分享 | 中国航天日-新型材料在中国航空航天领域的发展
2023-05-10 15:41:44
作者：材易通 来源：材易通
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近年来，国内外航空界在继续重视飞行器及发动机安全性的同时，也越来越关注节省资源、降低成本、保护环境等问题，在此背景下绿色航空产业取得了一定的进展。绿色航空涵盖了飞行器的设计、制造、使用、维修、退役、回收等的整个研制和使用过程，涉及技术领域包括绿色材料、绿色制造、绿色维修等。
所谓绿色材料，是指材料从设计、原材料选用、加工制造、包装运输、使用、回收及再利用的整个周期内，实现资源利用的最大化，并尽可能地减少使用成本以及对环境造成的影响。我国开始大力发展新材料技术，各项新材料技术取得不断突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成绩。展望未来，航空新材料将会朝着多用途、高性能、新工艺、低成本和新概念的方向发展。随着中国航空新材料领域自主研发水平的提升，我们需要从材料设计、制备工艺、材料开发以及回收再利用等方面入手、全面提高航空材料绿色化技术水平、共同创造绿色航空的美好未来。
2021是十四五的开局之年，作为整个军工产业链核心位置的新材料板块有望迎来较大的发展空间。20世纪是现代科学技术飞速发展的一个世纪，其中重要的标志之一就是人类在航空航天领域所取得的辉煌成就。进入21世纪，航空航天已展现出更加广阔的发展前景，高水平或超高水平的航空航天活动更加频繁。航空航天事业所取得的巨大成就，与航空航天材料技术的发展和突破是分不开的。材料是现代高新技术和产业的基础与先导，很大程度上是高新技术取得突破的前提条件。航空航天材料的发展对航空航天技术起到强有力的支撑和保障作用；反过来，航空航天技术的发展需求又极大地引领和促进航空航天材料的发展。可以说，材料的进步对飞机的升级换代起到关键的支撑作用。航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是航空产品更新换代的技术基础。材料在航空工业及航空产品的发展中占有极其重要的地位和作用。进入21世纪，航空材料正朝着高性能化、高功能化、多功能化、结构功能一体化、复合化、智能化、低成本以及与环境相容化的方向发展。
2020年习近平总书记深刻指出，“人类需要一场自我革命，加快形成绿色发展方式和生活方式，建设生态文明和美丽地球。”前总理李克强在2022年政府工作报告中提出要持续改善生态环境，推动绿色低碳发展，加强污染治理和生态保护修复，处理好发展和减排关系，促进人与自然和谐共生。近年来，国内外航空界在继续重视飞行器安全性的同时，也越来越关注资源节省、成本降低、环境保护等问题，在此背景下绿色航空取得了一定的进展。飞行器向着更加安全可靠、轻量化、强韧化、绿色环保的方向发展，从而对材料提出了越来越高的要求，也促进了飞行器在飞行速度、可靠性、低成本、高效率和舒适度等方面的升级。在新的产业形势下，发展高端航空绿色材料及其制备、加工技术对支撑我国航空事业的可持续发展意义重大。总而言之，在全球现代化工业高速发展的推动下，航空材料的绿色化发展是必然趋势，也是经济发展的迫切要求。
飞机材料一定程度上决定了飞机机体结构的制造成本。由于中国航空装备早期以引进为主，因此在材料选用上主要沿用国外的材料体系，近些年来，我国开始大力发展新材料技术，各项新材料技术取得不断突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成绩。但是目前航空新材料产业的整体水平与国际先进水平相比仍存在不小的差距。
（一）钛合金：性质优良的“万能金属”
钛金属具有低比重和高比强度的特性，其合金在航空航天领域对于提升飞行器推重比有重要意义，近年来受到广泛使用。除军工、航空航天领域之外，钛合金还较多应用于化工、冶金、医疗、体育休闲等领域。1）高温钛合金：高温钛合金主要用在飞机襟翼滑轨、轴承壳体、支架、发动机罩、压气机盘和叶片、机匣等结构框架件。这些构件要求材料在300～600℃的高温条件下具有较高的比强度、疲劳强度、蠕变抗力及组织稳定性。目前代表国际先进水平的高温钛合金牌号主要有美国的Ti-6242S、Ti-1100，英国的IMI834，俄罗斯的BT36等。2）高强度钛合金：高强度钛合金通常是指抗拉强度大于1000MPa的钛合金，主要用来替代飞机结构中常用的高强度结构钢，可实现重量减重10%。目前，应用于飞机上的高强度钛合金主要以β型钛合金为主，具有代表性的主要有Ti-1023，BT22，Ti-153，β-21S等。3）阻燃钛合金：目前，比较典型的阻燃钛合金有美国的Alloy C、俄罗斯的BTT-1。美国研制的Alloy C（Ti-35V-15Cr）合金是一种β型钛合金，该合金具有良好的高温强度和抗氧化能力，已被应用于Fl19发动机的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管。俄罗斯研制的Ti-Cu-Al系BTT-1阻燃钛合金具有良好的热加工性，已被用于发动机压气机机匣和叶片。 1）高温钛合金：Ti-60合金是我国自主研制的一种600℃高温钛合金。该合金是在TAl₂（Ti-55）合金的基础上添加了适当含量的Al，Sn，Si元素，从而进一步提高了合金的热稳定性、高温蠕变性能和高温抗氧化性。2）高强度结构钛合金：我国在20世纪70～90年代自主研发了一批高强度结构钛合金。这些钛合金的强度均可以达到1100-1300MPa的水平。21世纪初研发的代表β钛合金有2种：①近β钛合金Ti-B18，抗拉强度可达1150～1350MPa；②亚稳定β钛合金Ti-B20，抗拉强度可达1200～1600MPa。3）阻燃钛合金：多年来，我国在阻燃钛合金方面进行了深入的研究，参照AlloyC合金，分别设计了Ti-V-Cr-Al，Ti-Mo-Cr-Al，Ti-Mo-V-Cr-Al3个系列的阻燃钛合金，并利用计算机模拟手段进行了抗燃烧机理的研究。此外，在系 统地分析了美国、英国、俄罗斯3个国家不同体系的阻燃钛合金之后，分别设计了TF1(Ti-V-Cr-C系)和 TF2（Ti-Cu系）阻燃钛合金。Ti-40（Ti-V-Cr-Si）合金是我国自主研发的β型阻燃钛合金，与常规钛合金相比，Ti-40合金具有优异的阻燃性能和力学性能。目前，该合金研究已由实验室规模发展到半工业化规模，已经能够制备Ti40吨级铸锭、大规格棒材和环锻件。由于国内航空制造业起步较晚，钛及钛合金材料在我国航空领域的用量并不大，用于航空领域的钛材占比不到20%，远低于50%左右的国际平均水平，与钛工业发达国家相比仍存在不小差距：一是高端钛合金产品仍以仿制为主，材料研制水平较低，应用范围较窄，高综合性能低成本钛合金的研制也大多处于实验室阶段；二是冶金质量不稳定，品种较少，规格不全；三是相关配套技术的研究进展缓慢，自主研发的钛合金材料体系有待完善。
（二）高温合金：重点关注军用发动机需求
传统钢铁在300摄氏度以上会软化，无法适应高温环境。为了追求更高的能量转化效率，热机动力领域需要的工作温度越来越高。高温合金因此孕育而生，在600摄氏度以上的高温环境中还可以稳定工作，并且技术不断进步。高温合金按合金的主要元素分为铁基高温合金、镍基。根据智研咨询，2018年以产品工艺区分，镍基高温合金产量占比为80%，铁基高温合金产量占比14.3%，钴基高温合金产量占比5.7%。高温合金是航空发动机的关键材料。高温合金从诞生起就用于航空发动机，是制造航空航天发动机的重要材料。发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平。在现代航空发动机中，高温合金材料的用量占发动机总重量的40%～60%，主要用于四大热端部件：燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘，此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。我国高温合金产业目前处于成长期，产业链企业未来发展空间广阔。我国高温合金生产企业数量有限，生产水平与美国、俄罗斯等国有较大差距，但近些年在产能与产值上皆有明显提升，炼石航空、西部超导等多家公司高温合金产能项目在建设投产中。由于我国资源缺镍少钴，铁基高温合金的研制、生产和应用成为六七十年代的一道绚丽的风景线。铁基高温合金使用温度较低（600~850℃），一般用于发动机中工作温度较低的部位，如涡轮盘、机匣和轴等零件。但铁基高温合金中温力学性能良好，与同类镍基合金相当或更优，加之价格便宜，热加工变形容易，所以铁基合金至今仍作为涡轮盘和涡轮叶片等材料在中温领域广泛使用。镍基高温合金一般在600℃以上承受一定应力的条件下工作，它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能。主要用于航天航空领域高温条件下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。镍基高温合金按制造工艺，可分为变合金、铸造高温合金、新型高温合金。镍基铸造高温合金在发动机中主要用于涡轮导向叶片，工作温度可达1100°C以上，也可用于涡轮叶片，其所承温度低于相应导向叶片50-100°C。随着耐热合金工作温度越来越高，合金中的强化元素也越来越多，成分也越复杂，导致一些合金只能在铸态上使用，不能够热加工变形。并且合金元素的增多使镍基合金凝固后成分偏析也严重，造成组织和性能的不均匀。采用粉末冶金工艺生产高温合金，就能解决上述问题。因为粉末颗粒小，制粉时冷却速度快，消除了偏析，改善了热加工性，把本来只能铸造的合金变成可热加工的形变高温合金，屈服强度和疲劳性能都有提高，粉末高温合金为生产更高强度的合金产生了新的途径。粉末高温合金主要用于制造高推比先进航空发动机的涡轮盘，也用于生产先进航空发动机的压气机盘，涡轮轴和涡轮挡板等高温热端零部件。钴基高温合金的抗氧化性能较差,但其抗热腐蚀能力比镍好；钴基高温合金的高温强度、抗热腐蚀性能、热疲劳性能和抗蠕变性能也比镍基高温合金更强，适用于制造燃气轮机导向叶片、喷嘴等。我国由于资源限制，目前研制了K40、GH188和L605等钴基合金，使用范围有限。2001年以后，通用电气在钴基高温合金方面的研究主要集中在将钴基合金作为制备燃气涡轮机的基材材料，并在合金表面制备涂层如热障涂层以提高耐侵蚀性能。由于材料方面的限制，钴元素在地球上储量较少，价格较为昂贵。目前钴基研究的热度有所下降，很多科研研究也停留在数字建模试验等理论阶段。
- 一代军机一代合金，发动机用高温合金或进入快速放量期
发动机对温度的要求不断提升。高推重比需要更高的喷口温度，需要工作温度更高的材料支撑。在世界高温合金的发展历程中，发动机叶片和盘件材料分别经历了变形、铸造、定向、单晶四个阶段。适应温度从600°C逐步提升至1100°以上。军机的换代伴随着高温合金的升级。第一代涡喷发动机的核心材料是变形高温合金，核心材料工作温度650°C，到第四代的涡扇发动机，核心材料工作温度已经达到了1200°C，采用了单晶高温合金。历代军机的换代一直伴随着发动机核心材料——高温合金的升级。高温合金的升级需要研发的支持。在航空工业的发展需求牵引下，中国高温合金先后研制出了变形、铸造、等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。上述高温合金的相继问世，不断地推动航空工业向前发展。据前瞻产业研究院发布的研究数据，发动机占军用飞机成本的25%，材料成本占发动机成本的50%，而高温合金占材料成本约35%。
碳纤维具有强度高、比模量高（强度为钢铁的10倍，质量仅有铝材的一半）、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高低温等优越性能，是军民用重要基础材料，应用于航空航天、体育、汽车、建筑及其结构补强等领域。相比传统金属材料，树脂基碳纤维模量高于钛合金等传统工业材料，强度通过设计可达到高强钢水平、明显高于钛合金，在性能和轻量化两方面优势都非常明显。然而碳纤维成本也相对较高，虽然目前在航空航天等高精尖领域已部分取代传统材料，但对力学性能要求相对不高的传统行业则更看重经济效益，传统材料依然为主力军。现代碳纤维材料始于军用，目前航空航天为重要应用领域。现代的碳纤维是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维，具有良好的柔软性，且纵轴方向的强度很高，具有超强的抗拉力，属于新一代增强纤维，且碳纤维化学性质稳定，对高温耐受能力强，不易被腐蚀，是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比，碳纤维复合材料可使飞机减重，并有能力克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点。我国军用碳纤维产业链企业主要有中航高科、光威复材、中简科技等，其中中航高科偏下游，主要为航空复材产品；光威复材实现全产业链布局，为碳纤维产业龙头；中简科技布局偏上游，产品技术含量相对更高。碳纤维技术发展至今已经历三代变迁，同时实现高的拉伸强度和弹性模量是目前碳纤维研制过程中的技术难点。近年来日美从两条不同技术路径在第三代碳纤维上取得技术突破，并有望在未来5-10年内实现工业化生产，对于提高战机、武器的作战能力意义重大。东丽利用传统的PAN溶液纺丝技术使得碳纤维强度和弹性模量都得到大幅提升，通过精细控制碳化过程，在纳米尺度上改善碳纤维的微结构，对碳化后纤维中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等进行控制。以当前东丽较为先进的碳纤维制品T1100G为例，T1100G的拉伸强度和弹性模量分别为6.6GPa和324GPa，比T800提高12%以及10%，正进入产业化阶段。美国佐治亚理工学院从原丝制备工艺入手，利用创新的PAN基碳纤维凝胶纺丝技术，通过凝胶把聚合物联结在一起，产生强劲的链内力和微晶取向的定向性，保证在高弹性模量所需的较大微晶尺寸情况下，仍具备高强度，从而将碳纤维拉伸强度提升至5.5～5.8GPa，拉伸弹性模量达354～375GPa。碳纤维复合材料是指至少有一种增强材料是碳纤维的复合材料，其中最常见的是树脂基碳纤维复合材料（CFRP）。由于CFRP比强度、比弹性模量等机械性能，以及耐疲劳性、稳定性等相比传统材料有明显优势，因此在很多领域内对金属材料，尤其是轻质金属材料形成竞争取代的局面。CFRP应用场景广泛，在航空航天和体育休闲领域率先形成大规模市场，而随着21世纪以来碳纤维及其复合材料制造成本不断下降，在汽车制造、风力发电等领域应用比例在不断提高。碳/碳复合材料是以碳纤维为增强体，以化学气相沉积炭或树脂炭为基体的复合材料，主要用作刹车盘。刹车盘是以摩擦材料设计技术和制备技术为核心的刹车制动类产品，用于飞机、坦克装甲车辆和高速列车的刹车制动。在“最严酷着陆停止”实验中，即考虑其他刹车系统都损坏的情况下，飞机机轮刹车可吸收超300兆焦耳能量，温度短时间内快速上市至千度以上，因此飞机对刹车盘材料耐高温性及稳定性、减少变形等方面都有严格的要求。与钢刹车盘相比，碳刹车盘的突出优点是:由于碳/碳复合材料具有密度低、耐高温、抗腐蚀、摩擦磨损性能优异、抗热振性好及不易发生突发灾难性破坏等一系列优点，现已成为航空制动装置的首选刹车材料。现代的高性能民用客机，如波音747、波音757、波音767、空客系列、麦道系列等都采用碳/碳复合制动材料刹车装置。随着我国经济的不断发展和经济全球化的深入，整个航空业呈现出快速发展的趋势，国内营运机队数量及规模的不断扩大，给民航产品业务发展带来了巨大的机遇。而飞机刹车盘作为耗材，每次在磨损到标后都需要进行更换，市场需求量很大，目前主要依赖于进口。为了进一步提高碳刹车盘的力学性能，以提升刹车材料及飞机的安全性，以北摩高科、西安制动为代表的国内公司采用整体针刺毡联合化学气相沉积工艺制备碳刹车盘，最终实现碳刹车盘国产化。钛合金因其优异的性能特点成为航空工业最理想的结构材料。从目前发达国 家航空零件使用材料的发展趋势看，航空工业是钛合金最大的应用领域，比强度 高、密度小的钛合金材料在很长一段时间内也仍将是航空领域的主要材料之一。航空科技的飞速发展对新一代航空飞行器提出了更高的要求：超高速、高空、长航时、超远航程等等，此外为了提高飞机的可靠性，越来越多地增加了钛合金 等高性能材料的用量，因此，航空钛合金将向着高性能、低成本化的方向发展。目前的研究热点主要集中在新型钛合金材料的开发、焊接与加工成形工艺的开发 与应用、以及复杂构件的增材制造技术、低成本制造技术等方面。 航空工业对材料的要求更加注重性能与成本的平衡，低成本化将贯穿选材、结构设计、制造工艺、检测评价以及维护等产品的全生命周期，降低钛合金成本已经成为行业发展的必然趋势。首先，要摆脱航空关键材料长期依赖进口的局面， 建立自己的钛合金体系，从根本上为实现低成本制造奠定基础。其次，开发降低成本的新材料和新工艺，用价格较低的元素取代Nb、Mo和V等贵金属元素，以及大力发展近净成形新技术。
目前高温钛合金实际长时使用很难突破600℃，对于600℃以上航空钛合金的研究仍处于试验、中试阶段，与大规模开发应用还有很大的距离。另外，阻燃钛合金、高强高韧及损伤容限型钛合金的批次稳定性研究及应用已经成为众多学者关注的重点。未来对于高性能航空钛合金的研究将倾向于对现有合金进行深入挖掘，同时开发新牌号合金的研究。 近年来，随着增材制造技术的发展及应用，激光增材制造钛合金技术克服了传统技术难以生产复杂钛合金构件、钛合金冷加工变形抗力大等缺点，对大型整体结构件的制造提供了新的技术途径，且其具有与锻件相当的力学性能，钛合金增材制造技术将成为航空钛合金加工成形一条新途径。国内外在纯钛和TC4（Ti-6Al-4V）等通用型合金的回收与再利用方面取得了一定的效果，但在“高端”应用领域，我国目前仍落后于欧美发达国家，所以，发展我国的钛合金材料回收与再利用技术，建立回收与再利用材料标准与规范，研发回收与再利用高端设备与技术也成为发展绿色航空钛合金材料的方向之一。 复合材料在性能和功能上具有远超传统金属材料的优越性，各种复合材料在航空工业中得到越来越广泛的应用。新的型号需求为先进复合材料的发展提供了新的动力和机遇，先进复合材料的研制向着更高综合性能、工艺性能、低成本化及绿色环保的方向发展。其中，绿色复合材料作为复合材料大家族的新成员获得了越来越多的关注，高性能复合材料的绿色化发展从本质上讲就是绿色材料的使用以及材料的绿色制造。 据统计，目前全球CFRP产能已经超过3000t/a，使用CFRP为原料的飞机退役时就会产生约20t的碳纤维废料。因此，航空领域成了碳纤维废料的主要来源。近些年来，英国、德国、日本等国家都开始致力于开展碳纤维复合材料（CFRP）的回收技术开发并取得了一定成效。 航空复合材料的热固性树脂以环氧树脂为主体，但是环氧树脂的固化物难以降解，从而带来严重的环境污染问题，所以近年来开始了可降解环氧树脂的研究开发。从20世纪90年代开始，各国就陆续开发了一系列高性能热塑性树脂，如聚苯硫醚系列、聚醚酮系列等，此类可降解热塑性树脂复合材料在综合力学性能、耐腐蚀性以及韧性等方面都有了很大的提升，并且具备二次以及多次成型的特点，还可以进行回收和再利用，被广泛应用于航空器的主承力结构上。但是，发展新型热塑性复合材料，目前仍存在几个问题：一是基体价格高；二是大型和复杂构件自动化成型技术难度以及质量稳定性问题，而且高熔点提高了制备、成型加工的技术难度；三是以提高材料强度、刚度以及尺寸稳定性和耐高温性能等为目标的新型树脂复合材料的开发。 碳纤维是先进复合材料的主要增强体，目前国内使用的碳纤维主要依靠进口，自主研发生产碳纤维，将进一步降低先进复合材料的成本。碳纤维复合材料的低成本和绿色化制备技术主要包括：（1）开发新型的碳纤维前驱体（原丝），（2）开发各种新技术和新工艺。总而言之，在现代化工业高速发展的推动下，航空材料的绿色化发展是必然趋势，也是经济发展的迫切要求。展望未来，航空新材料将会朝着多用途，高性能，新工艺、低成本和新概念的方向发展。随着我国航空新材料领域自主研发水平的提升，我们需要从材料设计、制备工艺与技术、材料开发以及回收再利用技术等方面入手，全面提高材料绿色化技术水平，以此带动材料的不断发展与突破，共同创造绿色航空的美好未来。
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