看看航空航天材料，才知道什么是先进材料！

2016-09-30 15:58:20 作者：本网整理来源：科学出版社分享至：

    航空航天高技术产业的发展与军事应用密切相关，但更重要的是人类在这个产业部门所取得的巨大进展，对国民经济的众多部门和社会生活的许多方面都产生了重大而深远的影响，推动并改变着世界的面貌。进入21世纪之后，航空航天高技术产业将为人类认识和驾驭自然注入新的强大动力，航空航天活动的作用将远超科学领域，对政治、经济、军事以至人类社会生活都会产生更加广泛而深远的影响，并不断地创造出崭新的科技成果和巨大的经济效益。

    航空航天飞行器在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，除了依靠优化的结构设计之外，还有赖于材料所具有的优异特性和功能。由此可见，航空航天材料在航空航天产品发展中的极其重要的地位和作用。

    航天航天产品在追求轻质和减重方面可以说是“克克计较”，图1为飞行器每减重1kg所取得的经济效益与飞行速度的关系。如对航天飞机来说，每减重1kg的经济效益将近十万美元。

图1 减轻结构所得经济效益（相对值）

飞行器每减重1kg后所得经济效益与飞行速度的关系

新型材料及改型材料在军机结构减重中的重要性及发展趋势见图2，从中可见，新型材料和改进型材料与主动载荷控制、颤振抑制、自动化设计及先进结构概念等相比，在飞行器结构减重中占有主导地位，也正因为这个原因比强度和比模量这些概念在航空航天领域具有更为重要的意义。

图2 新型材料及改进型材料在军机结构减重中的重要性及发展趋势

高温材料是制约航空航天产品性能的另一类关键材料。飞机和发动机的发展对工作温度的需求见图3。

图3 飞机和发动机发展对服役温度的需求

由图可见目前飞机蒙皮的最高温度达1000℃以上，而发动机的工作温度则高达近2000℃，不同的航空航天材料的耐温性见图4。

图4 航空航天材料的耐温性

    可见，为了支撑航空航天产品提高工作温度的要求，许多新型材料如金属间化合物、陶瓷、碳/碳及各种复合材料正在加速发展之中。

    高性能航空航天结构材料对于降低结构重量和提高飞行器的结构效率、服役可靠性及延长寿命具有极为重要的作用，是航空航天材料的主要发展趋势。

    航空航天结构材料的高性能主要是：轻质、高强、高模、高韧、耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等性能。

    近来在航空航天产品设计中引入损伤容限设计的概念，意味着对材料的韧性要求更高了，有时宁可牺牲一点强度，也要确保韧性的要求，这是由于航空航天产品已发展到高可靠性、高耐久性和长寿命的要求。

    对于航空航天飞行器的动力装置来说，特别重要的是耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等性能要求，这几乎是结构材料中最高的性能要求。

    高性能材料在新一代飞行器动力装置起到了关键性的作用，如航空发动机中的单晶涡轮叶片材料和航天固体发动机中的高能推进剂材料等。

    航空发动机相当于飞机的心脏，是确保飞机使用性能、可靠性和经济性的决定因素。第四代战斗机配套的推重比为10的发动机已投入广泛使用，如美国的F119发动机已装备了F22战斗机。民用大推力涡轮风扇发动机如GE90、PW4073/4084、Trent800等为B777、A380等大型宽体客机所选用。提高推力重量比或功率重量比、提高涡轮前进口温度、提高压气机平均级压比和降低油耗是高性能军用发动机的发展方向。与军用发动机相比，民用发动机的推重比虽增加不大，但其涡轮前温度、涵道比和总增压比的增加，已促使耗油率大幅度下降，仅为军用发动机的1/3-1/4。发达国家航空发动机的产值已占整个航空工业产值的25%-30%，其性能水平很大程度上依赖于高温材料的性能水平。如新型高温合金和高温钛合金、金属间化合物及其复合材料、热障涂层材料、金属基复合材料、陶瓷基和碳/碳复合材料等。在一台先进发动机上，高温合金和钛合金的用量分别要占发动机总结构重量的55%-65%和25%-40%。发动机材料的发展目标和重点见表1。

    液体火箭发动机通常以不锈刚、高温合金、难熔金属及合金加抗氧化涂层或者碳/碳复合材料加涂层材料为主。涡轮泵是液体火箭发动机的关键部件，其中涡轮盘和叶片工作条件最为苛刻，早期曾采用不锈钢，后来发展演化为铁基、镍基、钴基的高温合金以及它们的金属间化合物。

    当代高性能固体火箭发动机的主要特征是“高能-轻质-可控”，三者互相关联，而且是以材料和工艺技术为基础集成起来。

    先进的材料及新工艺的全面应用是提高固体火箭发动机性能的一项决定性因素。表2列出液体和固体火箭发动机对材料的需求。

从前面列举的航空航天材料的发展历程和趋向可以看出，先进航空航天产品构件越来越多地采用高性能的新型材料以满足日益提高的性能要求，特别是在承受高温的构件方面，以金属间化合物、高温合金、单晶合金、难熔合金及先进陶瓷材料等为代表的新型材料扮演了日益重要的角色。

图5 航空航天未来发动机用材的预测（NASA）

图5为美国航空航天局对先进航空发动机用材趋势的预测，可以看出，到2020年Ti基复合材料、TiAl及Ni、Fe基金属间化合物、陶瓷复合材料，难熔合金与Ni基高温及单晶合金等将占发动机用材料的百分之八十五左右，其中相当一部分关键高温构件要采用凝固和塑性加工制备。就以TiAl基合金来说，GE公司宣布，波音787选用的GENX发动机低压涡轮后两级叶片采用TiAl合金可减重200公斤，表3为GE公司TiAl基合金的应用情况与发展计划。