哈工大研究生选修课航天材料与工艺可靠性报告模板

2016 年春季学期研究生课程考核

考核科目:航天材料与工艺可靠性技术学生所在院（系）:机电工程学院

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考核结果阅卷人

航空航天材料发展现状与展望

一、航空航天材料的地位和作用

1.1 高性能材料是发展高性能飞行器的基础保障

自莱特兄弟制造的人类第一架飞机“飞行者一号”问世以来，航空技术取得了大跨越的发展，以战斗机为代表的军用飞机现已发展到第5 代，其最大飞行速度达4倍声速。在此过程中，航空材料的发展所经历的阶段如表1所示。可以看到，材料的进步对飞机的升级换代起到关键的支撑作用。

表 1 飞机机体材料发展阶段

发展阶段年代机体材料

第 1 阶段1903—1919 木、布结构

第 2 阶段1920—1949 铝、钢结构

第 3 阶段1950—1969 铝、钛、钢结构

第 4 阶段1970—21 世纪初铝、钛、钢、复合材料结构（以铝为主）第 5 阶段21 世纪初至今复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主）

发动机是飞机的“心脏”，其性能的优劣制约发动机是飞机的“心脏”，其性能的优劣制约着飞机的能力，而发动机性能的提高又与所使用的耐高温结构材料密切相关。随着飞机航程的加长和速度的提高，要求发动机推力、推重比（发动机推力与重量之比）越来越大，这就意味着发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速都须极大地提高。根据美国先进战斗歼击机研究计划和综合高性能发动机技术研究计划，发动机推重比要达到20，而其油耗比要比目前再降低50%。众所周知，推重比的提高取决于发动机涡轮前进口温度的提高：对于推重比在15～20以上的发动机，其涡轮前进口温度最高达2227～2470℃。高性能航空发动机对材料的性能提出了更高要求，除高比强度、高比模量外，对耐高温性能需求更为突出。由此可见，航空发动机性能的提高有赖于高性能材料的突破。

1.2 轻质高强度结构材料对降低结构重量和提高经济效益贡献显著

轻质、高强度是航空航天结构材料永远追求的目标。碳纤维复合材料是20世纪60年代出现的新型轻质高强度结构材料，其比强度和比模量是目前所有航空航天材料中最高的。有数据表明：碳纤维复合材料的比强度和比刚度超出钢与铝合金的5～6倍。复合材料在飞行器上的应用日益扩大，质量占比在不断增加。材料具有较高的比强度和比刚度，就意味着同样质量的材料具有更大的承受有效载荷的能力，即可增加运载能力。结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷，不仅可以增加飞行距离，而且可以提高单位结构重量的效费比。飞行器的结构重量每减1磅所获得的直接经济效益见表2。

表 2 飞行器结构减重的直接经济效益

机种减重经济效益/(万美元·磅-1)

小型民机50

直升机300

战斗机400

商用运输机800

超声速运输机3000

航天飞机30000

1.3 材料的可靠性事关飞行安全

飞行器是多系统集成体，所涉及的零部件达数十万计，元器件达数百万计，要用到上千种材料。飞行器要在各种状态和各种极端环境条件下飞行，如何确保其飞行安全至关重要。除设计、制造、使用和维护维修要有极其严格的质量控制要求外，材料的可靠性显得尤为关键。飞行史上的许多事故教训表明，材料失效是导致飞行事故的重要原因之一：大到一个结构件的断裂，小到一个铆钉或密封圈的失效，都可能导致飞行事故。因此，加强材料的可靠性评价研究对于提高飞行安全性有不可忽视的意义。

二、航空航天材料的分类

航空航天材料既是研制生产航空航天产品的物质保障，又是推动航空航天产品更新换代的技术基础。从材料本身的性质划分，航空航天材料分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和先进复合材料4大类；按使用功能，又可分为结构材料和功能材料2大类。对于结构材料而言，最关键的要求是质轻高强和高温耐蚀；功能材料则包括微电子和光电子材料、传感器敏感元材料、功能陶瓷材料、光纤材料、信息显示与存储材料、隐身材料以及智能材料。

对于航空材料来说，包括3大类材料，飞机机体材料、发动机材料、机载设备材料。而航天材料则包括运载火箭箭体材料、火箭发动机材料、航天飞行器材料、航天功能材料等。具体到材料的层面，航空航天材料涉及范围较广，包括铝合金、钛合金、镁合金等轻合金，超高强度钢，高温钛合金、镍基高温合金、金属间化合物（钛铝系、铌铝系、钼硅系）、难熔金属及其合金等高温金属结构材料，玻璃纤维、碳纤维、芳酰胺纤维、芳杂环纤维、超高分子量聚乙烯纤维等复合材料增强体材料，环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、聚芳基乙炔树脂等复合材料基体材料，先进金属基及无机非金属基复合材料，先进金属间化合物基复合材料，先进陶瓷材料，先进碳/碳复合材料以及先进功能材料。

三、航空航天材料简介

1.铝合金

飞机机身结构材料应用构成比例预测表明，21世纪初期占主导地位的材料是铝合金。开发航空航天技术用铝合金时首先要解决的课题，是如何在保证高使用可靠性及良好工艺性的前提下减轻结构质量。目前急待解决的问题是开发具有良好焊接性能的高强铝合金，并将其用于制造整体焊接结构。

提高飞行器有效载荷的方法是提高强度或降低密度（不降低强度）。用锂对铝进行合金化，可降低合金密度，提高弹性模量。已经用带卷轧制法生产出了铝锂（Al-Li）合金板材，其中包括厚度小于0.5mm的薄板。使用铝基层状复合材料可大幅度提高飞机蒙皮的可靠性、使用寿命及有效载荷，这种复合材料的特点

是裂纹扩展速度特别低（仅为传统材料的1/20～1/10)，强度（提高50%～100%）和断裂韧性高，而密度较小（减轻10%～15%），将其作为机身蒙皮材料，以及作为修理作业用的裂纹铆钉材料是很有前途的。

2.高强钢

在现代飞机结构中，钢材用量稳定在5%～10%的水平，而在某些飞机上，例如超音速歼击机上，钢材是一种特定用途的材料。高强钢通常使用在要求有高刚度、高比强度、高疲劳寿命，以及具有良好中温强度、耐腐蚀性和一系列其他参数的结构件中。无论是在半成品生产中，还是在复杂结构件的制造中，尤其是在以焊接作为最终工序的焊接结构件生产中，钢材都是不可替代的材料。

长期以来，飞机制造业使用最多的钢材，是强度水平为1600～1850MPa、断裂韧性约为77.5 ～91MPa/m2的中合金化高强钢。目前，在保持同样断裂韧性指标的条件下，已将钢材的最低强度水平提高到了1950MPa，还开发出了新型经济合金化的高抗裂性、高强度焊接结构钢。高强钢的发展方向为进一步完善冶金生产工艺、选择最佳的化学成分及热处理规范、开发强度性能水平为2100～2200MPa的高可靠性结构钢。在活性腐蚀介质作用下使用的机身承力结构件，特别是在全天候条件下使用的承力结构件上，广泛使用高强度耐蚀钢，这种钢的强度水平与中合金结构钢相近，可靠性参数（断裂韧性、抗腐蚀开裂强度等）大大超过中合金结构钢。

高强钢的优点是：可采用不同的焊接方法实施焊接，焊接承力结构件时，焊后不必进行热处理，无论是在热状态，还是在冷状态，均具有良好的可冲压性等。最有希望适用高强钢的材料，是马氏体类型的低碳弥散强化耐腐蚀钢和过渡类型的奥氏体——马氏体钢，研究表明，在保持高可靠性和良好工艺性的条件下，是能够大幅度提高高强度耐腐蚀钢强度水平的。低温技术装备是高强度耐蚀钢的一个特殊应用领域及发展方向。装备氢燃料发动机的飞机具有良好的发展前景，应该把在液氢和氢气介质中工作的无碳耐腐蚀钢作为研究方向。

3.高强钛合金

提高钛合金在机身零件中使用比例的潜力是相当巨大的。据预测，钛合金在客机机身中的使用比例将达到20%，而在军机机身中的应用比例将提高到50%。其前提是要保证：钛合金有更高的强度及可靠性；进一步提高使用温度；具备高的工艺性能及良好的可焊接性；能生产各种半成品；改进结构形式，开发新的设计方案，尽可能多地在结构中使用成熟的合金与工艺。

采用高强钛合金可减轻结构质量，同时提高结构的重量效率、可靠性及工艺性。计划开发兼备高强度（1350MPa）与高工艺性的板材合金，这种合金的强度将是工业纯铁强度的4倍，而工艺特性则与工业纯钛相近；还将研制并使用具有更高热强性、热稳定性和使用寿命的“近α型”热强钛合金。

4.热强钛合金

钛合金的发展方向之一，是研制具有较高热强性，特别是具有高稳定性和长寿命的“近α型”热强钛合金。第6代航空发动机将使用以固溶强化和金属间化合物综合强化的热强钛合金板材。以钛铝化合物为基的合金，是未来的研究方向。“γ”合金在700～900℃温度下的比热强性超过钢材及热强合金，但塑性较差。

开发热强钛合金的新方向，是采用金属间化合物强化的以β固溶体为基的合

金。这种合金的特点是在600～700℃温度下具有较高的热强性和令人满意的塑性性能。与现有的钛合金相比，研发这种类型的钛合金可使强度和热强性提高25%～30%。

5.聚合物复合材料

代表航空航天技术开发水平的一个重要标志是聚合物复合材料使用数量的多少。聚合物复合材料在比强度和比刚度方面具有非常明显的优越性，兼备良好的结构性能和特殊性能，在航空领域获得了广泛的应用。

采用以碳纤维增强塑料为基体的聚合物复合材料，是减轻结构质量的有效措施之一。聚合物复合材料通常是指高弹性模量的碳纤维增强塑料，特点是刚度大（弹性模量196GPa）、高温尺寸稳定性好，同时还保持了高的抗压强（1000MPa）。在新一代航空技术装备中采用碳纤维增强塑料，可提高尾翼部件，特别是尾尖部件的空气动力学刚度，减轻结构质量，保证要求的飞行技术品质。高弹性模量的碳纤维增强塑料还可有效地应用于在开放的宇宙空间工作的接收与转发天线构件、无线电电子设备的承载构件、火箭零部件、薄壳构件及长的杆形件，热应力仅为金属构件的1/20～1/10。高弹性模量碳纤维增强塑料的以上特性结合低密度，可制造供组装与维修空间站用的操作手。今后几年需要解决的问题包括：进一步改进碳纤维增强塑料的结构特性与特殊性能，特别是要将工作温度提高到400℃。

作为结构材料，新型复合材料——有机塑料将发挥越来越大的作用。最近几

（抗拉强度）值达到年，正在研制第2代有机塑料。单一用途的有机塑料的σ

b

3000～3200MPa，E值提高到130GPa。试验研究表明，有可能获得弹性模量为200～250GPa的有机塑料，需要指出的是，这实际上就是将工作温度范围扩大1倍（205～300℃），还可显著降低复合材料的吸水率。在比强度和比弹性模量方面，现代的有机塑料，特别是未来的有机塑料将超过所有已知的以聚合物、金属和陶瓷为基体的复合材料。

目前，以预浸胶工艺制造的玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料结构件得到越来越多的应用。采用这种工艺方法时，只需一道工序就可制得具有普通曲率和复杂曲率的零件。与传统的聚合物复合材料相比，预浸胶基复合材料的特点是抗裂性提高40%～50%、抗剪强度提高20%～50%、疲劳强度和持久强度提高20%～35%。采用这种复合材料可使劳动量与耗能量减少1/2使结构质量（特别是在采用蜂窝填充剂的情况下）减轻50%，结构密封性提高5倍。

6.镍合金

以最佳合金化及最佳组织的方法开发特种合金，可显著提高单晶叶片的使用性能。其中最有前途的合金是以锌合金化的热强镍合金。含镍合金具有更高的工作温度与更高的持久强度特性。在含6%～7%的试验合金上得到了创纪录的持久强度值：σ100100＞ 300MPa，从而保证了第6代发动机用的带有冷却通道的单晶叶片的研制。采用含镍合金，可使涡轮入口温度提高到2000～2100K，使冷却空气的消耗量减少30%～50%，而在冷却空气消耗量相同时，使叶片使用寿命延长1～3倍。

7.燃气涡轮发动机盘与热场焊接结构件用材料

对燃气涡轮发动机盘用材提出的要求与对叶片用材提出的要求略有不同：其

一，涡轮盘的工作温度低于叶片的工作温度；其二，对材料可靠性的要求提高。改善涡轮盘用合金使用性能的上述要求，应采用综合方法加以解决，诸如发展合金化原理、完善强化机制、开发熔炼、变形及热处理的新工艺方法等。

航空发动机制造业目前面临的特殊课题，是要研制诸如焊接机匣、火管和一系列其他的热场焊接结构件。开发火管材料的主要问题是提高其结构刚度，解决该问题还需满足一系列苛刻的综合性工艺要求：良好的可焊接性、高的工艺塑性等。使用以上合金可使火管的工作温度提高150～200℃，使可靠性和使用寿命延长50%～100%，大幅度提高焊接机匣的比强度，同时减轻质量15%。

8.抗氧化防护涂层

采用抗氧化防护涂层，是延长热强合金（首先是涡轮叶片）使用寿命的重要因素。目前，作为在混合粉末中扩散渗铝制取防护涂层工艺的替代技术，新工艺及各种成分复杂的涂层已经开始采用。研究人员开发出了由不同元素离子为基体的等离子真空涂敷新方法。在涂层厚度大致相同情况下（50～70μm），采用合金化的原始喷涂合金，可有效保护叶片不受硫化物、氧化物腐蚀，与批量生产的渗铝涂层相比，可使叶片寿命延长一个数量级。

多组分材料高能真空等离子工艺涂敷涂层的新方法中，高速等离子流对固体表面的作用，可使被处理表面的成分、组织、显微几何尺寸、理化性能都得到有目的的强化。该工艺的主要优点是：涂层质量高，致密无气孔、塑性好、附着牢固（大于100MPa）；通用性好，所有类型的防护涂层都可在一台工业装置上涂敷；沉积精度高。涂层、涂敷设备与工艺的成本较低。采用多组分材料高能真空等离子工艺涂敷涂层，可获得各种各样的涂层，既有扩散涂层，又有凝聚涂层和凝聚——扩散涂层。

9.金属间化合物合金

进一步提高燃气涡轮发动机工作温度及零件使用寿命的迫切性，对探寻比镍基体相强化固溶体稳定性更好的新合金基体提出了要求。新合金基体适宜采用Al类型的金属间化合物，与固溶体的普通金属键相比，金属间化合物的共价Ni

3

键可更有效地解决合金热强性的问题。根据对Ni

Al基体补充合金化，以及由铸

3

造工艺决定的铸件组织就可调整这些合金的热强性水平。在此情况下，当由等轴组织向柱状组织过渡，而后再向单晶组织过渡时，合金的热强性升高。

单晶组织金属间化合物合金的综合性能较好。在热强性水平相同情况下（温度1100℃），金属间化合物合金所含的钨（W）、钼（Mo）等稀缺贵重难熔金属的数量明显低一些。以金属间化合物为基体的合金，可有效用于制造工作温度范围在900～1150℃之间的冷却式和非冷却式喷管导向叶片、火管及喷管零件。该领城的最新科研成果可将合金的热强性提高到50～70MPa以上。

10.金属复合材料

热强材料研究领域的进一步突破（工作温度提高到1300℃以上），要靠金属复合材料来保证。金属复合材料的基体可采用不同材料，如钛、金属间化合物等，而增强材料则可采用丝状晶体、包括碳化硅颗粒在内的弥散难熔化合物颗粒、氧化物纤维或钨纤维。

特种复合材料是指所谓的自然复合体，这种复合材料是按照共晶合金定向结晶工艺制取的。这种合金中的每个共晶相都是垂直于结晶线生长的，因此通过移

动平面结晶线的方法就可获得具有一定取向的纤维状组织。这种材料的强化剂是难熔金属碳化物（TaC,NbC）单晶的丝状晶体相互搅在一起的连续的骨架。开发

＞70MPa）。的自然复合体材料，可在1200℃高温下保持高的持久强度水平（σ

1200b

据预测，复合材料在先进燃气涡轮发动机中的应用比例将会大幅度提高（达到40%）。

四、航空航天材料特性

1.耐老化和耐腐蚀

各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等，其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。大气中太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程，耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。

2.适应空间环境

空间环境对材料的作用主要表现为高真空(1.33×10-10Pa)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积而被污染，密封结构因老化而失效。航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的，以求适应于空间环境。

3.寿命和安全

为了减轻飞行器的结构质量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”，这就要求材料不但具有高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验，确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。

五、航空航天材料的发展方向

1）高性能

高性能是指轻质、高强度、高模量、高韧性、耐高温、耐低温，抗氧化、耐腐蚀等。材料的高性能对降低飞行器结构重量和提高结构效率、提高服役可靠性及延长使用寿命极为重要，是航空航天材料研究不断追求的目标。

2）特殊功能

材料在光、电、声、热、磁上的特殊功能是支撑某些关键技术以提高飞行器机动性能和突防能力的重要保证。如以红外材料为基础的光电成像夜视技术能增

强坦克、装甲车、飞机、军舰及步兵的夜战能力，红外成像制导技术可大大提高导弹的命中率和抗干扰能力，以新型固体激光材料为基础的激光测距和火控系统等可使灵活作战能力大大加强。

3）复合化

复合化已成为新材料的重要发展趁势之一。业内专家指出，航空复合材料未来20～30年将迎来新的发展时期，甚至引发航空产业链的革命性变革，包括设计理念的创新和设计团队知识的更新，航空产品供应链的战略性改变，新型复合材料技术不断出现（如混杂复合技术、源于自然界中珍珠贝壳结构启发的仿生复合技术），以及对航空维修业提出前所未有的挑战。

4）智能化

智能化是航空航天材料重要发展趁势之一。智能复合材料将复合材料技术与现代传感技术、信息处理技术和功能驱动技术集成于一体，将感知单元（传感器）、信息处理单元（微处理器）与执行单元（功能驱动器）联成一个回路，通过埋置在复合材料内部不同部位的传感器感知内外环境和受力状态的变化，并将感知到的变化信号通过微处理器进行处理并作出判断，向功能驱动器发出指令信号；而功能驱动器可根据指令信号的性质和大小进行相应的调节，使构件适应有关变化。整个过程完全自动化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自保护等多种特殊功能。智能复合材料是传感技术、计算机技术与材料科学交叉融合的产物，在许多领域展现了广阔的应用前景，例如飞机的智能蒙皮与自适应机翼就是智能复合材料构成的一种高端的智能结构。

5）整体化

整体化制造不仅可减少机械装配件数量，节约材料和工时，还能减少因装配失误埋下的事故隐患。铝合金一直是航空航天重要结构材料，用铝合金厚板（厚度＞6 mm）制造飞机整体部件如机身框架、机翼壁板、翼梁、翼肋等是重要发展趋势之一。

6）低维化

低维化是指维数小于3的材料的应用，具体来说包括二维（超薄膜）、一维（碳纳米管）和准零维（纳米颗粒）材料。其中碳纳米管在航空航天中的应用得到了广泛的研究，用它制备复合材料也取得了较大进展。

7）低成本化

航空航天材料从过去单纯追求高性能发展到今天综合考虑性能与价格的衡，低成本化贯穿材料、结构设计、制造、检测评价以及维护维修等全过程。对碳纤维复合材料而言，其制造成本在整个成本中占有相当大的比例；因此，对其低成本制造技术应投入足够关注。各种低成本制造技术发展很快，尤其是以树脂传递成型（RTM）为代表的液体成型技术和以大型复杂构件的共固化/共胶接为代表的整体化成型技术等均得到了很大的发展。