形状记忆合金在航空工业中的应用研究进展.doc

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形状记忆合金在航空工业中的应用研究进展

形状记忆合金在航空工业中的应用研究进展 摘 要 : 形状记忆合金具有高能量密度 ,作为驱动器使用不会引起重量的显著增加和空间的过度占用 ,因而在航空航天器的一些结构中具有良好的应用前景。本文对航空工业中使用形状记忆合金作为驱动器 ,应用于飞机机翼结 构、 进气道结构和发动机的相关研究进行了总结 ,并提出形状记忆合金在航空工业中应用的未来研究方向。 关键词 :形状记忆合金 ;机翼 ;进气道;喷气式发动机    形状记忆合金(SMA) 作为一种具有特殊性质的材料 ,在工程应用中具有良好前景。特别是 SMA 具有很高的能量密度 ,不会引起重量的显著增加 ,使其倍受航空工业的关注。在宏观层面下 ,SMA 具有 两个基本的性质:形状记忆效应 (SME) 与超弹性 (SE) 。形状记忆效应是指 SMA 在外力作用下发生 较大的塑性变形 ,在经历升温后回复到外力作用前 的状态;SE 是指 SMA 在较高的温度状态下 ,在加 载过程中产生较大的应变 ,在撤除载荷后仍可以恢 复到原来的形状[1] 。利用 SMA 的记忆效应提供的 大回复力以及大回复位移 ,使其已应用在宇宙飞船 天线形状、 飞行器机翼、 发动机喷口的形状控制及对 这些结构的振动控制[2 ,3] ,Andrew Peter Jardine 等 还利用 SMA 在提高飞行器舱门密封上获得了专 利[4] 。利用 SMA 超弹性的滞回特性 ,可以用于工 程结构中的振动控制[5] 。SMA 在不同转变温度下 表现出的不同性质 ,是其内部固2固相转变造成的。 SMA 的相转变温度可以在 - 150 ℃~200 ℃之 间通过合金的成分和热处理工艺进行调节 ,相变的 四个关键温度点分别为 :马氏体结束温度 ( Mf ) ,马 氏体开始温度( Ms) ,奥氏体开始温度( As ) ,奥氏体 结束温度( Af ) [6] 。SMA 在加热至奥氏体开始温度 以上时 ,发生从马氏体到奥氏体的相变;当 SMA 冷 却时 ,在奥氏体向马氏体转变之前还要发生中间相 R 相变[7] 。目前大规模使用的金属作动器一般都是 NiTi 族记忆合金 ,其已经商业化并且具有良好的工 程特性 ,但是在截面尺寸、 性质的可重复性以及相变 温度等存在一些限制。镍钛族合金的相变点温度对 合金中的钛镍比例非常敏感。其成分中任一种改变 011 %都会引起相变点温度发生 10 ℃的变化[8] 。 SMA 的这些特点 ,使其在航空工业中的应用研究非 常活跃 ,特别是在机翼结构、 进气道结构及发动机中的研究应用受到了“智能翼计划”、 SAMPSON 计划等的支持。 自上个世纪30年代人们发现Au-Cd合金具有记忆效应以来,进过几十年的研究,发现的形状记忆合金按相变特征类,可分成如下几个系列[28]: 1、由热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金 1) TiNi系列,发生体心立方——无公度相——菱方R相——单斜BI9相变。包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(宽滞后)、TiNiCo等。 2) β铜基合金系,包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),发生体心立方—近正交γ1’(2H)或单斜β1’(18R1), γ1’—单斜β1”(18R2),β1”--单斜α1, β1’--单斜α1相变(视应力大小而定);Cu-Zn-Al-X(Cu-Zn-Al-X,X=Mn或Ni等),发生体心立方(β2、DO3或Lα1)--单斜9R或18R相变;其它,如Cu-Zu和Cu-Zn-X(X=Si、Sn、Au等)。 3) 其它有色合金系,包括:Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ti-Nb、Co-Ni、Ni-Al等。 4) Fe3Pt(γ—α’,γ—fct)和Fe-30at%Pd(γ—fct)。 5) Fe-Ni-Co-Ti系,发生时效γ一薄片状α’(bcc和bct)马氏体相变,如Fe-33Ni-l0Co-4Ti、 Fe-31Ni一I0Co-3Ti及Fe-33Ni-l0Co-(3~4)Ti-Al等。 2、由非热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金 1) Fe-MIn-Si系,发生γ一六方ε相变,包括Fe-30Mn-1Si(单晶)、Fe-(28~33)Mn-(4~6)Si、Fe-Mn-Si-Ni-Cr、Fe-14Mn-6Si-5Ni-9Cr、Fe-20Mn-5Si-5Ni-8Cr、Fe-Mn-Si-9C、Fe-8Mn-6Si-6Ni-13Cr- 12Co等。 2) Fe-Ni-C系,发生γ一薄片状α’马氏体相变,如Fe-3INi-0.4C 和Fe-(26~28)Ni-12Co-4Al-0.4C。 其中Ni-Ti基合金的形状记忆效应最佳,是重要的形状记忆材料。Ni—Ti中具有多种相变:无公度相变、R相变(马氏体型)、马

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