航空航天领域里不可缺少的先进材料--先进陶瓷材料

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  2.4在防热方面的应用

  导弹、卫星及其它航天器再入大气层的防热,是航天技术必须解决的关键问题之一。

  由于经过高空飞行以超高速进入稠密的大气层时,飞行器周围空气受到强烈压缩,使空气温度和压力急剧升高,再入体受到严重的气动力和气动热作用,如不采取有效防热措施,将像流星一样被烧毁。早在 1950 年代,美国就采用石棉酚醛作为烧蚀防热材料,如“丘比特”中程导弹,苏联的“东方号”飞船也用该种材料。

  此后广泛地使用玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛,如美国的“MK-11A”弹头和“水星号”飞船,苏联的“联盟号”飞船,法国第一代导弹的弹头等。近期采用了碳基ACM(碳/酚醛和碳/碳),如美国的“MK-12A”弹头和法国的第二代导弹弹头已应用。另外国内外均将高强度玻纤增强树脂基复合材料用于多管远程火箭弹和空空导弹的结构材料和耐烧蚀-隔热材料,使金属喷管达到了塑料化,耐烧蚀-隔热-结构多功能化,实现了喷管收敛段、扩张段和尾翼架多部件一体化,大大减轻了武器质量,提高了战术性能。

  2.5在卫星和宇航器上的应用

  卫星结构的轻型化对卫星功能及运载火箭的要求至关重要,所以对卫星结构的质量要求很严。国际通讯卫星 VA 中心推力筒用碳纤维 ACM取代铝后减质量 23 kg(约占 30 %),可使有效载荷舱增加 450 条电话线路,仅此一项盈利就接近卫星的发射费用。美、欧卫星结构质量不到总质量的 10 %,其原因就是广泛使用了 ACM。目前卫星的微波通讯系统、能源系统(太阳能电池基板、框架)各种支撑结构件等已基本上做到ACM 化。

  我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳/环氧 ACM 做主承力构件,大大减轻了整星的质量,降低了发射成本。

  3.铝锂合金

  3.1概述

  AI-Li系合金是近年来引起人们广泛关注的一种新型超轻结构材料。该合金的研制与应用,标志着半个多世纪以来铝合金领域的重要发展。

  锂是一种极为活泼且很轻的化学元素,密度为0.533g·cm—3,为铝的1/5,铁的1/15。锂元素为地球存在较多的金属,同时海水中还有相当大的含量。

  在铝合金中加入锂元素,可以降低其密度,并改善合金的性能。例如,添加锂2%-3%,合金密度可减少10%,比刚度可增加20%—30%,强度可与LYl2媲美。

  锂在铝中的溶解度随温度变化而改变。当锂含量大于3%时,A1-Li合金的韧性明显下降,脆性增大。因此,其合金中的锂含量仅为2%—3%。

  A1-Li系合金具有密度小,比强度高,比刚度大,疲劳性能良好,耐蚀性及耐热性好等优点(在一定热处理条件下)。但A1-Li系合金的塑性和韧性差,缺口敏感性大,材料加工及产品生产困难。

  用Al-Li合金制作飞机结构件,可使飞机减重10%—20%,可提高飞机的飞行速度和承载能力。因此,AI-Li合金是一种在航空、航天领域中很有竞争力的一种新型超轻结构材料,已受到世人的关注。A1-Li合金的价格是硬铝价格的2—3倍,若在海水中萃取锂的技术获得成功,则可得到价格便宜的锂材料。

  目前在美国、英国、法国和前苏联等国家已成功研制出A1-Li合金并将其用于实际生产中,已开发的Al-Li合金大致有三个系列:A1-Cu-Li系合金、A1-Mg-Li系合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系合金等。

  

  (图一)Al-Li二元相图

  3.2新型铝锂合金的性能特点 新型铝锂合金主要产品形式有中厚板、薄板、挤压型材等,国外已认证或在飞机上使用的产品牌号主要有美铝的2099、2199、2397和加铝的2196、2098、2198等,部分铝锂合金 具备AMS材料规范,主要应用于地板梁、机身蒙皮、长桁、框、粱、腹板等部位,它们的主要性能特点如下: ( 1 )适当的密度降低(一般比常规铝合金低5%~8%,Li<1.8%),而不是片面的追求 低密度; ( 2 )更好的强度一韧性平衡; ( 3 )耐损伤、抗疲劳性能优良; ( 4 )各向异性小; ( 5 )耐腐蚀优良; ( 6 )热稳定性好,有较好的耐热性; ( 7 )良好的加工成型性(适用于激光束焊接、搅拌摩擦焊接、时效成形); ( 8 )更高的性价比。 (图二)铝锂材料性能优势分析

  

  (图三)一些第三代铝锂合金的典型性能

  

  

  (图四)主要铝锂合金的力学性能 3.3铝锂合金的应用 3.3.1铝锂合金的航空应用 Al-Li合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用,主要用于机身框架、襟翼翼肋,垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。 早在20世纪50年代,美国就开发了x2020铝锂合金后来用来取代7075用于RA-SC预警机。美国一公司将C-155铝锂合金用于波音777和空中客车A330/340飞机的垂尾和平尾,该合金比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和高的强度。其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg,可使飞机减重达4250kg,可以提高有效载荷及降低燃料消耗。麦道公司的C-17运输机使用了铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构,用量达2.8t,比用普通铝合金减重208kg,法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金,其成本低于热固塑料和金属基复合材料。在1988年的时候,洛克希德·马丁战术飞机系统公司、洛克希德·马丁航空系统公司和雷诺兹金属公司就开始AA2l97合金研制的联合计划,为军用歼击机隔板和舱壁生产重载厚板。1996年6月,雷诺兹金属公司开始售出第一批AA2l97合金板材,用于取代其它材料制造美国空军F-16飞机的后部隔板(舱壁)和其它零件。欧洲试验型战斗机EFA其前部所有薄板状零件皆由8090薄板制成,占所有材料的9%,驾驶舱内使用了不少A1-Li合金,其中用A1-Li超塑成形工艺制造的电子设备室的盖板长达1.5m。英、意合作生产的大型直升机EH101上,其机身框架、蒙皮和内部结构使用了相当多的A1-Li合金板材和锻件,每架质量减轻200kg。而据估计,直升机在整个服役期间每减轻1kg增加经济效益高达3000英镑。 在航空铝锂合金的研究和应用方面,前苏联及俄罗斯也一直处于世界的领先地位,比较有代表性的有01420、01421(含钪)、01423(含钪)、01430、01440、01450等。早在20世纪70年代,前苏联就将铝锂合金用于制造雅克-36飞机的主要构件,包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等,该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用,性能良好。20世纪90年代初又在米格-29和米格-31飞机上采用1420合金焊接结构,使减重效果进一步提高。米格-29使用了1420合金薄板、模锻件、挤压壁板等制造机身、驾驶员座舱、油箱等,每架飞机铝锂合金用量达3.8t。采用焊接油箱后减重达24%,其中12%是由于材料比重的降低,12%是由于焊接结构减少了铆钉、螺钉、密封剂和搭接部分而达到的。1420合金在其它飞机,如运输机、客机、直升机上用量也相当可观。安-124用量近8t,图-204用量2.7t,米-26用量1.8t,还有伊尔-86、安-72等也都采用了A1-Li合金。近年来,Al-Li合金也大量用在苏-27、苏-35、苏-37等战斗机上,以及远程导弹弹头壳体等。

  

  (图五)A380铝锂合金使用情况

  

  (图六)庞巴迪C系列材料使用情况 2.3.2铝锂合金的航天应用 对于航天飞行器结构,质量的减轻可增加有效载荷,而有效载荷每增加1kg可带来4,400~110,000美元的效益。因此,由于Al-Li合金密度低、性能好的特点,在很多航天飞行器中都采用Al-Li合金结构。 美国洛克希德导弹和空间公司(LMSC)制造的飞行器使用低密度、中等强度和高刚度的材料,因此大量采用Al-Li合金产品。从20世纪80年代中期开始,大量选用8090及普通加工方法生产各种锻件、厚板、薄板与挤压件。LMSC在大力神有效载荷转接器上使用8090板材,减轻质量180kg。该公司使用AA2195合金生产的新的航天飞机“超轻型油箱”,长达47m,直径达8.4m,用于盛装低温燃料和液态氢。AA2195合金的使用使油箱减轻5%(减重近3400kg),强度提高30%,有效地增加了有效载荷,节约成本约7500万美元。麦道空间系统公司采用2090-T81板材制成直径2.44m,长3.05m的低温箱,用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器,质量减轻15%。美国通用动力空间公司在阿特拉斯和半人马运载火箭上的三个部件采用2090合金,总量达70kg,质量较2024减轻8%。1997年12月的美国“奋进号”航天飞机外贮箱采用2195代替2219,运载能力提高了3.4t。 Al-Li合金在俄罗斯的航天业中也有很多的应用。俄罗斯在1450合金基础上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金,有更优良的性能,将其应用于大型运载火箭“能源号”的结构件上。此外,还用在其它火箭、“暴风雪”号航天飞机和空间站的结构件上。 4.超高强度钢 室温条件下抗拉强度大于1400 MPa、屈服强度大于1200 MPa的钢被称为超高强度钢,通常还要求具有良好的塑韧性、优异的疲劳性能、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。超高强度钢是应用范围很广的一类重要钢种,大量应用于火箭发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域。

  

  典型超高强度钢的化学成分(质量分数/%) 4.1低合金超高强度钢 AISI 4340是最早出现的低合金超高强度钢,也是低合金超高强度钢的典型代表。美国从20世纪40年代中期开始研究4340钢,通过降低回火温度,使钢的抗拉强度达到1600~1900MPa。1955年4340钢开始用于F-104飞机起落架。通过淬火和低温回火处理,AISI 4130、4140、4330或4340钢的抗拉强度均可超过1500MPa,而且缺口冲击韧性较高。 为了抑制低合金超高强度钢回火脆性,1952 年美国国际镍公司开发了300M钢。该钢通过添加了1~2%的硅来提高回火温度(260~315℃),并可抑制马氏体回火脆性。300M钢在1966 年后作为美国的军机和主要民航飞机的起落架材料而获广泛的应用,F-15、F-16、DC-10、MD-11 等军用战斗机都采用了300M 钢,此外波音747 等民用飞机的起落架及波音767 飞机机翼的襟滑轨、缝翼管道等也采用300M 钢制造。 尽管以4340 和300M 钢为代表的低合金超高强度钢具有高强度,但它们的断裂韧性和抗应力腐蚀能力都比较差,因而其应用受到了一定的限制。美国于60 年代初开始研制D6AC,由AISI 4340 钢改进而成,被广泛用于制造战术和战略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了70 年代中期,D6AC 逐渐取代了其它合金结构钢,成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。美国新型地空导弹“爱国者”,小型导弹“红眼睛”,大中型导弹“民兵”、“潘兴”、“北极星”、“大力神”等,美国航天飞机的φ3.7m助推器壳体也采用D6AC 钢制造。D6AC 还曾用于制造F-111飞机的起落架和机翼轴等。 苏联具有自己的钢种体系,最有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA(ЭИ643)钢。30XГCH2A 是在30XГC 基础上加入1.4~1.8%的镍而得到的低合金超高强度钢,由于镍的加入提高了钢的强度、塑性和韧性,也提高了钢的淬透性,由此改良和派生出了一系列钢种。40XH2CMA 是在40XH2MA 基础上发展起来的,40XH2CBA是用W代替40XH2CMA中Mo而成的。近十几年来他们又研制了新型经济型的低合金超高强度钢35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1ФA(BKC- 9),其抗拉强度分别可达到1800~2000MPa 和1950~2150MPa。 406钢是我国自行设计、自行研制低合金超高强度钢最成功的典范。它是为解决大型固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢,1966年由冶金部和七机部联合下达研制任务,1980年11月定型生产。采用406钢制造的巨浪一号两级发动机壳体,使用强度>1715 MPa,KIC>72 MPa·m1/2,相当于美国“北极星A2”导弹一级发动机壳体所用的D6AC钢。

  

  406钢制造的DF-21导弹一级发动机壳体 为了提高大型固体火箭发动机的可靠性,又在406钢的基础上开发了D406A钢,通过降低碳含量和采用VIM+VAR冶炼技术,提高了纯净度。D406A钢的强度稍有下降,但提高了韧性(σb>1620MPa,KIC>87 MPa·m1/2)。1993年通过技术鉴定,已成功用于东风和巨浪系列导弹一级发动机壳体。 4.2二次硬化超高强度钢 二次硬化超高强度钢特点是在 480~550℃范围回火(或时效)后,析出合金碳化物产生强化效应,强度和硬度明显提高,具有硬化峰值,表现出二次硬化特征,同时韧性提高。 HY180钢是1965 年由美国U.S.钢公司开发出来的优良高韧性超高强度钢,其化学成分(重量百分比) 为:0.10C、10Ni、8Co、2Cr、1Mo,应用于深海舰艇壳体,海底石油勘探装置等,但它一直未能在航空航天结构上获得应用,其原因在于该钢的比强度和韧性虽能满足对低温高压深水潜艇使用要求,但尚不能满足航空航天器对超高强度钢的高强韧性的要求。 随着航空工业的快速发展,开发强度高(1586 1724MPa)、断裂韧性好(125 MPa·m1/2)、可焊接性好的新型材料成为发展方向。为了达到航空构件材料的损伤容限和耐久性,在对Fe10Ni 系合金钢进行的研究基础上,对HY180 进行了改进,1978年开发了AF1410超高强度合金钢,该钢经830℃油淬+510℃时效后,σ0.2≥1517MPa,KIC≥154MPa·m1/2。因此该钢以极高的强韧性、良好的加工性能和焊接性能成为受航空界欢迎的一种新型高强度钢。 在保持AF 1410 超高强度合金钢良好韧性的基础上,为进一步提高其强度及在海水环境中的抗应力腐蚀开裂性能和降低韧脆性转变温度,1992年Carpenter公司开发出Aermet 100 超高强度合金钢。该钢与AF1410 钢相比,强度有了进一步提高(σb≥1930 MPa),但韧性稍有下降(KIC≥110MPa·m1/2)。Aermet 100是目前综合性能最高的超高强度钢,是新一代军事装备中关键器件的首选材料,美国己成功地将其应用在最先进的F/A-22战斗机起落架和F-18舰载机的起落架上。

  

  以Aermet 100为材料的F/A-22起落架

  

  以Aermet 100为材料的F/A-22起落架 4.3 马氏体时效钢 马氏体时效钢以无碳(或微碳)马氏体为基体的,时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。具有工业应用价值的马氏体时效钢,是20世纪60年代初由国际镍公司(INCO)首先开发出来的。1961~1962年间该公司在铁镍马氏体合金中加入不同含量的钴、钼、钛,通过时效硬化得到屈服强度分别达到1400、1700、1900MPa的18Ni(200)、 18Ni(250)和18Ni(300)钢,并首先将18Ni(200)和18Ni(250)应用于火箭发动机壳体。 马氏体时效钢在相同的强度级别韧性比低合金钢要高,加工硬化指数低,没有脱碳问题,热处理工艺简单,冷加工成型性好。固体火箭发动机壳体用18Ni马氏体时效钢,使用强度为1750 MPa,浓缩铀离心分离机旋转筒体用马氏体时效钢,使用强度达到2450MPa。但合金元素含量高致使马氏体时效钢的成本增高。90年代,国内在18Ni马氏体时效钢的基础上,采用取消钴元素,提高镍、钛含量的方法,成功研制出了T250、T300马氏体时效钢。T250马氏体时效钢力学性能为: σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2,是制造我国固体发动机壳体的新一代材料。2006年,宝钢特殊钢分公司、抚钢、安大厂和太钢等单位联合攻关,成功试制出直径为1200mm的T250钢固体发动机壳体,已用于某航天型号。 4.4Ferrium S53 超高强、高韧耐蚀不锈钢 FerriumS53是一种宇航结构件用耐腐蚀超高强度不锈钢,其力学性能等于或优于传统的超高强度不锈钢,比如300M和SAE4340,而耐腐蚀性能类似于1.5-5PH。开发超高强度不锈钢FerriumS53的目的是要淘汰有毒的金属镀层。 FerriumS53不锈钢的特点如下: 耐蚀相当于15-5PH H900 强度与与300M(AMS 6257A)相当或更好 耐应力腐蚀破裂:KIscc≥16.5 MPa 具有最大耐疲劳的最佳显微结构特征 对磨损和疲劳的表面可使硬度大于67 HRC 高强度高韧性细条状马氏体基体 细晶粒与极细金属碳化物弥散分布,以提高耐磨性能和韧性 通过回火使纳米级金属碳化物(M2C)弥散进行强化,同时避免其他碳化物,使强度、耐磨性能以及韧性最大化 为了获得最佳的耐腐蚀性能,形成了一种稳定的钝态氧化物薄膜 目前飞机起落架选用的钢材(如:300M、SAE4340)都要求进行保护性的以氰化物为基础的镀镉处理。镉是大家熟知的一种致癌物,在最初的飞机制造和在飞机维修过程中都存在明显的环境污染风险。此外,为了避免氢脆,镀镉工艺要求随后进行氢还原退火操作。在这些用途中用Ferrium53来取代其他材料就不需要镀镉和随后的氢还原退火操作。而且该不锈钢的耐应力腐蚀断裂性能(SCC)也优于300M和SAE4340。另外,还有更高的可硬化性能。对于一个给定的截面尺寸,适合的淬火条件并不那么严格,因此,在热处理过程中几乎没有变形。这种不锈钢的处理工艺与其他淬火和回火的马氏体二次硬化钢的处理工艺类似。为了避免表面脱碳,推荐进行真空热处理和真空回火。淬火冷却到室温之后,再进行低温处理,以保证完全的马氏体转变。它有代表性的回火温度是470℃,接近这个温度时,这种不锈钢有优异的热阻性能。这就允许采用更高的研磨速度而不会产生研磨烧伤的风险,因而使用中更加耐用。FerriumS53的一般耐腐蚀性能类似于有代表性的沉淀硬化不锈钢,比如l7-4PH和15-5PH。线性极化试验测得的开路电位(OCP)大约是-0.30V,与室温下在3.5%的氯化钠溶液中的饱和Ag/AgCl参比电极相比较,年平均腐蚀速度为0.01mm。在3.5%氯化钠溶液中它是不生锈的。 5.结论: (1)铝锂合金具有密度小,比强度高,比刚度大,疲劳性能良好,耐蚀性及耐热性好、性价比高等优点,在航空航天中的应用越来越广泛。 (2)复合材料以其质量轻,较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温,独特的耐烧蚀性、透电磁波,吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点,被广泛应用到飞机、雷达等多种航空航天领域。 (3)钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好,成为航空航天中的重要材料,主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件 (4)航空工业的发展, 特别是新型飞机的发展需要强度高、韧性好、耐蚀性好的结构材料。虽然不断出现各类新材料,但超高强度钢在弹性模量、冲击韧性和强度等方面依然具有很大的优势,在今天和可预见的未来,仍将是一种不可替代的关键材料之一。

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