它（tā）們堪與複合材料同（tóng）台競技！
點（diǎn）擊（jī）量：570 發布時間：2017-03-17 作者：快猫视频APP下载安装（mài）（上海）增材製造技術（shù）有限公司（sī）
近年來（lái），航空業迅猛發展，新科技技術的進步促使複合材料越來越成為當今航空業的主流材料。就在這樣一個大的趨勢下，鋁合（hé）金（jīn）等傳統金屬材料也在不斷的挖掘自己的潛（qián）能（néng）、推陳出新（xīn），就此（cǐ），以金屬（shǔ）材料和複合材料為代表的的拉鋸戰（zhàn）在航空領域已悄然打響。
鋁合金鑄件在機翼上的應用
洛•馬X-55運輸機全複合（hé）材料機身
複合材料強度高，質量輕，可以減輕（qīng）飛機的重量，提高飛機的飛行效率，這也是為什麽複合材料能（néng）一躍成為航空製造業的寵兒的（de）原因。目前，複合（hé）材（cái）料中提的最（zuì）多的是碳纖維材料。這種材料已經逐（zhú）漸從（cóng）次承力結構部件應用躍升機翼、機身等主承力構件的必選（xuǎn）材料。
碳纖維材料
碳纖維複合材料目前（qián）在小型商務飛機和（hé）直升機上（shàng）的使用量已占70%～80%，在軍用飛機上占30%～40%，在大型客機上占15%～50%。
波音公司的新型客機787所用的碳纖維複合材料甚至到達了機構重（chóng）量的50%。
波音787飛機大量使用碳纖（xiān）維材料（liào）
碳纖（xiān）維（wéi）材料雖然存在性能缺陷，而且加工工藝比較繁瑣而（ér）且成本也高。但是，它卻具有優異比強度、比剛（gāng）度和（hé）耐腐（fǔ）蝕等優點（diǎn），其外形製造可以高（gāo）完整性一次成形，在一個加工（gōng）周期內成形機翼整體帶筋（jīn）壁板和機身整體筒形（xíng）帶筋壁板，極大（dà）地減少了緊固件的使（shǐ）用；而（ér）且，碳纖維複合材料采用加成製（zhì）造方法成形結構件（jiàn），在保持了強（qiáng）度等性能（néng）的同時，避免了金屬（shǔ）切削加工造（zào）成的大量原（yuán）材料浪費。
發動機上（shàng）碳纖維增強（qiáng）樹脂基複合材料（liào）封嚴片
對於複合材料難加工、成本高問（wèn）題，材料科學家也在（zài）不斷地改進加工方法，就比如說非熱壓罐製造工藝改（gǎi）進傳統的（de）熱壓罐成型技術（shù）。目前為止，航（háng）空製件中獲（huò）得應（yīng）用的（de）非熱壓罐技術主要有幾個方（fāng）向：非熱壓罐預浸料技術、液體成型技術（shù）、預（yù）浸料模壓成型（xíng）技（jì）術、微波固化技術、電子束固化技術、平衡壓力（lì）流體成型技（jì）術（shù）。
目前，這項技術在航空製造業中取得不錯的成（chéng）績。俄羅斯聯合飛機製造公司在其即將推向市場的MS-21單通道客機上，采用複合（hé）材料非熱壓罐成形技術製（zhì）造機翼主承力構件，這在民用飛機製造史上具有裏程碑意義（yì），將對（duì）世界航（háng）空製造業的發展（zhǎn）產生深遠影響。
MS-21所用的複合材（cái）料（liào）
波音研製的“鬼眼”無（wú）人（rén）機，由三部分組成、長45．7m的機翼也是利用非熱壓罐成形技術製造的。
“鬼眼”無（wú）人機
GKN航宇公司在歐盟“潔淨天空”計（jì）劃的資助下，利（lì）用非熱壓罐成形技術製造出了下一代複合材料整體機翼翼盒驗證件，翼盒集（jí）成了（le）帶加強（qiáng）筋的蒙（méng）皮、複雜彎曲輪廓及4個不同的（de）長桁形（xíng）狀。
複合材料的機翼設計
麵對複合材料來勢（shì）洶（xiōng）洶的挑戰，金屬材料也給出了（le）強硬的回擊。
”一號選手（shǒu）“--鈹鋁合金
這種（zhǒng）合金的具有質量（liàng）輕、比強度高、比剛度高、熱穩定性好、高（gāo）韌性（xìng）、抗腐蝕（shí）、結合了鈹的（de）低密度與（yǔ）鋁的易加工性等許多優良特性。隨著航空、航天工業、汽（qì）車工業等行業的快速發展，這種合金已經成為一種越來越重要的新型材料。鈹鋁合金按（àn）鈹含量可分為鋁基合金（jīn）和鈹基合金（jīn）,前者鈹含量在5%以下用作冶金（jīn）添加劑;後者鈹含量在60%以上用（yòng）作（zuò）結構（gòu）材料。
鈹鋁合金
鈹鋁合金的製備方法有這麽幾種：
熔模精密鑄造工藝，這種方法是製（zhì）備鈹鋁合金的一個重要的（de）方法，該方法可以大幅降低鈹鋁合金生產成本，精密鑄造也減少了後續加工環節，節省（shěng）加工成本和時間（jiān）。美國的斯達麥特公司開發了Berylcast族鈹鋁合金，布拉什・威爾曼開發了AlBeMet係列鈹鋁合金，這些鈹鋁合金的工藝都是按照熔模精（jīng）密鑄造工藝，在真空條件下（xià）進行鈹鋁合金熔模鑄（zhù）造的生產。
熔模精（jīng）密鑄造工藝
粉末冶金法生產鈹鋁合（hé）金，這（zhè）種方法自70年代洛克公司開始使用以來，采用該工藝生產鋁鈹合金已成慣例。除了一些小的改進以外,基本流程保持不變。先用惰性氣體霧化法製取預（yù）合金粉（fěn）,而後製成3～5μm的枝晶狀粉粒,該尺寸對最終產品的強度是至關重要的。粉末經冷等靜壓壓至（zhì）理論密度的約80%,再熱（rè）等靜壓成形,最後經（jīng）擠壓進一步提（tí）高密度。擠壓成的棒材可直接（jiē）加工成部件（jiàn）,或切（qiē）割後軋製成板材,其最大尺（chǐ）寸可達107cm×107cm。
粉末冶金法製備鈹鋁合金的工藝圖
鈹鋁合金以其低（dī）的比重、高強度、高韌（rèn）性等優良（liáng）特性已在航空航天中得到應用。例如，斯達麥特生產（chǎn）的Berylcast合金熔模（mó）鑄件被（bèi）用在美國的RAH66Comanch型軍用直升（shēng）機和愛國者PAC23型導彈係統上。下圖是美國Brush•Wellman公司生產的精密鑄造元件，產品均（jun1）用於航空航天。
鈹鋁合金鑄造產品
“二（èr）號選手”--鈦（tài）鋁合金
鈦鋁合金密度低，彈性模（mó）量高，綜合性（xìng）能指標優於（yú）傳（chuán）統高溫合金，韌性又高（gāo）於普通的陶瓷材料，在航空航天材料中展現出令人矚目的發展前景，成為新一代高溫材料（liào）的代表之一，被當做高推重比先（xiān）進軍用飛機發動機高壓壓氣機及低（dī）壓渦輪葉片的首選材料。
鈦鋁（lǚ）合金粉末
這種鈦鋁（lǚ）合金的代表化合物是鈦和鋁的原子比為1:1的鈦鋁合金，鑄造用的錠材（cái）在室（shì）溫下的抗拉強度為600MPa，900℃下的抗拉強度為400MPa。因為（wéi）這種材料密度為3.8g/cm3，其比強度比鎳合金要好，而且常溫（wēn）延伸率比陶（táo）瓷還好（hǎo），是一種富有延性的（de）材料。其延性隨溫度升高（gāo）增加，其（qí）塑形加工成為可（kě）能。而（ér）且機械加工也比較容易進行。
鈦鋁合金（jīn）的製備加工技（jì）術（shù）主要有這麽幾種：鑄（zhù）錠冶金（jīn）技術，粉末冶（yě）金技術，快速冷凝技術，機械合金化技術等。
鈦鋁（lǚ）合金鑄錠技術冶金（jīn）技術先進行熔煉製造出（chū）鈦鋁合金錠（dìng），隨後采用熱等靜壓和（hé）均勻化退火（huǒ）處（chù）理消除鑄錠中微（wēi）觀（guān）孔洞、疏（shū）鬆和成分偏析等組織缺（quē）陷，然後在一定溫度區間和一定應變速率條件下，采用1次或多（duō）次鍛造來細化鑄態組織，並進行熱處理，最後鍛造成型。
鑄錠冶金法工藝
快速冷凝技術的工藝圖如下圖所示。這種技術的優點就是通過快速冷凝技術與粉末冶金成型技術相結合，這樣可以大範圍地調整合金成分（fèn）和組織結構，還可以實現近終形成型，從根本上（shàng）解決鈦鋁（lǚ）合金難加工（gōng）的（de）問題。
快速冷凝技術工藝圖
機械合金化技術不（bú）同於傳統的球磨，機械合金化使用高能量球磨，在室溫極（jí）高破碎能量（liàng）條件下，可（kě）製備及控製理想微觀結（jié）構的新合金（jīn）。采用機械合金化製備鈦（tài）鋁合金，首先將合金（jīn）固溶進鈦（tài），在初始階段晶格尺寸急劇減小，大約10h後非晶產物出現，但非晶產物不穩（wěn）定，逐（zhú）漸轉化成納米尺度的亞穩定晶體（tǐ）。
機械合金化技術工藝圖
鈦鋁合金的製備不僅僅（jǐn）隻（zhī）有介紹的那幾種。因為鈦鋁合金的優良特性，使得鈦鋁合金在航空航天用材料展現出了令人矚目的發展前景（jǐng）。
日本三菱（líng）公司采用包套鍛成形出了Ti-42Al-10V合金（jīn）葉片，該合金具有較好的高溫塑性（xìng），該公司還開發了Ti42Al5Mn合金，並且采用（yòng）鍛造後機械加工的方式製造出渦輪葉片等零（líng）件。
鈦鋁合金成為先進軍用飛（fēi）機發動機高壓壓氣機及低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計劃在GE90發動機中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合（hé）金，將減（jiǎn）輕（qīng）發動機重量200～300千克以（yǐ）上。
GE90發動機使用了鈦鋁合金葉片
空（kōng）中客車和波音公司正致力於提高發動機（jī）的推比，低壓渦（wō）輪減重（chóng）潛力最大，在不久的將來渦輪（lún）後部轉子葉片將采用（yòng）鈦鋁合金葉片。
鈦鋁合金葉片
“三號選手”--鋁鋰合（hé）金
鋰是世界上最輕的金屬元素（sù），把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就成了鋁鋰合金了。在金屬鋁中加入鋰之後，合金的密度會將低，剛度（dù）會增加，同時仍然保持（chí）較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性、延展性。所以鋁鋰合金具有低（dī）密度、高比強度、高比（bǐ）剛度、優良的低溫性能、良（liáng）好的耐腐蝕性能和卓（zhuó）越的超塑成形性能，用其取代常規鋁合金，可使構件質（zhì）量減（jiǎn）輕10％～15％，剛度提高15％～20％。
鋁鋰合金
因為這些特性，這種新型（xíng）的合金受到了（le）航（háng）空、航天等行業的廣泛關注。例如麥道公司的C-17運輸機使用了鋁（lǚ）鋰合金板材（cái）和（hé）擠壓（yā）型材製造（zào）貨艙（cāng）的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結構，用量達2.8t，比用普通鋁合金減重208kg，法國幻影式戰鬥機上也大量應用鋁鋰合金，其成本低於熱固塑料和金屬（shǔ）基複合材料（liào）。
C-17運（yùn）輸機（jī）
早在20世（shì）紀70年代，前蘇聯就將鋁鋰合金用於（yú）製造雅克－36飛機的主要構件，包括機身蒙皮、尾翼、翼肋等，該飛機在惡劣的海洋氣候條件下使用，性能良好。20世紀90年代初又在米格（gé）－29和米格－31飛機上采用1420合金焊接結構，使減重效果進一步提高。
米格-29 應用鋁鋰合金（jīn）
與纖維複合材料相比低密度鋁鋰合金（jīn）不需要因新（xīn）的製造（zào）設備而投入大量資金。這（zhè）樣由於複合材料（liào）質量輕而節約的費用遠不能抵消由於設備的投資費用，所（suǒ）以在一（yī）些應用方麵，鋁鋰合金比（bǐ）複合材料（liào）更有實質的效果。
正（zhèng）因為如此，鋁鋰（lǐ）合金如今已經在軍用飛機、民用客機和直升飛機上使用或試用，主要用於機身框架、襟翼、翼肋、垂直安定麵、整流罩，進氣（qì）道（dào）唇口、艙門燃油箱等等。
鋁鋰（lǐ）合金機身段
目前，鋁鋰合（hé）金的生產方法技術主要有：鑄錠冶金法，粉末冶（yě）金法（fǎ），熔鹽（yán）電解法。
前麵已經介紹了鑄錠冶金法和粉末冶金法，現在給大家介紹熔鹽電解法製備鋁（lǚ）鋰合（hé）金。
鑒於傳統的合（hé）金製備（bèi）方法存在的缺點，研（yán）究者們研究出（chū）了一些更好的製備方法，其中比較有（yǒu）代表性的就是熔鹽電解法。熔鹽電解（jiě）法製（zhì）備鋁鋰合金（jīn）最初是日本的（de）大（dà）學開始研究的，它將LiCL-KCL係電（diàn）解液放在經加工的陶瓷纖維容器中作陰極，熔融鋁作陽極進行電解。生成的金屬鋰在陰極析出，並擴散（sàn）到熔融（róng）鋁中，一步直接合金化。
“四號（hào）選手”--納米陶瓷鎂合金
鎂在工（gōng）程學中具（jù）有重要作用和潛能，它被認為（wéi）是結（jié）構金屬材料中（zhōng）能夠承重的最輕（qīng）金屬，另一方麵（miàn），在強度與硬度方麵的表現，鎂與其他金屬相比可能略遜一籌。金（jīn）屬鎂的（de）密度僅為鋁（lǚ）的三分之二，是最輕的結構性（xìng）金屬。研究人員（yuán）在金屬鎂中注（zhù）入大量直徑小於100納米的碳化矽顆粒，能夠顯著提升材料的強度（dù）、硬度和可塑性，以（yǐ）及高溫下的耐用性。
純金（jīn）屬鎂形變樣本
這種由金屬鎂和碳化矽納米顆粒組成的新型超強金（jīn）屬材料的剛重比非常高，用這種材（cái）料製造的飛機（jī）、航（háng）天器和汽車（chē）重量更輕，因此經（jīng）濟性也更高。
為了研製這種超強但輕質的金屬材料（liào），研究員用碳化矽來生產這種金屬材料，小於100毫微米的碳化矽能夠充分分散於熔融狀態（tài）的鎂鋅合金，而粒子本身（shēn）的動能則能防止它們簇成一團。
然後，該材料通過高壓扭轉的方式（shì）進行（háng）壓縮。目前，高壓扭轉在金屬加工工藝中非常普遍，壓縮力和扭轉（zhuǎn）變形同時作用於材料。在過去二十幾年裏，因為（wéi）可以生產出高（gāo）強度和晶粒細化材料（甚（shèn）至是（shì）納米（mǐ）級（jí）別（bié）材料），高壓扭（niǔ）轉方式在業內逐漸流（liú）行。
最終產出（chū）的金屬（shǔ）複合材料（liào）由14%的碳化矽納米粒（lì）子和86%的鎂構成。新材料在試驗過程中，展示（shì）出了相關材料曆史上最（zuì）高強（qiáng）度水平（píng）以及最優硬度重量比。而且，材料還展示出了超強的耐高（gāo）溫特性。
納米陶瓷鎂合金（jīn）樣本
該新型材料獲將比塑料還要輕，比金屬變現的還要好，未來將在航空航（háng）天領域大展身手。
鎂合金材料
麵對複合材料的挑戰，新型金屬材料給出了強有力的回應，而新型的金屬材料也遠不止上麵說（shuō）的那（nà）些（xiē）。在麵對這兩（liǎng）種材料的鬥爭，空客和波音這兩個航空製（zhì）造業巨頭對這兩種材料則是（shì）各有側重和扶持。
在複合材料（liào）方麵，他（tā）們（men）主動探索低（dī）成本、高效率（lǜ）的機翼和機身製造（zào）技術，繼續推進波音787和A350的製造技術改進；
波音（yīn）787複合材料機身
在金屬合金方（fāng）麵，他們積極采用第三代（dài）鋁鋰合金，並且在激光（guāng）焊接、攪拌摩擦焊（hàn）、激光噴丸等先進工藝上尋求突破，持續用於波音747-8和（hé）A380的效率改進和性能提升。
A350鈦合金以及鋁合金材（cái）料
可以斷定，這場航空領域的爭奪還將（jiāng）繼續下去。
