-35机体结构重量的”%。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(包括高推重比发动机)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。美国率先把破损一安全设计概念和损伤容限设计准则成功应用在先进战斗机上,F-22战斗机的一个显著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。Ti 6A14V ELI在C17的特大型锻件上,其吊架底座模锻件投影面积达乃806厘米2、重量达758千克;高强度钛合金-6”S用在C-1
9、7飞机的水平尾翼接头(转轴)等关键部再2 航空学会通讯 10年第10期位上。这两种钛合金的使用使大型运输机的寿命高达OO0飞行小时以上。空客A380是首次使用全钛挂架的飞机,未来的A350也将采用全钛挂架。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工作条件下(300-0)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耳作温度不断升高。经过几十年的发展,固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350提高到了0。我国在航空发动机上使用的工作温度在4O
10、O以下的高温钛合金主要有TC4和TC6,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。500左右工作的高温钛合金有TC11、TA15和TA7合金,其中TCI1是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金。单纯采用固溶强化的钛合金难以满足在600以上使用温度环境对蠕变抗力和强度的要求。有序强化的-AI系金属间化合物,由于具有高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能,因此成为6OO以上温度使用非常有潜力的侯选材料,其中Ti 3Al 基合金长期工作温度在650左右,而Ti 基合金工作温度可达%0-80o。超高强度钢超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。第二代飞机采用 的起落架材料是
11、30Cr Mn Si Ni 2A钢,抗拉强度为17OO兆帕,这种起落架的寿命较短,约OO飞行小时。第三代战斗机设计要求寿命超过5000飞行小时,同时由于机载设备增多,飞机结构重量系数下降,对起落架选材和制造技术提出更高要求,美国和我国的第三代战斗机均采用3OOM钢(抗拉强度1950兆帕)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A380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火焰喷涂技术,使得起落架寿命满足设计要求。由此,新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计也对材料提出了
12、更高的要求,Ae r Me d OO钢较300M钢而言,强度级别相当,而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显提高,与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Ae r m e t 31o 钢断裂韧性较低,正在研究中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢,用作B-1飞机机翼作动筒接头,比Ti-6Al-4V减重10.6%,加工性能提高60%,成本降低30.3%。俄罗斯米格1。辊上高强度不锈钢用量高达30%。PHI3-8Mo 是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢,广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。国外还发展有超高强度齿轮
13、(轴承)钢,如CSS-42L、Ge a r m e t C69等,并在发动机、直升机和航天领域试用。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,复合材料是一位新成员。材料科学的发展造就了高强度、高模量、低比董的碳纤维,从而掀开了先进复合材料时代的序幕。日 本于19s 9年首先发明了聚丙烯腈l PAN)基碳纤维,并于世纪60年代初进入工业化生产;年代中期诞生了以航空学会通讯 201o 年第10期 钅0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具有无可比拟的高比强度(强度比密度)及高比刚度(模量比密度),以及耐腐蚀、耐疲劳特性,因
14、此非常适应航空航天飞行器。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(Co m p r e s s i On s t r e n g t h)和韧性(冲击后压缩强度,CAI)已成为划代的主要指标,目前已发展到第三代,并已广泛进入军民机的产品。在航空复合材料应用的进程中,军机、民机、直升机、无人机的发展路径相似。以军机上复合材料的应用为例,可见其三个发展阶段。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20世纪70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
15、翼级部件,其中,美国F-14战斗机在1971年把硼纤维增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。自世纪70年代初至今,国外军机尾翼级的部件均已用复合材料制造。第三阶段,复合材料进人机翼、机身等主要承力结构的应用。这些结构受力大,尺寸大,其中,美国麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼,并于1982年进人服役,把复合材料的用量提高到13%,成为复合材料应用发展史上的又一个重要的里程碑。此后,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%。目前世界军机上复合材料用量占全机结构重量的%50%
16、不等。民机既强调安全性也强调经济性,同样对结构减重有迫切的需求,因此从20世纪70年代初开始,也加入了应用复合材料的进程。复合材料在大型民机上的应用,以美国为例,大致走过了四个阶段,体现了循序渐进的原则。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、扰流板等构件,该阶段于世纪年代中期实现。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80年代中期结束。我国ARJ-21支线飞机的复合材料技术水平大致在这个阶段。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777的复合材料垂尾、平尾。波音777共用复合材料9.9吨,占结构总重的
17、11%。第四阶段,复合材料应用进入飞机最主要受力部件机翼和机身上,其代表是波音787飞机。波音787飞机复合材料用量超过50%,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,它也是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。先进复合材料在各种直升机上的用量同样在不断增力 口。如-”倾转旋翼飞机结构的50%是由复合材料制成的,包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等,共用复合材料30OO多千克。欧洲的“虎”武装直升机复合材料用量高达80%,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EC120的机身、垂尾、水平安定面、前舱等结构均由复合材料制
18、成。军用无人机具有的低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程等技术特点,141 航空学会通讯 2010年第10期9这些决定了其对减重的迫切需求,因此复合材料用量很大,势。美国波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上,系列飞机基本上为全复合材料飞机。体现了飞机结构复合材料化的趋诺斯罗普格鲁门公司的X-47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。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/碳等复合材料。目前,航空复合材料和钛合金的用量呈现不断上升态势。美国C-17大型军用运输机的钛用量占全机材料重量的1
19、0.3%(钛零件总重6.8吨),复合材料用量占8.1%,铝合金用量占69.3%。钢用量占12.3%。到了空客A380,其铝合金用量占61%,复合材料用量占”%,钛合金用量占10%。随后的波音787复合材料用量达50%,铝合金用量%,钛用量I5%,钢用量10%。而空客A350的复合材料用量超过波音787,达到52%,铝一锂合金用量23%,铝合金用量11%,钛合金用量9%,钢用量14%,其他材料用量6%。由上述机型发展可以看出,虽然材料品种没有发生大的变化,但材料的性能、品质,特别是与前几阶段在飞机上的应用比例却发生了极大的变化。在这些数据的背后,体现的是材料科学技术的创新和跨越式发展。我国航空材料工业从跟踪仿制开始,已经走过 了50年的发展历程,经历了若干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,随着国民经挤的进一步发展,我国航空材料科学技术一定会迎来一个蓬勃发展的春天!