航空材料的新进展

　　先进材料的强度、韧性及可维修性正在推动下一代飞机及其动力装置的发展，目标是获得长寿命、无修理的结构以及工作温度更高、油效更高的发动机。有人说，如果说上世纪90年代可以称作电子时代，当时广泛采用先进的飞行管理及安全系统，如EGPWS（增强的近地告警系统）及TCAS II（交通告警及防撞系统），那么21世纪的头10年将无疑是先进材料年代，这些先进材料包括碳复合材料、钛、铝合金及玻璃增强铝层压材料。<br/>　　复合材料在机体上应用的增长已导致钛及其他特殊金属成比例的增长，用以代替长期应用的铝。这是因为铝与石墨复合材料的电化学性能不同从而引起腐蚀，因此随着复合材料应用的增长，钛将变成防腐蚀的优选材料。<br/>　　 1.复合材料的市场兴旺<br/>　　航空制造商现在大约采用2.5亿千克原材料（根据E复合材料公司"2004~2010年全球航空工业用复合材料的机遇"调查报告）。铝长期以来是机体及机身的首选材料，但这种选择正在放慢，主要是因为重量、成本及维修性问题。<br/>　　过去30年，复合材料的应用从波音737及747的小于5%增加到A320的17%，而787将用大约50%，其油效将比类似大小飞机高20%，其部分原因就是由于复合材料的应用。A380预计复合材料每架高于20%。本来根据复合材料优缺点的平衡，在民机上占结构重量的20%为宜，新的发展趋势已打破了这一论点。<br/>　　 E复合材料公司估计复合材料在飞机上的应用在2005年到2010年间每年将增加10%，同期材料价值估计大约46亿美元。国防工业与787及A380一样在预测期也是复合材料需要之源。该公司估计在2005~2010年间，全球对复合材料的市场需求包括雷达罩、平尾、垂尾、襟翼、地板及机身。 <br/>　　2.大尺寸复合材料结构浮出水面<br/>　　大尺寸结构如机身及机翼一向是铝的地盘，将越来越多被复合材料挤出。EADS公司制造的A400M军用运输机将有一复合材料机翼，与787竞争的A350也将采用复合材料机翼。<br/>　　 787将采用世界上最大的复合材料机身。目前已建造了4个开发型复合材料机身筒体，制造方案据说已敲定。波音也已制造了机头段及全尺寸的复合材料机翼盒成形件，以验证制造技术及保障技术。<br/>　　 787主结构区用的预浸料正在由日本东丽公司制造，该公司采用聚丙烯腈碳纤维。<br/>　　波音已将复合材料预浸料（高强度碳纤维及韧化环氧）用在波音777的尾翼及地板梁之类结构。东丽公司将为787提供复合材料。<br/>　　不只是美国人干得欢，欧洲也在从事其大规模复合材料开发。根据1240万美元的FUBACOMP（全尺寸筒体复合材料机身）计划，一些公司已生产了一个整体的碳纤维前机身段（包括风挡、舱门及窗）。<br/>　　该结构是根据达索公司的"隼"的4：5比例由达索及BAE系统公司设计，在BAE系统生产厂内制造的。<br/>　　目前已可用碳纤维、蜂窝、泡沫或碳镶入件制造整体机身结构。<br/>　　这个4.5m长，2m宽的机身是在英国德贝郡（Derbyshire）的先进复合材料集团公司的先进芯轴上设计制造的。为了实现所需的芯轴性能，在制造后易将零件从芯轴上取下来，芯轴与真空成为一体以便在热压罐内用真空袋进行压实，用一拥有专利技术的动态密封法实现真空。<br/>　　复合材料结构有一系列优点，不仅降低装配成本，也可使飞机变得更轻，因无金属件，疲劳问题也少。<br/>　　现在机身已运到法国图鲁兹进行静强度、疲劳及鸟撞试验。<br/>　　 3.新高温合金涌现<br/>　　通用电气、普惠及罗罗公司和斯奈克玛公司发现改进的高温合金在提高冷端及热端的性能上起着关键作用。<br/>　　特别引人注意的是传统的718镍铬高温合金的改进型718plus，它是由ATT Allvac 公司生产的。Allvac 718plus是一种时效硬化的镍基高温合穑哂懈叩母呶吕旒俺志眯阅埽?50℃以上具有与Waspaloy合金相同的高温性能及热稳定性。而成本较低，同时具有718合金的焊接及加工性能。<br/>　　由于718plus比718耐温高出55℃，可以用来制造性能更好的动力装置。<br/>　　 4.铝合金不断适应新变化<br/>　　目前，铝合金在航空上的衰落被过分夸大了。因787的开发及A380的首飞对铝合金制造商是一鼓舞。例如A380的特点是比空客其他飞机用更多的Alcoa公司的铝产品。为了应付新机的制造需要，Alcoa公司将在今后18个月内投资6000万美元增加大约50%的热处理薄板及厚板的生产。<br/>　　 Alcoa在2002年启动了在今后20年内将成本及航空零件重量各减少20%的计划。称之"Alcoa航空20/20创议"。目标是通过开发诸如铝锂、铝镁之类低密度合金及新的连接工艺（如搅动摩擦焊、激光焊及胶结）开发及应用来实现。<br/>　　 Alcoa公司的战略集中在缩小铝合金与复合材料之间的性能差距，并同时改进现有金属产品的性能。<br/>　　在机翼设计上，重点放在受拉应力的上蒙皮及受压应力的下蒙皮，方法是采用具有先进性能的合金，进行选择性的增强，采用纤维金属层压材料再加上局部增强的焊接方法以及整体增强的壁板。<br/>　　对比分析表明，除了性能改进外，上述措施表明：仅用先进合金可使重量减少5%，<br/>　　先进合金局部增强时，可减重9%，用层压的纤维金属板时，减重可达13%。 <br/>　　目前Alcoa公司已评估几种机身方案，相信20/20的目标将达到。<br/>　　最近在空客的A350新机开发方案中，就将采用Alcoa的一些思想，例如在机身蒙皮中就准备采用第三代铝锂合金C47A，并采用搅动摩擦焊。通过设计、材料与工艺的结合来使铝合金适应新的要求。空客公司十分看好铝合金机身结构的抗损伤能力，认为在这方面优于787的复合材料机身。 <br/>　　5.高性能镁合金仍有生命力<br/>　　镁合金是最轻的结构材料，广泛用于喷气发动机及直升机的减速器机匣，近年应用有所减少。但工作温度可达200℃的含Nd的Elektron 21镁合金已取得航空材料规范（AMS4429），并已批准进入新版的MMPDS(以前的Mil-HDBK-5)设计手册，该手册2006年初将再版。<br/>　　研制该合金的英国著名的Magnesium Elektron公司正在开发新的高强高温变形镁合金，叫做Elektron 675，其强度2倍于铝，重量是钛的一半。可在100~300℃用于航空及国防产品，十分引人注目，表明镁合金仍有生命力。 <br/>　　6.钛合金扩大应用的关键是降低成本<br/>　　近年钛合金的应用也受新材料竞争的威胁。但仍是航空材料中不可缺少的重要材料。估计在今后5年飞机增长速度达10%，波音787及A380，F-22及F-35等飞机仍是钛的大的用户，因钛是复合材料相匹配的材料。<br/>　　钛合金的高比强度及高断裂韧性使其广泛用于军机如F-22、F-35、欧洲战斗机及"幻影"，钛合金用量达到结构重量的40%。新的高强钛合金如Timetal555已选用作飞机框架、紧固件及起落架。<br/>　　降低钛合金成本是目前的重点之一，工艺上的改进是主要出路。美国材料学会制订了新规范AMS6945，批准Ti-6Al-4V合金只经一次熔炼，即采用电子束熔炼，已生产225万千克产品作军用。新近美空军对此工艺进行资助，为将来在航空上的应用打开了门路。今后趋势是降低钛的冶炼工艺成本，如采用钛矿直接还原以及粉末冶金等。等离子弧熔炼也是一种制造钛合金航空发动机转动件的优质工艺。还有近无余量的激光逐层制造法也有发展前途，目前已在F-15及C-17上进行了飞行验证。 <br/>　　 7.新颖的涂层<br/>　　一种是用纳米技术提高零件的耐久性，值得一提的是超韧纳米复合材料涂层可以改进航空发动机零件的耐久性，正在美国空军实验室进行开发，并已发现了其中的机理：宏观塑性是由极硬的纳米晶/非晶复合材料产生的，是由于大量的纳米晶粒在非晶基体中平移1～2nm引起。当其以高加载速率进行大的接触变形时，产生高的断裂韧性。实验室起初开发了一种新的耐磨材料，由非常硬的3～5nm的碳化物或氧化物镶入非晶的类金刚石碳或金属/陶瓷混合物基体，在初步鉴定阶段新材料显示异常的高硬度（超过陶瓷）以及断裂强度（类似于金属）。<br/>　　另一种是用太阳能涂层降低飞机的受热，值得一提的是，据英国Qinetiq公司报道，它开发了一种太阳能反射涂层，可降低飞机表面的温度。该涂层称作低太阳负荷（LSL）漆，具有各类军民用途，可降低飞机、车船的全寿命成本。<br/>　　试验已表明LSL与传统漆相比可降低表面温度达35%，在热气候条件下可望进一步降低。这一技术可以通过减少空调及隔热材料来降低重量及成本。LSL外观为黑色。先进材料的强度、韧性及可维修性正在推动下一代飞机及其动力装置的发展，目标是获得长寿命、无修理的结构以及工作温度更高、油效更高的发动机。有人说，如果说上世纪90年代可以称作电子时代，当时广泛采用先进的飞行管理及安全系统，如EGPWS（增强的近地告警系统）及TCAS II（交通告警及防撞系统），那么21世纪的头10年将无疑是先进材料年代，这些先进材料包括碳复合材料、钛、铝合金及玻璃增强铝层压材料。<br/>　　复合材料在机体上应用的增长已导致钛及其他特殊金属成比例的增长，用以代替长期应用的铝。这是因为铝与石墨复合材料的电化学性能不同从而引起腐蚀，因此随着复合材料应用的增长，钛将变成防腐蚀的优选材料。<br/>　　 1.复合材料的市场兴旺<br/>　　航空制造商现在大约采用2.5亿千克原材料（根据E复合材料公司"2004~2010年全球航空工业用复合材料的机遇"调查报告）。铝长期以来是机体及机身的首选材料，但这种选择正在放慢，主要是因为重量、成本及维修性问题。<br/>　　过去30年，复合材料的应用从波音737及747的小于5%增加到A320的17%，而787将用大约50%，其油效将比类似大小飞机高20%，其部分原因就是由于复合材料的应用。A380预计复合材料每架高于20%。本来根据复合材料优缺点的平衡，在民机上占结构重量的20%为宜，新的发展趋势已打破了这一论点。<br/>　　 E复合材料公司估计复合材料在飞机上的应用在2005年到2010年间每年将增加10%，同期材料价值估计大约46亿美元。国防工业与787及A380一样在预测期也是复合材料需要之源。该公司估计在2005~2010年间，全球对复合材料的市场需求包括雷达罩、平尾、垂尾、襟翼、地板及机身。 <br/>　　2.大尺寸复合材料结构浮出水面<br/>　　大尺寸结构如机身及机翼一向是铝的地盘，将越来越多被复合材料挤出。EADS公司制造的A400M军用运输机将有一复合材料机翼，与787竞争的A350也将采用复合材料机翼。<br/>　　 787将采用世界上最大的复合材料机身。目前已建造了4个开发型复合材料机身筒体，制造方案据说已敲定。波音也已制造了机头段及全尺寸的复合材料机翼盒成形件，以验证制造技术及保障技术。<br/>　　 787主结构区用的预浸料正在由日本东丽公司制造，该公司采用聚丙烯腈碳纤维。<br/>　　波音已将复合材料预浸料（高强度碳纤维及韧化环氧）用在波音777的尾翼及地板梁之类结构。东丽公司将为787提供复合材料。<br/>　　不只是美国人干得欢，欧洲也在从事其大规模复合材料开发。根据1240万美元的FUBACOMP（全尺寸筒体复合材料机身）计划，一些公司已生产了一个整体的碳纤维前机身段（包括风挡、舱门及窗）。<br/>　　该结构是根据达索公司的"隼"的4：5比例由达索及BAE系统公司设计，在BAE系统生产厂内制造的。<br/>　　目前已可用碳纤维、蜂窝、泡沫或碳镶入件制造整体机身结构。<br/>　　这个4.5m长，2m宽的机身是在英国德贝郡（Derbyshire）的先进复合材料集团公司的先进芯轴上设计制造的。为了实现所需的芯轴性能，在制造后易将零件从芯轴上取下来，芯轴与真空成为一体以便在热压罐内用真空袋进行压实，用一拥有专利技术的动态密封法实现真空。<br/>　　复合材料结构有一系列优点，不仅降低装配成本，也可使飞机变得更轻，因无金属件，疲劳问题也少。<br/>　　现在机身已运到法国图鲁兹进行静强度、疲劳及鸟撞试验。<br/>　　 3.新高温合金涌现<br/>　　通用电气、普惠及罗罗公司和斯奈克玛公司发现改进的高温合金在提高冷端及热端的性能上起着关键作用。<br/>　　特别引人注意的是传统的718镍铬高温合金的改进型718plus，它是由ATT Allvac 公司生产的。Allvac 718plus是一种时效硬化的镍基高温合穑哂懈叩母呶吕旒俺志眯阅埽?50℃以上具有与Waspaloy合金相同的高温性能及热稳定性。而成本较低，同时具有718合金的焊接及加工性能。<br/>　　由于718plus比718耐温高出55℃，可以用来制造性能更好的动力装置。<br/>　　 4.铝合金不断适应新变化<br/>　　目前，铝合金在航空上的衰落被过分夸大了。因787的开发及A380的首飞对铝合金制造商是一鼓舞。例如A380的特点是比空客其他飞机用更多的Alcoa公司的铝产品。为了应付新机的制造需要，Alcoa公司将在今后18个月内投资6000万美元增加大约50%的热处理薄板及厚板的生产。<br/>　　 Alcoa在2002年启动了在今后20年内将成本及航空零件重量各减少20%的计划。称之"Alcoa航空20/20创议"。目标是通过开发诸如铝锂、铝镁之类低密度合金及新的连接工艺（如搅动摩擦焊、激光焊及胶结）开发及应用来实现。<br/>　　 Alcoa公司的战略集中在缩小铝合金与复合材料之间的性能差距，并同时改进现有金属产品的性能。<br/>　　在机翼设计上，重点放在受拉应力的上蒙皮及受压应力的下蒙皮，方法是采用具有先进性能的合金，进行选择性的增强，采用纤维金属层压材料再加上局部增强的焊接方法以及整体增强的壁板。<br/>　　对比分析表明，除了性能改进外，上述措施表明：仅用先进合金可使重量减少5%，<br/>　　先进合金局部增强时，可减重9%，用层压的纤维金属板时，减重可达13%。 <br/>　　目前Alcoa公司已评估几种机身方案，相信20/20的目标将达到。<br/>　　最近在空客的A350新机开发方案中，就将采用Alcoa的一些思想，例如在机身蒙皮中就准备采用第三代铝锂合金C47A，并采用搅动摩擦焊。通过设计、材料与工艺的结合来使铝合金适应新的要求。空客公司十分看好铝合金机身结构的抗损伤能力，认为在这方面优于787的复合材料机身。 <br/>　　5.高性能镁合金仍有生命力<br/>　　镁合金是最轻的结构材料，广泛用于喷气发动机及直升机的减速器机匣，近年应用有所减少。但工作温度可达200℃的含Nd的Elektron 21镁合金已取得航空材料规范（AMS4429），并已批准进入新版的MMPDS(以前的Mil-HDBK-5)设计手册，该手册2006年初将再版。<br/>　　研制该合金的英国著名的Magnesium Elektron公司正在开发新的高强高温变形镁合金，叫做Elektron 675，其强度2倍于铝，重量是钛的一半。可在100~300℃用于航空及国防产品，十分引人注目，表明镁合金仍有生命力。 <br/>　　6.钛合金扩大应用的关键是降低成本<br/>　　近年钛合金的应用也受新材料竞争的威胁。但仍是航空材料中不可缺少的重要材料。估计在今后5年飞机增长速度达10%，波音787及A380，F-22及F-35等飞机仍是钛的大的用户，因钛是复合材料相匹配的材料。<br/>　　钛合金的高比强度及高断裂韧性使其广泛用于军机如F-22、F-35、欧洲战斗机及"幻影"，钛合金用量达到结构重量的40%。新的高强钛合金如Timetal555已选用作飞机框架、紧固件及起落架。<br/>　　降低钛合金成本是目前的重点之一，工艺上的改进是主要出路。美国材料学会制订了新规范AMS6945，批准Ti-6Al-4V合金只经一次熔炼，即采用电子束熔炼，已生产225万千克产品作军用。新近美空军对此工艺进行资助，为将来在航空上的应用打开了门路。今后趋势是降低钛的冶炼工艺成本，如采用钛矿直接还原以及粉末冶金等。等离子弧熔炼也是一种制造钛合金航空发动机转动件的优质工艺。还有近无余量的激光逐层制造法也有发展前途，目前已在F-15及C-17上进行了飞行验证。 <br/>　　 7.新颖的涂层<br/>　　一种是用纳米技术提高零件的耐久性，值得一提的是超韧纳米复合材料涂层可以改进航空发动机零件的耐久性，正在美国空军实验室进行开发，并已发现了其中的机理：宏观塑性是由极硬的纳米晶/非晶复合材料产生的，是由于大量的纳米晶粒在非晶基体中平移1～2nm引起。当其以高加载速率进行大的接触变形时，产生高的断裂韧性。实验室起初开发了一种新的耐磨材料，由非常硬的3～5nm的碳化物或氧化物镶入非晶的类金刚石碳或金属/陶瓷混合物基体，在初步鉴定阶段新材料显示异常的高硬度（超过陶瓷）以及断裂强度（类似于金属）。<br/>　　另一种是用太阳能涂层降低飞机的受热，值得一提的是，据英国Qinetiq公司报道，它开发了一种太阳能反射涂层，可降低飞机表面的温度。该涂层称作低太阳负荷（LSL）漆，具有各类军民用途，可降低飞机、车船的全寿命成本。<br/>　　试验已表明LSL与传统漆相比可降低表面温度达35%，在热气候条件下可望进一步降低。这一技术可以通过减少空调及隔热材料来降低重量及成本。LSL外观为黑色。