航空航天特殊材料加工技术

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1、课程论文航空航天特殊材料加工技术——在新型微叠层复合材料中的应用课程：航空航天特殊材料加工技术学院：机电工程专业：飞行器制造工程班级：09010341姓名：学号：09010341教师：卢利权2012年12月25日特种加工技术在某新型微叠层复合材料中的应用摘要：先进复合材料继铝、钢、钛之后，其用量成为衡量航空航天结构先进性的标志之一。将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20％~30％，并具有特殊的优异性能，这是其他先进技术很难达到的效果。美国国家航空航天局（NationalAeronauticsan

2、dSpaceAdministration，简称NASA）的Langley研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出，各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51％的减重。先进复合材料的运用不仅大大提高了航空航天飞行器的推重比，对飞行器承载能力和机动性的提高也具有重要的战略意义。   目前应用于航空航天工业中的先进复合材料按其用途可分为结构复合材料、功能复合材料和智能复合材料。结构复合材料主要用做承力和次承力结构，要求质量轻、强度高、能够承受一定的温度等。特殊情况下，要求复合材料具有较高的耐高温性能，

3、比如应用于航空发动机涡轮叶片的复合材料一般采用高温结构复合材料，如钛、镍基复合材料等。为了获得超轻结构，近年来发展了新型的叠层（或微叠层）复合材料、先进格栅增强结构复合材料和点阵结构复合材料，其中微叠层复合材料是一个重要发展方向。目前叠层复合材料已在航空飞行器蒙皮制造中获得了应用。关键词：微叠层复合材料、航空航天、激光沉积、电子束物理气相沉积。1、微叠层复合材料的提出   航空发动机推重比的提高，对航空发动机涡轮叶片的高温性能提出了更高的要求。金属间化合物因为其优良的耐高温性能，从20世纪80年代至今越

4、来越受到航空工业界的重视。但是金属间化合物作为单体材料脆性大，难以适用于制造航空发动机的关键部件。为改进这一状况，美国通用电气公司（GeneralElectricCompany，简称GE公司）在美国空军实验室材料指导部资助下，开展了将金属间化合物与韧性金属组成微叠层复合材料这一新方案的研究，从事这一研究的还有洛克希德•马丁公司、橡树岭国家实验室、加州大学等。研究旨在依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物脆性这一弱点。   微叠层复合材料是通过对

5、自然界贝壳结构的仿生学研究，设计制备的超细层状结构材料，是将2种或2种以上的具有不同物理、化学性能的材料按一定的层间距及层厚比交互重叠形成的多层材料，一般是由基体和增强相制备而成，其结构不同于梯度材料，各层之间具有明显的界面[3]。微叠层复合材料的组分可以是金属、金属间化合物、聚合物或陶瓷等。层厚不同的微叠层复合材料（steel/Fe-3Si）如图1所示。                    微叠层复合材料与其他材料的最大不同之处在于多界面特征。层间距小及多界面效应使得微叠层复合材料在性能上明显优于相

6、应的单体材料，尤其是应用于航空航天领域的金属/金属间化合物微叠层复合材料具有更为优异的高温韧性、抗蠕变能力、低温断裂强度、断裂韧度、热循环过程中的抗氧化性、较高温度时的微结构热力学稳定性等，这些特点使微叠层复合材料成为各国研究的热点。例如一些航空飞行器机身蒙皮采用的是铝基叠层复合材料。目前航空航天领域采用的微叠层复合材料主要集中在Fe、Ni、Ti和Al的合金或金属间化合物上。这类金属的金属间化合物具有熔点高、密度低、热导率好及抗高温性能好等优点，可被用作航空飞行器或航空发动机的高温结构材料。但是这类金属

7、间化合物具有其本征脆性，导致其室温下的断裂韧性很差，因而应用受到限制。为解决这一问题，采用特种加工技术制备出具备微叠层结构的金属/金属间化合物复合材料是理想的手段之一。   微叠层复合材料的设计制备主要包括2个方面：   （1）原材料的选择要保证化学组成相相容，物理力学性能相匹配；   （2）确定层数和层厚比以保证材料获得最优性能。   不论研究和制备哪一种微叠层复合材料，都离不开界面研究问题，要制备性能良好的微叠层复合材料，必须克服脱层、断裂性能等问题。如何改进制备工艺以获得良好的界面性能是研究的重点

8、。目前用于制备金属/金属间化合物微叠层复合材料的特种加工工艺有：热压扩散成形（HD）、激光沉积（PLD）、电子束物理气相沉积（EB-PVD）、自蔓延高温合成（SHS）、磁控溅射沉积（MSP）等方法，这些方法各有其优势和特点。2、微叠层复合材料的特种加工制备 微叠层复合材料的特种加工方法一般分为以下几种： （1）热压扩散和热等静压扩散。热压扩散工艺是将交替叠置的材料置于密闭容器中。在真空条件下，向被交替叠置材料施加压力，使受压材料界面处发生原