《航空航天材料》PPT课件

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（12501350）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（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8Si3N4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D6AC1.0铝合金（2014-T651）4.5钛（6Al4V）2.5Si3N40.02-0.05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,0.1110100100010,000,Strength(MPa),图18各种工程材料强度与韧性的关系,0.11.0101001000,FracturetoughnessKic(MPa.mm1/2,Guidelineforsafedesign,Yieldbeforefracture,EngineeringAlloy,EngineeringCeramics,EngineeringPolymercomposites,Fracturebeforeyield,PolymerFoams,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几种金属间化合物与高温合金性能对比,材料在航空航天飞行器占十分重要的地位，没有先进的材料，飞行器不可能上天，上天以后往往因选材不当或工艺的疏忽而失事。例如：1