在航空運輸日益發(fā)達的今天，人們對飛行已經(jīng)相當熟悉：伴隨著發(fā)動機有力的轟鳴聲，飛機騰空而起，起落架隨之緩緩收入艙內(nèi)，飛機經(jīng)過短暫的爬升后迅速 消失在地平線上。所有這些，依賴的是高效的機體結(jié)構(gòu)、強勁的發(fā)動機、強壯的起落架、先進的系統(tǒng)等，而構(gòu)成這一切零部件基礎(chǔ)的主要是航空金屬材料。
01合金家族之一：鋁合金
1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機，所選用的材料是木材和帆布，飛行速度只有每小時16公里，和騎自行車的速度相差無幾。
1911年，鋁合金研制成功，并很快取代了木材和帆布，成為制造飛機的主要材料。第一次世界大戰(zhàn)期間，全金屬結(jié)構(gòu)的飛機已經(jīng)很普遍了。
從木布結(jié)構(gòu)過渡到金屬結(jié)構(gòu)，飛機的速度和其他性能實現(xiàn)了一次飛躍。例如，到1939年，螺旋槳飛機創(chuàng)造的最高時速已達755公里，僅36年的時間，飛機的飛行速度提高了47倍。如今，在飛機所使用的金屬材料中，鋁合金仍占有重要地位。
航空用鋁合金密度低、耐腐蝕性能好，且具有較高的比強度、比剛度，容易加工成型，有足夠的使用經(jīng)驗，這些優(yōu)點使其成為飛機結(jié)構(gòu)的理想材料。
從誕生以來，鋁合金隨著飛機設(shè)計的要求而不斷發(fā)展，其性能也日益強大。例如，1954年，英國的3架“彗星”飛機先后墜毀，事故分析表明，墜機的主 要原因是材料疲勞以及部分7075-T6鋁合金構(gòu)件被嚴重腐蝕。經(jīng)過探索，研究人員突破了過時效熱處理問題，研制出第二代耐腐蝕鋁合金，有效提升了飛機的 安全水平。
如今，航空鋁合金的發(fā)展已經(jīng)進入第六階段。2005年4月27日，世界上最大的寬體客機空客A380在圖盧茲機場成功首飛。A380能夠取得成功，先進材料的應用立下了汗馬功勞。其中，加拿大鋁業(yè)公司和美國鋁業(yè)公司就為A380開發(fā)了新型鋁合金材料。
早在1998年，加拿大鋁業(yè)公司就與空客公司達成協(xié)議，共同組建為A380飛機攻關(guān)的集成項目團隊，一起開發(fā)新型鋁合金材料。根據(jù)A380各部件的 特點，加拿大鋁業(yè)公司開發(fā)出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列鋁合金。每種合金都具有不同的性能和特點。
以7040-T7651合金為例，A380外翼的前梁和中央翼梁對材料的靜強度以及斷裂韌性提出了很高的要求。同時，材料還必須具有良好的延展性和 機械加工性。為了實現(xiàn)上述目標，加拿大鋁業(yè)公司對原有合金AA7010/7050-T7651進行了改進，開發(fā)出新型合金7040-T7651。這種合金 具有高靜強度、高韌性、低殘余應力和良好的延展性等特點。
美國鋁業(yè)公司成立于1888年。一百多年來，該公司研發(fā)了一系列鋁合金材料，為航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。
美國鋁業(yè)公司也參與了空客A380的研發(fā)。為了實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件的整體化、大型化，該公司開發(fā)出可用于整體結(jié)構(gòu)的新型鋁合金7085大型鍛件，其截面 厚度可達300毫米。在A380項目中，用7085鍛件制造的應急艙門，零件數(shù)量從147個減至40個，緊固件由1400個減至450個，重量減輕了 20%，成本降低了20%?25%，承載能力和疲勞壽命也得到了顯著提高。
02合金家族之二：鈦合金
鈦及鈦合金材料密度低、比強度高(目前金屬材料中最高)、耐腐蝕、耐高溫、無磁、組織性能和穩(wěn)定性好，可以與復合材料結(jié)構(gòu)直接連接，而且兩者之間的熱膨脹系數(shù)相近，不易產(chǎn)生電化學腐蝕，具有優(yōu)良的綜合性能。因此，鈦合金在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。
1949年，美國道格拉斯公司在DC-7運輸機的發(fā)動機艙和隔熱板上，第一次使用了鈦合金。洛克希德公司的“黑鳥”高空高速戰(zhàn)略偵察機SR-71， 飛行速度超過3馬赫，在高速飛行時，機體表面溫度將超過常規(guī)鋁合金蒙皮的極限，如果用鋼制造，飛機重量會大大增加，影響飛行速度和升限等性能。因 此，SR-71的機身大量采用了鈦合金，總重達30多噸，占飛機結(jié)構(gòu)重量的93%。
隨著人們對飛機性能要求的不斷提高，民用飛機的鈦合金用量也在逐漸增加。早期波音707上的鈦合金部件用量僅占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%，到最新的波音787，占比高達15%。
此外，鈦合金也是制造航空發(fā)動機的主要材料。早期美國F-4戰(zhàn)斗機使用的J79發(fā)動機，鈦合金的用量只有50千克，不到總重量的2%。而現(xiàn)在大多數(shù) 航空發(fā)動機的鈦用量已經(jīng)達到發(fā)動機總重量的25%?30%。如波音747、767的發(fā)動機JT9D，其用鈦量為總重量的25%;空客A320的V2500 發(fā)動機，其用鈦量為總重量的31%。
鈦合金的另一大用途是作為螺栓、鉚釘?shù)染o固件材料。這些緊固件雖小，但用量卻很大，使用鈦合金緊固件可以大大減輕重量。據(jù)估算，C-5大型運輸機有70%的緊固件為鈦合金緊固件，飛機因此而減重1噸左右。
現(xiàn)在鈦合金3D打印技術(shù)已用于飛機制造。鈦合金3D打印技術(shù)由于擺脫了傳統(tǒng)的模具制造這一顯著延長研發(fā)時間的環(huán)節(jié)，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造結(jié)構(gòu)十分復雜的金屬零件，因而為先進飛機結(jié)構(gòu)的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。
03合金家族之三：超高強度鋼
超高強度鋼在強度、剛性、韌性以及價格等方面具有很多優(yōu)勢，且擁有在承受極高載荷條件下保持高壽命和高可靠性的特點，在航空領(lǐng)域得到廣泛使用。
例如，飛機的起落架要承受沖擊等復雜載荷，而且載荷巨大，同時還要求起落架艙容積盡可能小，超高強度鋼絕對強度大、穩(wěn)定性好，因此成為起落架的首選材料。
20世紀60年代，美國成功開發(fā)了300M超高強度鋼。300M鋼的抗拉強度高，達到1860MPa以上。它的橫向塑性高，斷裂韌性好，與同強度低 合金超高強度鋼相比，300M鋼的抗疲勞性能更好，在介質(zhì)中的裂紋擴展速率低。這些特點使得300M鋼成為大型飛機起落架的主要材料。
1992年，美國又開發(fā)了AreMet100。AreMet100與300M的強度級別相同，但耐腐蝕性能和耐應力腐蝕性能較300M鋼有較大提高，是目前綜合性能最好的超高強度鋼。F-22、F/A-18E/F就使用了AreMet100作為飛機起落架的主要材料。
超高強度鋼的另一應用是作為一些特殊傳動部件的基體材料，如航空發(fā)動機中的軸承和傳動齒輪。航空發(fā)動機的軸承和齒輪的工作環(huán)境完全可以用“煉獄”來 形容，它們不僅要承受各種應力的擠壓和摩擦，而且絕不允許在使用過程中出現(xiàn)裂紋等損傷，只有超高強度鋼才可擔此重任。目前，世界上只有極少數(shù)國家掌握航空 發(fā)動機傳動部件超高強度鋼的制造技術(shù)。
04合金家族之四：未來之星—鎂合金
鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度高、抗震能力強、可承受較大沖擊載荷等特點。
國外最早針對鎂合金的研究主要是在航天器的應用領(lǐng)域，后來逐漸發(fā)展到航空領(lǐng)域。1934年，德國開始將鎂合金制造的飛機零部件應用到?？薋w-200飛機上，主要用在飛機的發(fā)動機罩、機翼蒙皮及座位框架上，每架飛機共用鎂合金材料大約650kg。
目前，鎂合金材料在航空領(lǐng)域的應用主要包括：飛機框架、座椅、發(fā)動機機匣、齒輪箱等。2010年，美國聯(lián)邦航空管理局針對用AZ31、WE43等制造的鎂合金飛機座椅，開展了大量的整機可燃性試驗，比較了這兩種鎂合金的可燃性、燃燒持續(xù)時間等性能。
埃塞克斯飛機公司用鎂合金板材及型材制造的190-8327L飛機油箱，與用鋁合金制造的油箱相比，每升容積可減重0.144?0.168kg，整架飛機的最大減重可達454kg。
目前，一些高溫鎂合金如WE43、WE54等已被廣泛應用于新型航空發(fā)動機齒輪箱和直升機的變速系統(tǒng)中，如西科斯基的S-92直升機。這些鎂合金材料能較好地適應高溫、腐蝕、震動和沙塵等比較惡劣的環(huán)境。
伴隨著航空金屬材料的不斷發(fā)展，飛機金屬加工工藝也在迅速發(fā)展，如大型壁板時效成型技術(shù)、大型模鍛件制造、3D打印技術(shù)、先進膠結(jié)技術(shù)、先進焊接技術(shù)等。
在飛機設(shè)計時，一定要綜合材料優(yōu)勢，揚長避短，物盡其用，這樣才能最大限度地發(fā)揮材料的性能，真正實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)的安全、高效，達到減少重量、降低制造和運營成本的目的。
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