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航空航天(飞行器机身用)材料性能汇总

添加时间:2019-01-28

摘要:飞机是人们生活中经常使用到的交通工具,它的结构复杂,所用到的材料也是范围广泛。谈到飞机机身用材料大体可分为两类:合金材料和高分子复合材料。 飞机上的合金材料主要有铝

  
  飞机是人们生活中经常使用到的交通工具,它的结构复杂,所用到的材料也是范围广泛。谈到飞机机身用材料大体可分为两类:合金材料和高分子复合材料。
  飞机上的合金材料主要有铝合金、镁合金、钛合金和镍钼钨合金等,其中铝合金材料占飞机用料50%--70%左右,镁合金材料占飞机用料5%--10%左右,现代化的飞机,钛合金的用量比重越来越大,而镍钨钼合金则用于飞机发动机。
  1、铝合金
  铝是一种轻金属,比重2.7左右。由于地球的吸引力的作用,要求飞机质量越轻越好。飞机越轻,飞的越高、越快、越远,装载量越大。但是铝的强度低,好在飞机不是拖拉机,它在空中飞行,不会碰到别的物体,所以,飞机的蒙皮大部分是用铝合金压制的,还有前机匣,飞机框架,肋条等。
  纯铝的密度小(ρ=2.7g/cm3),大约是铁的 1/3,熔点低(660℃),铝是面心立方结构,故具有很高的塑性(δ:32~40%,ψ:70~90%),易于加工,可制成各种型材、板材,抗腐蚀性能好;但是纯铝的强度很低,退火状态 σb 值约为8kgf/mm2,故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验,人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝,这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度,σb 值分别可达 24~60kgf/mm2。这样使得其“比强度”(强度与比重的比值 σb/ρ)胜过很多合金钢成为理想的结构材料,广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面,飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造,以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接,结构重量可减轻50%以上。
  铝合金密度低,但强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能,物理性能和抗腐蚀性能。2008年北京奥运会火炬“祥云”就是铝合金制作的。
  2、镁合金
  镁比铝更轻,比重2.1--2.3左右,熔点300度左右。强度更低。用来制造不承重的部件、壳体。例如各种活门壳体,油泵壳体等。
  镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是:密度小(1.8g/cm3镁合金左右),比强度高,比弹性模量大,散热好,消震性好,承受冲击载荷能力比铝合金大,耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金,其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在实用金属中是最轻的金属,镁的比重大约是铝的2/3,是铁的1/4。它是实用金属中的最轻的金属,高强度、高刚性。
  镁合金是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。镁的重量比铝轻,比重为1.8,强度也较低,只有200~300兆帕(20~30公斤/毫米2),主要用于制造低承力的零件。
  镁合金在潮湿空气中容易氧化和腐蚀,因此零件使用前,表面需要经过化学处理或涂漆。镁合金具有较高的抗振能力,在受冲击载荷时能吸收较大的能量,还有良好的吸热性能,因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定,适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管,又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、襟翼、舱门和舵面等活动零件。
  3、钛合金
  钛也是一种轻金属,比重4.5左右,比铝重,但是强度很高,很耐高温,熔点1660多度,钛是造飞机的理想材料,飞机发动机,防弹部位,强化部位,加固部位,燃烧室,涡轮轴,涡轮盘,喷口等,大多数是用钛合金材料制造的。
  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。
  钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料,比重、强度和使用温度介于铝和钢之间,但比铝、钢强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。航天器主要利用钛合金的高比强度,耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。
  4、镊钼钨合金
  是造发动机的理想材料。飞机发动机的温度高达2000多度,一般的材料是不行的,只有钛钨钼合金才能胜任。
  5、高强钢
  高强钢通常使用在要求有高刚度、高比强度、高疲劳寿命,以及具有良好中温强度、耐腐蚀性和一系列其它参数的结构件中。无论是在半成品生产中,还是在复杂结构件的构造中,尤其是在以焊接作为最终工序的焊接结构件生产中,钢材都是不可替代的材料。
  长期以来,飞机制造业使用最多的钢材,是强度水平为1600-1850MPa、断裂韧性约为77.5-91MPa每平方米的中合金化高强钢。目前,在保持同样断裂韧性指标的条件下,已将钢材的最低强度水平提高到了1950Mpa。还开发出了新型经济合金化的高抗裂性、高强度焊接结构钢,开发强度性能水平为2100-2200Mpa的高可靠性结构钢;高强度耐蚀钢强度水平与中合金结构钢相近,可靠性参数大大超过中合金结构钢。
  随着高分子材料被应用在制作飞机的材料上,使得飞机的性能越来越好。在航空工业中,腐蚀与防腐是个重要的问题,可是一般的金属防腐蚀的效果很差,由于高分子材料耐酸,碱,盐介质的腐蚀性优于金属和其他的合金材料,故被应用在飞机的制作上。另外,高分子材料具有密度小,强度大的优点,这对减轻飞机本身的质量和减少能源的消耗都有重要的意义。
  6、复合材料
  (1)聚合物复合材料
  代表航空航天技术开发水平的一个重要标志是看聚合物复合材料使用数量的多少。聚合物复合材料在比强度和比刚度方面具有非常明显的优越性,兼备良好的结构性能和特殊性能,在航空领域获得了广泛的应用。空中客车A3XX飞机使用聚合物复合材料的比例将达到25%。
  作为结构材料,新型复合材料-有机塑料将发挥越来越大的作用。最近几年,正在研制第二代有机塑料。单一用途的有机塑料的σb值达到3000-3200Mpa,E值提高到130Gpa。试验研究表明,有可能获得弹性模量为200-250Gpa的有机塑料。需要指出的是,这实际上就是将工作温度范围扩大1倍,还可显著降低复合材料的吸水率。在比强度和比弹性模量方面,现代的有机塑料,特别是未来的有机塑料将超过所有已知的以聚合物、金属和陶瓷为基体的复合材料。
  (2)陶瓷基复合材料
  说到陶瓷,人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前,如果把它用于工程领域的承力件,是任何人都不可能接受的,直到现在说到陶瓷复合材料,也可能还会有些人不清楚,认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料,但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后,才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化,这就是陶瓷基复合材料。
  陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料,特别是在航空发动机制造应用中,越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻,硬度高的优点以外,还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料,并具有很好的力学性能和化学稳定性,是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。
  目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求,正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料,并取得了较大进展,有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机,它的高压涡轮密封装置,燃烧室的部分高温零件,均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。据专家估计,到2000年陶瓷材料将占高性能涡轮发动机重量的30%。
  (3)金属间化合物
  高性能、高推重比航空发动机的研制,促进了金属间化合物的开发与应用。如今金属间化合物已经发展成为多种多样的族,它们一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力,它具有高的使用温度以及比强度、导热率,尤其是在高温状态下,还具有很好的抗氧化,搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料,它填补了这两种材料之间的空档,因而成为航空发动机高温部件的理想材料之一。
  目前在航空发动机结构中,致力于研究开发的主要是以钛铝(TiAl)和镍铝等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同,但却有更高的使用温度。例如和 TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。
  金属间化合物原子间的结合力强,晶体结构复杂,造成了它的变形困难,在室温下显现出硬而脆的特点。目前经过多年的试验研究,一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功,并已装机使用,效果很好。例如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物,验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。
  (4)碳/碳复合材料
  C/C基复合材料是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。到目前为止,只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上,发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料,是美国21世纪重点发展的耐高温材料,世界先进工业国家竭力追求的最高目标。
  C/C基复合材料,即碳纤维增强碳基本复合材料,它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体,使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度,优越的热稳定性和极好的热传导性,是当今最理想的耐高温材料,特别是在1000-1300℃的高温环境下,它的强度不仅没有下降,反而有所提高。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。
  C/C基复合材料在航空发动机上应用的主要问题是抗氧化性能较差,近几年美国通过采取一系列的工艺措施,使这一问题不断得到解决,逐步应用在新型发动机上。例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管,F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管,F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机,幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。
 

文章标题:航空航天(飞行器机身用)材料性能汇总

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