航空航天材料及加工成形技术.ppt

一.航空航天材料的服役环境及其要求 近乎绝对的可靠性： 服役的环境大大区别于一般机械或地面及水面的运载工具，航空航天材料最大的特点就是在空中运行。 在航空航天飞行中，任何一个零部件的可靠性都提高到非常重要的地位。 必然要求构成零部件的材料必须具有近于绝对的可靠性。 轻量化： 空中或空间飞行器与一般机械差异的另一个重要特点是要千方百计减轻重量。 不但要求强度高，刚度好，而且要求重量轻。 航空航天工业中最为独特的一句口号是“为减轻每一克重量而奋斗”， “比强度”和“比刚度”：即单位重量的强度和刚度。 航空航天飞行器的工作条件十分复杂和苛刻，而且彼此之间有很大的差异。 对航空材料的主要要求是耐高温、高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。 飞机 飞机的结构 飞机制造材料的发展 早期：木材、蒙皮、金属丝、钢索等， 20世纪30年代：金属承力蒙皮 30~40年代：镁合金，不锈钢 40~50年代：50年代中期才开始有钛合金，并被用于飞机的高温部件。 60年代末期：大量使用树脂基复合材料， 以后：又出现了金属基及碳、硼等纤维增强的各类复合材料。 飞机设计已进入损伤容限设计时代(损伤容限系指结构在规定的使用周期内,抵抗由缺陷或损伤而导致破坏的能力)，对产品的高可靠性和耐久性提出了很高的要求。 构成飞机的主要的金属结构材料有铝合金、镁合金、钛合金、结构钢、高温合金及各类复合材料等。 飞机结构用材将形成“铝合金为主，钢用量明显减少，钛合金用量显著增加，树脂基复合材料在主承力结构上全面应用”的新格局。 铝合金： 高比强度、低成本、性能不断改进和应用技术相对成熟使铝合金仍然是飞机机体结构的主要材料 提高耐久性和实现结构减重等方面的需求始终牵引铝合金向高强、高韧和耐蚀（抗剥蚀和抗应力腐蚀）方向发展。 含锂的铝合金较常规铝合金有高的比强、比模和低密度 钛合金： 钛合金的发展是当今航空金属结构材料中最活跃的研究领域之一， 其比强度超过钢和铝合金，允许的工作温度高，有优异的抗腐蚀性能， 军用战斗机上被广泛采用，其占结构重量的比例已由F/A-18E/F的15%增加到F-22的41%。 树脂基复合材料： 先进树脂基复合材料具有比强度高、比刚度高，可设计性强，抗疲劳裂纹、耐腐蚀和结构尺寸稳定性好，便于复杂结构的大面积整体成形，易于实现结构承载和隐形功能一体化等突出优点。 在新一代军用战斗机、民用客机和军用直升机上的用量比例已分别达到机身结构重量的24%、11%和54%。 航空发动机 发动机材料的选择、研究、开发及使用应当建立在充分认识发动机材料使用的基本环境与要求的基础上 使用环境的基本特点是：高温，高载荷，高氧化腐蚀，而要求高性能重量比、高可靠性与长寿命。 选择材料基本性能要求：可承受的最高温度、高温比强度与比寿命、高湿抗菌化能力、韧性、导热性和加工性。 当代高推比、低油耗发动机的关键是高温结构材料。 发动机用的典型高温材料系列 高温钛合金： 钛合金与合金钢相比具有比重小、强度高、耐高温、抗腐蚀等优点。 目前在F-100和TF-39发动机上的用量已达25%和33%。 不断地提高钛合金的工作温度和强度，以代替较重的镍基高温合金，增加发动机的推重比，应是新型钛合金研究的重点。 镍基高温合金： 镍基高温合金是具有耐高温、高强韧、抗氧化、抗腐蚀、易于成形加工的宝贵材料，故又称之为超合金，是发动机中关键的材料。 目前，镍基高温合金在发动机材料中所占比重约为40%。 单晶高温合金是迄今在先进发动机中用作涡轮叶片最重要的材料，承受着最苛刻的工作条件 20世纪70年代后，为适应发动机高温高推比的要求，大大提高了涡轮盘的工作温度和应力，导致开发出某些高强合金。 金属间化合物： TiAl、NiAl及难熔金属硅化合物等金属间化合物，由于晶体中金属键与共价键共存，使其有可能同时兼有金属的韧性和陶瓷的高温性能。 比陶瓷具有两个重要特点：金属间化合物具有较好的热传导性，因而作为高温结构材料使用，其冷却效率较高而热应力较小；其次，某些金属间化合物（如TiAl，NiAl）可以采用常规的冶金方法进行生产。 高温复合材料： 高温金属基与金属化合物基复合材料具有较原基体更高的高温强度、抗蠕变性、抗冲击、耐热疲劳等优良的高温性能。 以B、C、SiC纤维增强的Ti3Al、TiAl、Ni3Al等金属化合物基复合材料 以W丝增强镍基、铁基合金以及以SiC、TiB2、Si3N4及BN颗粒增强的金属基复合材料 高温服役条件要求发展陶瓷及碳基复合材料。 从设计上对制造航空燃气涡轮发动机涡轮叶片用的材料，提出的要求： 高的抗氧化能力，即高的热稳定性； 足够的热强性，即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的能力； 满意的塑性和韧性； 更高的抗热疲劳性能，即对能引起热应力的热交换的敏感性要低；