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天津太航金属材料有限公司
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日新月异的航空金属材料

在航空运输日益发达的今天,人们对飞机已经相当熟悉:伴随着发动机有力的轰鸣声,飞机腾空而起,起落架随之缓缓收入舱内,

经过短暂的爬升后迅速消失在地平线上。所有这些,依赖的是高效的机体结构、强劲的发动机、强壮的起落架、先进的系统等,而

构成这一切零部件基础的主要是航空金属材料。
  
合金家族之一:铝合金

  1903年,美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机,所选用的材料是木材和帆布,飞行速度只有每小时16公里,和骑自行车的速

度相差无几。
  1911年,铝合金研制成功,并很快取代了木材和帆布,成为制造飞机的主要材料。第一次世界大战期间,全金属结构的飞机已

经很普遍了。
  从木布结构过渡到金属结构,飞机的速度和其他性能实现了一次飞跃。例如,到1939年,螺旋桨飞机创造的最高时速已达755公

里,仅36年的时间,飞机的飞行速度提高了47倍。
  航空用铝合金密度低、耐腐蚀性能好,且具有较高的比强度、比刚度,容易加工成型,有足够的使用经验,这些优点使其成为

飞机结构的理想材料。
  铝合金随着飞机设计的要求而不断发展,其性能也日益强大。例如,1954年,英国的3架“彗星”飞机先后坠毁,事故分析表明

,坠机的主要原因是材料疲劳以及部分7075-T6铝合金构件被严重腐蚀。经过探索,研究人员突破了过时效热处理问题,研制出第二

代耐腐蚀铝合金,有效提升了飞机的安全水平。
  如今,航空铝合金的发展已经进入第六阶段。2005年4月27日,世界上最大的宽体客机空客A380在图卢兹机场成功首飞。A380能

够取得成功,先进材料的应用立下了汗马功劳。其中,加拿大铝业公司和美国铝业公司就为A380开发了新型铝合金材料。
  早在1998年,加拿大铝业公司就与空客公司达成协议,共同组建为A380飞机攻关的集成项目团队,一起开发新型铝合金材料。

根据A380各部件的特点,加拿大铝业公司开发出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列铝合金。每种合金都具有不同的性能和

特点。
  以7040-T7651合金为例,A380外翼的前梁和中央翼梁对材料的静强度以及断裂韧性提出了很高的要求。同时,材料还必须具有

良好的延展性和机械加工性。为了实现上述目标,加拿大铝业公司对原有合金AA7010/7050-T7651进行了改进,开发出新型合金

7040-T7651。这种合金具有高静强度、高韧性、低残余应力和良好的延展性等特点。
  美国铝业公司成立于1888年。100多年来,该公司研发了一系列铝合金材料,为航空工业的发展作出了重要贡献。
  美国铝业公司也参与了空客A380的研发。为了实现飞机结构件的整体化、大型化,该公司开发出可用于整体结构的新型铝合金

7085大型锻件,其截面厚度可达300毫米。在A380项目中,用7085锻件制造的应急舱门,零件数量从147个减至40个,紧固件由1400

个减至450个,重量减轻了20%,成本降低了20%~25%,承载能力和疲劳寿命也得到了显著提高。
  
合金家族之二:钛合金

  钛及钛合金材料密度低、比强度高(目前金属材料中最高)、耐腐蚀、耐高温、无磁、组织性能和稳定性好,可以与复合材料结

构直接连接,而且两者之间的热膨胀系数相近,不易产生电化学腐蚀,具有优良的综合性能。因此,钛合金在航空领域得到越来越

广泛的应用。
  1949年,美国道格拉斯公司在DC-7运输机的发动机舱和隔热板上,第一次使用了钛合金。洛克希德公司的“黑鸟”高空高速战

略侦察机SR-71,飞行速度超过3马赫,在高速飞行时,机体表面温度将超过常规铝合金蒙皮的极限,如果用钢制造,飞机重量会大

大增加,影响飞行速度和升限等性能。因此,SR-71的机身大量采用了钛合金,总重达30多吨,占飞机结构重量的93%。
  随着人们对飞机性能要求的不断提高,民用飞机的钛合金用量也在逐渐增加。早期波音707上的钛合金部件用量仅占结构总重量

的0.2%,到最新的波音787,占比高达15%。
  此外,钛合金也是制造航空发动机的主要材料。早期美国F-4战斗机使用的J79发动机,钛合金的用量只有50千克,不到总重量

的2%。而现在大多数航空发动机的钛用量已经达到发动机总重量的25%~30%。如波音747、767的发动机JT9D,其用钛量为总重量的

25%;空客A320的V2500发动机,其用钛量为总重量的31%。
  钛合金的另一大用途是作为螺栓、铆钉等紧固件材料。这些紧固件虽小,但用量却很大,使用钛合金紧固件可以大大减轻重量

。据估算,C-5大型运输机有70%的紧固件为钛合金紧固件,飞机因此而减重1吨左右。
  现在钛合金3D打印技术已用于飞机制造。钛合金3D打印技术由于摆脱了传统的模具制造这一显著延长研发时间的环节,可以制

造高精度、高性能、高柔性和快速制造结构十分复杂的金属零件,因而,为先进飞机结构的快速研发提供了有力的技术手段。
  
合金家族之三:超高强度钢

  超高强度钢在强度、刚性、韧性以及价格等方面具有很多优势,且拥有在承受极高载荷条件下保持高寿命和高可靠性的特点,

在航空领域得到广泛使用。
  例如,飞机的起落架要承受冲击等复杂载荷,而且载荷巨大,同时还要求起落架舱容积尽可能小,超高强度钢绝对强度大、稳

定性好,因此成为起落架的首选材料。
  20世纪60年代,美国成功开发了300M超高强度钢。300M钢的抗拉强度高,达到1860MPa以上。它的横向塑性高,断裂韧性好,与

同强度低合金超高强度钢相比300M钢的抗疲劳性能更好,在介质中的裂纹扩展速率低。这些特点使得300M钢成为大型飞机起落架的

主要材料。
  1992年,美国又开发了AreMet100。AreMet100与300M的强度级别相同,但耐腐蚀性能和耐应力腐蚀性能较300M钢有较大提高,

是目前综合性能最好的超高强度钢。F-22、F/A-18E/F就使用了AreMet100作为飞机起落架的主要材料。
  超高强度钢的另一应用是作为一些特殊传动部件的基体材料,如航空发动机中的轴承和传动齿轮。航空发动机的轴承和齿轮的

工作环境完全可以用“炼狱”来形容,它们不仅要承受各种应力的挤压和摩擦,而且绝不允许在使用过程中出现裂纹等损伤,只有

超高强度钢才可担此重任。目前,世界上只有极少数国家掌握航空发动机传动部件超高强度钢的制造技术。
  
合金家族之四:镁合金

  镁合金是最轻的金属结构材料,具有密度小、比强度高、抗震能力强、可承受较大冲击载荷等特点。
  国外最早针对镁合金的研究主要是在航天器的应用领域,后来逐渐发展到航空领域。1934年,德国开始将镁合金制造的飞机零

部件应用到福克Fw-200飞机上,主要用在飞机的发动机罩、机翼蒙皮及座位框架上,每架飞机共用镁合金材料大约650kg。
  目前,镁合金材料在航空领域的应用主要包括:飞机框架、座椅、发动机机匣、齿轮箱等。2010年,美国联邦航空管理局针对

用AZ31、WE43等制造的镁合金飞机座椅,开展了大量的整机可燃性试验,比较了这两种镁合金的可燃性、燃烧持续时间等性能。
  埃塞克斯飞机公司用镁合金板材及型材制造的190-8327L飞机油箱,与用铝合金制造的油箱相比,每升容积可减重

0.144~0.168kg,整架飞机的最大减重可达454kg。
  目前,一些高温镁合金如WE43、WE54等已被广泛应用于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中,如西科斯基的S-92直升

机。这些镁合金材料能较好地适应高温、腐蚀、震动和沙尘等比较恶劣的环境。
  伴随着航空金属材料的不断发展,飞机金属加工工艺也在迅速发展,如大型壁板时效成型技术、大型模锻件制造、3D打印技术

、先进胶结技术、先进焊接技术等。
  在飞机设计时,一定要综合材料优势,扬长避短,物尽其用,这样才能最大限度地发挥材料的性能,真正实现飞机结构的安全

、高效,达到减少重量、降低制造和运营成本的目的。

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