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【航化说】航空材料界的“五朵金花”:驱动飞天梦想

来源:航化网发表时间:2025-08-19 17:19:45浏览量:370

“一代材料,一代飞机”,这一说法生动地道出了航空结构材料在航空发展历程中的关键地位。航空结构材料始终站在材料领域的前沿,其蕴含的高技术含量与面临的高难度挑战,使其当之无愧地成为材料世界的佼佼者。在众多航空材料中,钛合金、复合材料、高温合金、铝合金和钢,宛如“五朵金花”,各自绽放光彩,推动着航空领域不断向前发展。

钛合金:航空领域的中流砥柱

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航空发动机叶片

钛合金是大飞机的重要结构材料。钛合金具有四大特点,一是耐高温,二是密度较低,三是强度高,四是抗腐蚀性好,因此主要用于航空发动机叶片和盘、发动机挂架、飞机起落架、机身隔框、机翼梁、尾翼接头等重要承力构件。

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波音787材料占比图

近年来,钛合金在航空领域的用量不断创新高。由于钛合金的密度比钢小得多,而强度又和钢很接近,因此,它可以大大减轻飞机重量。早期的美国波音707飞机,钛合金用量只有0.2%,到了波音787机体钛合金用量达15%,创下民用客机机体钛合金用量最高纪录。这一记录有望被俄罗斯新一代150座级的客机MS-21打破。据有关资料,MS-21机体钛合金用量高达25%。

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C919客机

而我国飞机机体结构中的钛合金用量也在不断提高。我国商用支线客机ARJ21的钛合金用量为4.8%,商用干线客机C919的钛合金用量为9.3%,和波音777相比略高,波音777为7%~8%。

复合材料:开启航空新时代

复合材料具有高比强度、高比刚度、可设计性强等优势,它们使飞机更轻、结构更简单,可以提高飞机的效率、降低燃油消耗,减少基于飞机重量的维修以及其费用。

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波音787客机

据了解,波音787上最重要的材料技术突破就是使用了更多的复合材料。从重量上看,波音787复合材料用量高达50%。主体结构的绝大部分由复合材料构成,尤其是机身部分。我国一些飞机的机体结构中复合材料用量也在不断提高。商用支线飞机ARJ21为1%,干线飞机C919目前为12%。

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B-2隐形轰炸机

在军用方面,伴随新一代战机对隐身及减重要求进一步增加,复合材料用量占比不断增加,根据《航空复合材料技术》,1969年时,美军F-14A战机碳纤维复材用量仅有1%,到F-22与F-35碳纤维复合材料用量已经达到24%~36%,以隐身特性见长的B-2隐形轰炸机复材用量更是超过了50%。根据相关信息,我国二代战机中,歼-7复合材料占比3%;三代机中,歼-10复合材料占比6%,歼-11复合材料占比约为10%;四代机中,歼-20复合材料占比20%,由此可见复合材料在航空领域的重要性。

高温合金:航空发动机的核心保障

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高温合金化学元素构成

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的抗疲劳性能、抗断裂韧性等综合性能,又被称为“超合金”。

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航空发动机示意图

在现代航空发动机中,高温合金材料用量占发动机总量的40%~60%。在航空发动机上,高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热端零部件;此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

早期变形高温合金的强度提高主要是通过合金化来实现,但随着使用温度和合金强度要求的不断提高,其合金化程度也越来越高,以至于铸锭的合金元素偏析严重,热工艺塑性恶化,使常规铸锻工艺制造涡轮盘时变形加工变得非常困难,粉末冶金高温合金的应用是解决这一问题的有效途径。

20世纪60年代初,气雾化粉末制备技术开始兴起,1965年发展了高纯高温合金粉末制备技术,随后制备出粉末高温合金涡轮盘,并于20世纪70年代首先应用于军用飞机发动机上。粉末高温合金的优势在于,雾化制粉过程中微米级直径的合金液滴快速凝固形成粉末颗粒,粉末组织均匀、晶粒细小,多为细树枝晶或胞晶。近几十年,随着合金和制备技术的快速发展,粉末高温合金已成为目前高性能航空发动机涡轮盘的首选材料。

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国内外粉末高温合金的发展

欧美发达国家和我国在先进航空发动机中广泛采用粉末高温合金涡轮盘,先后研制出四代粉末高温合金(图1),在军、民用航空发动机中得到了应用。我国变形高温合金从引进吸收逐步形成体系化和规模化,目前已基本实现材料的自主可控。近年来国内正在研制高强损伤容限第三代粉末高温合金,并对第四代粉末高温合金进行了初步探索研究。

铝合金:航空领域的传统“宠儿”

铝合金一直是航空领域的常用材料,具有密度低、强度较高、加工性能好等优点。

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航空用铝合金占比

铝合金在飞机上主要是用作结构材料,如蒙皮、框架、壁板和起落架支柱等。根据相关信息,当今世界各国大飞机结构用铝合金主要是高强度的2xxx系(2024、2224、2324、2424、2524等)和超高强度的7xxx系(7075、7475、7050、7150、7055、7085等),在民用客机铝材占比分别达约38%、45%。

我国对于高强高韧铝合金的研究起步较晚,始于20世纪60年代,起初以仿制美国为主,主要对美国的2000系和7000系合金进行了仿制,有2014、2024、2324、2525、7075、7001、7475、7055合金等。近年来,我国不断加大高强铝合金的研发力度,完成了一系列国家重大课题,取得了较好的成果,基本具备了高强铝合金材料的批量生产能力,满足国家重大工程对高强铝合金材料的应用需求。

钢:航空领域的坚实力量

在航空领域,使用的钢材主要包括超高强度钢,如300M钢和AerMet100钢,它们因其高强度和韧性而被广泛应用于飞机的起落架和关键连接部件。超高强度钢的抗拉强度通常大于1400MPa,屈服强度大于1200MPa,且具有良好的塑韧性和疲劳性能。尽管在飞机制造中钢材的使用比例有所下降,但在一些关键承力结构件如起落架和高应力紧固件中,钢材仍然是不可替代的材料。

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300M钢制造的飞机起落架

相关信息显示,美国B737-300型及其后推出的波音系列客机的钢制起落架基本上都选用300M钢。美国的第三代战斗机也通常选用300M钢制造起落架,但第四代战斗机F/A-22和F35的起落架开始选用新推出的Aermet100。与300M钢相比,Aermet100不仅强度更高一些,而且抗腐蚀能力和损伤容限要好得多,疲劳性能也更好。然而,迄今为止,美国的民用客机仍未选用Aermet100钢。

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国产300M钢

2009年我国钢铁企业开始300M超高强度钢研制攻关,2014年获得了规定最严格级别B类300M钢生产许可证,2016年成功通过了供应商认证,拥有了合格供应商资质,正式供货用于C919起落架制造。据了解,国内在C919大飞机项目中,300M钢占全机特殊合金钢总重量的65%左右。

航空领域的发展与材料革新息息相关。每一次新型材料的出现,都为航空技术的突破提供了可能。从最初的木质材料到如今的高性能合金和复合材料,材料的不断升级推动着飞机性能的飞跃。钛合金、复合材料、高温合金、铝合金和钢这五种材料在航空领域各显神通,它们的发展不仅代表了材料科学的进步,也为航空工业的发展注入了强大动力。在未来,随着材料技术的不断创新,航空领域必将迎来更加辉煌的发展。

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关键词: 钛合金 复合材料 高温合金 铝合金 300M钢

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