一代材料一代飞机_李晓红

中国航空报/2010年/7月/8日/第007版专题一代材料一代飞机——浅谈航空先进材料与飞机、发动机的发展历程中国航空工业集团公司北京航空材料研究院院长，研究员李晓红北京航空材料研究院简介中航工业北京航空材料研究院（以下简称航材院）建于1956年，是从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究和工程化研究的综合性国家科研机构，是我国国防科技工业领域高水平材料研究发展中心，是国家科技创新体系和国防科技创新体系的重要组成部分。

主要从事飞机、发动机和直升机用先进材料、工艺、检测评价技术研究，具有高性能材料的小批量生产和高难度重要部件的研制与开发能力。

航材院拥有10个材料、热工艺研究室（包括先进复合材料和先进高温结构材料2个国防科技重点实验室，航空工业第一个国家工程实验室——结构性碳纤维复合材料国家工程实验室），1个航空材料检测研究中心，1个生产中心，以及百慕高科、百慕新材、百慕合金、百慕进出口、百慕合力等5个主要控股子公司，是国防科技工业精密铸造技术研究应用中心的技术依托单位，中航工业航空材料及热工艺技术发展中心的理事长单位。

航材院坚持军民结合，致力于发展高新技术产业，已开发出的700余种高新技术产品，在航空、航天、机械、电子、船舶、铁路、汽车、轻工、化工、建材、石油及生物医学工程等领域得到广泛应用，培育了一批在国内外有重要影响的产业化项目，主要包括钛合金精密铸造生产基地，粘接磁性材料合金锭生产基地，航空用预浸料、蜂窝研究生产基地，宇航用特种橡胶与密封材料研究生产基地等，取得了显著效益。

在发展历程中，航材院与全俄航空材料研究院、美国GE公司、SNECMA公司、德宇航等全球近50个国家和地区的大型研究机构及跨国公司建立了良好的科技与经贸合作关系。

航材院积极吸纳现代先进管理方法，在中国率先通过ISO9001:2000质量管理体系认证，并获得中国实验室国家认可委员会（CNAL）颁发的实验室认可证书，通过了AS9100宇航质量管理体系认证和Nadcap认证。

航材院全力推行综合平衡计分卡、精益6σ、6S管理，经营管理水平不断提高。

航材院现有职工2000余名，其中中科院院士2名，工程院院士1名，国家级有突出贡献专家6名，享受政府特殊津贴专家89名，博士生导师14名，中航工业首席技术专家4名，研究员及高级工程师370余名，博士114余名，硕士近400名，设有研究生部和博士后流动站，具有多学科硕士、博士学位授予权。

自飞机诞生来，航空领域从来就是先进材料技术展现风采、争奇斗艳的大舞台。

1903年莱特兄弟驾驶的第一架飞机是用木头和布做成的，但是，随着飞机需要承受的载荷越来越重，环境越来越严苛，金属材料开始成为机体航空材料的主流。

典型的就是铝合金的使用，直到现在，铝合金仍然是民用航空器的主要材料。

随着工业技术的快速进步，钛合金、复合材料越来越多地应用在航空飞行器上，从军用飞机到民用飞机，从小型直升机到大型固定翼飞机，从小零件到主结构部件无一例外。

钛合金、复合材料俨然已经成为先进飞机的代名词。

材料与飞机在相互推动下不断发展，航空材料一直发挥着先导和基础作用。

按照使用部位的不同，航空材料可分为机体材料和发动机材料。

在现代材料科学与技术的发展历程中，机体材料不仅引领飞行器自身的发展，而且还带动了地面交通工具以及空间飞行器的进步。

而发动机材料的发展则不断促进动力产业和能源行业的推陈出新。

“一代材料，一代飞机”是航空工业发展的生动写照。

机体材料至今已经历了四个发展阶段，正在跨入第五阶段。

第一阶段是从1903年到1919年，机体采用木、布结构；第二阶段是1920年到1949年，产生了铝合金和钢的机身材料；第三个阶段是从1956年到1969年，飞机材料中增加了钛；第四个阶段是1970年至今，其特点是增加了复合材料。

2006年2月9日，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，其第四章里确定了大型飞机等16个国家级重大专项。

大飞机专项的关键技术包括发动机、材料和电子设备等三项，而事实上，发动机和电子设备的发展基础依然是材料，即高温合金材料和电子、微电子材料等，再次凸显航空材料在飞机、发动机发展中的关键作用。

本文将以现代飞机和发动机中最重要的高温合金、铝合金、钛合金、超高强度钢、复合材料等5大类结构材料为例，浅谈这些材料的发展历程（代别）及其对航空装备的推动和支撑作用。

高温合金高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。

目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。

由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3（Al、Ti）强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，同时，又相继发展了Nimonic系列合金。

美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和Udmit等合金系列。

在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。

由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。

随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。

其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。

因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。

从国际范围来看，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。

粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。

我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。

我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K系列的铸造高温合金，同时发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。

70年代后，在高温合金的研制中，我国引进了欧美技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。

尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金的研究与发展，使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶。

近几年来，根据新型飞机的研制发展需求，我国高温合金研发又进入新阶段。

通过新材料、新工艺的发展和应用，我国研制和生产了一系列高性能新合金。

铝合金铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度较低，在同样的强度水平下可提供截面更厚的材料，在受压时的抗屈曲能力更佳，因此铝合金成了经典的飞机结构材料。

欧美国家航空铝合金的发展已经历了第一代静强度铝合金、第二代耐腐蚀铝合金和第三代高纯铝合金。

前三代铝合金的特征见表1。

20世纪80年代末至90年代中期，精密热处理技术及合金成分精确控制等关键技术取得突破，第四代耐损伤铝合金2524-T3和7150-T77研制成功，这是航空铝合金研究跨时代的进步。

传统铝合金因此完成了向高性能铝合金的里程碑式大发展。

在第四代铝合金技术发展的同时，铝锂合金也被运用在先进的特大型民用飞机上。

空客A380选用铝锂合金制造地板梁，空客A350选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量预计高达总结构重量的23%。

第四代铝合金技术研制成功之后，国际上正在进行低成本铝合金的研制开发工作。

2003年美铝公司提出了“20-20计划”：20年内使飞机的制造成本降低20%，同时实现减重20%。

国内航空铝合金的发展已走过几个发展阶段（表2）。

总的来说，我国铝合金的研制主要瞄准国际先进水平，但关键技术的突破以及品种、规格的系列化发展和工程应用水平距离国外还有较大差距，亟待建立第三、四代铝合金的完善材料体系。

钛合金铝合金所能承受的温度载荷有限，20世纪70年代，航空材料进入钛合金时代。

由于钛合金成形及切削加工非常困难、与某些化学品接触时性能会发生变化等特点，各飞机制造公司为钛合金材料的研制付出巨大努力。

1.飞机结构钛合金材料钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，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。

当今，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标志之一。

钛合金占F-22战斗机机体结构重量的39%。

钛合金在国外民用飞机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。

高损伤容限性能是新一代战斗机（包括高推比发动机）长寿命、高机动性、低成本和损伤容限设计需要的重要材料性能指标。

美国率先把破损安全设计概念和损伤容限设计准则成功应用在先进战斗机上，F-22战斗机大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以满足高减重和长寿命的设计需求。

Ti-6Al-4V ELI在美国C-17军用运输机上的特大型锻件上得到重要应用，高强度钛合金Ti-6-22-22S也在C-17飞机上的水平尾翼接头（转轴）等关键部位上得到应用。

这两种钛合金的使用，使大型运输机的寿命高达60000飞行小时以上。

在欧洲，空客A380是首架全钛挂架的飞机，未来的A350也将采用全钛挂架。

2.航空发动机用高温钛合金高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件，这些零件要求材料在高温工作条件下（300~600℃）具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。

随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。

经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350℃提高到了600℃。

我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有TC4和TC6，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片。

500℃左右工作的高温钛合金有TC11、TA15和TA7合金，其中TC11是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金。

单纯采用固溶强化的钛合金难以满足600℃以上温度环境对蠕变抗力和强度的要求。

有序强化的钛-铝系金属间化合物因其高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，而成为600℃以上温度非常有使用潜力的候选材料，其中Ti3Al基合金长期工作温度在650℃左右，而℃℃。

TiAl基合金工作温度可达760~800超高强度钢超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。

第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A 钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。