探讨航空航天工程中的合金材料应用

　　摘要：航空航天工业中, 合金因强度大、易焊接等特点成为备受关注的工程材料。本文通过分析铌合金、铝锂合金、钛铝合金、镁合金在航空航天工程中的应用, 揭示合金材料在该领域不可替代的作用, 同时指出合金存在的不足, 以及改进的措施。同时, 笔者认为合金未来的发展方向是轻量化, 提出对现有合金进行技术处理, 促进合金的发展。

　　关键词：航空航; 铌合金; 铝锂合金; 钛铝合金; 镁合金;

　　一、前言

　　近年来, 新兴合金工业快速发展, 有力地推动新兴合金在航空航天工程的应用。其中铌合金、铝锂合金、钛铝合金、镁合金等合金由于其优异的性能被广泛应用于航空航天工程。本文就该四种合金在航空航天及相关领域的应用进行探讨, 希望能对促进合金性能的改进及其应用有帮助。

　　二、新型铌合金

　　铌元素位于元素周期表第五周期VB族。单质铌是灰白色金属, 具有化学性质稳定、顺磁性、熔点高、密度小的特点。高温下与硫、碳等单质可以直接化合, 能与钛、锆、钨等金属形成合金, 用于新型航空航天工程的材料。铌合金分为高强度铌合金和低密度铌合金。

　　(一) 高强度铌合金

　　以固溶强化、弥散强化为主。一般添加钨、钼、铪及0.06%-0.12%的碳进行固溶强化。固溶强化后的合金, 高温强度比较高, 是用于航空航天工程的理想材料。但由于铌单质随着杂质含量的升高会变硬, 室温可塑性较差 (断后延展率≤10%) 。为此, 我们一般添加大量的铪, 以及少量的碳制成WC3009铌合金。另外, 我们可以采用弥散强化的方法解决该问题。弥散强化过程中, 一般加入5%-10%的钼或钨, 使得合金的塑性大大提升了, 断后延伸率≥25%, 而且没有丧失比强度高的特点。

　　(二) 低密度铌合金

　　低密度铌合金, 它的抗氧化性比高铌含量 (质量分数Nb+W﹥80%) 的铌合金要好, 能在550℃-800℃的大气环境中不加任何抗氧化涂层而不被氧化。低密度铌合金的制备方法很多, 如粉末冶金法、等离子熔炼法等。与其他方法相比, 粉末冶金法很容易得到合金材料, 成份十分均匀。随着科技不断发展, 3D打印技术不断成熟, 用该技术制备复杂形状的合金, 可以成为新的研究方向。

　　三、铝锂合金

　　锂位于元素周期表第二周期ⅠA族, 是最轻的金属, 在铝中的溶解度比较高, 且锂的比重小, 所以长期以来它一直被认为可以与铝制成合金。据有关数据统计, 在铝合金中平均加1%的锂, 可使其密度降低3%, 使其弹性模量提高6%, 所以铝锂合金在航空航天领域的作用不可小觑。

　　(一) 铝锂合金的发展

　　上个世纪50年代到60年代初, 第一代铝锂合金由美国Alcoa公司和苏联科学家开发出来。1958年, 美国Alcoa公司研制出2020合计板材, 用在海军RA-5C军用预警机上。20世纪70年代到80年代后期, 是铝锂合金发展的第二阶段。70年代的能源危机迫使航空工业要对飞机材料进行大刀阔斧的改良, 此阶段研究出的第三代铝锂合金, 重量减轻了7%-10%, 弹性模量提高了10%-16%, 有良好的疲劳性能。第四代铝锂合金, 锂合量有所降低, 与之前相比, 其合金强度韧性进一步提升。2010年, 中国航空工业集团采用美国达文波特轧制厂的新一代铝锂合金成功制造出C919国产大型客机的直部段。铝锂合金的不断发展, 将导致我国铝锂合金的广注应用。

　　(二) 铝锂合金的超塑性研究及航空航天工程的应用

　　铝锂合金密度小、比强度高、比弹性模量大, 广泛应用航空航天工程。但是, 室温塑性差、易开裂、力学性能各向异性严重, 成为限制其发展的主要因素。经过科研人员的不懈努力, 以形变热处理技术形成的超塑性铝合金诞生, 超塑性铝合金的诞生, 标志着航空航天工程迎来了新的曙光。例如, 在航空领域内, 麦道公司在1990年3月对由铝锂合金 (8090) 制造的F-15B鹰战斗机的整流罩进行试验, 它可以替代由铸件和钣金件装配成的构件。超塑性铝锂合金技术在航空航天领域正在迅猛发展。

　　四、变形钛铝合金

　　钛, 位于元素周期表第四周期IVB族, 具有强度大的优点。与铝制成的钛铝合金, 密度低、强度高、抗氧化能力好, 这些优点使之成为有巨大前景的高温结构材料之一。钛铝合金经过长时间发展在国外已经开始被工程化地应用到航空航天领域。

　　(一) 合金化钛铝合金

　　目前, 钛铝合金化研究取得三类成果:γ-Ti Al合金、高铌钛铝合金和β-γ钛铝合金。传统的γ-Ti Al合金中, 铝无疑是最重要的元素。但是研究发现铝占45%-48%的钛铝合金在凝固时, 发生包晶反应, 形成柱状晶组织, 导致其室温性能一般。为了防止包晶反应的发生, 我们必须要将铝的含量降至45%以下。铝含量降低后, 在加工温度条件下引入无序体心立方β相, 从而改善一合金的热加工性。此外, 铌可以提高合金使用温度, 进一步改善合金的高温性能。

　　(二) 钛铝合金热加工技术

　　合金热加工, 可以校正偏析、细化组织、改善钛铝合金的综合力学性能。其中, 热加工技术分为含金锻造技术、热挤压技术、轧制技术、粉末冶金技术等。合金热加工技术的关键之处在于精确的工艺设计与参数。目前, 钛铝合金发展的限制因素在于其热加工性差、窗口窄, 这样一来, 对加工设备要求高。因此, 设计热加工的计算机模拟可以成为完善热加工技术的一个发展方向。

　　五、镁合金

　　镁, 位于元素周期表第三周期ⅡA族, 属于碱土金属元素。镁合金尺寸稳定、比强度高、易回收等优秀特征, 被誉为“21世纪绿色工程材料”。

　　(一) 镁合金成型新工艺

　　众所周知, 航空航天工程对机件的复杂程度要求很高。为了满足航空航天工程的需求, 镁合金成型新工艺应运而生。其中包括涂层转移精密铸造技术、表面超声波阳极氧化技术等新方法。

　　涂层转移精密铸造技术中, 砂芯的制备是关键。老式制备砂芯的方法是芯盒成型后, 在芯面上进行涂料。传统方法难以形成均匀的涂料层, 而涂料层的均匀度影响的是铸件的光洁度与尺寸。新的工艺方法是, 运用涂料自上充填的造型材料, 使涂层经固化后, 自动转移到型芯表面, 该方法又称“非占位式转移涂料技术”。典型应用就是镁合金导样壳体表面以及轮胎模具的制作。

　　(二) 镁合金在航空航天工程的应用与未来发展

　　镁合金的自身优异性能, 加上新技术的强化, 现已成为航空航天工业中不可或缺的材料。如, JDM2镁合金经常规等温热挤压技术处理后, 成功制备出轻型导弹的弹翼;JDM1镁合金经常规等温热挤压技术处理后, 可以制备出Φ145mm的无缝管道等等。我国是镁合金资源大国, 而且目前航空航天工业发展的态势是“轻量化”, 所以我国更应大力发展镁科技, 在镁资源优势基础上, 让技术处于世界领先水平, 才能在行业竞争中获得生机。

　　六、结论

　　在未来航空航天工业中, 轻量化必将成为发展的重要趋势, 合金正以它优异的物理化学性能在航空航天领域中发挥着巨大的作用。如果能在合金优异性能的基础上, 使其轻量化, 将会引起合金在该领域更广泛地应用。目前, 合金的易被腐蚀、价格昂贵、制造成本高、可塑性等缺点有待进一步提高。强化合金的结构功能一体化, 不仅能增强其机械性能, 而且能赋予其所不具备的特性, 可以使其在航空航天生产领域的应用价值提升。

　　参考文献
　　[1]郑欣, 白润, 蔡晓梅, 等.新型铌合金研究进展[J].中国材料进展, 2014, 33 (9) :586-594.
　　[2]丁文江, 付彭怀, 彭立明, 等.先进镁合金材料及其在航空航天领域中的应用[J].航天器环境工程, 2011, 28 (2) :103-109.