金属结构材料在航空航天中的发展趋势
2024-06-20 11:32:53
作者：阿斯米 来源：阿斯米
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在役的航空航天结构材料中，金属结构材料仍为主导。美国、英国、德国、日本等发达国家在研究、制造、评价、应用等方面占据世界领先地位，通过材料计算和性能预测、数字模拟和应用评价、组织性能与多场耦合环境寿命评估等关键技术的成熟应用，已形成了完善的材料技术体系，拥有庞大系统性数据库。
美国、英国、德国、日本等发达国家在金属结构材料研究、制造、评价、应用等方面占据世界领先地位，已形成了完整的材料体系和完善的选材技术体系，拥有庞大的系统数据库。相比之下，我国金属结构材料产业正处在上升期，迫切需要品种创新和技术进步。高温合金我国变形高温合金从引进吸收逐步形成体系化和规模化，目前已基本实现材料的自主可控，下图展示了我国航空发动机及燃气轮机盘锻件用变形高温合金的发展趋势。650 ℃以下使用的GH4169合金冶金质量和用量持续提升，成为“一材多用”的典范，支撑了三代航空发动机等装备的批产应用；承温700～750 ℃的GH4169D、GH4065A、GH4096 等新一代合金研制成功并实现工程化应用，支撑了四代航空发动机以及商用涡扇发动机的研制；GH4720Li、GH7438 等合金在多种中小型发动机中得到批量应用；舰用燃汽轮机和火箭发动机的研制与应用带动了GH4698、GH4742、GH4202 等牌号的发展；为了满足更高代次发动机的应用需求，近期正在研制承温能力800 ℃以上的GH4151、GH4975 等合金，形成服役温度在600～900 ℃之间较完整的时效强化型变形高温合金体系。图 航空发动机及燃气轮机盘锻件用变形高温合金的发展趋势随着制造工艺的创新，铸造高温合金由等轴晶、定向铸晶发展到单晶，通过一步步消除晶界使铸造高温合金承温能力逐渐提高。作为航空发动机叶片的主要材料，铸造高温合金的发展也成就了航空发动机推重比的不断提高，下表列出了各代航空发动机涡轮叶片选用材料的发展历程。随着对高温合金性能要求的不断提高，合金的成分设计空间变得越来越小，基于材料计算、高通量实验、机器学习等手段开展合金成分设计成为未来的发展趋势，通过模拟仿真优化工艺参数已经逐渐成为通用的高温合金零部件生产制备方法。表 航空发动机涡轮叶片选用材料的发展历程粉末高温合金在军、民用先进航空发动机涡轮盘中得到了广泛应用。综合来看，镍基粉末高温合金的发展趋势具有“三高一低”的特点：高强度、高工作温度、高组织稳定性和低疲劳裂纹扩展速率。欧美国家率先研制成功第一代650 ℃高强型粉末高温合金，如René95 等；第二代750 ℃损伤容限型粉末高温合金，如René88DT 等，以及第三代高强损伤容限型粉末高温合金，如ME3等。第四代粉末高温合金是在第三代的基础上，通过成分调整和工艺优化来获得更高的工作温度，使其具有高强度、高损伤容限和高工作温度的特点，如ME501 等。我国目前已研制出以FGH4095为代表的第一代、FGH4096 为代表的第二代粉末高温合金，第三代及第四代仍在研制探索中。近年来，我国高温合金体系以需求牵引为主、技术推动为辅，在研制与应用领域取得显著进展。然而，高温合金涉及学科众多，部件制造要求高，容错空间小，其成熟应用是建立在对研发和制造体系全面深入理解和长期积累的基础之上，因此未来需持续加强。超高强度钢超高强度钢是指屈服强度超过1380 MPa 的高比强度结构钢，在航空航天、国防军工等领域扮演着越来越重要的角色，航天航空领域的主要应用场景有飞机起落架、发动机轴、齿轮轴承、框、梁、火箭发动机壳体等。飞机起落架典型材料主要有300M 和Aermet 100 钢，两者均具有1930 MPa 以上的超高强度。300M 为低合金超高强度钢，广泛应用于客机、大型军用运输机和歼击机起落架；AerMet 100 钢为已成熟应用的强韧性匹配最佳的超高强度钢，因其兼具优良的抗应力腐蚀开裂和疲劳抗力，已应用于F22、F18E/F 等军机起落架。此外，Fe-Ni 基马氏体时效钢，因在时效过程中析出纳米级金属间化合物而拥有优越的强韧性能，其典型钢种为18Ni 型C250 和C300 钢，多应用于发动机主轴和火箭发动机壳体等部件[46]。装备性能提升和高承载、低成本、减重设计的要求，将飞机起落架和主轴材料推向2200 MPa 以上强度水平，GE和Leep 发动机主轴采用2100～2300 MPa 的GE1014和ML340 钢，国内开发出强度级别达到2400 MPa的GC-24 钢。航空轴承齿轮钢代表高强度渗碳不锈钢CSS-42L，最高使用温度达430 ℃。在研的超强耐热渗碳钢CH2000 属第四代航空轴承齿轮钢，渗碳及热处理后表层硬度达65～68HRC，心部抗拉强度在2000 MPa 以上，使用温度可达450 ℃，适用于新一代航空发动机和直升机高功率密度传动系统的齿轮、轴承和传动轴等传动构件。超高强度钢的抗应力腐蚀性能也是各国研究关注的重点。美国Ques Tek 公司通过材料基因工程研发出新型二次硬化超高强度不锈钢FerriumS53，该钢兼具良好的断裂韧度，已成功应用于美国空军A-10 攻击机的起落架部件。我国自主研发的10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE 超高强度不锈钢，已成功应用在直升机起落架结构件，该钢的强度、韧性均优于FerriumS53 钢，为现今强度级别最高的超高强度不锈钢，在航空航天装备制造领域具有广泛的应用前景。低密度高强度钢是近年来提出的新概念，其成分设计的特点是高Al 含量，同时添加奥氏体化元素，使其具有良好的塑性，例如最常见的Fe-Mn-Al-C四元体系。为了达到飞行器减重增程的目标并兼顾经济性，我国研发了DT510 低密度钢，在降低材料密度的同时具有良好的强韧性，与传统超高强度钢30CrMnSiNi2A 相比，DT510 密度降低13.4%，屈服强度提高19.3%。
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