《航空航天材料》PPT课件

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1、材料与航空航天目录前言航宇材料的特点材料在航空航天的地位航宇材料1234结束语5航空与航天的发展是人类现代化的重要标志之一，也是一个国家科技水平与工业水平的体现。当前大飞机的立项与神舟7号的成功，为国人长志气，为世人所瞩目，是我国宇航工作者的骄傲，也是材料工作者的光荣。现仅就航空航天材料的一般情况进行介绍，以供参考。由于航空航天事业发展很快，对材料的需求也与日俱增，青年科学工作者继往开来，责重道远。前言航宇材料的特点总要求高质量高可靠性保障供应价格因素航空材料的特点高性能（高比强度及比刚度，耐高温）长寿命（抗疲劳，耐腐蚀与氧化、抗磨损、耐高温）

2、高可靠性（测试与质量保证的投入高）投入或损失可靠性图1材料测试投入与报废率的关系航天材料的特点除高比强度、高比刚度、高可靠、批量小、高成本以外。还要求：耐空间环境真空出氧和质量损耗耐电子和原子辐照耐氧原子：氧原子在高空200km，飞行速度达8km/s条件下，温度可达1000～1500K，有机物挥发严重。耐冷热交变疲劳（-120℃～+170℃）抗空间微陨石和空中垃圾撞击，以及屏蔽设计选材因再入温度可高达2000℃以上，用于军事目的的导弹还要求弹头材料耐更高温度和比强度。弹头减轻1kg，可增加15km的射程或相当于减少起飞重量50kg，下图为材料与

3、导弹射程的关系。射程(公里)玻璃钢芳纶C/C复合材料金属图2导弹壳体材料与射程关系此外，由于再入时温度过高，烧蚀材料发生电离，形成黑障及尾流，要求防热材料高纯度，碱金属或碱土金属含量要求很低。0材料性能（比强度、比刚度等）飞行器所收效益与飞行速度有关，因而飞行器材料的价格与飞行器的速度密切相关。材料在航空与航天所处地位图3飞行器每减重1公斤减重所取得的经济效益汽车材料……………………….1民航材料…………………100军机材料………………150空间材料………..1,500以效能为重点以价格为重点图4不同材料使用性能与价格关系（价格VS效能）对卫星

4、及航天飞机来说，需要最好的材料，而很少考虑材料的价格，因为选用好材料每减重1克其收益就很显著，反之汽车每减重1公斤，所得收益很少，而材料在汽车产值中占53%，材料的价格就影响很大。材料决定飞机及其发动机的性能，因而有“一代材料，一代飞机”，“一代材料一代发动机”的说法。图5材料对飞机性能的提高所处地位42%294269%29％29%由于材料、设计及动力装置的不断改进，以及机型的加大，波音飞机从波音707（1958）到747（1988），燃油效率提高2.5倍。图6历代民机座·哩的油耗燃油效率(每座·哩/加仑)初始服役年份客机从波音707到747

5、，30年间燃油效率提高2.5倍2.5倍航空发动机是飞机的心脏，下表为历代发动机的主要参数及所用材料航宇材料表1国外军用发动机典型部件现役机种(3代)现役机种(4代)预研机种(5代)整机推重比7-99-1115-20代表型号F100，RB199F119压气机增压比20-3035-4065-75出口温度(℃)590695765关键材料钛合金、高温合金TiAl,Ti合金高温合金Ti合金、TiAl金属基复合材料燃烧室温升(℃)8001050-11501250-1350关键材料850℃镍基高温合金1100℃镍基高温合金+陶瓷涂层1540℃陶瓷基复合材料高

6、压涡轮进气温度(℃)1350-15001550-17501800-2100绝热效率0.860.89-0.900.92冷却复合冷却高效冷却气膜冷却关键材料定向凝固或单晶叶片(1100℃)粉末涡轮盘单晶叶片+热障涂层金属间化物(1200℃)多孔层板金属间化物复合材料C/C复合材料推重比的不断提高要求材料的轻量化，高压涡轮温度的攀升是材料中的最大难点。除了采用耐高温材料以外，需要有效冷却。图7为美国宇航局对今后航空发动机材料的预测。图7未来发动机材料预测Ni基合金Ti基复合材料难熔钢Ni、Fe、Nb铝化物基复合材料钛铝化合物基复合材料碳基复合材料钴基

7、合金高分子基复合材料Al、Mg基复合材料可以看出，今后TiAl基材料大幅增加，不耐氧化的碳基及难熔金属也将介入。应该指出，涡轮前温度提高对发动机推力的提高十分重要，一般来说，涡轮前温度每提高100℃，推力提高20～25％，热效率提高8％，对材料来说，难度最大的是涡轮叶片和涡轮盘。对叶片材料来说，目前是镍基高温合金，由于熔点（1250～1350℃）所限，工作温度不可能太高，因而采用以下几种措施：1.发展更耐高温的合金2.采用先进制造工艺铸造高温合金：多晶（1958）－柱晶（1962）－单晶（1970）3.采用不同冷却技术对流冷却（60年代初，美6

8、1年，中国66年）冲击冷却气膜冷却层板冷却（冷却效果700-800℃）发汗冷却（难点：碳化问题）4.发展热障涂层导热率最低的ZrO2涂层可提高250℃