關(guān)注行業(yè)前沿,介紹航空航天材料的選擇及應(yīng)用
發(fā)布時間:2021-12-29點擊:1711
1.航空航天材料的服役環(huán)境
航空航天材料除了經(jīng)受高應(yīng)力、慣性力外,航空飛行器還要經(jīng)受起飛和降落、發(fā)動機振動、轉(zhuǎn)動件的高速旋轉(zhuǎn)、機動飛行、突風(fēng)等因素導(dǎo)致的沖擊載荷和交變載荷。發(fā)動機燃氣以及太陽輻照導(dǎo)致航空器處于高溫環(huán)境,隨著飛行速度提高,氣動加熱效應(yīng)凸顯,產(chǎn)生“熱障”。此外,還要經(jīng)受交變溫度,在同溫層以亞音速飛行時,表面溫度會降到-50℃左右,極圈以內(nèi)地域的嚴冬環(huán)境溫度會低于-40℃,金屬構(gòu)件或橡膠輪胎容易產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。汽油、煤油等燃料和各種潤滑劑、液壓油,多數(shù)對金屬材料產(chǎn)生腐蝕作用、對非金屬材料產(chǎn)生溶脹作用,而太陽輻照、風(fēng)雨侵蝕、地下潮濕環(huán)境長期儲存產(chǎn)生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。
2.航空航天材料的選擇及應(yīng)用
航空航天飛行器長期在大氣層或外層空間運行,在極端環(huán)境服役還要有極高可靠性和安全性、優(yōu)良的飛行性和機動性,除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足氣動需求、工藝性要求和使用維護要求外,更有賴于材料的優(yōu)異特性和功能。
01選材原則結(jié)構(gòu)件在服役中要承受各種形式的外力作用,要求材料在規(guī)定期限內(nèi)不超過允許的變形量和不破斷,而航空航天結(jié)構(gòu)還要盡量縮小結(jié)構(gòu)尺寸、降低重量,早期航空航天構(gòu)件采用靜強度設(shè)計,不考慮或很少考慮塑韌性,導(dǎo)致出現(xiàn)了災(zāi)難性事故。
為了保證結(jié)構(gòu)安全并充分利用材料的性能,航空航天結(jié)構(gòu)件的設(shè)計由 “強度設(shè)計原則”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皳p傷容限設(shè)計原則”,并逐步過渡到“全壽命周期設(shè)計原則”,在設(shè)計階段就考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有環(huán)節(jié),所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設(shè)計階段就得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化。要求材料不僅具有高的比強度、比剛度,還要有一定的斷裂韌性和沖擊韌性、抗疲勞性能、耐高溫性能、耐低溫性能、耐腐蝕性能、耐老化性能和抗霉菌性能,并有針對性地強化一些性能指標。此外,不同等級的載荷區(qū)采用不同的選材判據(jù),根據(jù)部件的具體要求選擇與之匹配的材料,大載荷區(qū)采用強度判據(jù),選用高強材料;中載荷區(qū)采用剛度判據(jù),選用高彈性模量材料;輕載荷區(qū)主要考慮尺寸穩(wěn)定性,確保構(gòu)件尺寸大于***小臨界尺寸。
選擇和評價結(jié)構(gòu)材料時,要根據(jù)服役條件和應(yīng)力狀態(tài),選擇合適的力學(xué)性能 (拉伸、壓縮、沖擊、疲勞、低溫系列沖擊)測試方法,針對不同的斷裂方式(韌斷、脆斷、應(yīng)力疲勞、應(yīng)變疲勞、應(yīng)力腐蝕、氫脆、中子輻照脆化等),綜合考慮材料強度與塑性、韌性的合理配合。承受拉伸載荷的構(gòu)件,表層及心部應(yīng)力分布均勻,所選材料應(yīng)具有均一組織和性能,大型構(gòu)件應(yīng)有良好的淬透性。承受彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件,表層及心部應(yīng)力相差較大,可用淬透性較低的材料。承受交變載荷的構(gòu)件,疲勞極限、缺口敏感性為選材的重要考核指標。在腐蝕介質(zhì)中服役的構(gòu)件,抗腐蝕能力、氫脆敏感性、應(yīng)力腐蝕開裂傾向、腐蝕疲勞強度等為選材的重要考核指標。高溫服役材料還要考慮組織穩(wěn)定性,低溫服役材料還要考慮低溫性能。
減重對提高飛行器的安全性、增加有效載荷和續(xù)航距離、提高機動性能及射程、降低燃料或推進劑消耗和飛行成本具有實際意義,飛行器速度越快,減重意義越大。戰(zhàn)斗機重量減輕15%,則可縮短飛機滑跑距離15%,增加航程20%,提高有效載荷30%。對于導(dǎo)彈或運載火箭等短時間一次性使用的飛行器,要以***小體積和質(zhì)量發(fā)揮等效功能,力求把材料性能發(fā)揮到極限程度,選取盡可能小的安全余量而達到絕對可靠的安全壽命。
02主要航空航天材料
對于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,密度降低30%,比強度提高50%的作用還大。鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料是主要的航空航天結(jié)構(gòu)材料,具有較高的比強度和比剛度,可提高飛行器的有效載荷、機動性、續(xù)航距離,同時降低飛行成本。
超高強度鋼(屈服強度>1380MPa)在航空航天工程中的用量不會超過10%。對于超聲速殲擊機等現(xiàn)代飛行器,超高強度鋼用量穩(wěn)定在5%~10%,其抗拉強度在600~1850MPa,有時高達到1950MPa,斷裂韌性KIc=78~91MPa·m1/2。在活性腐蝕介質(zhì)中使用的機身承力結(jié)構(gòu)件,一般要采用高強度耐蝕鋼,裝備氫燃料發(fā)動機的飛機要選用無碳耐蝕鋼作為在液氫和氫氣介質(zhì)中服役的構(gòu)件材料。
21世紀的飛行器機身結(jié)構(gòu)材料還是以鋁合金為主 ,包括2XXX系、7XXXX及鋁鋰合金。在鋁合金中加入鋰,可在提高強度的同時降低密度,實現(xiàn)提高構(gòu)件的比強度和比剛度的目標。鋁鋰合金已用于大型運輸機、戰(zhàn)斗機、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、航天飛機、運載火箭,主要用于頭部殼體、承力構(gòu)件、液氫液氧儲箱、管道、有效載荷轉(zhuǎn)接器等,被譽為***發(fā)展前景的航空航天材料。第三代和正在發(fā)展的***鋁鋰合金不再片面追求低密度,有較好的綜合性能,在裂紋擴展速率、疲勞性能、腐蝕性能、彈性模量等與第三代鋁鋰合金相當?shù)臈l件下,***鋁鋰合金有更高的靜強度(尤其屈服強度)和更高的斷裂韌性。
鈦合金的比強度高于鋁合金,已應(yīng)用于飛機框架、襟翼導(dǎo)軌和支架、發(fā)動機底座和起落架構(gòu)件等,還可用于排氣罩和隔火板等受熱部分。Ma>2.5的超聲速飛機表面溫度可達到200~350℃,可采用鈦合金作蒙皮。采用快速凝固/粉末冶金方法制備的高純度高致密度的鈦合金,有較好的熱穩(wěn)定性,在7℃的強度與室溫相同,開發(fā)的高強度高韌性的β型鈦合金已被NASA定為SiC/Ti復(fù)合材料的基體材料,用來制造飛機的機身和機翼壁板。鈦合金在航空器中的應(yīng)用比例逐漸增加,在民航機身中的使用量將達20%,在軍機機身中的使用量將高達50%。
金屬基復(fù)合材料、高溫樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料已在航空航天領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。碳/碳復(fù)合材料綜合了碳的難熔性與碳纖維的高強度、高剛性,具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性,在2500℃的高溫下仍具有相當高的強度和韌性,且密度只有高溫合金的1/4?;旌闲蛷?fù)合材料得到了越來越多的關(guān)注,如在碳纖維復(fù)合材料中添加玻璃纖維可以改善其沖擊性能,而玻璃纖維增強塑料中加人碳纖維可以增加其剛度。
此外,層狀復(fù)合材料在航空航天工程中的應(yīng)用越來越廣泛,如 A380采用了3%的GLARE,為新型的層壓板。層壓板是通過壓力使兩種不同種類的材料層疊在一起的復(fù)合材料,通常由上面板、上膠合層、芯材、下膠合層、下面板構(gòu)成,其強度和剛度要高于單獨的面板材料或芯材,已應(yīng)用于運輸機和戰(zhàn)斗機。GLARE層壓板是通過壓力(或熱壓罐)把多層薄鋁板和單向性玻璃纖維預(yù)浸料(浸漬環(huán)氧黏合劑)疊接熱壓而成的,如圖1所示。鋁板要經(jīng)過適當?shù)念A(yù)處理,使其更容易與纖維預(yù)浸料層粘在一起。表1為可商業(yè)化生產(chǎn)的GLARE層壓板類型,可根據(jù)需要制成不同厚度的板,纖維可以是2層、3層、4層等,纖維含量和方向符合表中規(guī)定即可,每類GLARE層壓板可以有不同形式,可根據(jù)具體需要進行調(diào)整。
GLRE層壓板的拼接技術(shù)解決了鋁板寬度有限的問題,如圖2所示,拼接時,同層鋁板間有一條窄縫,不同層鋁板間的接縫在不同位置,這些接縫可以通過纖維層和其他層鋁板連接起來,使得大型機身壁板或整體蒙皮制造成為可能,并具有出色的抗疲勞、抗腐蝕和阻燃性能,從而消除了鉚釘孔及由此引發(fā)的應(yīng)力集中。為了確保載荷的安全傳遞,可在拼接處增加一個補強層,即增鋪一層金屬板或一層玻璃纖維預(yù)浸料。
蜂窩夾層復(fù)合材料由夾層和蒙皮(面板)復(fù)合而成,蒙皮可以是鋁、碳/環(huán)氧復(fù)合材料等,夾層形似蜂窩,是由金屬材料、玻璃纖維或復(fù)合材料制成的一系列六邊形、四邊形及其他形狀的孔格,在夾層的上下兩面再膠接(或釬焊)上較薄的面板。鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料的芯材由鋁箔以不同方式膠接,通過拉伸而制成不同規(guī)格的蜂窩,芯材的性能主要通過鋁箔的厚度和孔格大小來控制,具有比強度和比剛度高、抗沖擊性能好、減振、透微波、可設(shè)計性強等優(yōu)點,與鉚接結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)效率可提高15%~30%。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料可用來制作各種壁板,用于翼面、艙面、艙蓋、地板、發(fā)動機護罩、消聲板、隔熱板、衛(wèi)星星體外殼、拋物面天線、火箭推進劑儲箱箱底等。但是,蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在某些環(huán)境中易腐蝕,受沖擊時,蜂窩夾層會發(fā)生永久變形,使蜂窩夾層與蒙皮發(fā)生分離。
03航空航天用材分析下表2為美***機用結(jié)構(gòu)材料的百分比,總的變化趨勢是復(fù)合材料和鈦合金的用量逐漸增多,鋁合金的用量有所下降。
B787的復(fù)合材料占50%,A350的復(fù)合材料占52 % ,大量應(yīng)用復(fù)合材料將成為航空航天領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。復(fù)合材料減重效果好,耐損傷、抗腐蝕、耐久性好,適合機敏結(jié)構(gòu),但是,復(fù)合材料成本很高,抗沖擊性能差,無塑性,技術(shù)難度增加,可維修性差、再生利用性差。因此,A320neo和B737MAX的復(fù)合材料用量并未比A320和B737增加。
載人飛船各艙段的結(jié)構(gòu)材料大多是鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料,如航天飛機的軌道器大部分用鋁合金制造,支承主發(fā)動機的推力結(jié)構(gòu)用欽合金制造,中機身的部分主框采用以硼纖維增強鋁合金的金屬基復(fù)合材料,貨艙艙門采用特制紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu),以石墨纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作面板。導(dǎo)彈頭部、航天器再人艙外表面和火箭發(fā)動機內(nèi)表面,要采用燒蝕材料,在熱流作用下,燒蝕材料能發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華、侵蝕等物理和化學(xué)變化,材料表面的質(zhì)量消耗帶走大量的熱,以達到阻止再人大氣層時的熱流傳人飛行器內(nèi)部、冷卻火箭發(fā)動機燃燒室和噴管的目的。為了保持艙內(nèi)有適宜的工作溫度,再人艙段要采取輻射防熱措施,外蒙皮為耐高溫的鎳基合金或鈹板,內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱欽合金,外蒙皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間填以石英纖維、玻璃纖維復(fù)合陶瓷等有良好隔熱特性的材料。
隨著載人航天、探月及深空探測、高分辨率衛(wèi)星、高超速飛行器、重復(fù)使用運載器、空間機動飛行器等航天工程的實施和不斷發(fā)展,對材料提出了全新的、更加苛刻的要求,為航天新材料的發(fā)展提供了新的契機和動力,材料領(lǐng)域必須盡早在材料體系創(chuàng)新、關(guān)鍵原材料自主保障以及工程應(yīng)用等方面取得重大突破。
來源:材易通 參考資料:《航空航天用先進材料》.李紅英,汪冰峰等
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