航空航天材料是一類非常特殊的材料

 航空航天材料是一類非常特殊的材料，它與(yu) 軍(jun) 事應用密切相關(guan) 。與(yu) 此同時，航空航天材料的進步又對現代工業(ye) 產(chan) 生了深遠的影響。推動航空航天領域新材料新工藝的發展，能夠和帶動相關(guan) 技術進步和產(chan) 業(ye) 發展，衍生出更為(wei) 廣泛的，軍(jun) 民兩(liang) 用的新材料和新工藝。本文根據公開出版物的資料進行了摘錄和匯總，使讀者可以對航空航天材料有一個(ge) 基本的認識。

    一、航空航天材料的分類

    航空航天材料既是研製生產(chan) 航空航天產(chan) 品的物質保障，又是推動航空航天產(chan) 品更新換代的技術基礎。從(cong) 材料本身的性質劃分，航空航天材料分為(wei) 金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和先進複合材料4大類；按使用功能，又可分為(wei) 結構材料和功能材料2大類。對於(yu) 結構材料而言，最關(guan) 鍵的要求是質輕高強和高溫耐蝕；功能材料則包括微電子和光電子材料、傳(chuan) 感器敏感元材料？功能陶瓷材料、光纖材料、信息顯示與(yu) 存儲(chu) 材料、隱身材料以及智能材料。

    對於(yu) 航空材料來說，包括3大類材料，飛機機體(ti) 材料、發動機材料、機載設備材料。而航天材料則包括運載火箭箭體(ti) 材料、火箭發動機材料、航天飛行器材料、航天功能材料等。

    具體(ti) 到材料的層麵，航空航天材料涉及範圍較廣，包括鋁合金、鈦合金、鎂合金等輕合金，超高強度鋼，高溫鈦合金、鎳基高溫合金、金屬間化合物（鈦鋁係、铌鋁係、鉬矽係）。難熔金屬及其合金等高溫金屬結構材料，玻璃纖維、碳纖維、芳酰胺纖維、芳雜環纖維、超高分子量聚乙烯纖維等複合材料增強體(ti) 材料，環氧樹脂、雙馬來酰亞(ya) 胺樹脂、熱固性聚酰亞(ya) 胺樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂、聚芳基乙炔樹脂等複合材料基體(ti) 材料，先進金屬基及無機非金屬基複合材料，先進金屬間化合物基複合材料，先進陶瓷材料，先進碳/碳複合材料以及先進功能材料。

    二、航空航天材料簡介

    1.鋁合金

    飛機機身結構材料應用構成比例預測表明，21世紀初期占主導地位的材料是鋁合金。開發航空航天技術用鋁合金時首先要解決(jue) 的課題，是如何在保證高使用可靠性及良好工藝性的前提下減輕結構質量。目前急待解決(jue) 的問題是開發具有良好焊接性能的高強鋁合金，並將其用於(yu) 製造整體(ti) 焊接結構。

    提高飛行器有效載荷的方法是提高強度或降低密度（不降低強度）。

    用鋰對鋁進行合金化，可降低合金密度，提高彈性模量。已經用帶卷軋製法生產(chan) 出了鋁鋰（Al - Li）合金板材，其中包括厚度小於(yu) 0.5mm的薄板。

    使用鋁基層狀複合材料可大幅度提高飛機蒙皮的可靠性，使用壽命及有效載荷，這種複合材料的特點是裂紋擴展速度特別低（僅(jin) 為(wei) 傳(chuan) 統材料的1/20 ~1/10），強度（提高50%~100%）和斷裂韌性高，而密度較小（減輕10%~15%），將其作為(wei) 機身蒙皮材料，以及作為(wei) 修理作業(ye) 用的裂紋鉚釘材料是很有前途的。

    2.高強鋼

    在現代飛機結構中，鋼材用量穩定在5%~10%的水平，而在某些飛機上，例如超音速殲擊機上，鋼材是一種特定用途的材料。

    高強鋼通常使用在要求有高剛度、高比強度、高疲勞壽命，以及具有良好中溫強度、耐腐蝕性和一係列其他參數的結構件中。無論是在半成品生產(chan) 中，還是在複雜結構件的製造中，尤其是在以焊接作為(wei) 最終工序的焊接結構件生產(chan) 中，鋼材都是不可替代的材料、

    長期以來，飛機製造業(ye) 使用最多的鋼材，是強度水平為(wei) 1600 ~1850MPa、斷裂韌性約為(wei) 77.5 ~91MPa/m2的中合金化高強鋼。目前，在保持同樣斷裂韌性指標的條件下，已將鋼材的強度水平提高到了1950MPa,還開發出了新型經濟合金化的高抗裂性、高強度焊接結構鋼。

    高強鋼的發展方向為(wei) 進一步完善冶金生產(chan) 工藝，選擇最佳的化學成分及熱處理規範開發強度性能水平為(wei) 2100 ~ 2200MPa的高可靠性結構鋼。

    在活性腐蝕介質作用下使用的機身承力結構件，特別是在全天候條件下使用的承力結構件上，廣泛使用高強度耐蝕鋼，這種鋼的強度水平與(yu) 中合金結構鋼相近，可靠性參數（斷裂韌性、抗腐蝕開裂強度等）大大超過中合金結構鋼。

    高強鋼的優(you) 點是：可采用不同的焊接方法實施焊接，焊接承力結構件時，焊後不必進行熱處理，無論是在熱狀態，還是在冷狀態，均具有良好的可衝(chong) 壓性等。

    最有希望適用高強鋼的材料，是馬氏體(ti) 類型的低碳彌散強化耐腐蝕鋼和過渡類型的奧氏體(ti) --馬氏體(ti) 鋼，研究表明，在保持高可靠性和良好工藝性的條件下，是能夠大幅度提高高強度耐腐蝕鋼強度水平的。

    低溫技術裝備是高強度耐蝕鋼的一個(ge) 特殊應用領域及發展方向，裝備氫燃料發動機的飛機具有良好的發展前景，應該把在液氫和氫氣介質中工作的無碳耐腐蝕鋼作為(wei) 研究方向。

    3.高強鈦合金

    提高鈦合金在機身零件中使用比例的潛力是相當巨大的，據預測，鈦合金在客機機身中的使用比例將達到20%,而在軍(jun) 機機身中的應用比例將提高到50%?其前提是要保證：

    鈦合金有更高的強度及可靠性；進一步提高使用溫度；具備高的工藝性能及良好的可焊接性；能生產(chan) 各種半成品；改進結構形式，開發新的設計方案，盡可能多地在結構中使用成熟的合金與(yu) 工藝。

    采用高強鈦合金可減輕結構質量，同時提高結構的重量效率、可靠性及工藝性。計劃開發兼備高強度（1350MPa）與(yu) 高工藝性的板材合金，這種合金的強度將是工業(ye) 純鐵強度的4倍，而工藝特性則與(yu) 工業(ye) 純鈦相近；還將研製並使用具有更高熱強性、熱穩定性和使用壽命的“近α型”熱強鈦合金。

    4.熱強鈦合金

    鈦合金的發展方向之一，是研製與(yu) 采用具有較高熱強性，特別是具有高穩定性和長壽命的“近α型”熱強鈦合金。第6代航空發動機將使用以固溶強化和金屬間化合物綜合強化的熱強鈦合金板材。

    以鈦鋁化合物為(wei) 基的合金，是未來的研究方向，“γ”合金在700 ~ 900℃溫度下的比熱強性超過鋼材及熱強合金，但塑性較差。

    開發熱強鈦合金的新方向，是采用金屬間化合物強化的以β固溶體(ti) 為(wei) 基的合金。這種合金的特點是在600 ~ 700℃溫度下具有較高的熱強性和令人滿意的塑性性能。與(yu) 現有的鈦合金相比，研發這種類型的鈦合金可使強度和熱強性提高25%~30%。

    需要強調的是使合金化學成分、鑄造及變形工藝最佳化。選擇最佳的熱處理規範、采用新方法設計零件，就可將金屬間化合物使用在航空發動機及航空航天技術裝備的結構中，在這方麵，提高使用溫度與(yu) 減輕質量是決(jue) 定性因素。

    5.聚合物複合材料

    代表航空航天技術開發水平的一個(ge) 重要標誌是聚合物複合材料使用數量的多少，聚合物複合材料在比強度和比剛度方麵具有非常明顯的*性，兼備良好的結構性能和特殊性能，在航空領域獲得了廣泛的應用？空中客車A3XX飛機使用聚合物複合材料的比例將達到25%。

    采用以碳纖維增強塑料為(wei) 基體(ti) 的聚合物複合材料，是減輕結構質量的有效措施之一。聚合物複合材料通常是指高彈性模量的碳纖維增強塑料，特點是剛度大（彈性模量196GPa）、高溫尺寸穩定性好，同時還保持了高的抗壓強度（1000MPa）。在新一代航空技術裝備中采用碳纖維增強塑料，可提高尾翼部件，特別是尾尖部件的空氣動力學剛度，減輕結構質量，保證要求的飛行技術品質、高彈性模量的碳纖維增強塑料還可有效地應用於(yu) 在開放的宇宙空間工作的接收與(yu) 轉發天線構件、無線電電子設備的承載構件、火箭零部件、薄殼構件及長的杆形件，熱應力僅(jin) 為(wei) 金屬構件的1/20 ~ 1/10?高彈性模量碳纖維增強塑料的以上特性結合低密度，可製造供組裝與(yu) 維修空間站用的操作手。今後幾年需要解決(jue) 的問題包括：進一步改進碳纖維增強塑料的結構特性與(yu) 特殊性能，特別是要將工作溫度提高到400℃。

    作為(wei) 結構材料，新型複合材料--有機塑料將發揮越來越大的作用。最近幾年，正在研製第2代有機塑料，單一用途的有機塑料的σb（抗拉強度）值達到3000 ~3200MPa,E值提高到130G Pa。試驗研究表明，有可能獲得彈性模量為(wei) 200 ~ 250GPa的有機塑料，需要指出的是，這實際上就是將工作溫度範圍擴大1倍（205 ~ 300℃），還可顯著降低複合材料的吸水率。在比強度和比彈性模量方麵，現代的有機塑料，特別是未來的有機塑料將*已知的以聚合物？金屬和陶瓷為(wei) 基體(ti) 的複合材料。

    目前，以預浸膠工藝製造的玻璃纖維增強塑料和碳纖維增強塑料結構件得到越來越多的應用。采用這種工藝方法時，隻需一道工序就可製得具有普通曲率和複雜曲率的零件。與(yu) 傳(chuan) 統的聚合物複合材料相比，預浸膠基複合材料的特點是抗裂性提高40%~50%。抗剪強度提高20%~50%?疲勞強度和持久強度提高20%~35%?采用這種複合材料，可使勞動量與(yu) 耗能量減少1/2 ;使結構質量（特別是在采用蜂窩填充劑的情況下）減輕50%,結構密封性提高5倍。

    6.鎳合金

    以最佳合金化及最佳組織的方法開發特種合金，可顯著提高單晶葉片的使用性能，其中最有前途的合金是以鋅合金化的熱強鎳合金。

    含鎳合金具有更高的工作溫度與(yu) 更高的持久強度特性，在含6%~7%的試驗合金上得到了創紀錄的持久強度值：σ1000100> 300MPa,從(cong) 而保證了第6代發動機用的帶有冷卻通道的單晶葉片的研製。采用含鎳合金，可使渦輪入口溫度提高到2000 ~ 2100K,使冷卻空氣的消耗量減少30% ~ 50%,而在冷卻空氣消耗量相同時，使葉片使用壽命延長1 ~3倍。

    7.燃氣渦輪發動機盤與(yu) 熱場焊接結構件用材料

    對燃氣渦輪發動機盤用材提出的要求與(yu) 對葉片用材提出的要求略有不同：其一，渦輪盤的工作溫度低於(yu) 葉片的工作溫度；其二，對材料可靠性的要求提高。改善渦輪盤用合金使用性能的上述要求，應采用綜合方法加以解決(jue) ，諸如發展合金化原理、完善強化機製、開發熔煉、變形及熱處理的新工藝方法等。

    航空發動機製造業(ye) 目前麵臨(lin) 的特殊課題，是要研製諸如焊接機匣？火管和一係列其他的熱場焊接結構件。開發火管材料的主要問題是提高其結構剛度，解決(jue) 該問題還需滿足一係列苛刻的綜合性工藝要求：良好的可焊接性、高的工藝塑性等。使用以上合金可使火管的工作溫度提高150 ~ 200℃，使可靠性和使用壽命延長50%~100%,大幅度提高焊接機匣的比強度，同時減輕質量15%。

    8.抗氧化防護塗層

    采用抗氧化防護塗層，是延長熱強合金（首先是渦輪葉片）使用壽命的重要因素。

    目前，作為(wei) 在混合粉末中擴散滲鋁製取防護塗層工藝的替代技術，新工藝及各種成分複雜的塗層已經開始采用。研究人員開發出了由不同元素離子為(wei) 基體(ti) 的等離子真空塗敷新方法。在塗層厚度大致相同情況下（50 ~ 70μm），采用合金化的原始噴塗合金，可有效保護葉片不受硫化物。氧化物腐蝕，與(yu) 批量生產(chan) 的滲鋁塗層相比，可使葉片壽命延長一個(ge) 數量級。

    多組分材料高能真空等離子工藝塗敷塗層的新方法中，高速等離子流對固體(ti) 表麵的作用，可使被處理表麵的成分、組織、顯微幾何尺寸、理化性能都得到有目的的強化。該工藝的主要優(you) 點是：塗層質量高，致密無氣孔、塑性好、附著牢固（大於(yu) 100M P a）；通用性好，所有類型的防護塗層都可在一台工業(ye) 裝置上塗敷；沉積精度高。

    塗層、塗敷設備與(yu) 工藝的成本較低，采用多組分材料高能真空等離子工藝塗敷塗層，可獲得各種各樣的塗層，既有擴散塗層，又有凝聚塗層和凝聚--擴散塗層？

    9.金屬間化合物合金

    進一步提高燃氣渦輪發動機工作溫度及零件使用壽命的迫切性，對探尋比鎳基體(ti) 相強化固溶體(ti) 穩定性更好的新合金基體(ti) 提出了要求。新合金基體(ti) 適宜采用Ni3Al類型的金屬間化合物，與(yu) 固溶體(ti) 的普通金屬鍵相比，金屬間化合物的共價(jia) 鍵可更有效地解決(jue) 合金熱強性的問題？根據對Ni3Al基體(ti) 補充合金化，以及由鑄造工藝決(jue) 定的鑄件組織就可調整這些合金的熱強性水平。在此情況下，當由等軸組織向柱狀組織過渡，而後再向單晶組織過渡時，合金的熱強性升高。

    單晶組織金屬間化合物合金的綜合性能較好。在熱強性水平相同情況下（溫度1100℃），金屬間化合物合金所含的鎢（W）、鉬（M o）等稀缺貴重難熔金屬的數量明顯低一些。

    以金屬間化合物為(wei) 基體(ti) 的合金，可有效用於(yu) 製造工作溫度範圍在900 ~1150℃之間的冷卻式和非冷卻式噴管導向葉片、火管及噴管零件、該領城的新科研成果可將合金的熱強性提高到50 ~ 70MPa以上。

    10.金屬複合材料

    熱強材料研究領域的進一步突破（工作溫度提高到1300℃以上），要靠金屬複合材料來保證。金屬複合材料的基體(ti) 可采用不同材料，如鈦，金屬間化合物等，而增強材料則可采用絲(si) 狀晶體(ti) ，包括碳化矽顆粒在內(nei) 的彌散難熔化合物顆粒、氧化物纖維或鎢纖維。

    特種複合材料是指所謂的自然複合體(ti) ，這種複合材料是按照共晶合金定向結晶工藝製取的。這種合金中的每個(ge) 共晶相都是垂直於(yu) 結晶線生長的，因此通過移動平麵結晶線的方法就可獲得具有一定取向的纖維狀組織。這種材料的強化劑是難熔金屬碳化物（TaC,NbC）單晶的絲(si) 狀晶體(ti) 相互攪在一起的連續的骨架。開發的自然複合體(ti) 材料，可在1200℃高溫下保持高的持久強度水平（σ1200b> 70MPa）。據預測，複合材料在先進燃氣渦輪發動機中的應用比例將會(hui) 大幅度提高（達到40%）。

    三、航空航天材料特性

    1.耐老化和耐腐蝕

各種介質和大氣環境對材料的作用表現為(wei) 腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質是飛機用燃料（如汽油、煤油）、火箭用推進劑（如濃硝酸、肼類）和各種潤滑劑、液壓油等，其中多數對金屬和非金屬材料都有強烈的腐蝕作用或溶脹作用，大氣中太陽的輻照，風雨的侵蝕，地下潮濕環境中長期貯存時產(chan) 生的黴菌會(hui) 加速高分子材料的老化過程，耐腐蝕性能、抗老化性能、抗黴菌性能是航空航天材料應該具備的良好特性。

    2.適應空間環境

    空間環境對材料的作用主要表現為(wei) 高真空（1.33×10-10Pa）和宇宙射線輻照的影響。金屬材料在高真空下互相接觸時，由於(yu) 表麵被高真空環境所淨化而加速了分子擴散過程，出現“冷焊”現象；非金屬材料在高真空和宇宙射線輻照下會(hui) 加速揮發和老化，有時這種現象會(hui) 使光學鏡頭因揮發物沉積而被汙染，密封結構因老化而失效。航天材料一般是通過地麵模擬試驗來選擇和發展的，以求適應於(yu) 空間環境。

    3.壽命和安全

    為(wei) 了減輕飛行器的結構質量，選取盡可能小的安全餘(yu) 量而達到可靠的安全壽命，被認為(wei) 是飛行器設計的奮鬥目標。對於(yu) 或運載火箭等短時間一次使用的飛行器，人們(men) 力求把材料性能發揮到極限程度。為(wei) 了充分利用材料強度並保證安全，對於(yu) 金屬材料已經使用“損傷(shang) 容限設計原則”，這就要求材料不但具有高的比強度，而且還要有高的斷裂韌性。在模擬使用的條件下測定出材料的裂紋起始壽命和裂紋的擴展速率等數據，並計算出允許的裂紋長度和相應的壽命，以此作為(wei) 設計、生產(chan) 和使用的重要依據。對於(yu) 有機非金屬材料則要求進行自然老化和人工加速老化試驗，確定其壽命的保險期、複合材料的破損模式、壽命和安全也是一項重要的研究課題。

    四、影響航空航天材料發展的因素

    航空航天材料的進展取決(jue) 於(yu) 下列3個(ge) 因素，隻有在這3個(ge) 方麵都已經發展到成熟階段後，才有可能應用於(yu) 飛行器上。因此，世界各國都把航空航天材料放在優(you) 先發展的地位。

    ①材料科學理論的新發現。例如，鋁合金的時效強化理論導致硬鋁合金的發展；高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度、高模量芳綸有機纖維的發展。

    ②材料加工工藝的進展。例如，古老的鑄、鍛技術已發展成為(wei) 定向凝固技術、精密鍛壓技術，從(cong) 而使高性能的葉片材料得到實際應用；複合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發展，使它在不同的受力方向上具有*特性，從(cong) 而使複合材料具有“可設計性”，並為(wei) 它的應用開拓了廣闊的前景；熱等靜壓技術、超細粉末製造技術等新型工藝技術的成就創造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材料和製件，如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤、高效能陶瓷製件等。

    ③材料性能測試與(yu) 無損檢測技術的進步。現代電子光學儀(yi) 器已經可以觀察到材料的分子結構；材料機械性能的測試裝置已經可以模擬飛行器的載荷譜，而且無損檢測技術也有了飛速的進步.材料性能測試與(yu) 無損檢測技術正在提供越來越多的？更為(wei) 精細的信息，為(wei) 飛行器的設計提供更接近於(yu) 實際使用條件的材料性能數據，為(wei) 生產(chan) 提供保證產(chan) 品質量的檢測手段。