《毕业论文新型材料在飞机制造领域的应用及发展趋势.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文新型材料在飞机制造领域的应用及发展趋势.doc（16页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘 要航空材料泛指用于制造航空飞行器的材料。一架军用飞机包括机体、发动机、几载电子和火力控制四大部分，一架民用客机包括机体、发动机、机载电子和机舱四大部分。机体材料和发动机材料是航空材料中最重耍的结构材料，而电子信息材料是航空机载装置中最重要的功能性材料，但它一般不直接算作航空材料。出于航室飞行及其安全性的考虑，航空结构材料的特点是轻质、高强、高可靠。飞行器作白一个整体，还用到少量非结构性材料，如阻尼、减振、降噪、密封材料等。近十几年来，为了适应国防建设和国民经济发展的需要，新一代飞行器的不断问世，并朝着高性能、轻重量、长寿命、高可靠、舒适性以及降低制造成本的方向发展，面对着新的技术要求，必然
2、需要更加先进的材料来支持，这就对各国航空材料提出了严峻的要求。为了研制高性能新型战机、大型军用运输机、特种军用飞机和武装直升机，各国政府和军方不断推出新的研究计划，投入巨额资金，开发先进材料及其专用设备，基本建立了飞机先进材料发展的基础。计算机技术的不断发展，精益生产等许多新理念的诞生，使得飞机先进材料处于不断变革之中，传统技术不断精化，新材料、新结构加工、成形技术不断创新，集成的整体结构和数字化材料构筑了新一代飞机的主体框架。随着现代科学技术的发展，航空制造业也发生了巨大的变化。航空业近百年的发展史中，先进材料的创新与应用正引领着该领域的科技快速发展。而要想制造出领先世界科技水平也拥有自主知
3、识产权的中国大飞机，我们必须先了解并掌握最先进的材料，而对于我国的航空事业发展而言，形势更为严峻，“国产大飞机”项目更是时刻鞭策我们要努力快速的开发创新出更加先进的材料，以满足其发展需求。通过分析与调研，文章就先进材料在航空制造业中的应用与发展作了进一步的研究与论证。航空材料反映结构材料发展的前沿，航空材料代表了一个国家结构材料技术的最高水平。关键词：先进材料 航空航天 复合材料 金属材料目录第一章 先进航空航天材料概述1.1背景介绍.11.2新型材料特点.1航空材料的研究与发展1. 机体材料.32. 发动机材料.5第二章 新型材料在飞机制造领域的应用2.1铝锂合金新一代铝合金A1-Li系合金
4、.7 1概述.72A1-Li合金强韧化机制.73AI-Li合金的热处理.84AI-Li合金的应用.92.2 复合材料2.2.1 概述.92.2.2 先进复合材料及应用.9（1）纤维增强树脂基复合材料.9（2）金属基复合材料.10（3）陶瓷基复合材料.10（4）碳碳复材料.10(5)新型且先进的金属材料 .10第三章 新型材料在航空领域的发展趋势一、航空材料发展趋势 1.传统材料大有可为.112.新型材料亟待应用.123.新兴材料层出不穷.124.材料标准化、通用化势在必行.125.低成本和可维修性成为趋势.126.发展我国航空材料的建议 .12参考文献.13第一章 先进航空航天材料概述1.1背
5、景介绍航空航天材料的进展取决于下列3个因素: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。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。材料性能测试与无
6、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。中国在50年代就创建了北京航空材料研究所和北京航天材料工艺研究所，从事航空航天材料的应用研究。 18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、冶金工业、机器制造工业得到很
7、大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代。1903年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机,当时使用的材料有木材(占47),钢（占35）和布（占18）,飞机的飞行速度只有16公里/时。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可能。40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了600公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了3倍音速。40年代初期出现的德国
8、V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。60年代以来,航空航天材料性能的不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。1.2新型材料特点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
9、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。 高的比强度和比刚度对飞行器材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数： 飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。 优
10、良的耐高低温性能飞行器所经受的高温环境是空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。航空器要长时间在空气中飞行，有的飞行速度高达3倍音速,所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。火箭发动机燃气温度可达30002oc以上，喷射速度可达十余个马赫数，而且固体火箭燃气中还夹杂有固体粒子，弹道导弹头部在再入大气层时速度高达20个马赫数以上，温度高达上万摄氏度，有时还会受到粒子云的侵蚀，因此在航天技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷。在这种条件下需要利用
11、材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温粘性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发冷却材料以满足高温环境的要求。太阳辐照会造成在外层空间运行的卫星和飞船表面温度的交变，一般采用温控涂层和隔热材料来解决。低温环境的形成来自大自然和低温推进剂。飞机在同温层以亚音速飞行时表面温度会降到-502oc左右,极圈以内各地域的严冬会使机场环境温度下降到-402oc以下。 在这种环境下要求金属构件或橡胶轮胎不产生脆化现象。液体火箭使用液氧(沸点为-1832oc)和液氢(沸点为-2532oc)作推进剂，这为材料提出了更严峻的环境条件。部分金属材料和绝大多数高分子材料在这种条件下都会变脆。通过发展或
12、选择合适的材料，如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等，才能解决超低温下结构承受载荷的能力和密封等问题。 耐老化和耐腐蚀各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。 适应空间环境空间环境对材料的作用主要表现为高真空(1.331055
13、-1帕)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积而被污染，密封结构因老化而失效。航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的，以求适应于空间环境。 寿命和安全为了减轻飞行器的结构重量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有
14、高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验，确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。航空材料的研究与发展 1.机体材料 机体材料主要包括铝合金、钛合金和树脂基复合材料等，发展重点集中在低成本、高性能的树脂基复合材料技术。图1是欧洲空中客车飞机的主要用材示例，其中最显著的先进材料包括铝合金-玻璃纤维混杂复合材料GLARE，碳纤维复合材料GFRP，芳纶纤维复合材料AFRP，玻璃纤维
15、复合材料GFRP以及韧性环氧树脂、双马来醚亚胺树脂和聚酚亚胺树脂基复合材料等，它们覆盖了航空飞行器机体的主要面积。 图1 欧洲空中客车飞机的主要用材国际上航空先进树脂基复合材料的主要性能要求是，较高的耐温度使用性、尽可能高的抗损伤容限和尽可能低的湿热环境效应。就民用飞机上用量最大的碳纤维环氧树脂复合材料而言，近年的趋势是发展液态成型纺织复合材料和非热压罐成型技术如电子束辐照交联技术等，即用得起的制造技术（Affordable Proccessing）。而对更高的温度要求，双马来酚亚胺、特别是可以液态成型的聚酚亚胺树脂基复合材料（如PETI系列）的前景看好。 由于制造成本在复合材料构件总成本中所
16、占份额最大，因此低成本成型制造工艺技术是目前发展的重点，主要包括纺织复合材料和树脂传递模塑（RTM或近似的RFI）液态成型技术等。通过编织、经编、针织、机织、缝纫等制造顶成型体，以及液态成型如树脂浸渗（RI）和树脂转移模塑（RTM，使整体制造的成本降低，层间增强，并达到减重目标（图2）。 图2 各种纺织结构复合材料技术其中，RTM技术在美国军用战斗机F-35垂尾及F/A18-E/F襟翼整流罩上的应用是使用该项技术制造的最大尺寸的零部件，前者长3.6，重约90。我国在液态成型复合材料技术正在取得进展，图3为北京航空材料研究院制备的中机身液态成型树脂基复合材料剪切梁。 图3 北京航空材料研究院制备
17、的中机身液态成型树脂基复合材料剪切梁为了进一步迎接先进复合材料更高性能价格比的挑战，欧洲空中客车公司提出的目标是更多地应用碳纤维复合材料CFRP以减重至30，从而降低整个飞行成本40。但是，CFRP技术在减重的同时，制造成本比金属焊接结构高。应用目前空中客车公司已储备的技术水平，可以达到减重15、降低成本15的目标；而采用新型金属焊接结构制作机身，减重10却降低成本20，可见在发展低成本、高性能复合材料方面还大有潜力。图4是空中客车公司正在研制的全碳纤维复合材料机翼的静力实验。美国也有高速民航机研究计划，其中心任务是开发聚醚亚胺复合材料和钛石墨纤维混杂复合材料等。 图4 空中客车公司正在研制的
18、全碳纤维复合材料机翼的静力实验各国都非常重视扩展先进复合材料应用的技术平台建设。目前，美国正在执行汽车复合材料技术向航空转移计划和复合材料用得起计划。 2.发动机材料 目前最先进的军用航空发动机主要材料有钛合金、高温合金以及各类高温和超高温复合材料等。在21世纪前10年的叶片材料中，单晶叶片材料仍占主导地位。叶片材料经历了铸造合金、定向凝固合金和单晶合金的发展历程，国外现役发动机叶片材料主要采用第二代和第三代单晶合金。这些单晶合金由于富铼易产生脆性相，近年来研究加入钌或铱以减少脆性倾向，开发出第四代单晶。叶片技术发展的趋势是将结构一材料工艺统一考虑，即开发lamiloy技术，采用铸造及激光打孔
19、工艺直按制造发散冷却孔道。 除提高叶片材料的耐温等级外，将金属间化合物与韧性金属组成的微叠层复合材料作为叶片的热障涂层受到重视。该技术依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物的脆性。目前采用真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次的微叠层复合材料，包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。微叠层纳米热障涂层可望将叶片的耐温能力提高260。除用于叶片外，微叠层复合材料在无疲劳合金涂层、抗砂蚀树脂基复合材料风扇叶片涂层等方面也有应用机遇。 我国发动机叶片材料发展态势良好，仅铸造涡轮叶片材料就超
20、过20种，并开展了单晶镍基高温合金、金属间化合物、陶瓷和C/C复合材料的研制。我国低密变、低成本的第一代单晶合金DD3性能与国外同代合金相当，已用于直升机小发动凯涡轮叶片；第二代单晶高温合金DD6正在推广应用于先进的涡轮发动机叶片，其承温能力相当于国外同代合金，而成本更低。就涡轮盘材料而论，除广泛使用的粉末盘及其发展型的双性能粉末盘、三性指粉末盘外，细晶变形盘由于成本低也被看好。俄罗斯就坚恃认为采用传统熔铸变形盘，完全可满足第四、五代发动机的需要。作为一种新的涡轮盘方案，近年来开发了无夹杂的喷射盘。该技术与粉末冶金工艺相比具有工序简化、成本降低的优势，其快凝组织特性又奠定了其性能优势，包括远优
21、于铸锻工艺、相当或高粉末冶金工艺的强度与持久寿命，优于粉末冶金工艺的塑性、韧性及低周疲劳寿命，因晶粒细化而改善的热加工性能等。由于传统变形盘的工艺设备均能使蔼用，且材料利用率高，成本明显低于粉末盘，因此，喷射盘有可能成为粉末盘的强劲对手。 第二章 新型材料在飞机制造领域的应用2.1铝锂合金新材料是航空航天技术的重要基础，航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。锂是世界上最轻的金属元素。把金属锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入金属锂之后，可以降低合金的密度，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗
22、疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点，吸引着许多科学家对它进行研究，铝锂合金的开发事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了。 铝锂合金是以锂作为主要合金元素的新型铝合金，是铝合金领域中研究最悠久，也是最重要的铝合金系统。锂是自然界中最轻的金属，密度仅为0534gcm3，熔点为186。研究表明，每添加质量分数为1的锂，就能降低合金密度3，提高弹性模量6，是添加其他元素，包括轻金属元素Be、Mg所不及的。由于AlLi系铝合金具有低密度、高弹性模量、高强度和很好的综合物理性能，所以与一般铝合金相比，在强度相当的情况下，密度降低10
23、，而弹性模量提高10。因此AlLi系铝合金用作结构材料，具有很大的技术和经济意义。 由于锂的化学性质特别活泼，不但容易与氧气、氮气、氢气、水 等化合，还容易与氧化铝、石墨等坩埚材料发生反应。如果采用熔炼法制备铝锂合金，则必须采用铁坩埚并在氩气氛中进行，须快速搅拌。在合金铸造时也必须特别注意，若采用粉末冶金法(其粉末是利用喷散法进行急冷凝固的)，由于粉末易爆炸，所以也需要惰性气体保护。目前大多数的铝锂合金，都是在铝合金的基础上发展起来的。1957年发明了第一个工业A1Li合金，其组成为A145Cu11Li05Mn02Cd，后期投人工业生产的A1Li合金则不加锰，集中于A1LiMgZr系列。在A1
24、Li合金中，锂与铝形成 (A1li)相(见图63)，具有固溶强化和沉淀强化作用。而铜、镁、锆等元素与铝形成亚稳定的强化相：相、Tl相(A12CuLi)、S相 (A12CuMg)、相(Al3Zr)，也具有一定的强化作用，并能提高其塑 性和韧性。 AlLi合金具有很高的强度和良好的高温和低温性能，其室温力学性能与一般高强度铝合金相当，而高温和低温性能则优于一般高强度铝合金。新AlLi合金有很好的超塑成型性能，例如AlLiCuMgZr合金，在低速下的超塑延伸率可达1800，添加Zr元素和形变热处理能提高其超塑性能。AlLi合金的强度、延伸率和断裂韧性等力学性能，均随温度降低而显著提高(表67列出了A
25、lLiCuMgZr合金(T81型)在不同温度下的机械性能)，其提高幅度比通常低温下使用的高强铝合金高得多。结合它的密度，使AlLi合金成为一种发展潜力很大的低温结构材料，例如用作航天飞行器中的大型低温液体燃料箱等。各种类型的铝锂合金各有不同的优异性和特点，使它们在航空、航天、汽车制造等领域中有着广泛而重要的应用。世界上越来越多的国家正在投入更多的力量进行AlLi合金的研究和开发，如美国的Alcoa公司和Pechiney公司正在联合建设年产1万t的AlLi合金工厂，以满足生产现代长程客机的需要；日本各大集团也在联合行动；我国也在组织各研究单位、大学和生产厂家开展新AlLi合金的研究。用新AlLi
26、合金替代飞机上对应的传统铝合金的目标，可望在21世纪前期得到实现。表67 Al-Li合金2090-T81在不同温度下的机械性能温度(K) b(MPa) v(MPa) () E(GPa)KIC(MPam12) 300 565 535 50 783 34 77 715 600 70 869 57 4 820 615 170 876 72新一代铝合金A1-Li系合金 1概述 AI-Li系合金是近年来引起人们广泛关注的一种新型超轻结构材料。该合金的研制与应用，标志着半个多世纪以来铝合金领域的重要发展。 锂是一种极为活泼且很轻的化学元素，密度为0533gcm3，为铝的15，铁的115。锂元素为地球存在较
27、多的金属，同时海水中还有相当大的含量。 在铝合金中加入锂元素，可以降低其密度，并改善合金的性能。例如，添加锂2-3，合金密度可减少10，比刚度可增加2030，强度可与LYl2媲美。 锂在铝中的溶解度随温度变化而改变。当锂含量大于3时，A1-Li合金的韧性明显下降，脆性增大。因此，其合金中的锂含量仅为23。 A1-Li系合金具有密度小，比强度高，比刚度大，疲劳性能良好，耐蚀性及耐热性好等优点(在一定热处理条件下)。但A1-Li系合金的塑性和韧性差，缺口敏感性大，材料加工及产品生产困难。 用Al-Li合金制作飞机结构件，可使飞机减重1020，可提高飞机的飞行速度和承载能力。因此，AI-Li合金是一
28、种在航空、航天领域中很有竞争力的一种新型超轻结构材料，已受到世人的关注。A1-Li合金的价格是硬铝价格的23倍，若在海水中萃取锂的技术获得成功，则可得到价格便宜的锂材料。 目前在美国、英国、法国和前苏联等国家已成功研制出A1-Li合金并将其用于实际生产中，已开发的Al-Li合金大致有三个系列：A1-Cu-Li系合金、A1-Mg-Li系合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系合金等。部分A1-Li系合金的牌号、化学成分和力学性能分别见表9-10和表9-11。 2A1-Li合金强韧化机制 (1)强化机制 A1-Li合金的强化作用主要来源于析出相强化、固溶强化和细化晶粒强化。锂在铝中有较高的溶解度，并随
29、温度而明显变化，所以AI-Li合金有明显的时效强化效应，属于可热处理强化型的铝合金。Al-Li合金在时效过程中以弥散质点形式析出的亚稳球形相8，(A13Li)为有序超点阵结构，与基体完全共格，对位错运动具有强烈的阻碍作用，是合金中主要的强化相。 (2)影响A1-Li合金塑性和韧性的因素 Al-Li二元合金塑性和韧性低，主要与以下因素有关： ”前已述及强化相的析出虽有强化作用，但由于强化相的存在，将导致位错在晶界或夹杂物处塞积，产生应力集中，结果在晶界或夹杂物处萌生裂纹，因此，8，相对A1-Li合金的塑性和韧性极为不利。随着锂量增多，合金强度升高，塑性和韧性下降。 2)晶界附近常形成8，相无析出
30、带，特别是晶界处有粗大的平衡相8析出时，晶界8相无析出带更明显。无析出带的强度比晶内强度低，当受到外力作用时，首先在无析出带内屈服，发生局部应力集中，产生严重应变，将导致裂纹萌生。这种裂纹在无析出带内扩展，产生沿晶断裂。 3)晶界处存在着粗大的平衡相(8)析出物，常常是裂纹形核的场所，因此，导致合金低韧性。 4)形变后的A1-Li合金，在一定温度下会发生再结晶。一般认为发生完全再结晶后，合金的织构、亚晶界消失，出现粗大的再结晶组织，对合金的塑性、韧性不利。 5)某些杂质元素如钠、钾、硫等元素不溶于铝，在晶界处偏聚，使晶界弱化而影响合金的塑性和韧性。 (3)合金化原理 A1-Li二元合金的强度、
31、韧性较低，实用意义不大。若加人多种合金元素，可对析出机制产生影响，改善晶界特性，使A1-Li合金的强韧性得到提高。AlLi合金中常加入的合金元素有：铜、镁、锆等。 。 3AI-Li合金的热处理 A1-Li合金的热处理有均匀化退火处理、固溶化处理、时效及形变热处理等。 合金在加热时，为了防止合金的氧化，通常在保护性气氛中加热；采用分级时效，可改善合金的韧性，并消除其各向异性；将固溶处理后的合金进行予冷变形，然后再进行时效处理，可使时效过程中析出的第二相粒子呈均匀、细小、弥散分布，并减少无沉淀带宽度，从而可提高合金的强韧性。 4AI-Li合金的应用 由于锂活泼，使得A1-Li合金的冶炼和加-E-V
32、艺比较复杂，但通过采取一些相应的保护措施，A1-Li合金仍可采用常规的设备和工艺进行压力加工、热处理、表面涂层及阳极化处理等。目前影响A1-Li合金在实际生产中使用的主要障碍仍然是其塑性和韧性低等缺点。人们采用快速凝固和粉末冶金等方法制备性能优良的A1-Li合金。 目前，美、英、法及东欧等国家已将A1-Li合金应用于实际生产中。如在波音飞机、 F15战斗机、EFA战斗机及新型军用运输机等一些结构件上都已成功的采用2090、8090等合金制造。英国航空公司预测A1-Li合金在飞机结构件上的质量占33。 我国A1-Li合金的研究工作起步较晚，目前仍处于研究阶段，距实际应用还有一段距离，相信在不久的
33、将来就会在生产实际中使用。国内某些高等院校及研究所等单位正在做这方面的工作，哈工大自80年代初就已做了大量工作。如对A1-Li-Cu系、A1-Li-Mg系及A1-Li-Cu Mg-Zr系等合金的时效动力学、断裂机制及预冷变形后再进行时效处理等方面进行研究，并对2091 AI-Li合金焊接接头的强化机制进行研究。以SiC纤维、SiC颗粒等为增强体的A1-Li 基复合材料是近几年涌现的新材料。为了扩大A1-Li合金的应用范围，应解决下列问题： 1)改善现有A1-Li合金的力学性能，特别是脆性大及各向异性。 2)发展高强韧性的AI-Li合金。 3)降低成本，特别是提高材料的利用率，发展精密成形方法，
34、减少切削。 4)进一步发展多组元合金化道路，在AI-Li基础上加人铟、锗、硼和稀土等元素。2.2 复合材料2.2.1 概述先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料，它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等，它本身具备了较高的比强度、比刚度，抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好及可设计性强等特点，现已成为飞机结构中与铝合金、钛合金和钢并驾齐驱的四大结构材料之一。2.2.2 先进复合材料及应用（1）纤维增强树脂基复合材料纤维增强树脂基复合材料具有优异的综合性能，制备工艺容易实现，原料丰富。在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、平尾、发动机外涵道，也可以
35、用于发动机喷管的烧蚀防热材料、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。A380机型选用纤维增强树脂基复合材料的部分示意图（如图2-2所示）。 图2-2 A380机型选用纤维增强树脂基复合材料示意（2）金属基复合材料铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体。增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类。金属基复合材料具有高的比强度、高的比刚度、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性。 碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点，可用于精密航空电子器件；碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能，是高推重比发动机的理想结构材料，目前已进入先进发动机的试车阶段
36、。（3）陶瓷基复合材料 瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体，与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成的材料的总称。其具有密度低、比强度高、热机械性能和抗热震冲击性能好的特点，是未来军事工业发展的关键支撑材料之一。陶瓷基复合材料主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，它在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。（4）碳碳复材料 碳碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料。碳碳复合材料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强、性能可设计等一系列优点。随着现代航空技术的发展，飞机装载质量不断增加，飞行着陆速度不断提高，对飞机的紧急制动提出了更高的要求。碳碳复合材料质量轻、耐高温
37、、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中。(5)新型且先进的金属材料 从A38选材的分布来看（见图 2-3），铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%左右，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。尤其是在A380机翼部位（机翼的80%以上是铝合金材料）要提高性能。 图2-3 A38机型选材应用示意图A380-800飞机在铝合金结构上取得的主要成就包括： 在机身壁板上引用了很宽的钣金材料，减少了连接件从而减轻了重量； 在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件，在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美；
38、在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金，这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金；钛合金由于具有高强度、低密度，高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用，但是它的高价格使其应用受到限制。在A380的结构中，钛合金用量较空中客车其它机型有所增加，达到10%。仅仅挂架和起落架的钛合金用量就增加了2%。 A380挂架的主要结构是空中客车公司第一次采用全钛设计。在A380飞机上采用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V，在退火状态下最大的断裂韧性和最小的裂纹增长速度。 2.3第三章 新型材料在航空领域的发展趋势一、航空材料发展趋势 航空材料的发展趋势是种类增多，成本降低，性能提高。具体
39、体现为：传统材料大有可为，新型材料亟待应用，新兴材料层出不穷；材料的通用化、标准化势在必行，可靠性、可维修性、低成本和环保性要求日趋严格。 1.传统材料大有可为 传统航空材料凝结了大量的研究成果，也积累了可贡的使用经验，轻易放弃这些传统材料划不来。正如美国先进民用飞机新材料专业委员会、国家材料咨询局、航空航天工程局、工程和技术系统专业委员会和国家研究委员会等五大单位在用于下一代民用运输机的新材料的联合研究报告中所指出的，即目前影响民航业、制造商和材料工业的动荡不定的经济气候，己经使先进材料的应用准则发生了重大的变化，从而使材料性能不再是选材的首要标准。飞机制造商对民航业降低总成本（包括采购和维
40、修成本）的耍求也正在做出反应，要求材料的变化方式是逐步改善，即渐进演化式的，而不是革命性的。 这种渐进演化式发展反映为，在复合材料改进、传统金属材料超纯熔炼，以及铸、锻件的研制、试验和生产过程中，抛弃了试凑的传统方法，代之以材料性能和产品制造一体化的可设计和可预测的全新概念，广泛引人仿真及人工智能技术，特别是在制蚤制造技术方面不断取得进展和开拓创新。这种高技术含量、高附加值的航空材料的发展以信息技术、自动化技术和先进制造技术的高速发展为依托，将对航空材料的发展产生着深远的影响。 2.新型材料亟待应用 冷战时期的积累和长期的超前研究储备了相当数量的新材料，但它们至今仍在候选名单上等待应用，典型例
41、子有高性能的双马来醚亚胺树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料和各种金属基复合材料等。暂时不应用这些材料的原因很复杂，其中之一是新材料过高的成本-效益比，包括采购、制造、取证和全寿命等。对先进的高性能复合材料及其结构而言，至今仍对其基本的失效机理及其相互间的作用缺乏深刻而本质的认识，因此，工业界出于技术和安全风险的考虑，缺乏了解先进材料的热情，也没有使用先进材料的经验，更没有等待先进材料发展成熟的耐心。世界范围内的激烈竞争使材料主管部门很难为中长期的发展计划做出长期的财务承诺，结果是很难建立起精干而专业性的材料研究、发展和供应基地。 3.新兴材料层出不穷 新技术特别是纳米技术为航空材料的发展开拓
42、了新的思路，人们充满热情地研究由片状纳米黏土改性的环氧树脂、双马来醚亚胺树脂和聚醚亚胺树脂，研究纳米改性的铝合金，期望在性能上获得显著提高。英、德等国对由碳纳米管增强的树脂基复合材料开展了许多研究工作，结果表明，无论力学性能还是电磁性能均有改进。纳米技术的发展还有力地带动了航空材料的发展，如雷达罩纳米防雨涂层以及隐身材料的纳米化等。 4.材料标准化、通用化势在必行 随着国际经济的一体化，航空材料在国际材料市场上的流通以标准化、通用化为前提。目前，国际航空材料的发展趋势是在国内取消军用标准，而代之以军民两用标准。在国际范围内实施国际化标准，有利于国际合作与交流及市场开拓，如俄罗斯在铝锂合金和钦合
43、金的出口问题上，以往因未与国际标准接轨，使上述材料出口受阻。为扩大出口，俄罗斯己逐步改用国际标准。中国已经进人，但我国航空材料的体系建设以及航空材料的通用化、标准化现状却很落后。原因主要在于我国航空材料多是在跟踪和引进的基础上发展而来，形成了各国航空材料在我国并存的混乱局面。国防工业科学技术委员会和中国航空工业正着手开展中国航空材料体系的建设工作，这将为我国航空材料的健康发展创造更好的发展前提。 5.低成本和可维修性成为趋势 航空材料的高技术特征必然带来高成本。目前环氧树脂的价格大约是每磅美元，钛为每磅10美元，先进复合材料为每磅60美元。降低航空产品采购成本的主要途径是改变设计概念、采用低成
44、本材料和成形加工技术等，降低航空产品使用成本或全寿本成本的主耍途径是提高材料的可靠性和寿命。航空产品在选材时不仅要考虑使用性能，而且还必须考虑可维修性。如果航空产品的全寿命成本及维修费用为采购成本的两倍时，就需重新考虑选材问题，发展高可靠性、维修性能好的航空材料，以延长结构使命寿命和简化维修越来越受到重视。 6.发展我国航空材料的建议 我国航空材料工业存在的主要问题可以总结为五多五少仿制材料多而创斤材料少，低水乎材料多而高水乎材料少，立项研制的材料多而改进改型的材料少，获奖励的材料多而真正用上的材料少，和单一用途的材料多而一材多用的材料少。此外，部门之间的协调机制也不够健全，低水乎重复、各自为政和无序竞争严重困扰着我国航空材料科研和生
