航空材料的过去、现在和将来

作者：Michael Standridge    来源：Aerospace Manufacturing and Design 杂志

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 面对越来越高的提高燃油效率的压力，航空制造商们不得不寻找路径，将曾经被认为不切实际的新型材料和现有材料用于自己的产品中。 40 年前，铝质材料在航空工业中占据着绝对地位。当这种材料刚开始应用时，被当作是轻量化、经济而最先进的材料。实际上，曾经高达70% 的飞机零部件采用了铝质材料。其他新型材料如复合材料和合金也得到了应用，包括钛、石墨和玻纤，但仅限于小规模，比如这里用3%，那里用7%。供应充足的铝质材料被用于所有的地方，不管是机身还是发动机主要部件。 然而，时间改变了一切。今天，一架常规喷气机只采用20% 的纯铝质材料。大多数非关键结构材料，如面板和装饰性内饰件，现在则含有更轻质的碳纤维增强聚合物（CFRP）和蜂窝结构材料。同时，发动机部件和关键零部件也在向着重量轻、耐高温材料方向推进，以提高燃油效率。因此，全新的材料，或者曾经被视为不可加工的金属材料开始进入航空材料组合。 独特的航空工业 相对于所有其他规模制造领域而言， 航空制造业独具一格，飞机发动机的制造更是如此。这些发动机是飞机上最复杂的部件，容纳着最多的单个零部件，并最终决定着燃油效率。温度可高达3800。F(2100℃ ) 的稀燃发动机的问世，推动了对新材料的需求。目前超级合金钢的熔融温度约为3360。F(1850℃ )，因此，主要挑战变为是否能寻找到可以耐受更高温度的材料。 为了满足耐如此高温的要求，耐高温超合金(HRSA) 如钛合金、镍合金以及非金属复合材料如陶瓷，现在也被纳入了材料选项。这些材料的加工难度高于传统铝制产品，曾经意味着更短的刀具寿命、更低的加工安全性。 加工航空部件还存在很高的工艺风险，因为在35000 英尺的巡航高度上，不允许存在误差的机会。航空工业的加工公差要比几乎任何行业都要精密。这种精密程度需要花费更多时间，即每个零部件都需要更长的加工时间。如果将时间投资考虑在内，每个零部件加工时间长，又意味着报废的成本更高。同样，比较其他行业， 航空零部件订单数量通常较少，交货时间又长，给效率、产量和利润的规划带来困难。 除了同样需要耐高温、高压、腐蚀的石油天然气行业外，和许多其他任何行业不同，航空材料本身也会影响部件的设计。可制造性设计（DFM）是一种工程艺术， 它考虑了部件功能及制造要求，并以兼顾平衡的方式设计零部件。这种方式在航空零部件设计中得到了越来越多的应用，因为零部件必须能耐受一定的负载和高温， 而一些材料只能达到这么多要求。材料和部件设计在真正意义上可以相互促进，否定一个，会意味着需要否定另一个。这种材料与设计之间相互妥协的关系在研究开发新一代材料的时候，需要特别予以考虑。航空制造商们对此了如指掌，无怪乎他们能够拥有独特的材料组合。 新材料一览 航空用标准钛钢6061、7050 和7075 以及传统的航空金属镍钢718、钛钢6Al4V 和不锈钢15-5PH 在航空领域还有应用。但这些金属，目前正在将疆域拱手让给新的旨在改进成本和性能结构的合金。更简单地说，这些新的金属并非都是新材料，有些已经面市几十年，只不过是新近才应用于实际生产，就像机床、工具技术以及嵌入式涂料已经发展到一定的先进程度一样，足以应对难加工合金。 即便在航空领域中，铝的用量在下降， 但仍然没有完全消失。实际上，铝又在卷土重来，尤其是在使用CFRP 代价难以承受且未取得成功的地方。但是，重新出现的铝已经与父辈那个时候的铝不再一样。如1970 年就已经面世的钛- 铝(TiAl)、铝锂(Al-Li)，直到本世纪之交才开始在航空领域得到应用。 与镍合金耐高温性能类似，TiAl 可在1112。F (600℃ ) 高温下保持强度和耐腐蚀性能。但TiAl 更容易加工，表现出了与α-β 钛合金如Ti6Al4V 相似的可加工性能。而更重要的是，TiAl 具有提高飞机发动机推力重量比的潜能，因为其重量只有镍合金的一半。如，低压涡轮叶片和高压压缩机叶片，传统上都采用高密度镍基合金，现在则采用了TiAl 基合金。通用电气是这个领域的发展先驱，在其GEnx 型发动机上使用了TiAl 抵押涡轮叶片。这也是首次大规模在商用喷气飞机上使用这种材料，机型为波音787 梦想客机。 另一个将铝材再次应用于飞机的是减重型Al-Li 材料，它的设计旨在改进7050 和7075 号铝材的性能。整体而言，锂的加入，使得铝在低密度、低重量的情况下提高了强度，成为航空材料的两种助推剂。Al-Li 合金的高强度、低密度、高刚度、严格的损伤公差、防腐蚀性能、易于焊接性能等，使之成为比传统铝材更好的选择， 用于商用喷气机机身。 对于航空领域而言，钛5553（Ti-5553） 是另一种较新的材料，强度高、重量轻， 耐腐蚀性好。先前采用不锈钢合金材料的主要结构件，可将之作为理想的替代材料， 获得高强度、轻质的优势。绰号为三合一“5–3”的这种钛钢，曾经以难以加工而闻名。然而，经过广泛的研究开发工作， 今天，这种材料的加工性能已经变得可以预测，三合一“5-3”的加工一致性已经与历史更悠久的钛合金，如上述提及的Ti6Al4V 相类似。两种材料之间的差异要求使用不同的切削数据，使得工具寿命相当。三合一“5-3”的关键是，运转要稍慢些，以优化刀具路径和冷却液体系，使刀具寿命和刀具安全性达到很好的平衡。 一些结构部件，如紧固件、起落架和致动器，需要具有原始强度高，重量轻这一特点的重要性次之。在这种情况下，卡朋特公司的Ferrium S53 合金钢的机械性能可与传统超高强度不锈钢300M 和SAE 4340 相媲美或更好，同时还具有常规的耐腐蚀性，可以免去镉涂层和随后的相关处理。 复合材料开始步入轨道 复合材料同样分割着航空材料应用的一块蛋糕。它们在减轻重量、提高燃油效率的同时，更容易加工、设计、成型和修复。曾经被当作是轻型结构件或机舱组件的复合材料，现在已经应用于真正的功能部件，如机翼和机身蒙皮、发动机和起落架部件等。 同样，复合材料还可以加工成复杂形状，而如果采用金属部件，可能会需要机加工，并用到连接部件。预成型的复合部件不只是重量轻、强度高，它们还减少了飞机内部笨重的紧固件和连接件数量，而这些部件也是容易失效的部位。这样，复合材料就可以促进整个行业减少整个组件的数量。在可能的情况下，尽量采用一体化部件设计。 CFRP 代表着机舱和功能部件用复合材料的大部分份额，蜂窝材料则为内部结构件提供了高效轻量化的解决方案。新一代材料包括陶瓷基复合材料（CMC）， 在经过数十年的测试以后，开始进入实际应用，如碳化硅（SiC） 纤维。它们具有低密度/ 重量、高硬度，最重要的是，卓越的耐高温和耐化学腐蚀性能。和CFRP 材料一样，它们也可以成型为一定的形状，而无需额外的加工，因此成为飞机发动机内部部件、排气系统和其他“热区” 结构部件的理想选择，甚至可以替代先前列出的HRSA 金属中的最新产品。 新材料应对新的航空现实 金属及复合材料等得到持续开发和改进，性能也随之不断改进，包括重量更轻， 强度更高，或者是更耐高温和腐蚀。新材料的演变，机加工和切削技术的进步，为生产商打开了前所未有的空间，让他们可以采用曾经被认为不切实际或者加工难度过高的材料。新材料以令人惊讶的速度在航空领域得到发展，要求在性能和部件设计之间进行DFM（面向制造的设计）思维互动。两者需要获得平衡，其中之一不可在另一个缺失的背景下存在。 同时，一体化设计持续减少了整体组装的部件数量。通常而言，这非常适合于航空业中的复合材料，可以直接成型，无需机加工。这种趋势也不同程度地适用于金属结构件，因为越来越多的部件被要求锻造成接近于实际使用的形状，减少机加工量。折皱、粗加工部件以及薄层部分， 均可以降低材料成本和部件的总体数量， 但装配和紧固依然是难题。一些制造商改为采用水力喷射和其他技术来减少甚至取消未加工材料的移除工作。但工件夹紧、表面精整和CAM 工具路径等方面还是存在困难。不过，设计师、机床制造商、工程师和机床工具/ 切削工具合作伙伴们正致力于开发新的解决方案，推动变革向前发展。 航空领域可用材料组合未来几年还将不断发展，复合材料、刚刚可以进行加工的材料，以及新的金属材料越来越多地占据着传统材料的空间。这个行业正日益向重量轻、强度不断增加、更加耐高温和耐腐蚀的部件方向发展；零部件的数量将下降，让位于强度更高的接近于实际使用形状的部件；设计也将更加密切地与材料特性进行配合；机床工具制造商和切削工具生产商将继续开发新的工具；目前难加工的材料将可以得到加工，甚至可用于实际生产。而所有这些工作，都将围绕着降低航空制造成本；改进燃油经济效率；通过提高效率、轻量化，让飞行成为更经济高效的交通方式的主题下展开。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/23/2014)