-
微信號:youuav
關(guān)注官方微信
m.youuav.com手機(jī)掃碼看新聞
-
- 添加收藏
- 關(guān)于我們
無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具導(dǎo)讀：自飛機(jī)發(fā)明以來，材料和飛機(jī)一直在相互推動發(fā)展。1903年萊特兄弟駕駛的飛機(jī)由木頭和布做成，而今天我們乘坐的客機(jī)卻由大量金屬和復(fù)合材料制成，飛機(jī)性能也有了極大的提升，另一方面，作為飛機(jī)動力的航空發(fā)動機(jī)也極其依賴材料的改進(jìn)，根據(jù)美國綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)IHPTET計(jì)劃，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，70%~80%需要靠材料的改進(jìn)，因此業(yè)內(nèi)有“一代材料！一代飛機(jī)！一代動力！”之稱。今天讓我們一起來看看航空材料的來世今生。
航空材料指用于制造飛機(jī)的材料，一般特指機(jī)體材料和發(fā)動機(jī)材料，電子信息材料一般不直接算作航空材料。
航空材料指用于制造飛機(jī)的材料，一般特指機(jī)體材料和發(fā)動機(jī)材料，電子信息材料一般不直接算作航空材料。飛機(jī)機(jī)體材料和發(fā)動機(jī)材料技術(shù)要求高，例如要求輕重量、高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕、高可靠性、高耐久性與長壽命等。
四十年前，鋁合金曾主導(dǎo)航空工業(yè)，由于鋁合金的輕便、廉價(jià)以及當(dāng)時(shí)的技術(shù)先進(jìn)性，曾經(jīng)一架飛機(jī)上，70%的材料都是鋁合金，雖然也有其它新材料，比如復(fù)合材料和高溫合金，但其用量非常少，只有不到7%。而且由于鋁合金易于機(jī)械加工，甚至結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空發(fā)動機(jī)主要部件都使用該材料制備。
然而，隨著時(shí)間的發(fā)展，現(xiàn)在一架噴氣式客機(jī)上只有不到20%的鋁合金，而且大部分用作非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，比如鑲板和客機(jī)內(nèi)飾。而且一些航空發(fā)動機(jī)和客機(jī)關(guān)鍵部件，甚至開始采用重量更輕和耐溫性更高的非金屬材料，以獲得更好的燃油效率，為航空運(yùn)營商帶來切實(shí)的效益。此外，過去的很多航空材料開始進(jìn)行各種組合，創(chuàng)造了前所未有的新型高性能材料。
獨(dú)樹一幟的航空材料
說道材料工業(yè)，就不得不提航空工業(yè)，因?yàn)樽燥w機(jī)誕生來，航空領(lǐng)域從來就是先進(jìn)材料技術(shù)展示的大舞臺，業(yè)內(nèi)有“一代材料，一代飛機(jī)”之稱。1903年萊特兄弟駕駛的第一架飛機(jī)是用木頭和布做成的，但是，隨著飛行高度、航程以及可承受載荷的增加，金屬材料開始成為機(jī)體航空材料的主流。機(jī)體材料至今大致經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：第一階段是1903--1919年，機(jī)體采用木、布結(jié)構(gòu)；第二階段是1920--1949年，在戰(zhàn)爭的推動下，鋁合金和鋼成為機(jī)身材料的主流；第三個(gè)階段是1956--1969年，飛機(jī)材料中增加了鈦合金；第四個(gè)階段是1970年至今，其特點(diǎn)是增加了復(fù)合材料。
另一方面，整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)中屬航空發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境最為惡劣，長期處在高溫、高壓和高負(fù)荷條件下。而且航空發(fā)動機(jī)是整個(gè)飛機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部件，由最多數(shù)量的零部件裝配而成，并決定了整個(gè)飛機(jī)的燃油效率。先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的低污染燃燒室內(nèi)部溫度甚至可以高達(dá)2100攝氏度，這推動了對新材料的需求，而當(dāng)前超級合金的熔點(diǎn)約為1850攝氏度，因此這種挑戰(zhàn)使得耐高溫合金開始出現(xiàn)。
為了滿足這些耐高溫要求，耐高溫合金，包括鈦合金，鎳合金和一些非金屬材料如陶瓷被引入了航空工業(yè)。但這些材料往往比傳統(tǒng)的鋁合金更加難于加工。同時(shí)，航空工業(yè)部件的加工風(fēng)險(xiǎn)也很高，因?yàn)槿魏尉壬系恼`差在三萬英尺的飛行高度上都可能引發(fā)一次讓人驚心動魄的事故，因此航空制造業(yè)的加工精度要求比幾乎任何其它行業(yè)都要更高。這個(gè)精度不僅需要更長的加工時(shí)間，同時(shí)也意味著更多的廢料，導(dǎo)致成本上升。
此外，不同于其它行業(yè)，航空工業(yè)中，材料和零部件設(shè)計(jì)是真正的相互驅(qū)動，航空材料本身會影響零部件設(shè)計(jì)，工程師在設(shè)計(jì)選材時(shí)，必須根據(jù)零部件功能及制造要求，進(jìn)行適當(dāng)選材。而反過來，一些新穎的航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)要求也促使了新材料的研究和應(yīng)用。因此，航空材料制造商通常在材料行業(yè)中被單獨(dú)分類也就豪不奇怪了。
不斷改進(jìn)的金屬材料
標(biāo)準(zhǔn)航空鋁合金6061，7050和7075，和傳統(tǒng)的航空金屬材料，如鎳718，鈦6Al4V和不銹鋼15-5PH，仍然在航空工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用。只是，這些金屬的使用目前正在呈下降趨勢，通過采用新的合金，客機(jī)的成本大幅降低，并且性能有所提高。值得一提的是，新的金屬材料并不總是新的，有些甚至已經(jīng)出現(xiàn)了超過十年，但是它們在航空工業(yè)實(shí)際應(yīng)用卻是最近的事，因?yàn)闄C(jī)床、模具技術(shù)和涂層技術(shù)的進(jìn)步解決了很多金屬材料的難加工問題。
不過，即使鋁合金的數(shù)量在飛機(jī)上使用下降，但其使用并不會完全消失。事實(shí)上，鋁合金甚至還殺了個(gè)回馬槍，特別是在碳纖維材料成本過高和不成熟的情況下。當(dāng)然，鋁合金并不是簡單的一成不變，比如改進(jìn)的鈦鋁高溫合金和鋁鋰合金就讓航空工業(yè)獲益不少。
類似于鎳合金的耐熱性能，鈦鋁合金也能在高達(dá)600攝氏度下保持足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性。但鈦鋁合金更加容易加工，而且它的重量只有鎳合金重量的一半，因此可以極大的提高航空發(fā)動機(jī)的推重比，例如，傳統(tǒng)上采用致密的鎳基超級合金制成的低壓渦輪葉片和高壓壓氣機(jī)葉片，現(xiàn)在都采用鈦鋁合金加工而成。在這一方面，美國通用電氣GE公司是這一趨勢的先驅(qū)，并在GEnx發(fā)動機(jī)上使用了由鈦鋁合金制成的低壓渦輪葉片，這是該材料首次在商用航空發(fā)動機(jī)上大量使用，該發(fā)動機(jī)最終作為波音787夢幻客機(jī)的動力引擎。
圖1 鈦鋁合金高壓壓氣機(jī)葉片和低壓渦輪葉片在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用
鋁合金在航空領(lǐng)域的另一個(gè)重新發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)在輕重量的鋁鋰合金中，專門用于改善7050和7075鋁合金的性能?？偟膩碚f，鋰的加入減輕了鋁材的密度和重量，促進(jìn)了鋁材在航空航天領(lǐng)域材料的演變。鋁鋰合金的高強(qiáng)度，低密度，高剛度，耐損傷性，耐腐蝕性和焊接友好性使其與傳統(tǒng)鋁材比，成為了商業(yè)客機(jī)機(jī)架材料的更好選擇。空客目前正在使用AA2050。同時(shí)，美鋁正在使用AA2090T83和2099 T8E67。該合金也可以在我國的C919大客機(jī)上找到，C919機(jī)身蒙皮、長桁、地板梁、座椅滑軌、邊界梁、客艙地板支撐立柱等部件都使用了第三代鋁鋰合金，其機(jī)體結(jié)構(gòu)重量占比達(dá)到7.4%，獲得綜合減重7%的型號收益。
鈦5553是另一種對航空領(lǐng)域相當(dāng)新穎的金屬材料，具有高強(qiáng)度，重量輕，耐腐蝕性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。與不銹鋼合金相比，鈦合金更強(qiáng)更輕。但是鈦合金有一個(gè)臭名昭著的缺點(diǎn)，就是成形及切削加工非常困難，各飛機(jī)制造公司為鈦合金材料的研制付出巨大努力。當(dāng)今，鈦合金用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的百分比已成為衡量飛機(jī)用材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一，鈦合金占F-22 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的39%，在民用客機(jī)上的用量也隨飛機(jī)設(shè)計(jì)和性能水平的提高而不斷增加。
高溫鈦合金還用于制造航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、盤和機(jī)匣等零部件，這些零部件要求材料子在高溫工作條件下（300~600℃）具有較高的比強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。然而，當(dāng)工作溫度達(dá)到500攝氏度以上是，鈦合金的蠕變性能和熱穩(wěn)定性的重要性愈加突出，而兩種性能之間又存在矛盾，因此需要優(yōu)化合金成分和控制顯微組織使這兩個(gè)性能得以更好的匹配。
圖2 我國航空發(fā)動機(jī)用高溫鈦合金的發(fā)展歷程
目前各國研制和使用的 500℃以上高溫鈦合金均為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系，最高使用溫度已達(dá)到 600℃，如鈦合金IMI834已經(jīng)成功的應(yīng)用在了EJ200軍用發(fā)動機(jī)上用于制造高壓壓氣機(jī)整體葉盤。我國航空發(fā)動機(jī)用高溫鈦合金的發(fā)展歷程如圖2所示，600攝氏度以上的高溫鈦合金大多處于研制階段，尚未獲得正式應(yīng)用。
圖3 高溫合金在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用
而在工作溫度600攝氏度以上的航空發(fā)動機(jī)渦輪和燃燒室部件制造中，多用高溫合金，如圖3所示。高溫合金又叫超級合金。按基體組織材料可分為三類：鐵基、鎳基和鈷基。該材料受合金化理論和制備工藝影響極大，最能體現(xiàn)“一代發(fā)動機(jī)、一代材料、一代工藝”的變化，如定向凝固、粉末冶金、等溫鍛造等工藝創(chuàng)新，推動合金迅猛發(fā)展和發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步。從最典型的單晶合金來看，國際上已經(jīng)發(fā)展到了第五代，而我國基本上還停留在第三代左右，而且成品率低，成本高。
此外，航空工業(yè)也還有一些結(jié)構(gòu)件，如緊固件、起落架和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要原始的強(qiáng)度，重量反而不是優(yōu)先考慮。在這種情況下，超高強(qiáng)度鋼作為起落架材料應(yīng)用在飛機(jī)上。第二代飛機(jī)采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼，但壽命只有約2000 飛行小時(shí)。第三代戰(zhàn)機(jī)的起落架材料開始采用300M鋼，其使用壽命可以達(dá)到5000飛行小時(shí)，并且具有一定耐腐蝕性的附加優(yōu)點(diǎn)。
大步邁進(jìn)的復(fù)合材料
復(fù)合材料在航空領(lǐng)域也應(yīng)用得越來越廣闊，它們可以減輕客機(jī)的重量，并提高燃油效率，同時(shí)易于加工、設(shè)計(jì)、塑形和修理。之前，復(fù)合材料主要是應(yīng)用在輕型結(jié)構(gòu)件或發(fā)動機(jī)短艙上，現(xiàn)在正在被應(yīng)用在客機(jī)機(jī)翼、機(jī)身外殼、發(fā)動機(jī)和起落架上。
圖4 先進(jìn)復(fù)合材料在空客公司客機(jī)上的應(yīng)用
更重要的是，復(fù)合材料組件還可以制成復(fù)雜的形狀，對于金屬部件需要加工和生產(chǎn)接頭，而預(yù)成形的復(fù)合材料組件不僅輕巧而堅(jiān)固，它們可以減少飛機(jī)內(nèi)重型緊固件和接頭的數(shù)量，之前，這些連接部位通常是潛在的故障點(diǎn)。而且復(fù)合材料正在推動航空工業(yè)朝著更小零部件數(shù)量的趨勢發(fā)展，讓很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件盡可能使用單件實(shí)現(xiàn)。
碳纖維材料代表了機(jī)艙和功能部件中復(fù)合材料的最大份額，因?yàn)樘祭w維是目前已知的比強(qiáng)度、比剛度最好的材料。它比鋁還要輕，比鋼還要硬，其比重是鐵的四分之一，比強(qiáng)度是鐵的十倍；而且化學(xué)組成非常穩(wěn)定，還具有高抗腐蝕性，適用于航空和航天飛行器。而民機(jī)既強(qiáng)調(diào)安全性也強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性，對結(jié)構(gòu)減重有迫切需求。
以美國波音 787客機(jī)為例，復(fù)合材料占比已經(jīng)超過了50%，如圖5所示，復(fù)合材料在大型民機(jī)上的應(yīng)用，大致走過了四個(gè)階段。
圖5 最新的波音787中復(fù)合材料（藍(lán)色部分）占比已經(jīng)超過了50%
第一階段是1975年以前，復(fù)合材料主要應(yīng)用在受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件。
第二階段是1975~1985年，開始應(yīng)用在升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件上。我國的ARJ21 新支線飛機(jī)的復(fù)合材料技術(shù)水平大致在這個(gè)階段。
第三階段是1985~1995年，復(fù)合材料開始應(yīng)用在受力較大的部件，如垂尾、平尾等，1994年首飛的波音777共用復(fù)合材料9.9 噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。
第四階段是1995年至今，復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)最主要受力部件機(jī)翼、機(jī)身等，如波音787飛機(jī)的復(fù)合材料占比50%，超過了鋁、鈦、鋼金屬材料的總和，主要應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁、后承壓框等部位，是第一個(gè)采用復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的大型商用客機(jī)。
而航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料可以大幅度提高其推重比，因此先進(jìn)復(fù)合材料已成為未來發(fā)動機(jī)關(guān)鍵材料之一。航空發(fā)動機(jī)除使用樹脂基復(fù)合材料外，還會用到金屬基、陶瓷基、碳/碳等復(fù)合材料。
改變游戲規(guī)則的陶瓷基復(fù)合材料
如前面所述，航空發(fā)動機(jī)熱端部件需要工作在極高的溫度條件下，主要依靠高溫合金，而由陶瓷基復(fù)合材料（CMC，ceramic matrixcomposites）制成的航空發(fā)動機(jī)零部件重量只有金屬合金制成件重量的三分之一，但強(qiáng)度卻反而增強(qiáng)了兩倍，耐熱性也提高20%。因此，它允許航空發(fā)動機(jī)熱端部件運(yùn)行在更高的溫度下，極大的提高航空發(fā)動機(jī)效率，并有助于降低飛機(jī)的整體重量。陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)被用在了GE公司的新一代變循環(huán)發(fā)動機(jī)ADVENT中，并獲得了美國國防部10億美元的資助。
圖6 美國GE公司的新一代變循環(huán)發(fā)動機(jī)ADVENT
圖7 ADVENT發(fā)動機(jī)的低壓渦輪中裝配著由CMC材料制成的渦輪葉片
但陶瓷基復(fù)合材料在民用航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用卻是另一回事，最大的挑戰(zhàn)之一就是成本：制造陶瓷材料是一個(gè)勞動密集型，高度專業(yè)化的過程。碳化硅纖維通過熔化碳和硅的化合物（稱為聚碳硅烷），然后通過噴嘴吹掃制成約10微米直徑的纖維，然后將這些纖維進(jìn)行特殊的電子束真空處理，可以防止其暴露在極高溫度下時(shí)性能劣化，最后，這些纖維被編織成可以用于陶瓷基復(fù)合材料的布狀片材。這樣制成的輕質(zhì)高耐熱陶瓷，并加入專有涂層以滿足航空發(fā)動機(jī)的需求。
為了在該新材料技術(shù)上能夠真正的突破，美國航空發(fā)動機(jī)制造商GE公司在過去10年中，投入了超過15億美元，以期努力了解如何以經(jīng)濟(jì)可行的成本大量批產(chǎn)合格材料，以替代目前廣泛使用的鎳基合金。
GE公司在1986年獲得了陶瓷基復(fù)合材料的第一項(xiàng)專利，并在最新與法國賽峰集團(tuán)合作的LEAP系列商用發(fā)動機(jī)中使用了陶瓷基復(fù)合材料零件，截至2017年3月底，GE航空及合資伙伴已經(jīng)售出了超過12,200臺LEAP發(fā)動機(jī)，這是全世界首個(gè)使用陶瓷基復(fù)合材料零件的民用航空發(fā)動機(jī)。
圖8 GE 9X發(fā)動機(jī)主要4個(gè)部件都由CMC材料制成
而且，GE公司正在進(jìn)一步擴(kuò)展碳化硅纖維基陶瓷在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，在波音的下一代大型噴氣式客機(jī)動力引擎GE9X發(fā)動機(jī)中，4個(gè)主要的發(fā)動機(jī)部件包括高壓渦輪中的動葉和靜葉，都采用碳化硅纖維基陶瓷替代鎳合金制成，這一點(diǎn)將使得燃油效率提升2%。目前，GE 9X發(fā)動機(jī)正在進(jìn)行測試，將在2018年獲得適航認(rèn)證，GE公司相信這些新技術(shù)能夠更多的應(yīng)用在這些航空發(fā)動機(jī)上，為航空運(yùn)營商帶來效益。
我國航空材料現(xiàn)狀
中國航空材料經(jīng)歷了引進(jìn)、仿制、改進(jìn)、改型和自行研制的發(fā)展歷程。通過堅(jiān)持不懈的逐漸改進(jìn)工藝路線，提高材料質(zhì)量，我國航空材料從無到有，品種規(guī)格逐步齊全，質(zhì)量基本達(dá)到產(chǎn)品要求，初步實(shí)現(xiàn)了依靠國內(nèi)原材料建立完整航空工業(yè)體系的目標(biāo)。到目前為止，我國已定型生產(chǎn)的航空用金屬、有機(jī)高分子材料、無機(jī)非金屬材料以及復(fù)合材料的牌號約2000余個(gè)。
據(jù)C919總設(shè)計(jì)師吳光輝介紹，我國大飛機(jī)C919就通過大量的研發(fā)和驗(yàn)證試驗(yàn)，建立了鋁鋰合金的材料規(guī)范體系、設(shè)計(jì)許用值體系和制作工藝規(guī)范體系。同時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)用也取得突破性進(jìn)展，復(fù)合材料用量達(dá)到機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的11.5%，國內(nèi)首次在民用飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)、高溫區(qū)、增壓區(qū)使用復(fù)合材料。同時(shí)，鈦合金用量達(dá)到機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的7.3%，在中央翼緣條、發(fā)動機(jī)吊掛、球面框緣條、襟縫翼滑軌、垂尾對接接頭等部位應(yīng)用了鈦合金。
根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的中國航空材料行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研報(bào)告預(yù)測，預(yù)計(jì)未來5年，中國的航空材料市場及與之相關(guān)的加工設(shè)備總體市場規(guī)模將達(dá)到1200億元。而且無論是我國之前的大飛機(jī)專項(xiàng)，還是正在實(shí)施的航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩機(jī)重大專項(xiàng)，都把航空材料作為重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域之一。
總 結(jié)
從飛機(jī)機(jī)體材料來看，總趨勢是復(fù)合材料和鈦合金的用量不斷增多。空客A380的復(fù)合材料用量22%，鈦合金用量10%；波音787復(fù)合材料用量50%，鈦用量15%；空客A350的復(fù)合材料用量52%，鈦合金用量9%，而且材料的性能和品質(zhì)都得到了極大的提高。而對于航空發(fā)動機(jī)材料，現(xiàn)有的金屬系材料性能的改良正在趨向于飽和，而革命性的新材料如陶瓷基復(fù)合材料正在航空發(fā)動機(jī)制造上發(fā)揚(yáng)光大。
總之，金屬和復(fù)合材料的繼續(xù)研發(fā)和改進(jìn)，正在讓航空零部件重量更輕，強(qiáng)度更高，耐熱和耐腐蝕性更好。新材料的加速發(fā)展，加工和切割技術(shù)的進(jìn)步使得航空制造商們前所未有地獲得以前認(rèn)為不切實(shí)際或難以加工的新材料。未來“更強(qiáng)、更耐熱、更輕、更便宜”的新材料正在讓21世紀(jì)的飛機(jī)變得推力更大、更輕、更省油、更可靠、更耐久、更便于維修，并且成本更低。
2025-09-09 10:57
2025-09-08 10:29
2025-09-04 22:05
2025-09-02 22:07
2025-08-29 10:11
2025-08-25 13:39
2025-08-20 22:05
2025-08-11 22:15
2025-08-09 14:02
2025-08-07 09:24
