在航空运输日益发达的今天，人们对飞行已经相当熟悉：伴随着发动机有力的轰鸣声，飞机腾空而起，起落架随之缓缓收入舱内，飞机经过短暂的爬升后迅速消失在地平线上。所有这些，依赖的是高效的机体结构、强劲的发动机、强壮的起落架、先进的系统等，而构成这一切零部件基础的主要是航空金属材料。

    01合金家族之一：铝合金

日新月异的航空金属材料 未来之星当属镁合金
 

    1903年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，所选用的材料是木材和帆布，飞行速度只有每小时16公里，和骑自行车的速度相差无几。

    1911年，铝合金研制成功，并很快取代了木材和帆布，成为制造飞机的主要材料。第一次世界大战期间，全金属结构的飞机已经很普遍了。

    从木布结构过渡到金属结构，飞机的速度和其他性能实现了一次飞跃。例如，到1939年，螺旋桨飞机创造的最高时速已达755公里，仅36年的时间，飞机的飞行速度提高了47倍。如今，在飞机所使用的金属材料中，铝合金仍占有重要地位。

    航空用铝合金密度低、耐腐蚀性能好，且具有较高的比强度、比刚度，容易加工成型，有足够的使用经验，这些优点使其成为飞机结构的理想材料。

    从诞生以来，铝合金随着飞机设计的要求而不断发展，其性能也日益强大。例如，1954年，英国的3架“彗星”飞机先后坠毁，事故分析表明，坠机的主要原因是材料疲劳以及部分7075-T6铝合金构件被严重腐蚀。经过探索，研究人员突破了过时效热处理问题，研制出第二代耐腐蚀铝合金，有效提升了飞机的安全水平。

    如今，航空铝合金的发展已经进入第六阶段。2005年4月27日，世界上最大的宽体客机空客A380在图卢兹机场成功首飞。A380能够取得成功，先进材料的应用立下了汗马功劳。其中，加拿大铝业公司和美国铝业公司就为A380开发了新型铝合金材料。

    早在1998年，加拿大铝业公司就与空客公司达成协议，共同组建为A380飞机攻关的集成项目团队，一起开发新型铝合金材料。根据A380各部件的特点，加拿大铝业公司开发出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列铝合金。每种合金都具有不同的性能和特点。

    以7040-T7651合金为例，A380外翼的前梁和中央翼梁对材料的静强度以及断裂韧性提出了很高的要求。同时，材料还必须具有良好的延展性和机械加工性。为了实现上述目标，加拿大铝业公司对原有合金AA7010/7050-T7651进行了改进，开发出新型合金7040-T7651。这种合金具有高静强度、高韧性、低残余应力和良好的延展性等特点。

    美国铝业公司成立于1888年。一百多年来，该公司研发了一系列铝合金材料，为航空工业的发展作出了重要贡献。

    美国铝业公司也参与了空客A380的研发。为了实现飞机结构件的整体化、大型化，该公司开发出可用于整体结构的新型铝合金7085大型锻件，其截面厚度可达300毫米。在A380项目中，用7085锻件制造的应急舱门，零件数量从147个减至40个，紧固件由1400个减至450个，重量减轻了20%，成本降低了20%?25%，承载能力和疲劳寿命也得到了显著提高。

    02合金家族之二：钛合金

    钛及钛合金材料密度低、比强度高（目前金属材料中最高）、耐腐蚀、耐高温、无磁、组织性能和稳定性好，可以与复合材料结构直接连接，而且两者之间的热膨胀系数相近，不易产生电化学腐蚀，具有优良的综合性能。因此，钛合金在航空领域得到越来越广泛的应用。

    1949年，美国道格拉斯公司在DC-7运输机的发动机舱和隔热板上，第一次使用了钛合金。洛克希德公司的“黑鸟”高空高速战略侦察机SR-71，飞行速度超过3马赫，在高速飞行时，机体表面温度将超过常规铝合金蒙皮的极限，如果用钢制造，飞机重量会大大增加，影响飞行速度和升限等性能。因此，SR-71的机身大量采用了钛合金，总重达30多吨，占飞机结构重量的93%。

    随着人们对飞机性能要求的不断提高，民用飞机的钛合金用量也在逐渐增加。早期波音707上的钛合金部件用量仅占结构总重量的0.2%，到最新的波音787，占比高达15%。

    此外，钛合金也是制造航空发动机的主要材料。早期美国F-4战斗机使用的J79发动机，钛合金的用量只有50千克，不到总重量的2%。而现在大多数航空发动机的钛用量已经达到发动机总重量的25%?30%。如波音747、767的发动机JT9D，其用钛量为总重量的25%;空客A320的V2500发动机，其用钛量为总重量的31%。

    钛合金的另一大用途是作为螺栓、铆钉等紧固件材料。这些紧固件虽小，但用量却很大，使用钛合金紧固件可以大大减轻重量。据估算，C-5大型运输机有70%的紧固件为钛合金紧固件，飞机因此而减重1吨左右。

    现在钛合金3D打印技术已用于飞机制造。钛合金3D打印技术由于摆脱了传统的模具制造这一显著延长研发时间的环节，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造结构十分复杂的金属零件，因而为先进飞机结构的快速研发提供了有力的技术手段。

责任编辑：班英飞

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