淺析四種合金材料在航空航天技術中的應用論文

　　摘 要：航空航天工業(yè)中, 合金因強度大、易焊接等特點成為備受關注的工程材料。本文通過分析鈮合金、鋁鋰合金、鈦鋁合金、鎂合金在航空航天工程中的應用, 揭示合金材料在該領域不可替代的作用, 同時指出合金存在的不足, 以及改進的措施。同時, 筆者認為合金未來的發(fā)展方向是輕量化, 提出對現有合金進行技術處理, 促進合金的發(fā)展。

　　關鍵詞：航空航; 鈮合金; 鋁鋰合金; 鈦鋁合金; 鎂合金;

　　一、前言

　　近年來, 新興合金工業(yè)快速發(fā)展, 有力地推動新興合金在航空航天工程的應用。其中鈮合金、鋁鋰合金、鈦鋁合金、鎂合金等合金由于其優(yōu)異的性能被廣泛應用于航空航天工程。本文就該四種合金在航空航天及相關領域的應用進行探討, 希望能對促進合金性能的改進及其應用有幫助。

　　二、新型鈮合金

　　鈮元素位于元素周期表第五周期VB族。單質鈮是灰白色金屬, 具有化學性質穩(wěn)定、順磁性、熔點高、密度小的特點。高溫下與硫、碳等單質可以直接化合, 能與鈦、鋯、鎢等金屬形成合金, 用于新型航空航天工程的材料。鈮合金分為高強度鈮合金和低密度鈮合金。

　　(一) 高強度鈮合金

　　以固溶強化、彌散強化為主。一般添加鎢、鉬、鉿及0.06%-0.12%的碳進行固溶強化。固溶強化后的合金, 高溫強度比較高, 是用于航空航天工程的理想材料。但由于鈮單質隨著雜質含量的升高會變硬, 室溫可塑性較差 (斷后延展率≤10%) 。為此, 我們一般添加大量的鉿, 以及少量的碳制成WC3009鈮合金。另外, 我們可以采用彌散強化的方法解決該問題。彌散強化過程中, 一般加入5%-10%的鉬或鎢, 使得合金的塑性大大提升了, 斷后延伸率≥25%, 而且沒有喪失比強度高的特點。

　　(二) 低密度鈮合金

　　低密度鈮合金, 它的抗氧化性比高鈮含量 (質量分數Nb+W﹥80%) 的鈮合金要好, 能在550℃-800℃的大氣環(huán)境中不加任何抗氧化涂層而不被氧化。低密度鈮合金的制備方法很多, 如粉末冶金法、等離子熔煉法等。與其他方法相比, 粉末冶金法很容易得到合金材料, 成份十分均勻。隨著科技不斷發(fā)展, 3D打印技術不斷成熟, 用該技術制備復雜形狀的合金, 可以成為新的研究方向。

　　三、鋁鋰合金

　　鋰位于元素周期表第二周期ⅠA族, 是最輕的金屬, 在鋁中的溶解度比較高, 且鋰的比重小, 所以長期以來它一直被認為可以與鋁制成合金。據有關數據統計, 在鋁合金中平均加1%的鋰, 可使其密度降低3%, 使其彈性模量提高6%, 所以鋁鋰合金在航空航天領域的作用不可小覷。

　　(一) 鋁鋰合金的發(fā)展

　　上個世紀50年代到60年代初, 第一代鋁鋰合金由美國Alcoa公司和蘇聯科學家開發(fā)出來。1958年, 美國Alcoa公司研制出2023合計板材, 用在海軍RA-5C軍用預警機上。20世紀70年代到80年代后期, 是鋁鋰合金發(fā)展的第二階段。70年代的能源危機迫使航空工業(yè)要對飛機材料進行大刀闊斧的改良, 此階段研究出的第三代鋁鋰合金, 重量減輕了7%-10%, 彈性模量提高了10%-16%, 有良好的疲勞性能。第四代鋁鋰合金, 鋰合量有所降低, 與之前相比, 其合金強度韌性進一步提升。2023年, 中國航空工業(yè)集團采用美國達文波特軋制廠的新一代鋁鋰合金成功制造出C919國產大型客機的直部段。鋁鋰合金的不斷發(fā)展, 將導致我國鋁鋰合金的廣注應用。

　　(二) 鋁鋰合金的超塑性研究及航空航天工程的應用

　　鋁鋰合金密度小、比強度高、比彈性模量大, 廣泛應用航空航天工程。但是, 室溫塑性差、易開裂、力學性能各向異性嚴重, 成為限制其發(fā)展的主要因素。經過科研人員的不懈努力, 以形變熱處理技術形成的超塑性鋁合金誕生, 超塑性鋁合金的'誕生, 標志著航空航天工程迎來了新的曙光。例如, 在航空領域內, 麥道公司在1990年3月對由鋁鋰合金 (8090) 制造的F-15B鷹戰(zhàn)斗機的整流罩進行試驗, 它可以替代由鑄件和鈑金件裝配成的構件。超塑性鋁鋰合金技術在航空航天領域正在迅猛發(fā)展。

　　四、變形鈦鋁合金

　　鈦, 位于元素周期表第四周期IVB族, 具有強度大的優(yōu)點。與鋁制成的鈦鋁合金, 密度低、強度高、抗氧化能力好, 這些優(yōu)點使之成為有巨大前景的高溫結構材料之一。鈦鋁合金經過長時間發(fā)展在國外已經開始被工程化地應用到航空航天領域。

　　(一) 合金化鈦鋁合金

　　目前, 鈦鋁合金化研究取得三類成果:γ-Ti Al合金、高鈮鈦鋁合金和β-γ鈦鋁合金。傳統的γ-Ti Al合金中, 鋁無疑是最重要的元素。但是研究發(fā)現鋁占45%-48%的鈦鋁合金在凝固時, 發(fā)生包晶反應, 形成柱狀晶組織, 導致其室溫性能一般。為了防止包晶反應的發(fā)生, 我們必須要將鋁的含量降至45%以下。鋁含量降低后, 在加工溫度條件下引入無序體心立方β相, 從而改善一合金的熱加工性。此外, 鈮可以提高合金使用溫度, 進一步改善合金的高溫性能。

　　(二) 鈦鋁合金熱加工技術

　　合金熱加工, 可以校正偏析、細化組織、改善鈦鋁合金的綜合力學性能。其中, 熱加工技術分為含金鍛造技術、熱擠壓技術、軋制技術、粉末冶金技術等。合金熱加工技術的關鍵之處在于精確的工藝設計與參數。目前, 鈦鋁合金發(fā)展的限制因素在于其熱加工性差、窗口窄, 這樣一來, 對加工設備要求高。因此, 設計熱加工的計算機模擬可以成為完善熱加工技術的一個發(fā)展方向。

　　五、鎂合金

　　鎂, 位于元素周期表第三周期ⅡA族, 屬于堿土金屬元素。鎂合金尺寸穩(wěn)定、比強度高、易回收等優(yōu)秀特征, 被譽為“21世紀綠色工程材料”。

　　(一) 鎂合金成型新工藝

　　眾所周知, 航空航天工程對機件的復雜程度要求很高。為了滿足航空航天工程的需求, 鎂合金成型新工藝應運而生。其中包括涂層轉移精密鑄造技術、表面超聲波陽極氧化技術等新方法。

　　涂層轉移精密鑄造技術中, 砂芯的制備是關鍵。老式制備砂芯的方法是芯盒成型后, 在芯面上進行涂料。傳統方法難以形成均勻的涂料層, 而涂料層的均勻度影響的是鑄件的光潔度與尺寸。新的工藝方法是, 運用涂料自上充填的造型材料, 使涂層經固化后, 自動轉移到型芯表面, 該方法又稱“非占位式轉移涂料技術”。典型應用就是鎂合金導樣殼體表面以及輪胎模具的制作。

　　(二) 鎂合金在航空航天工程的應用與未來發(fā)展

　　鎂合金的自身優(yōu)異性能, 加上新技術的強化, 現已成為航空航天工業(yè)中不可或缺的材料。如, JDM2鎂合金經常規(guī)等溫熱擠壓技術處理后, 成功制備出輕型導彈的彈翼;JDM1鎂合金經常規(guī)等溫熱擠壓技術處理后, 可以制備出Φ145mm的無縫管道等等。我國是鎂合金資源大國, 而且目前航空航天工業(yè)發(fā)展的態(tài)勢是“輕量化”, 所以我國更應大力發(fā)展鎂科技, 在鎂資源優(yōu)勢基礎上, 讓技術處于世界領先水平, 才能在行業(yè)競爭中獲得生機。

　　六、結論

　　在未來航空航天工業(yè)中, 輕量化必將成為發(fā)展的重要趨勢, 合金正以它優(yōu)異的物理化學性能在航空航天領域中發(fā)揮著巨大的作用。如果能在合金優(yōu)異性能的基礎上, 使其輕量化, 將會引起合金在該領域更廣泛地應用。目前, 合金的易被腐蝕、價格昂貴、制造成本高、可塑性等缺點有待進一步提高。強化合金的結構功能一體化, 不僅能增強其機械性能, 而且能賦予其所不具備的特性, 可以使其在航空航天生產領域的應用價值提升。

　　參考文獻

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