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中国腐蚀与防护网摘要航空航天材料是一类非常特殊的材料，与军事应用密切相关。同时，航空航天材料的进步对现代工业产生了深远的影响。促进航空航天领域新材料和新工艺的开发可以领导并推动相关的技术进步和产业发展，从而产生更多的军事和民用新材料和新工艺。本文列出了当今航空航天业广泛使用的四种先进材料，分别是：钛合金，复合材料，铝锌合金和超高强度钢。这四种先进材料的发现和应用解决了飞机，战斗机机身和发动机设计方面的一系列技术瓶颈。近年来，随着科学技术的不断进步，材料技术得到了飞速发展。航空航天材料的发展取决于以下三个因素：例如，铝合金的时效强化理论导致了硬铝合金的发展；聚合物材料的刚性分子链的取向理论导致了高强度和高模量的芳族聚酰胺有机纤维。的发展。例如，古代的铸造和锻造技术已经发展成定向凝固技术和精密锻造技术，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，使其在不同应力下具有最佳的发展方向，使复合材料具有“可设计性”，并为其应用开辟了广阔的前景。热等静压技术，超细粉末制造技术和其他新技术工艺成果创造了新一代高性能的航空航天材料和零件，例如热等静压粉末冶金涡轮盘和高性能陶瓷零件。现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构。材料力学性能测试装置已经可以模拟飞机的载荷谱，无损测试技术也取得了飞速的发展。材料性能测试和非破坏性测试技术提供了越来越详细的信息，提供了更接近飞机设计实际使用条件的材料性能数据，并提供了确保生产产品质量的测试方法。新型的航空航天材料必须在所有三个方面都成熟之后才能应用于飞机。因此，世界上所有国家都将航空航天材料放在首位。许多航空航天材料制成的零件通常需要在极端条件下工作，例如超高温，超低温，高真空，高应力和强腐蚀，
在正常情况下，必须以最小的体积和质量执行等效的功能。有些需要在大气层或外层空间中长时间运行。无法关闭以检查或更换零件，因此必须具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。如高比强度和比刚度，优异的耐高低温性能，耐老化和耐腐蚀性能，对空间环境的适应性，寿命和安全性等。钛是1950年代开发的重要结构金属。钛合金由于其高强度，良好的耐腐蚀性和高耐热性而被广泛用于各种领域。世界上许多国家已经意识到钛合金材料的重要性，并已进行了研究和开发，并获得了实际应用。从1950年代到1960年代，主要开发用于飞机发动机的高温钛合金和用于飞机机身的结构钛合金。在1970年代，开发了许多耐腐蚀的钛合金。自1980年代以来，耐腐蚀钛合金和高强度钛合金得到了进一步的发展。的发展。钛合金主要用于制造飞机发动机的压缩机部件，其次是火箭，导弹和高速飞机的结构部件。钛合金在室温下具有三种基体结构，钛合金分为以下三类：α合金，（α+β）合金和β合金。目前，钛合金材料的应用主要包括飞机结构用钛合金，飞机发动机用钛合金和铸造钛合金三种。钛合金在常温（60〜400℃）下用作承重构件。主要是为了满足飞机机身结构部件的需求而开发的，后来扩展到了火箭，卫星，武器和舰船领域。以美国F-15飞机为例，它主要用于制造机翼，水平尾翼，垂直尾翼，起落架和进气口。另外，结构钛合金还可以用作机翼骨架，底座，发动机舱等，并且它们在油管，铆钉和紧固件中的应用也在增加。在航空航天工程中，它主要用作压力容器（存储压缩空气或液体推进剂），星形箭头连接带，固体发动机壳体，各种蒙皮，部件和辐射冷却喷嘴。 1948年在美国服役的F-86战斗机首次在飞机结构中使用钛合金。它在非承重组件（例如后机身隔热板，防风罩和尾盖）上使用钛合金，约占结构重量的1％。 1957年，美国Bell X-15试验机使用的钛合金占结构重量的17。5％。从那时起，钛合金已广泛用于飞机结构材料，
部分替代钢材以制造重要的承重部件，例如舱壁，横梁，襟翼导轨等。目前，使用最多的钛合金是美国的SR-71高空高速侦察机，是飞机的3倍。声音的速度。它的钛合金占结构的93％，被称为“全钛飞机”。在飞机机身结构部件上的应用始于1950年左右，并且在过去50年中发展迅速。 1960年代，中国在战斗机机身上使用了钛合金。 1983年，TC4钛合金模锻件被用作飞机的重要结构部件。在1990年代设计的新模型中使用的钛合金包括TA6，TA7，TC1，TC3，TC4，TC6，TC11，ZT3和ZT4合金。根据强度可分为低强度（1000MPa）三种。下表列出了各种强度范围内最常用的结构钛合金。钛合金主要用于航空发动机风扇和压缩机。例如压缩机盘，叶片，导航器，连接环等。使用钛合金代替原来的镍基高温合金可以使压缩机的重量减少30％-35％。多年来，为了满足高性能航空发动机的需求，欧美日，俄罗斯等发达国家高度重视高温钛合金的研究与开发，并相继开发了高温钛合金。在350-600℃下使用。前苏联在1950年代后期开发了BT6，BT3-1，BT8，BT9和其他品牌的钛合金，并在1960年代和1970年代开发了BT18和BT25合金。从那时起，为了提高高温钛合金的性能和使用寿命，在此基础上开发了BT18V，BT25V，BT8M，BT8-1和BT8M-1品牌的高温钛合金。原始合金。 1980年代后，在欧美设计的各种先进的军事战斗机和轰炸机中，钛合金的量一直稳定在20％以上，例如第三代战斗机F-15钛合金占27％ ，而第四代战斗机F-22钛合金含量占41％。这些合金的热强度从低到高依次为BT22-BT6-BT8-BT8M-11-Br9-BT25Y-BT18Y-BT36。当工作温度不大于350℃时，使用BT22和BT6合金；在-500℃范围内使用400 BT8-1，BT8M-1合金；在500-550℃范围内使用BT25Y合金；在550-600℃范围内使用BT18V合金。
但是BT3-1，BT9，BT25和其他合金仅用于旧发动机。钛合金用于铸造成一定形状的铸件。大多数变形的钛合金具有良好的铸造性能。其中，使用最广泛的是Ti-6A1-4V合金。它具有最佳的铸造工艺性能和稳定的结构，在350℃以下具有良好的强度（5σb≥890MPa）和断裂韧性。目前铸造钛合金的使用温度一般为300〜400℃。它通常通过真空壳式炉和石墨型铸造方法制成。它主要用于铸造航空发动机壳体，支撑框架，导向叶片等非旋转零件，也用于铸造叶轮等旋转零件，而不是化学工业中使用的不锈钢。高级复合材料是指可用于加工主承重结构和次承重结构的复合材料，其刚度和强度性能等于或超过铝合金。目前主要是指强度和模量较高的硼纤维，碳纤维，芳纶等增强复合材料。 ACM在军事应用（例如航空航天）中特别有价值。例如，军用飞机和卫星必须轻而坚固；军舰必须耐高压和耐腐蚀。这些苛刻的要求只能借助新材料技术来解决。 ACM具有重量轻，比强度高，比模量大，延展性，耐腐蚀性，导热性，隔热性，隔音性，减振性，高（低）耐高温性，独特的抗烧蚀性，电磁波穿透性，吸波特性隐蔽性，材料特性的可设计性，制备的灵活性和易于加工的特性被广泛用于航空航天等军事领域，是制造飞机，火箭，航天器等军事武器的理想材料。飞机ACM经过近40年的发展，已从最初的非承重组件发展到次级承重组件和主要承重组件的应用，可显着降低质量20％到30％现已进入成熟的应用期，其对提高飞机战术技术水平，可靠性，耐用性和可维护性的贡献毋庸置疑，其在设计，制造和使用方面的经验也日益丰富。到目前为止，战斗机使用的ACM约占所用材料总数的30％，而新一代战斗机将达到40％；直升机和小型飞机的ACM消耗量将达到约70％至80％，甚至出现完整的ACM飞机。科曼奇直升机的机身70％由ACM制成，
并将ACM扩展到附件和轴承中，从而使质量再降低15％。为了降低质量，“ Apache”将使用ACM代替金属机身。借助ACM，未来的联合运输旋转翼（JTR）飞机的成本将降低6％，航程将增加55％，或者载荷将增加36％。以典型的第四代战斗机F / A-22为例，ACM量为24。2％，其中热固性复合材料占23。8％，热塑性复合材料约占0。4％。约70％的热固性复合材料基于双马来酰亚胺树脂（BMI，缩写为“双马”）复合材料，可生产200多种复杂零件，以及主要的基于环氧树脂的复合材料，除了氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。主要应用部件是机翼，机身中部蒙皮和舱壁，机尾等。在过去的10年中，ACM也已广泛用于家用飞机。例如，由三个国内科研单位开发的战斗机ACM垂直尾板比原来的铝合金结构轻21kg，重量减轻30％。由北京航空制造工程学院开发生产的QY8911 / HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其ACM已用于飞机的前机身部分，垂直尾翼稳定器，机翼外机翼，拖曳板，整流器壁板和其他组件。北京航空材料研究所开发的PEEK / AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其ACM具有优异的断裂韧性，耐水性，耐老化性，阻燃性和耐疲劳性，适用于飞机主轴承的制造。可以在120℃下长时间工作，已用于起落架机舱护罩的前部皮肤。通用电气飞机发动机集团（GE-AEB），惠普和其他次级承包商正在使用ACM代替飞机发动机零件的金属，包括发动机舱系统许多部分的推力反向器和风扇引擎盖，风扇出风管导流板等由ACM制成。例如，发动机进口气罩的壳体由美国聚合物公司的碳纤维环氧树脂预混料（E707A）制成。它具有177℃的热氧化稳定性。壳的表面光滑且呈镜面状，这有利于形成层流。
它也由碳纤维环氧预浸料制成。在316℃的极端温度下的环境中，ACM不仅性能优于金属，而且具有很高的经济效益。根据波音公司的估计，喷气式客机每减轻1千克的重量，飞机在整个生命周期中可以节省2200美元。飞机天线罩是覆盖雷达天线的壳形结构。它的性能要求良好的微波传输性能，可以承受空气动力学负荷并保持指定的空气动力学形状，便于拆卸和维护，并且可以在恶劣的飞行条件下使用。在正常工作下，它可以抵抗恶劣环境造成的侵蚀。 ACM具有出色的雷达波传输性能，足够的机械性能和简单的成型工艺，使其成为理想的天线罩材料。当前，用于制造天线罩的材料是环氧树脂和E玻璃纤维。在玻璃纤维品种中，密度为1。8 g / cm的中空S-2纤维和拉伸强度为1。5 GPa的复合材料。还有一种低介电的D玻璃纤维，它是一种硅硼纤维（SiO含量为72％至75％，BO为23％），主要用于制造天线罩，目的是提高电气性能并降低降低电气厚度坚固罩的质量。随着天线罩性能要求的不断提高，D玻璃纤维，石英玻璃纤维和其他增强材料以及具有更好介电性能的改性双马来酰亚胺树脂，DAIP树脂，氰酸盐和其他ACM也已投入使用。数十年来，石英纤维一直用作航天飞机，隐形飞机和导弹的天线罩材料。它具有出色的电性能，0的热膨胀系数和高硬度。用它代替以前的玻璃纤维高性能雷达罩。该天线罩的探测范围可以增加到224 km，具有更长的使用寿命和更好的维护性能，同时，可以获得更明显的质量降低效果。与相同的电子玻璃天线罩相比，它可以将质量降低6％到20％。导弹，卫星和其他航天器重新进入大气层的热保护是空间技术必须解决的关键问题之一。当高速飞行以超高速进入稠密的大气层时，飞机周围的空气被强烈压缩，导致空气温度和压力急剧上升，折返体受到严重的空气动力学和空气动力学热效应。会像流星一样燃烧。
美国使用石棉酚醛树脂作为烧蚀性耐热材料，例如“丘比特”中程导弹，苏联的“东方”飞船也使用这种材料。从那以后，玻璃/酚醛和高二氧化硅/酚醛被广泛使用，例如美国的“ MK-11A”战斗部和“水星”号航天器，苏联的“联盟”号航天器以及法国的第一代导弹战斗部。最近，已经使用了基于碳的ACM（碳/酚和碳/碳），例如美国的“ MK-12A”战斗部和法国的第二代导弹战斗部。另外，国内外使用高强度玻璃纤维增​​强树脂基复合材料作为多管远程火箭弹和空空导弹的结构材料和耐烧蚀绝缘材料，从而使金属喷嘴经过塑化和烧蚀隔离热结构的多功能化实现了喷嘴会聚部分，扩展部分和尾翼框架的集成，这大大降低了武器的质量并提高了战术性能。减轻卫星结构对卫星功能和运载火箭的要求非常重要，因此对卫星结构的质量要求非常严格。国际通信卫星VA中心推力油缸用碳纤维ACM代替了铝，使重量减轻了23千克（​​约30％），这可以增加450条电话线的有效载荷舱。该利润接近卫星的发射成本。美国和欧洲的卫星结构质量不到总质量的10％。原因是ACM被广泛使用。目前，诸如微波通信系统和能量系统（太阳能电池基板，框架）之类的卫星支持系统基本上已经基于ACM。中国在“风云2号气象卫星”和“神舟”系列航天器上采用了碳/环氧ACM作为主要承重部件，这大大降低了整个恒星的质量并降低了发射成本。 AI-Li合金是一种新型的超轻结构材料，近年来引起了广泛的关注。这种合金的开发和应用标志着半个多世纪以来在铝合金领域的重要发展。锂是一种非常活跃且非常轻的化学元素，密度为0。533g·cm-3，是铝的1/5和铁的1/15。锂是一种存在于地球上的金属，并且仍然有相当数量的海水。在铝合金中添加锂元素可以降低其密度并改善合金的性能。例如，通过添加2％-3％的锂，合金密度可以降低10％，比刚度可以提高20％-30％，并且强度可以与LYl2相媲美。
当锂含量大于3％时，Al-Li合金的韧性显着降低，并且脆性增加。因此，其合金中的锂含量仅为2％-3％。 A1-Li系列合金具有密度低，比强度高，比刚度高，疲劳性能好，耐腐蚀性和耐热性好（在某些热处理条件下）的优点。但是，Al-Li合金的塑性和韧性差，缺口敏感性高，并且材料加工和产品生产困难。 Al-Li合金用于制造飞机的结构部件，可以使飞机的重量减轻10％至20％，并可以提高飞机的飞行速度和承载能力。因此，AI-Li合金是一种新型的超轻型结构材料，在航空航天领域具有很强的竞争力，并引起了全世界的关注。 A1-Li合金的价格是硬铝的价格的2-3倍。如果在海水中提取锂的技术成功，则可以获得便宜的锂材料。目前，在美国，英国，法国和前苏联已经成功开发了Al-Li合金并将其用于实际生产。已开发出大约三种Al-Li合金系列：A1-Cu-Li系列合金，A1-Mg-Li系列合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系列合金等。Al-Li二元相图新型铝-锂合金的主要产品包括中厚板，薄板，挤压型材等。已在国外飞机上认证或使用的产品品牌是Alcoa的2099、2199、2397和Alcan 2196、2098、2198等。铝锂合金具有AMS材料规范，主要用于楼板横梁，机身蒙皮，大梁，框架，横梁，腹板和其他零件。它们的主要性能特征如下：（1）适当降低密度（通常比常规铝合金低5％至8％，Li1715 MPa，KIC》 72 MPa·m1 / 2），相当于一流发动机中使用的D6AC钢美国“北极星A2”导弹的外壳406为了提高大型固体火箭发动机的可靠性，DF-21导弹一流的发动机壳在406钢的基础上开发了D406A钢，该钢通过降低碳含量提高了纯度。 D406A钢的强度略有降低，但韧性有所提高（σb》 1620MPa，KIC》 87 MPa·m1 / 2），于1993年通过技术鉴定，
二次淬火超高强度钢的特点是，在480〜550℃范围内回火（或时效）后，合金碳化物的析出产生强化作用，强度和硬度得到显着改善，并出现峰值硬化，表现出二次硬化的特性，而韧性提高。 HY180钢是美国钢铁公司（US Steel Corporation）于1965年开发的一种优异的高韧度和超高强度钢。其化学成分（重量百分比）为：0。10C，10Ni，8Co，2Cr，1Mo。勘探设备等，但尚未应用于航空航天结构。原因是，尽管钢的比强度和韧性可以满足低温和高压深水潜艇的要求，但仍不能满足航空航天设备对超高强度钢的要求。要求高强度和韧性。随着航空业的飞速发展，具有高强度（1586×1724MPa），良好的断裂韧性（125MPa·m1 / 2）和良好的可焊性的新材料的发展已成为发展方向。为了达到航空零件材料的损伤耐受性和耐久性，在Fe10Ni合金钢的研究基础上，对HY180进行了改进。 1978年，开发了AF1410超高强度合金钢。该钢在830℃进行油淬+在510℃时效后，σ0。2≥1517MPa，KIC≥154MPa·m1 /2。因此，该钢已成为一种受到航空业欢迎的新型高强度钢。其极高的韧性，良好的加工性能和焊接性能。在保持AF 1410超高强度合金钢的良好韧性的基础上，为了进一步提高其强度和在海水环境中的抗应力腐蚀开裂性并降低延性-脆性转变温度，Carpenter开发了Aermet 100 ultra -1992年钢的高强度合金。与AF1410钢相比，该钢的强度得到了进一步提高（σb≥1930MPa），但韧性略有降低（KIC≥110MPa·m1 / 2）。 Aermet 100是具有最高综合性能的超高强度钢。它是新一代军事装备中关键部件的首选材料。美国已成功将其应用于最先进的F / A-22战斗机起落架和F-18航母。起落架。
超高强度钢，可在时效过程中沉淀并硬化金属间化合物。具有工业应用价值的马氏体时效钢由国际镍公司（INCO）于1960年代初首次开发。从1961年到1962年，该公司向铁镍马氏体合金中添加了不同量的钴，钼和钛，从而获得了18Ni（200），18Ni（250）和18Ni（18Ni（250）和18Ni（18Ni 300））钢，首先在火箭发动机壳体上使用18Ni（200）和18Ni（250），同等强度水平的马氏体时效钢具有比低合金钢更高的韧性，较低的加工硬化指数，无脱碳问题，简单的热处理工艺以及冷加工成形性好，固体火箭发动机壳体使用18Ni马氏体时效钢，使用强度为1750 MPa，富铀离心分离机旋转筒中的马氏体时效钢，使用强度为2450 MPa。合金元素的含量会增加马氏体时效钢的成本，在1990年代，在18Ni马氏体时效钢的基础上，成功开发了消除钴元素并增加镍和钛含量的方法，T250和T300马氏体时效钢重新开发成功。 T250马氏体时效钢的力学性能为：σb〜1760MPa，σ_0。2》 1655MPa，KIC》 80 MPa m ^ 1/2，是中国制造固体发动机壳体的新一代材料。 2006年，宝钢特钢分公司，富钢，安达工厂和太钢共同解决了这一问题，并成功试制了直径为1200mm的T250钢制固体发动机机壳，已在某些航空模型中使用。 Ferrium S53是用于航空航天结构部件的耐腐蚀超高强度不锈钢。其机械性能等于或优于传统的超高强度不锈钢（例如300M和SAE4340），而其耐腐蚀性类似于1。5-5PH。开发Ferrium S53超高强度不锈钢的目的是消除有毒金属镀层。
为了提高耐磨性和韧性，通过回火分散和强化了纳米金属碳化物（M2C），同时避免了其他碳化物，从而使强度，耐磨性和韧性最大化稳定的钝化氧化膜目前用于飞机起落架的钢（例如：300M，SAE4340）需要基于氰化物的保护性镉电镀。镉是一种众所周知的致癌物质，在飞机的最初制造和维护过程中，存在严重的环境污染风险。另外，为了避免氢脆，镀镉工艺需要随后的氢还原退火操作。在这些应用中，使用Ferr5353替代其他材料不需要镉镀层和随后的氢还原退火操作。不锈钢的抗应力腐蚀开裂性（SCC）也优于300M和SAE4340。另外，具有更高的淬透性。对于给定的横截面尺寸，合适的淬火条件并不严格，因此在热处理过程中几乎没有变形。该不锈钢处理过程类似于其他淬火和回火的马氏体二次硬化钢。为了避免表面脱碳，建议进行真空热处理和真空回火。淬火并冷却至室温后，进行低温处理以确保马氏体完全转变。其典型的回火温度为470℃，接近该温度，这种不锈钢具有出色的耐热性能。这允许使用更高的磨削速度而没有磨削烧伤的风险，因此使用更持久。 FerriumS53的一般耐蚀性类似于代表性的沉淀硬化不锈钢，例如17-4PH和15-5PH。通过线性极化测试测得的开路电势（OCP）约为-0。30V。与室温下在3。5％氯化钠溶液中的饱和Ag / AgCl参比电极相比，年平均腐蚀速率为0。01 mm。在3。5％氯化钠溶液中不生锈。 （1）Al-Li合金具有密度小，比强度高，比刚度大，疲劳性能好，耐腐蚀性和耐热性好，性价比高等优点。它在航空航天中的应用越来越广泛。 （2）复合材料重量轻，比强度高，比模量高，延展性，耐腐蚀性，导热性，隔热性，隔音性，减振性，高（低温）耐性，独特的耐火性电磁波
它广泛用于各种航空航天领域，例如飞机和雷达。 （3）钛合金具有强度高，密度小，机械性能好，韧性和耐腐蚀性好等特点，已成为航空航天中的重要材料。它主要用于制造飞机发动机的压缩机部件，其次是火箭，导弹和飞机的高速结构部件（4）航空工业的发展，特别是新飞机的发展需要强度高，韧性好和强度高的结构材料。良好的耐腐蚀性。尽管各种新材料不断涌现，但超高强度钢在弹性模量，冲击韧性和强度方面仍具有巨大优势。在当今和可预见的将来，它将仍然是不可替代的关键材料。一。张彭省，毛小南，韩冬。航空航天用钛合金圆盘的研制与应用_航空航天先进材料与工艺技术，王哲，Wang Zhe。钛合金在现代飞机结构中的应用杨胜利，Yang Shengli。军事高科技概述【DB / OL】。 （2005-09-06）【2006-01-12】。高永忠纤维增强树脂复合材料在武器装备中的应用【J / OL】。应用程序导航，应用程序指南，（2006-01-24）【2006-01-24】。先进的航空航天用树脂基复合材料【J / OL】】。塑料材料技术，（2005-09-12）【2006-01-12】。翁祖其，陈波，张长发。中国玻璃钢行业大全。北京：国防工业出版社，1992。杨守杰，卢征，等。铝锂合金的研究进展张瑜。铝合金在航空航天中的应用【10】陈健。铝锂合金的性能特征及其在飞机上的应用研究文邦伟，Wang Bangwei。美国成功开发了计算机设计的用于舰载飞机的高强度，高韧性，耐腐蚀不锈钢。中国航空信息网。美国空军进行了新的起落架高强度，耐腐蚀钢测试。刘慕通和刘建华。媒体对超高强度钢耐蚀性的研究进展【14】航空航天用超高强度蓝海常绿系列