航空結構材料

航空結構材料

航空結構材料泛指用於製造航空飛行器的材料、機體材料和發動機材料。其中發動機材料是航空材料中最重要的結構材料。航空材料是航空技術裝備發展的物質基礎，是材料科學與工程套用的一個十分活躍、非常重要的領域。

高性能、高功能及多功能、複合化、智慧型化、低成本和高環境相容性是未來航空結構材料的重要發展趨勢。

基本介紹

  • 中文名：航空結構材料
  • 外文名：Aeronautical Structural Materials
  • 英文縮寫：ASM
  • 作用：製造航空飛行器
  • 特性：高強度、耐高低溫、抗腐蝕等
  • 種類：鋁合金、高強度鋼、複合材料等
簡介,戰鬥機發展現狀,機體選材特點,發展趨勢,鋁合金,高強度鋼,

簡介

航空結構材料泛指用於製造航空飛行器的材料、機體材料和發動機材料。其中發動機材料是航空材料中最重要的結構材料。高性能（輕質、高強度、高韌性、耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等）、高功能及多功能（機載設備與隱身結構要求的高功能光、電、聲、熱、磁材料等）、複合化（可明顯減輕結構重量和提高結構效率的結構複合材料等）、智慧型化（具有智慧型材料和職能結構的機翼、蒙皮等）、低成本和高環境相容性是未來航空結構材料的重要發展趨勢。

戰鬥機發展現狀

隨著航空技術的發展和作戰任務的需要，世界各國在不斷研製新一代的作戰飛機。美國與前蘇聯至20世紀80年代已研製成功並投人使用的第三代戰鬥機主要有：F-15、F-16、F-18、米格-29、蘇-27等，2000年也以此為主。

機體選材特點

第三代戰鬥機的機體選材特點基本上是以傳統的高強度和高剛度的7000系列和韌性較好的2000系列的鋁合金為主，鈦合金的用量較之第二代戰鬥機有明顯增高，並採用了少量的複合材料和鋼。以F-15為例，其機體材料用量比例為：鋁合金占35.3%，鐵合金占26.5%，複合材料占1.2%，鋼材占4.4%。
20世紀80年代開始提出對第四代戰鬥機的需求，如YF-22戰鬥機等。
第四代戰鬥機的突出性能表現在：
  1. 具備優越的機動性能，能實施超音速機動。
  2. 在不開加力的情況下，實現超音速巡航。
  3. 具備一定的隱身功能。
  4. 具備良好的使用維護性、高可靠性及長壽命。
第四代戰鬥機的突出特點是對材料提出了更高的要求，在綜合了第三代戰鬥機及其之後所開發材料的基礎上，第四代戰鬥機機體選材特點主要表現在：
  1. 為進一步減輕飛機結構重量，提高飛機推重比和機動性，採用了高比強、高比模的金屬材料、樹脂基複合材料，以及一部分金屬基複合材料。
  2. 為克服超音速飛行所帶來的熱載荷問題，鈦合金用量仍占較大比重；為進一步提高結構效率，採用了鈦合金超塑成形一擴散連線等新工藝。
  3. 為具備隱身功能，採用了結構型和塗覆型隱身材料。
  4. 為提高機體和機載設備的戰術性能指標，採用了形狀記憶合金、超導、阻尼減震、新型電子和光學等功能材料。
以F-22原型機選材為例：複合材料占35%(其中20%為熱固性複合材料，15%為熱塑性複合材料)；鈦合金占33%，其中有傳統的Ti-6Al-4V合金和Ti-62222(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si)；鋁合金占11%；鋼占5%；其他占16%。

發展趨勢

航空結構材料中，鋁合金、鈦合金、高強度鋼等占有較大比重，但同時也面臨著高聚物複合材料、金屬基複合材料和非金屬材料越來越大的挑戰。

鋁合金

在當今和未來的飛機設計中，鋁合金是並將繼續是主要的結構材料之一，如在F-15及YF-22型號中，鋁合金分別占35.3%和11%.鋁合金之所以能夠保持在航空結構材料領城的地位,主要有三個方面的原因：
一是鋁合金本身所具有的比強度高、加工性能好、成本低廉的特點；
二是通過改進熱處理狀態，每種合金可獲得不同的性能級別，並不斷地改善綜合性能，充分發揮合金的潛力和效用。如美國Alcoa公司發明的具有專利權的T77熱處理狀態，能使7X50合金強度相當於T6狀態，而抗腐蝕性能則與T76相當，達到了強度與抗腐蝕能力的良好結合；
三是通過降低合金中鐵、矽等雜質含量，研製出一系列高純、高強、高韌的新型鋁合金，提高了合金的疲勞強度、斷裂韌性，降低了裂紋擴展速率，改善了抗應力腐蝕性能。如2124、2324、7475、7150等合金就是具有代表性的幾種新型鋁合金。

高強度鋼

近年來，由於比重較輕的高強度β型鈦合金、粉末冶金鋁合金及複合材料的迅速發展，鋼的用量有所減少。儘管如此，飛機的起落架、主梁、大應力接頭等關鍵主承力構件仍採用高強度鋼製造，而且要求越來越高。在20世紀40年代初，美國把4140鋼用作飛機起落架時，強度水平約為1200MPa，而現在所用鋼的強度已提商到2000MPa左右，並發展成為幾大類。按合金含量分主要有：
一是低合金超高強度鋼，這類鋼主要靠馬氏體相變和低溫回火析出碳化物達到高強度，具有成分簡單、工藝方便、價格便宜、強度水平高等優點，但焊接性和氫脆敏感性方面尚不夠理想。
二是中合金(二次硬化型)超高強度鋼，這類鋼是為適應飛行速度提高、構件工作溫度超過300℃這一要求而發展的。這類鋼具有淬透性好、回火穩定性高等優點，但也存在韌性較低、缺口敏感的缺陷，使用受到一定的限制。
三是高合金超高強度鋼，這類鋼主要靠低碳馬氏體和碳化物二次硬化達到高強度、高韌性的目的。這類鋼具有抗應力腐蝕性好、裂紋擴展速率低、斷裂韌性高等優點，但強度水平稍低。
高強度鋼領域進一步發展的目標應該是：在保持鋼的超高強度的同時，使其韌性和抗應力腐蝕性能等有大幅度提高。這種鋼適於製造艦載飛機的起落架、噴氣發動機主軸，以及高強度螺栓、傳動裝置及結構用管材等。

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