工程材料-大飞机对材料的选用

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工程材料的分类与选用————大飞机对材料的选用工程材料有各种不同的分类方法。一般都将工程材料按化学成分分为:金属材料(Metalsmaterials)；陶瓷材料(Ceramicsmaterials)；高分子材料(Highpolymermaterials)；复合材料(Compositesmaterials)；功能材料(Functionalmaterials)。大型运输类飞机在国内外都有巨大的市场需求，对我国国民经济发展和科技进步有重大带动作用。发展我国大型飞机产业，研究生产具有自主知识产权和为市场所接受的大型运输类飞机，并在商业竞争中取得成功，实现航空工业产业大发展，是国家的意志，也是提高综合国力的必然要求。对飞机结构设计而言，除了安全因素之外，减轻结构重量是另一主要技术要求。飞机结构重量占全机重量之比值是衡量飞机结构设计先进性的最重要指标。大型飞机讲求安全性、经济性、舒适性、环保性。合理的结构选材方案不仅是大型飞机能否获得商业成功的技术保障，而且将有利于提升先进结构材料的研究水平和应用水平。一、金属材料(Metalsmaterials)金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属和其合金分为两大部分： 黑色金属材料：铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)；有色金属材料：黑色金属以外的所有金属及其合金。应用最广的是黑色金属。以铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料90％以上。黑色金属材料的工程性能比较优越，价格也较便宜，是最重要的工程金属材料。有色金属按照性能和特点可分为：轻金属、易熔金属、难熔金属、贵金属、稀土金属和碱土金属。它们是重要的有特殊用途的材料。有色金属中广泛应用于飞机工程中的有铝合金和钛合金。1、黑色金属含碳量小于2.11％的合金称为钢，含碳量大于2.11％的合金称为铸铁。（1）钢及其合金的分类钢的力学性能决定于钢的成分和金相组织。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响。在工程中更通用的分类为：1）按化学成分分类。可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。2）按主要质量等级分类：①普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素钢；②普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢；③普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢。（2）工程中常用钢及其合金的性能和特点1）碳素结构钢。 碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能（如焊接性能、压力加工性能等），必要的韧性、良好的塑性以及价廉和易于大量供应，通常在热轧后使用。在桥梁、建筑、船舶上获得了极广泛的应用。2）低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢比碳素结构钢具有较高的韧性，同时有良好的焊接性能、冷热压力加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。3）合金结构钢。合金结构钢广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为合金结构钢。4）不锈耐酸钢。它在化工、石油、食品机械和国防工业中广泛应用。按不锈钢使用状态的金相组织，可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体加奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类。①铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主要合金元素。高铬钢有良好的抗高温氧化能力，在氧化性酸溶液，如硝酸溶液中，有良好的耐蚀性，故其在硝酸和氮肥工业中广泛使用。高铬铁素体不锈钢的缺点是钢的缺口敏感性和脆性转变温度较高，钢在加热后对晶间腐蚀也较为敏感。②马氏体型不锈钢。铬是钢中的主要合金元素。通常用在弱腐蚀性介质，如海水、淡水和水蒸汽等中，使用温度小于或等于580℃、通常作为受力较大的零件和工具的制作材料，由这种钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。③奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬和镍。这类钢具有高的韧性、低的脆性转变温度、良好的耐蚀性和高温强度、较好的抗氧化性以及良好的压力加工和焊接性能。④铁素体+奥氏体型不锈钢。⑤沉淀硬化型不锈钢。这类钢主要用于制造要求高强度和耐蚀的容器、结构件零件，也可用作高温零件，如汽轮机零件。5）铸钢。铸钢具有较好的强度、塑性和韧性，可以铸成各种形状、尺寸和质量的铸钢件。（3）铸铁的分类。大部分机械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。某些承受冲击不大的重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁价廉，切削性能和铸造性能优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。1）铸铁的分类按照石墨的形状特征，铸铁可分为灰口铸铁（石墨成片状）、球墨铸铁（石墨成球状）和可锻铸铁（石墨成团絮状）三大类。按照铸铁成分中是否含有合金元素，可分为一般铸铁和合金铸铁两大类。一般铸铁可分为普通铸铁和变质（孕育）铸铁。2）工程中常用铸铁的性能和特点：①灰口铸铁。基体可以是铁素体，珠光体或铁素体加珠光体，相当于钢的组织。②球墨铸铁。球墨铸铁综合机械性能接近于钢。可用球墨铸铁来代替钢来制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。③蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。 ④可锻铸铁。可锻铸铁可以部分代替碳钢。⑤耐磨铸铁。耐磨铸铁是在磨粒磨损条件下工作的铸铁，应具有高而均匀的硬度。⑥耐热铸铁。耐热铸铁是在高温下工作的铸件，如炉底板、换热器、钳锅、热处理炉内的运输链条等。⑦耐蚀铸铁。耐蚀铸铁是主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。（4）飞机中应用的结构钢与不锈钢结构钢与不锈钢是飞机的重要结构材料之一。虽然作为结构材料其用量比例在逐渐减少，但对于自身重量及载重量均很大的飞机来说，一些主要的承力构件如起落架外筒、内筒、重要轴类、重要接头、螺栓等仍需要超高强度钢和高强度钢制造，尤其对工作条件极其苛刻，承受巨大的载荷的起落架部件，非超高强度钢莫属。1）用超高强度钢40CrNi2Si2MoVA（300M）或CNG2000（AerMet100）制造起落架主承力件。2）用具有高强度与高韧性的16Co14Ni10Cr2Mo（AF1410）钢制造平尾大轴。3）襟翼滑轨、作动筒、螺杆等重要承力构件可采用30CrMnSiNi2A钢制造。4）选用沉淀硬化不锈钢（如PH13-8Mo、1Cr15Ni4Mo3N、0Cr17Ni5Mo3、0Cr16Ni6等）制造多种重要承力、抗腐蚀、抗应力腐蚀接头等零件，降低零部件因腐蚀或腐蚀疲劳而引起的破坏几率。5）用0Cr21Ni6Mn9N钢管材制造液压系统导管。6）用0Cr18Ni9钢板材和带材制造冷变形成型零件。2、有色金属（1）铝及其合金工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。1）防锈铝合金（LF）。主要用于焊接件、容器、管道或承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。2）硬铝合金（LY）。低合金硬铝塑性好，强度低。主要用于制作铆钉，常称铆钉硬铝；标准硬铝合金强度和塑性属中等水平。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋桨叶片及大型铆钉等重要零件；高合金硬铝合金元素含量较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作重要的销和轴等零件。3）超硬铝合金（LC）。这类合金的抗蚀性较差，高温下软化快，多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。4）锻铝合金（LD）。这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件。（2）飞机中应用的先进铝合金铝合金具有密度小、综合性能优良、成本低等优点，长期以来在飞机结构上获得广泛应用，传统上人们习惯于在易于发生损伤的部位采用2024铝合金，在强度要求高的地方采用7075铝合金。自这两种合金问世以来，以其在强度、成本及其它性能方面的优势使用了多年。新型铝合金不断被研究生产并用于飞机构件中。据波音公司报道，自1943年以来，在7075和2024之后，约有20%的新型结构铝合金在波音飞机上获得广泛应用。7150合金，其成分与7075合金相比有较大变动，增加了Zr、Cu含量，Fe、Si杂质大量降低，从而使该合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性明显优于7075，特别是其淬火敏感性低，因此很适于作厚截面锻件； 2324-T39和2224-T3511合金，是在2024的基础上加以改进，其断裂韧性和抗应力腐蚀性能都有显著提高，属于第三代高纯铝合金。铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能，用其替代常规铝合金，可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%。我国的铝锂合金研究起步于上世纪60年代初，80年代国家科委将铝锂合金的研究列为重点攻关项目，中南大学、东北大学、西南铝加工厂、航天703所、航空621所、北京航空航天大学、西北工业大学等承担了铝锂合金研究的国家攻关任务。“七五”期间我国的铝锂合金研究工作掀起高潮，研制出中强可焊的1420合金和高强度的2090合金，并生产出了小规格板材、型材，并自行研制了我国第一条1吨级铝锂合金熔铸机组。“九五”期间我国从俄罗斯引进的6吨级铝锂合金熔铸机组和技术已通过验收，现已能生产出310×1280×3000mm的方锭和Φ650mm圆锭，还开展了2195合金攻关和研究，该研究项目已达到攻关指标要求。铝锂合金虽然具有很多优良性能，但其塑性和断裂韧性较差，短横向强度较低，各向异性较大，长时间在60～135℃暴露后合金的韧性变坏。铝锂合金的各向异性比常规铝合金的高，主要是由较高程度的变形织构和铝锂合金沉淀相强烈地相互作用引起。下一步铝锂合金的研究应集中在如何改善工艺、稳定性能、降低成本。我们知道铝锂合金正在更多的应用于飞机制造中所。（3）钛及钛合金钛及钛合金。钛熔点高，热膨胀系数小，导热性差，强度低，塑性好。钛具有优良的耐蚀性和耐热性，其抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢，而在较高温度下钛材仍能保持较高的强度。常温下，钛具有极好的抗蚀性能，在大气、海水、硝酸和碱溶液等介质中十分稳定，但在任何浓度的氢氟酸中均能迅速溶解。按照退火（空冷）状态的相组成，钛合金一般分为型、型和型三种类型。1）退火组织以相钛合金为基体的单相固溶体合金称为型钛合金（TA）。这类合金中的合金元素主要是稳定元素和中性元素，不含或只含很少量的稳定元素。型钛合金的优点是组织稳定，热稳定性、焊接性、抗腐蚀性能和蠕变性能好，缺点是强度较低，不能热处理强化。2）退火组织为相的钛合金称为型钛合金(TC)。型钛合金室温稳定状态下含有5％-25％的相，由于从相区快速冷却时，会发生马氏体转变，故称为马氏体型钛合金。这类钛合金具有较好的综合机械性能，可热处理强化，热压力加工性好，在中等温度下耐热性也比较好，但组织不够稳定，焊接性不好。3)钛合金(TB)中含有足够多的稳定元素，在适当冷却速度下室温组织全部为相。通常可分为可热处理钛合金（亚稳定钛合金）和热稳定钛合金。可热处理钛合金，在淬火状态下有非常好的工艺塑性，可以进行板材冷成型，并能通过时效处理获得高达1300～1400MPa的室温抗拉强度。(4）飞机中应用的钛合金钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点，并能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，因而在先进飞机及发动机上获得了广泛应用。钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要指标。我国大型飞机对减重和长寿命有着很高的要求，不仅在钛合金用量上要达10%左右，而且应尽量采用国内外先进的钛合金，以满足我国大型飞机的设计要求。1) 钣金零件：低强度钛合金选TC1或TA2，中强度钛合金选TC4合金和超塑性成形用超细晶TC4合金，高强度钛合金选用TB5。2)锻件、模锻件：中等强度钛合金首选TC4，焊接结构的大型重要承力构件首选TA15（BT20）合金，高强度钛合金选用TC18（BT22），损伤容限型钛合金选用TC21。3)管材：抗拉强度³470MPa的管材选用TA16钛合金，抗拉强度³620MPa的管材选用TA18钛合金。4)紧固件：一般要求紧固件选用TC16（BT16）钛合金冷镦后或冷变形强化后直接使用，有温度要求或疲劳性能要求较高的紧固件选用TC4钛合金。5)管接头：在压力要求较高的液压系统等管接头视情选用NiTiNb合金。6)铸件：钛合金铸件选用中等强度铸造钛合金ZTC4。二、陶瓷材料(Ceramicsmaterials)陶瓷材料是人类应用最早的材料。它坚硬，稳定，可以制造工具、用具；在一些特殊的情况下也可以用作结构材料。（1）陶瓷材料属于无机非金属材料，是不含碳氢氧结合的化合物，主要是金属氧化物和金属非氧化物。陶瓷材料主要是以粘土为主要成分的烧结制品，它具有结构致密、表面平整光洁，耐酸性能良好等特点。它一般包括无机玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷三类。作为结构和工具材料，工程上应用最广泛的是陶瓷。按照成分和用途，工业陶瓷材料可分为：1）普通陶瓷（或传统陶瓷）。主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料。2）特种陶瓷（或新型陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷、先进陶瓷）。主要为高熔点的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等烧结材料。3）金属陶瓷。主要指用陶瓷生产方法制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制品。（2）飞机中应用的陶瓷材料利用陶瓷材料制造更加先进的发动机，利用陶瓷材料的耐高温性能制造飞机喷气处绝热装置。三、高分子材料(Highpolymermaterials)高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性能，以及重量轻等优良性能，在是工程上的发展最快的一类新型结构材料。（1）高分子材料按其分子链排列有序与否，可分为结晶聚合物和无定型聚合物两类。结晶聚合物的强度较高，结晶度决定于分子链排列的有序程度。高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：1）塑料。主要指强度、韧性和耐磨性较好的、可制造某些机械零件或构件的工程塑料。分为热塑性塑料和热固性塑料两种。2）橡胶。通常指经硫化处理的、弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶两种。3）合成纤维。指由单体聚合而成的、强度很高的聚合物，通过机械处理所获得的纤维材料。 高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。（2）飞机中应用的高分子材料高分子材料的易得、易监测、可修复性能符合大中型飞机可维护性对材料的要求。高分子材料较轻，对飞机的减重很有利。开发新型阻燃的高分子材料符合大中型飞机安全性对材料的要求。如：氟碳涂料是近年兴起的一种高功能涂料，由于氟树脂分子中含有化学结合力特强的C-F键，加之氟元素是元素周期表中电负性最强的元素，对核外层电子吸引力强，难以阳极化，且氟原子体积大而具有空间位阻效应，使主链的稳定性大大增加，在受热、光（包括紫外线）、各种化学介质及溶剂作用下，C-F键难以断裂，故氟碳树脂具有超强的耐候性、耐化学品性、耐磨性及耐高温性等。由这类树脂制成的氟碳飞机蒙皮涂料具有其他涂料难以达到的优异性能。四、复合材料(Compositesmaterials)（1）复合材料就是用两种或两种以上不同材料组合的材料，其性能是其他单质材料所不具备的。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。1）聚合物基复合材料。聚合物基复合材料是将强化物质添加到聚合物内，以增加所需的物质。单晶/须晶、黏土、滑石、云母等低长宽比之片状填充料可以提高材料的劲度；然而，纤维、玻璃纤维、石墨、硼等高长宽比的填充料可以同时提高拉伸强度和劲度。2）树脂基复合材料。纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。目前常用的有：热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后又变硬。热固性树脂只能一次加热和成型，在加工过程中发生固化，形成不熔和不溶解的网状交联型高分子化合物，因此不能再生。复合材料的树脂基体，目前以热固性树脂为主。3）金属基复合材料。以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。按所用的基体金属的不同，使用温度范围为350～120℃。其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。由于这类复合材料加工温度高、工艺复杂、界面反应控制困难、成本相对高，应用的成熟程度远不如树脂基复合材料，应用范围较小。4）陶瓷基复合材料。 陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。（2）飞机中应用的复合材料先进复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性、结构整体化、降低全寿命成本等优点，可以大幅度减轻机体结构重量、改善气动弹性，提高飞机的综合性能，因此先进复合材料在飞机上的应用不断得到扩大。早在40年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料作雷达罩。60年代美国在F－4、F-111等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。树脂基复合材料具有性能优异，具有成形工艺多样性等特点，已成为与传统材料如铝合金、钢、钛合金一样重要的飞机结构主要材料；复合材料所占机体结构重量和所占机体表面积已成为飞机先进性的标志之一。大型飞机的复合材料用量将达结构重量的20％左右。我国大型飞机用复合材料拟选用的树脂为环氧类树脂（中温固化环氧树脂为主），增强材料为T300系列碳纤维（用于承力和次承力构件），EW和SW玻璃布（用于天线罩、雷达罩和非承力构件）；芯材为Nomex蜂窝和铝蜂窝。1）3218/SW或EW复合材料用于雷达罩、天线罩等；2）3234树脂基复合材料用于层合结构件；3）5224树脂基复合材料用于使用温度和力学性能要求较高部位的层合结构件；4）LT系列低温固化树脂体系复合材料用于次承力构件；5）GLARE层板用于后货舱门和机身结构蒙皮等；6）夹层结构芯材选用国内成熟的Nomex蜂窝、耐久铝蜂窝系列，成形工艺方法采用预浸料/热压罐成形工艺为主，兼顾低成本成形工艺方法。7）成形工艺方法以预浸料/热压灌成形工艺为主，兼顾低成本成形工艺方法。五、功能材料(Functionalmaterials)（1）功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。电功能材料:半导体材料、超导材料、电接点材料；磁功能材料:软磁材料、硬磁材料、磁致伸缩材料；热功能材料:膨胀材料、形状记忆材料、测温材料；光功能材料:固体激光材料、光导纤维；其他功能材料:敏感材料、储氢材料、隐形材料。（2）飞机中应用的功能材料例如：隐身材料和技术在高性能机载雷达罩上应用，可使雷达罩对电磁波具有选通性。允许某频段的电磁波无损耗或者低耗损通过，而对于其它频段。该雷达罩的电气性能则等效于全金属，以减小反射面。在雷达罩金属部件形状简单且周围空间较大，并且雷达工作频带相对较宽时，可选用吸收型材料作为金属什的贴敷吸波材料。根据雷达工作的频率，采用泡沫塑料按照一定的梯度浸渍介电损耗型吸收剂，并将多层浸渍泡沫塑料经复台得到满足要求的吸波材料。六、飞机设计选材原则 选材原则是根据飞机的总体要求和结构特点对选材提出的根本性要求。（1）大型飞机材料的选择必须满足飞机的总体技术要求及其相关的具体设计要求。（2）从长远考虑，立足国内为主，以利于自行研制。但对短期供应有困难的材料，或为了满足适航性要求，可暂时选用进口材料，再逐步实现其国产化。（3）选材既要充分考虑其先进性，又要保证其现实可行性，为此，应借鉴当前国外先进运输机和民用机的选材成功经验，尽量选用先进且较成熟的材料，使其选材达到当代先进水平。（4）应符合飞机材料体系建设的要求，选用体系中的“优先选用”和“可以选用”材料，压缩材料牌号，逐步形成飞机主干材料体系，力求一材多用。（5）重视材料的工艺性、工业化批量供应的能力和质量稳定性，注意材料的成本控制。（6）尽可能选用比强度高、比刚度高；综合性能好的材料。（7）将材料的断裂特性、裂纹扩展速率和近门槛值区域裂纹扩展行为作为考核材料是否可以选用的重要性能指标之一。参考文献1.刘国方,张朝发,李焕喜.大型飞机机身结构的特点与选材[J].中国航空学2007年学术年会,材料专题15 2.杨守杰,戴圣龙.航空铝合金的发展回顾与展望[J].材料导报,2005((2):19-23.李重河,朱明,王宁.钛合金在飞机中的应用[J].稀有金属,2009(2):33-14.张海信,王海龙,宫密芳.氟碳飞机蒙皮涂料的研制[J].化学推进剂与高分子材料,2004:2-25.陈绍杰.复合材料技术与大型飞机[J].航空学报,2008(5):29-36.高兆合，梁国正，王旭东.高性能机载雷达罩材料的研究进展[J].工程塑料应用,2002:30-12