《航空航天材料》PPT课件.pptVIP

材料与航空航天,目录,前言,航宇材料的特点,材料在航空航天的地位,航宇材料,1,2,3,4,结束语,5,航空与航天的发展是人类现代化的重要标志之 一，也是一个国家科技水平与工业水平的体现。 当前大飞机的立项与神舟7号的成功，为国人长 志气，为世人所瞩目，是我国宇航工作者的骄 傲，也是材料工作者的光荣。 现仅就航空航天材料的一般情况进行介绍，以供 参考。 由于航空航天事业发展很快，对材料的需 求也与 日俱增，青年科学工作者继往开来，责重 道远。,前言,航宇材料的特点,总要求 高质量 高可靠性 保障供应 价格因素,航空材料的特点 高性能（高比强度及比刚度，耐高温） 长寿命（抗疲劳，耐腐蚀与氧化、抗磨损、耐高温） 高可靠性（测试与质量保证的投入高）,投入或损失,可靠性,图1 材料测试投入与报废率的关系,航天材料的特点 除高比强度、高比刚度、高可靠、批量小、高成本以外。 还要求： 耐空间环境 真空出氧和质量损耗 耐电子和原子辐照 耐氧原子：氧原子在高空200km，飞行速度达8km/s条件下，温度 可达10001500K，有机物挥发严重。 耐冷热交变疲劳（-120+170） 抗空间微陨石和空中垃圾撞击，以及屏蔽设计选材,因再入温度可高达2000以上，用于军事目的的导弹还要求 弹头材料耐更高温度和比强度。弹头减轻1kg，可增加15km 的射程或相当于减少起飞重量50kg，下图为材料与导弹射程 的关系。,射程(公里),玻璃钢,芳纶,C/C复合材料,金属,图2 导弹壳体材料与射程关系,此外，由于再入时温度过高，烧蚀材料发生电离，形成黑障 及尾流，要求防热材料高纯度，碱金属或碱土金属含量要求 很低。,0,材料性能（比强度、比刚度等）飞行器所收效益与飞行 速度有关，因而飞行器材料的价格与飞行器的速度密切 相关。,材料在航空与航天所处地位,图3 飞行器每减重1公斤减重 所取得的经济效益,汽车材料.1 民航材料 100 军机材料 150 空间材料1,500,以效能为重点,以价格为重点,图4 不同材料使用性能与价格关系 （价格 VS 效能）,对卫星及航天飞机来说，需要最好的材料，而很少考虑材料的 价格，因为选用好材料每减重1克其收益就很显著，反之汽车每 减重1公斤，所得收益很少，而材料在汽车产值中占53%，材料 的价格就影响很大。 材料决定飞机及其发动机的性能，因而有“一代材料，一代飞 机”，“一代材料一代发动机”的说法。,图5 材料对飞机性能的提高所处地位,42%,29,29%,由于材料、设计及动力装置的不断改进，以及机型的加大， 波音飞机从波音707（1958）到747（1988），燃油效率提高 2.5倍。,图6 历代民机座哩的油耗,航空发动机是飞机的心脏，下表为历代发动机的主要参数 及所用材料,航宇材料,表1 国外军用发动机典型部件,推重比的不断提高要求材料的轻量化，高压涡轮温度的攀升 是材料中的最大难点。除了采用耐高温材料以外，需要有效 冷却。图7为美国宇航局对今后航空发动机材料的预测。,图7 未来发动机材料预测,Ni基合金,Ti基复合材料,难熔,钢,Ni、Fe、Nb铝化 物基复合材料,钛铝化合物基 复合材料,碳基复合材料,钴基合金,高分子基复合材料,Al、Mg基复合材料,可以看出，今后TiAl基材料大幅增加，不耐氧化的碳基及难熔金属也将介入。,应该指出，涡轮前温度提高对发动机推力的提高十分重要，一般来说， 涡轮前温度每提高100，推力提高2025，热效率提高8，对材料 来说，难度最大的是涡轮叶片和涡轮盘。对叶片材料来说，目前是镍基 高温合金，由于熔点（1250 1350 ）所限，工作温度不可能太高， 因而采用以下几种措施： 1.发展更耐高温的合金 2.采用先进制造工艺 铸造高温合金：多晶（1958）柱晶（1962）单晶（1970） 3.采用不同冷却技术 对流冷却（60年代初，美61年，中国66年） 冲击冷却 气膜冷却 层板冷却（冷却效果700-800） 发汗冷却（难点：碳化问题） 4.发展热障涂层 导热率最低的ZrO2涂层可提高250，用于海洋及工业气氛中的抗腐蚀涂 层采用Pt-Al，一般腐蚀采用Al或MCrAlY,涡轮盘在航空发动机中是另一类难度最大的材料，温度虽然不太高 （850），但受力复杂，除承受涡轮叶片高强的离心力外，还有热应 力，涡轮盘的断裂将导致机毁人亡，而且由于其尺寸较大，在凝固过程 中容易发生合金元素的偏析，而导致脆性相的发生。解决的办法： 1. 粉末冶金法 真空感应炉熔炼喷粉粉末筛分去夹杂物除气装罐热等静压 等温锻造成型 2. 喷射成型 合金熔炼雾化沉积锻压成型，工艺简单，成品率高，洁净度高 3. 复合结构涡轮盘 4. 整体成型 用于小型发动机，铸造HIP探伤机加工 5. 低偏析技术 降低微量元素含量，减少偏析，可提高锻造温度，降低抗力，精密成 型，提高成品率,轮缘（高温，粗晶）,轮体（高强，细晶）,图8 复合结构的涡轮盘,图9 整体成型的涡轮盘,图10 高温合金凝固中的低偏析原理,飞机材料一直以铝为主，近年来钛合金及复合材料发展很快。,表2 民机机体主要材料的使用量,几种典型材料 复合材料 复合除有较高的比强度、比刚度、抗疲劳及消震性能以外，还有 整体制造和智能化的优点。所谓智能化就是通过功能元件、光纤 传导，达到自诊断，自恢复及自愈合的目的，这是其它类型材料 难以完成的。 复合材料大体可分为以下几种类型： 高分子基：树脂增强体应用广泛 金属基：成本高，回收难，未能大量推广 陶瓷基：作为解决脆性的一个途径 碳碳复合材料：超高温，高强，高模量,图11 结构用材料的比强度与温度的关系,图12 高温材料工作温度和强度的关系,表3 几种复合材料与金属材料性能对比,碳纤维 1878年，爱迪生用棉、竹经硝酸处理溶于酒精纺成丝，高温碳化成为电灯丝 1910年，GE实验室的W. D. Coolidge用钨丝代替碳丝 1959年，美国（Union Carbide）用人造丝造碳纤维 1959年，日本进藤昭男用聚丙烯腈造碳纤维，1970年又发明以沥青作原料 1962年，金属所、长春应化所开始研究碳纤维,聚丙烯腈（PAN）,碳化 （10001600）,预氧化 （200300）,碳纤维,石墨化 （25002800）,高模量,图13 不同型号碳纤维的强度和模量,碳纤维的用途 体育器械：球拍、鱼竿等 工业：建筑、风扇叶片、电缆芯等 航空航天：飞机机体材料、卫星结构材料等,图14 复合材料在军民用飞机上的应用增长趋势,8,2. 高温合金 在现代航空发动机中，高温合金占50%,图15 世界高温合金的发展趋势和我国主要合金的研制,表4 单晶叶片（镍基高温合金）典型成分,特点：第二、三代加Re（铼），第四代又加Ru（钌）4%,除镍基高温合金外，Ni-Al中间化物研究颇多，如NiAl和Ni3Al系高温 合金。 NiAl在Ni-Al系中具有最高熔点（1640）， Ni3Al（1395）， 密度低（5.86)， Ni3Al（7.5），特别是热导率是一般高温合金的48 倍，这对叶片温度分布均匀，防止局部过热大有好处，尤其对空心叶 片冷却效率的提高更为有利，所以国际上对此十分注意，但是这种材 料的弱点就是室温塑性和韧性很低，尽管在较高温度下具有超塑性。 Ni3Al（）是镍基高温合金的主要强化相，在IN-100合金中已 占70%，但以此为基的合金却因脆性问题而未成功。1979年日本人发 现加硼能提高塑性。北京航材院韩雅芳研制的IC6（Ni-14Mo-Al-8） 成分简单，初熔温度高（1315，比镍基合金高5070），铸成定 向凝固的导向叶片已用于发动机，这是国际上第一个达到实用状态的 镍基中间化合物。,表5 几种典型涡轮盘成分,3. 钛合金及中间化合物 钛合金特点： 资源丰富，次于铁、铝和镁居第四 比重小（4.51，高温合金8.0） 耐腐蚀（特别耐海水腐蚀），不抗氧化（钛火） 弹性模量低（103GPa）（高温合金200GPa），消震性能 好、无磁、无毒，生物相容性好 熔点高（1675），但高温强度低（650),图16 美国钛材50年概况,美国2000年钛材应用情况 航空工业：65%（军用20%；民用45%） 核心工业（石化、核电等）：20% 新兴工业（建筑、日用等）：15%,钛成本高： 生产工序复杂、加工困难 TiCl4+镁还原海绵钛多次真空自耗熔炼 为降低成本： 改数次真空自耗为一次等离子熔炼 以铸代锻 激光近终成型制造,高温钛合金的上限可能 为650，进一步提高 要立足于Ti、Al中间化 合物及其复合材料,图17 高温钛合金发展势态,表6 钛合金、钛铝化物与高温合金性能对比,4. 超高温材料 C/C复合材料是最重要的超高温材料。它具有很高的耐热性（3500升华、 一直到2500强度不变）和优异的物理性能成为火箭、导弹最关键材料。 但是长期在高温（600-800）下，容易氧化，必须发展表面改性和涂层技 术。美国用C/C复合材料已制成尾喷口，曾在F100试车，2005年要验证 C/C复合材料叶片，达到1650长期抗氧化目标。说明C/C复合材料用于航 空发动机为期不远了。,表7 日本东丽碳纤维性能,工程陶瓷：Si3N4，SiC，Al2O3，Sialon，莫来石（3Al2O3SiO2） 特点： 熔点高，高温稳定性好（1400-1600） 比重小（2.7-3.2) 高模量 低膨胀系数（3-4x10-6/） 高硬度，高强度 低摩擦系数 资源无限,表8 Si3N4及SiC在热压烧结状态的性能及与高温合金对比,陶瓷的主要缺点是断裂韧性（KIC）太低，通过相变韧化、纤维 复合、提高纯度、结构及晶界控制，以及纳米粉成型（超塑 性），其KIC可与工程合金相近，但是存在一个致命弱点就是断 裂的临界缺陷太低（10-3mm级）。,缺陷临界值（mm） 钢 D6AC 1.0 铝合金（2014-T651） 4.5 钛（6Al4V） 2.5 Si3N4 0.02-0.05 石英 0.003,0.02mm超出一般探伤灵敏度之外，由于缺陷的存在，性能分散,表9 各种材料的缺陷临界值,0.1 1 10 100 1000 10,000,Strength (MPa),图18 各种工程材料强度与韧性的关系,0.1 1.0 10 100 1000,Fracture toughness Kic (MPa.mm1/2,Guideline for safe design,Yield before fracture,Engineering Alloy,Engineering Ceramics,Engineering Polymer composites,Fracture before yield,Polymer Foams,1mm,100mm,10-2mm,10-4mm,金属,陶瓷,断裂几率,低韧性 难加工、成型 性能分散 价格高,图19 工程陶瓷相对金属的性能分散度,陶瓷具有十分诱人的优点，但由于脆性问题不易 解决，不能用 于转动件，但用于燃烧室、尾喷口、火焰稳定器，甚至导向叶 片，纤维增强陶瓷都是可以考虑的，因为纤维增强陶瓷的缺口 敏感性大为改善。因此对脆性材料的设计思想和方法的改变可 以扩大其应用。,图20 不同材料比强度与工作温度的关系,MoSi2 正在开发中的高温材料（导向叶片） 抗氧化、耐高温（1600）,图21 几种金属间化合