航空先进材料与飞机、发动机的发展历程

    材料与飞机在相互推动下不断发展，航空材料一直发挥着先导和基础作用。按照使用部位的不同，航空材料可分为机体材料和发动机材料。在现代材料科学与技术的发展历程中，机体材料不仅引领飞行器自身的发展，而且还带动了地面交通工具以及空间飞行器的进步。而发动机材料的发展则不断促进动力产业和能源行业的推陈出新。

    “一代材料，一代飞机”是航空工业发展的生动写照。机体材料至今已经历了四个发展阶段，正在跨入第五阶段。第一阶段是从1903年到1919年，机体采用木、布结构；第二阶段是1920年到1949年，产生了铝合金和钢的机身材料；第三个阶段是从1956年到1969年，飞机材料中增加了钛；第四个阶段是1970年至今，其特点是增加了复合材料。

    2006年2月9日，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，其第四章里确定了大型飞机等16个国家级重大专项。大飞机专项的关键技术包括发动机、材料和电子设备等三项，而事实上，发动机和电子设备的发展基础依然是材料，即高温合金材料和电子、微电子材料等，再次凸显航空材料在飞机、发动机发展中的关键作用。本文将以现代飞机和发动机中最重要的高温合金、铝合金、钛合金、超高强度钢、复合材料等5大类结构材料为例，浅谈这些材料的发展历程（代别）及其对航空装备的推动和支撑作用。

    高温合金

    高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

    高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3（Al、Ti）强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，同时，又相继发展了Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和Udmit等合金系列。

    在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。

    我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K系列的铸造高温合金，同时发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。

    70年代后，在高温合金的研制中，我国引进了欧美技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金的研究与发展，使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶。

    近几年来，根据新型飞机的研制发展需求，我国高温合金研发又进入新阶段。通过新材料、新工艺的发展和应用，我国研制和生产了一系列高性能新合金。

    铝合金

    铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度较低，在同样的强度水平下可提供截面更厚的材料，在受压时的抗屈曲能力更佳，因此铝合金成了经典的飞机结构材料。

    欧美国家航空铝合金的发展已经历了第一代静强度铝合金、第二代耐腐蚀铝合金和第三代高纯铝合金。前三代铝合金的特征见表1。   20世纪80年代末至90年代中期，精密热处理技术及合金成分精确控制等关键技术取得突破，第四代耐损伤铝合金2524-T3和7150-T77研制成功，这是航空铝合金研究跨时代的进步。传统铝合金因此完成了向高性能铝合金的里程碑式大发展。

    在第四代铝合金技术发展的同时，铝锂合金也被运用在先进的特大型民用飞机上。空客A380选用铝锂合金制造地板梁，空客A350选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量预计高达总结构重量的23%。

    第四代铝合金技术研制成功之后，国际上正在进行低成本铝合金的研制开发工作。2003年美铝公司提出了“20-20计划”：20年内使飞机的制造成本降低20％，同时实现减重20％。

    国内航空铝合金的发展已走过几个发展阶段（表2）。总的来说，我国铝合金的研制主要瞄准国际先进水平，但关键技术的突破以及品种、规格的系列化发展和工程应用水平距离国外还有较大差距，亟待建立第三、四代铝合金的完善材料体系。

    钛合金

    铝合金所能承受的温度载荷有限，20世纪70年代，航空材料进入钛合金时代。由于钛合金成形及切削加工非常困难、与某些化学品接触时性能会发生变化等特点，各飞机制造公司为钛合金材料的研制付出巨大努力。

    1.飞机结构钛合金材料

    钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，因而在先进飞机及发动机上获得了广泛应用。当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一。钛合金占F-22战斗机机体结构重量的39％。钛合金在国外民用飞机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。

    高损伤容限性能是新一代战斗机（包括高推比发动机）长寿命、高机动性、低成本和损伤容限设计需要的重要材料性能指标。美国率先把破损安全设计概念和损伤容限设计准则成功应用在先进战斗机上，F-22战斗机大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以满足高减重和长寿命的设计需求。

    Ti-6Al-4V ELI在美国C-17军用运输机上的特大型锻件上得到重要应用，高强度钛合金Ti-6-22-22S也在C-17飞机上的水平尾翼接头（转轴）等关键部位上得到应用。这两种钛合金的使用，使大型运输机的寿命高达60000飞行小时以上。在欧洲，空客A380是首架全钛挂架的飞机，未来的A350也将采用全钛挂架。 

    2.航空发动机用高温钛合金

    高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件，这些零件要求材料在高温工作条件下（300~600℃）具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350℃提高到了600℃。

    我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有TC4和TC6，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片。500℃左右工作的高温钛合金有TC11、TA15和TA7合金，其中TC11是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金。

    单纯采用固溶强化的钛合金难以满足600℃以上温度环境对蠕变抗力和强度的要求。有序强化的钛-铝系金属间化合物因其高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，而成为600℃以上温度非常有使用潜力的候选材料，其中Ti3Al基合金长期工作温度在650℃左右，而TiAl基合金工作温度可达760℃~800℃。

    超高强度钢

    超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。

    第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。美国和我国的第三代战机均采用300M钢（抗拉强度1950MPa）起落架制造技术。

    应该指出的是，材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。如空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求。由此，新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。

    飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低30.3%。俄罗斯米格－1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。

    国外还发展了超高强度齿轮（轴承）钢，如CSS-42L、GearmetC69等，并在发动机、直升机和宇航中试用。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。

    复合材料

    在飞机、发动机结构材料家族中，复合材料是一位新成员。材料科学的发展造就了高强度、高模量、低比重的碳纤维，从而掀开了先进复合材料时代的序幕。日本于1959年首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，并于20世纪60年代初将其投入工业化生产；70年代中期以碳纤维为增强相的先进复合材料诞生。航空用的复合材料种类不少，其中的绝对主力就是树脂基碳纤维复合材料。因为碳纤维是目前已知的比强度、比刚度最好的材料。它比铝还要轻，比钢还要硬，其比重是铁的四分之一，比强度是铁的十倍；而且化学组成非常稳定，还具有高抗腐蚀性，适用于航空和航天飞行器。

    碳纤维增强复合材料通常以环氧树脂基复合材料为代表。对航空结构而言，这种复合材料的压缩强度（Compression Strength）和韧性（冲击后压缩强度，简称CAI/Compression After Impact strength）已成为代别的主要指标，目前已发展到第三代，并已广泛进入军民机产品。

    在航空复合材料应用的进程中，军机、民机、直升机、无人机各自走过相似的发展道路。军机上复合材料的应用大致可分为三个阶段。

    第一阶段，复合材料主要用于舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等操纵面上，受力较小，制件尺寸较小，大约于20世纪70年代初即已实现；

    第二阶段，复合材料开始应用于垂尾、平尾等受力较大、尺寸较大的尾翼级部件，其中，美国F-14战斗机在1971年把硼纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，被称为复合材料史上的一个里程碑。自20世纪70年代初至今，国外军机尾翼级的部件均已用复合材料制造。

    第三阶段，复合材料进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主要承力结构中。其中，美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。此后，国外军机群起仿效，几乎都采用了复合材料机翼。目前世界军机上复合材料用量约占全机结构重量的20%～50%不等。

    民机既强调安全性也强调经济性，同样对结构减重有迫切需求。以美国为例，复合材料在大型民机上的应用，大致走过了四个阶段，体现了循序渐进的原则。

    第一阶段，复合材料主要应用在受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件，该阶段于上世纪70年代中期实现。

    第二阶段，受力较小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等开始应用复合材料制造，该阶段约于80年代中期结束。我国ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大致在这个阶段。

    第三阶段，复合材料应用在受力较大的部件，主要是垂尾、平尾等，如波音公司B777的复合材料垂尾、平尾。波音777共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。

    第四阶段，复合材料应用于飞机最主要受力部件机翼、机身等，如波音公司的B787“梦想”飞机，代表了飞机结构复合材料化的发展趋势。波音787飞机共使用复合材料50%，超过了铝、钛、钢金属材料的总和，主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。

    直升机包括军用、民用和轻型直升机三类，先进复合材料在各种直升机上的用量均很大。如V-22可垂直起落，倾转旋翼后又能高速巡航，该机结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克。美国武装直升机“科曼奇”（RAH-66）共使用复合材料50%，欧洲最新的“虎”式武装直升机复合材料用量高达80%，接近全复合材料结构。我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由复合材料制成。

    无人机包括无人作战机、无人侦察机和各种小型、微型、超微型无人机。军用无人机具有的低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程的技术特点，决定了其对减重的迫切需求，因此复合材料用量都很大，鲜明地体现了飞机结构复合材料化的趋势。美国波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机基本上为全复合材料飞机。

    航空发动机应用复合材料可以大幅度提高其推重比，因此先进复合材料已成为未来发动机关键材料之一。发动机除使用树脂基复合材料外，因温度要求的关系，还会用到金属基、陶瓷基、碳/碳等复合材料（表3）。

    结语

    如引言所述，飞机材料的发展已经进入第五阶段，总趋势是复合材料和钛合金的用量不断增多，创历史新高。美国C-17大型军用运输机的钛用量占全机材料重量的10.3%（钛零件总重6.8吨），复合材料用量达8.1%；空客A380的复合材料用量22%，钛合金用量10%；波音787复合材料用量50%，钛用量15%；空客A350的复合材料用量52%，钛合金用量9%。航空材料品种虽然没有发生大变化，但材料的性能、品质，特别是与前几阶段在飞机上的应用比例相比，却发生了极大的变化。在这些数据的背后，更多的是材料科学技术的跨越式发展和创新与进步。

    我国航空材料工业从跟踪仿制开始，已经走过了50年的发展历程，经历了好几个发展阶段和材料代别，但相对于国际航空材料技术的先进水平，我国航空材料技术还有相当大的差距。为此，国家提出“探索一代、预研一代、研制一代、生产一代”的划代发展思想，航空材料科学技术作为这“四个一代”发展的技术引领者和技术推动者，应该更加强化创新，超前部署，厚积薄发。中航工业北京航空材料研究院是国内唯一面向航空，从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究和工程化研究的综合性科研机构，志在“引领航空材料技术，打造高新材料产业”，成为航空材料的“领跑者”。可以相信，随着国民经济的进一步发展，我国航空材料科学技术一定会迎来一个蓬勃发展的春天。(2010年7月8日 星期四  中国航空报)