铝合金在航空工业中的应用

 

   铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点，作为结构材料，因其加工性能优良，可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等，以充分发挥材料的潜力，提高构件强度。所以，铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。

 

   铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁和珩条等；在航天工业中，铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料；在兵器领域，铝合金已成功地用于步兵战车和装甲运输车上，最近研制的榴弹炮炮架也大量采用了新型铝合金材料。

 

   近年来，铝合金在航空航天业中的用量虽有所减少，但它仍是军事工业中主要的结构材料之一。铝合金的发展趋势是追求高纯、高强、高韧和耐高温，在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金（2000 系列）和铝锌镁合金（7000 系列）。

 

   新型铝锂合金应用于航空工业中，预测将为飞机减重8%~15%，因此，铝锂合金同样也将可能成为航天飞行器和薄壁导弹壳体的候选结构材料。随着航空航天业的迅速发展，铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向的韧性差和降低成本的问题。

 

钛合金在航空工业中的应用
 

   钛合金具有较高的抗拉强度（441~1470 兆帕），较低的密度（4.5g/cm3），优良的抗腐蚀性能和在300℃~550℃温度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性，是一种理想的轻质结构材料。钛合金具有超塑性的功能特点，采用超塑成形－扩散连接技术，可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和尺寸精密的制品。钛合金在航空工业中的应用主要是制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等；在航天工业中，钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件。20 世纪50 年代初，在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等结构件；60 年代，钛合金在飞机结构上的应用扩大到襟翼滑轧、承力隔框、起落架梁等主要受力结构中；70 年代以来，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加，从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，它在F14 和F15 飞机上的用量占结构重量的25%，在F100 和TF39 发动机上的用量分别达到25%和33%；80 年代以后，钛合金材料和工艺技术达到了进一步发展，一架B1B 飞机需要90402 公斤钛材。

 

   现有的航空航天用钛合金中，应用最广泛的是a+b 型Ti-6Al-4V 合金。近年来，西方和俄罗斯相继研究出两种新型钛合金，它们分别是高强高韧可焊及成形性良好的钛合金和高温高强阻燃钛合金，这两种先进钛合金在未来的航空航天业中具有良好的应用前景。

 

   随着现代战争的发展，陆军部队需求具有威力大、射程远、精度高、有快速反应能力的多功能的先进加榴炮系统。先进加榴炮系统的关键技术之一是新材料技术。自行火炮炮塔、构件、轻金属装甲车用材料的轻量化是武器发展的必然趋势。在保证动态与防护的前提下，钛合金在陆军武器上有着广泛的应用。155 火炮制退器采用钛合金后不仅可以减轻重量，还可以减少火炮身管因重力引起的变形，有效地提高了射击精度；在主战坦克及直升机－反坦克多用途导弹上的一些形状复杂的构件可用钛合金制造，这既能满足产品的性能要求又可减少部件的加工费用。

 

   在过去相当长的时间里，钛合金由于制造成本昂贵，应用受到了极大的限制。近年来，世界各国正在积极开发低成本的钛合金研究，为在降低成本的同时，还要提高钛合金的性能。在我国，钛合金的制造成本还比较高，随着钛合金用量的逐渐增大，寻求较低的制造成本是发展钛合金的必然趋势。

 

发动机壳体
 

   金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、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，在军事工业中得到了广泛的应用。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类，其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证，如用于F－16 战斗机作为腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，成功地用于制作人造卫星支架、L 频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等；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，可用于制作火箭、导弹构件，红外及激光制导系统构件，精密航空电子器件等；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。在兵器工业领域，金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托，反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件，以此来减轻战斗部重量，提高作战能力。

 

  4、先进高温合金
 

发动机涡轮盘
 

   高温合金是航空航天动力系统的关键材料。高温合金是在600℃~1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀能力的合金，它是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。按照基体组元的不同，高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类。发动机涡轮盘在20 世纪60 年代前一直是用锻造高温合金制造，典型的牌号有A286 和Inconel718。70 年代，美国GE 公司采用快速凝固粉末Rene95__合金制作了CFM56 发动机涡轮盘，大大增加了它的推重比，使用温度显著提高，从此，粉末冶金涡轮盘得以迅速发展。最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘，与粉末高温合金相比，工序简单，成本降低，具有良好的锻造加工性能，是一种有极大发展潜力的制备技术。

 

 

钨合金零部件
 

   钨的熔点在金属中最高，其突出的优点是高熔点带来材料良好的高温强度与耐蚀性，在军事工业特别是武器制造方面表现出了优异的特性。在兵器工业中它主要用于制作各种穿甲弹的战斗部。钨合金通过粉末预处理技术和大变形强化技术，细化了材料的晶粒，拉长了晶粒的取向，以此提高材料的强韧性和侵彻威力。我国研制的主战坦克125Ⅱ型穿甲弹钨芯材料为W-Ni-Fe，采用变密度压坯烧结工艺，平均性能达到抗拉强度1200 兆帕，延伸率为15%以上，战技指标为2000米距离击穿600 毫米厚均质钢装甲。目前钨合金广泛应用于主战坦克大长径比穿甲弹、中小口径防空穿甲弹和超高速动能穿甲弹用弹芯材料，这使各种穿甲弹具有更为强大的击穿威力。

 

 

   应用于军事工业中的新材料均具有较高的技术含量，因而军用新材料的产业化速度普遍比较缓慢。世界范围内的军用新材料正向功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展。由此看来，钛合金、复合材料和纳米材料在军事工业中具有十分良好的产业化前景。

 

   钛是20 世纪50 年代发展起来的一种性能优异、资源丰富的金属。随着军事工业对高强低密度材料需求的日益迫切，钛合金的产业化进程显著加快。在国外，先进飞机上钛材重量已达到飞机结构总重的30%~35%。我国在“九五”期间，为满足航空、航天、舰艇等部门需要，国家把钛合金作为新材料的发展重点之一，预计“十三五”将成为我国钛合金新材料新工艺的高速发展时期。

 

   军事高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料，在这种条件下我国在先进复合材料的研制和应用方面取得了很大的成绩，它在“十三五”期间的发展会更加引人注目。同时，其发展方向将为低成本、高性能、多功能和智能化。

隐身技术

 

   纳米技术是现代科学和技术相结合的产物，它不仅涉及到现有的一切基础性科学技术领域，而且在军事工业中有着广泛的应用前景。随着未来战争突然性的急剧增大，各种探测手段越来越先进。为适应现代化战争的需要，隐身技术在军事领域占有十分重要的地位。纳米材料对雷达波的吸收率较高，从而为兵器隐身技术的发展提供了物质基础。基础性科学技术领域，而且在军事工业中有着广泛的应用前景。随着未来战争突然性的急剧增大，各种探测手段越来越先进。为适应现代化战争的需要，隐身技术在军事领域占有十分重要的地位。纳米材料对雷达波的吸收率较高，从而为兵器隐身技术的发展提供了物质基础。