航空新材料的发展趋势2024

航空新材料的发展趋势2024

目录

1.航空新材料的发展趋势.........................................................।

2.航空复合材料的应用领域......................................................2

3.钛合金：性质优良的“万能金属”..............................................3

3.1.钛合金概述................................................................3

3.2.钛合金的定义和特性........................................................3

3.3.钛合金的分类..............................................................3

3.4.钛合金的应用领域..........................................................3

3.5.国外航空用钛合金材料的发展现状...........................................4

3.6.国内航空用钛合金材料的发展现状...........................................4

3.7.钛合金历史背景和发展趋势.................................................5

4.高混合金：重点关注军用龙动机需求............................................5

4.1.高温合金，为高温而生......................................................5

4.2.航空发动机用高温合金性能不断发展.........................................6

4.2.1.铁基高温合金：我国高温合金体系的一大特色............................6

4.2.2.银基高温合金：变形/铸造/新型合金逐代升级............................6

423.钻基高温合金：抗腐蚀等特殊领域前景广阔...............................7

4.3.一代军机一代合金，发动机用高温合金或进入快速放量期.....................7

5.碳纤维：制造全环节技术壁垒高................................................8

5.1.航空航天核心材料，技术壁垒较高...........................................8

5.2.军用需求空间广阔，下游市场以CFRP为主...................................9

5.3.碳碳复合材料：新型刹车材料，军用市场前景明朗............................9

1.航空新材料的发展趋势

飞机材料一定程度上决定了飞机机体结构的制造成本。由于中国航空装备

早期以引进为主，因此在材料选用上主要沿用国外的材料体系，近些年来，我

国开始大力发展新材料技术，各项新材料技术取得不断突破，航空新材料的研

究也取得了可喜的成绩。俱是目前航空新材料产业的整体水平与国际先进水平

相比仍存在不小的差距。

第1页共10页

航空新材料的发展趋势主要包括以下几个方面：

1）高性能材料的应用：随着航空工业对高性能材料需求的增加，高性能材

料如高温合金、钛合金、碳纤维复合材料等在航空器制造中的应用越来越广泛。

这些材料具有高强度、高韧性、耐高温等特点，能够显著提升航空器的性能和

可靠性。

2）轻量化设计：为了降低燃油消耗和增加航程，轻量化设计成为航空新材

料发展的重要趋培。碳纤维复合材料因其轻质高强的特性，在飞机结构件中得

到了广泛应用，有效减轻了K机重量，提高了燃油效率。

3）复合材料的多样化：除了碳纤维复合材料，陶瓷基复合材料（CMC）和树脂

基复合材料也在航空领域展现出巨大潜力。CMC具有极高的耐高温性能和机械

强度，适用于高温环境下的部件；树脂基复合材料则因其良好的加工性和设计

灵活性，在飞机结构中得到广泛应用。

4）智能化和多功能化：随着航空技术的进步，智能化和多功能化成为新材

料发展的重要方向。智能材料和纳米材料能够感知和响应外部环境变化，提供

更智能的控制和监测手段，提升航空器的整体性能和安全性。

5）环保材料的研发：为了减少对环境的影响，环保型新材料的研究和应用

也日益受到重视。新型耐高温材料和涂层技术能够降低氮氧化物排放，减轻环

境污染；轻质高强材料的应用还能降低发动机振动和噪音，提高乘客舒适度。

6）制造工艺的进步：3D打印、精密铸造和热处理等新工艺的应用，不仅提

高了材料的加工精度和性能，还降低了制造成本，推动了航空新材料的大规模

生产和应用。

综上所述，航空新材料的发展趋势主要体现在高性能、轻量化、智能化、

环保化以及制造工艺的进步等方面，这些趋势将进一步推动航空工业的技术进

步和可持续发展。

2.航空复合材料的应用领域

航空复合材料是一种由多种材料经过复合而成的新型材料，具有轻质、高

强度、耐腐蚀、抗疲劳等优点，被广泛用于航空航天领域。其应用领域主要包

括以下几个方面：

1.航空器结构件：航空器结构件包括机翼、尾翼、机身、发动机罩等，采用

第2页共10页

复合材料制造可以降低重量，提高载荷能力，提高使用寿命，减少维修次数等。

2.发动机部件：航空发动机的部件包括叶轮、叶片、燃烧室、涡轮盘等，采

用复合材料制造可以增加强度、耐热性能和疲劳寿命，同时降低重量。

3.航空电子设备：航空电子设备包括雷达、导航、通信等设备，采用复合材

料可以提高抗干扰性能、减少重量、提高可靠性。

3.钛合金：性质优良的“万能金属”

3.1.钛合金概述

钛合金是一种由钛与其他金属元素组成的合金，具有高强度、良好的耐腐

蚀性和耐热性。钛合金的发展始于20世纪50年代，主要用于航空、航天和军

事领域.，后来逐渐扩展到其他工业领域。

钛金属具有低比重和高比强度的特性，其合金在航空航天领域对于提升飞

行器推重比有重要意义，近年来受到广泛使用。除军工、航空航天领域之外，

钛合金还较多应用于化工、冶金、医疗、体育休闲等领域。

32钛合金的定义和特性

钛合金是以钛为基础，加入其他元素组成的合金。其主要特性包括：

1）高强度：钛合金的强度高于许多其他金属材料。

2）耐腐蚀性：能够在各种腐蚀性环境中保持稳定。

3）耐热性：能够在高温下保持较好的机械性能。

4）低密度：密度约为钢的60%,但强度接近或超过许多高强度钢。

3.3.钛合金的分类

钛合金可以根据其组织结构和成分进行分类：

1）a型钛合金：主要含有稳定a相的元素，如铝、碳、氧、氮等，适用于

低温环境。

2）8型钛合金：主要含有稳定B相的元素，如何、银、铀等，适用于高温

环境。

3）a+B型钛合金：同时含有a和B相的元素，具有良好的综合性能，适用

于各种温度范围。

3.4.钛合金的应用领域

第3页共10页

钛合金因其优异的性能，被广泛应用于多个领域：

1）航空航天：主要用于飞机发动机部件、机体结构等。

2）汽车工业：用于制造轻量化零部件，提高车辆性能和燃油效率。

3）核工业：用于制造反应堆部件，因其耐腐蚀性和高强度。

4）化工石化：用于制造耐腐蚀设备。

5）医疗领域：用于制造人体植入物和牙科设备，因其良好的生物相容性。

3.5.国外航空用钛合金材料的发展现状

1）高温钛合金：高温钛合金主要用在飞机襟翼滑轨、轴承壳体、支架、发

动机罩、压气机盘和叶片、机匣等结构框架件。这些构件要求材料在300〜600℃

的高温条件下具有较高的比强度、疲劳强度、蠕变抗力及组织稳定性。目前代

表国际先进水平的高温钛合金牌号主要有美国的TL6242S、Ti-1100,英国的

IMI834,俄罗斯的BT36等。

2）高强度钛合金：高强度钛合金通常是指抗拉强度大于IGPa的钛合金，主

要用来替代飞机结构中常用的高强度结构钢，可实现重量减重10%。目前，应

用于飞机上的高强度钛合金主要以B型钛合金为主，具有代表性的主要有

Ti-1023,BT22,Ti-153,B-21s等。

3）阻燃钛合金：目前，比较典型的阻燃钛合金有美国的AlloyC、俄罗斯的

BTT-o美国研制的AHoyC（Ti・35V-15Cr）合金是一种B型钛合金，该合金具有良

好的高温强度和抗氧化能力，已被应用于F119发动机的高压压气机机匣、导向

叶片和矢量尾喷管。俄罗斯研制的TLCu-Al系BTT-1阻燃钛合金具有良好的热

加工性，已被用于发动机玉气机机匣和叶片。

3.6.国内航空用钛合金材料的发展现状

1）高温钛合金：TL60合金是我国自主研制的一种600℃高温钛合金。该合

金是在TAh（Ti-55）合金的基础上添加了适当含量的ALSn,Si元素，从而进一

步提高了合金的热稳定性、高温蠕变性能和高温抗氧化性。

2）高强度结构钛合金：我国在20世纪70〜90年代自主研发了一批高强度

结构钛合金。这些钛合金的强度均可以达到1100〜1300MPa的水平。21世纪初

研发的代表B钛合金有2种：

①近B钛合金Ti-B18,抗拉强度可达1150〜1350MPa；

第4页共10页

②亚稳定B钛合金Ti-B20,抗拉强度可达1200〜1600MPa。

3)阻燃钛合金：多年来，我国在阻燃钛合金方面进行了深入的研究，参照

AlloyC合金,分别设计了Ti分-Cr・ALTi-Mo-Cr-ALTLMo-V-Cr-A13个系列的阻

燃钛合金，并利用计算机模拟手段进行了抗燃烧机理的研究。此外，在系统地

分析了美国、英国、俄罗斯3个国家不同体系的阻燃钦合金之后，分别设计了

TFl(Ti-V-Cr-C系)和TF2(Ti-Cu系)阻燃钛合金。Ti-40(Ti-V-Cr-Si)合金是我国自

主研发的B型阻燃钛合金,与常规钛合金相比，Ti-40合金具有优异的阻燃性能

和力学性能。Id前，该合金研究已由实验室规模发展到半工业化规模，已经能

够制备Ti40吨级铸锭、大规格棒材和环锻件。

山于国内航空制造业起步较晚，钛及钛合金材料在我国航空领域的用量并

不大，用于航空领域的钛材占比不到20%,远低于50%左右的国际平均水平，

与钛工业发达国家相比仍存在不小差距：•是高端钛合金产品仍以仿制为主，

材料研制水平较低，应用范围较窄，高综合性能低成本钛合金的研制也大多处

于实验室阶段；二是冶金质量不稳定，品种较少，规格不全；三是相关配套技

术的研究进展缓慢，自主研发的钛合金材料体系有待完善。

3.7.钛合金历史背景和发展趋势

钛合金的发展始于20世纪50年代,最初主要用于航空发动机和机体结构。

随着技术的进步，钛合金的应用范围逐渐扩大，特别是在高温和腐蚀环境下的

应用。目前，钛合金在航空航天领域仍然占据重要地位，并且随着技术的进步，

其在其他工业领域的应用也在不断增加。未来，随着材料科学的进步，钛合金

的性能将进一步提升，应用范围也将进一步扩大。

4.高温合金：重点关注军用发动机需求

4.1.图温合金为高温而生

传统钢铁在300C以上会软化，无法适应高温环境。为了追求更高的能量

转化效率，热机动力领域需要的工作温度越来越高。商温合金因此孕育而生，

在600c以上的高温环境中还可以稳定工作，并且技术不断进步。

高温合金按合金的主要元素分为铁基高温合金、银基。根据智研咨询，2018

年以产品工艺区分，锲基高温合金产量占比为80%,铁基高温合金产量占比

第5页共10页

14.3%,钻基高混合金产量占比5.7%。

高温合金是航空发动机的关键材料。高温合金从诞生起就用于航空发动机,

是制造航空航天发动机的重要材料。发动机的性能水平在很大程度上取决于高

温合金材料的性能水平。在现代航空发动机中，高温合金材料的用量占发动机

总重量的40%〜60%,主要用于四大热端部件：燃烧室、导向器、涡轮叶片和

涡轮盘，此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

我国高温合金产业目前处于成长期，产业链企业未来发展空间广阔。我国

高温合金生产企业数量有限，生产水平与美国、俄罗斯等国有较大差距，但近

些年在产能与产值上皆有明显提升，炼石航空、西部超导等多家公司高温合金

产能项目在建设投产中。

4.2.航空发动机用高温合金性能不断发展

4.2.1.铁基高温合金：我国高温合金体系的一大特色

由于我国资源缺馍少牯，铁基高温合金的研制、生产和应用成为六七十年

代的一道绚丽的风景线。

铁基高温合金使用温度较低(600〜850C),一般用于发动机中工作温度较低

的部位，如涡轮盘、机匣和轴等零件。但铁基高温合金中温力学性能良好，与

同类银基合金相当或更优，加之价格便宜，热加工变形容易，所以铁基合金至

今仍作为涡轮盘和涡轮叶片等材料在中温领域广泛使用。

4.2.2.银基高温合金：变形/铸造/新型合金逐代升级

银基高温合金一般在600C以上承受一定应力的条件下工作，它不但有良

好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，

以及良好的抗疲劳性能。主要用于航天航空领域高温条件下工作的结构部件，

如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。

锲基高温合金按制造工艺，可分为变合金、铸造高温合金、新型高温合金。

锲基铸造高温合金在发动机中主要用于涡轮导向叶片，工作温度可达1100C以

上，也可用于涡轮叶片，其所承温度低于相应导向叶片50〜100℃。

随着耐热合金工作温度越来越高，合金中的强化元素也越来越多，成分也

越复杂，导致一些合金只能在铸态上使用，不能够热加工变形。并且合金元素

的增多使银基合金凝固后成分偏析也严重，造成组织和性能的不均匀。采用粉

第6页共10页

末冶金工艺生产高温合金，就能解决上述问题。因为粉末颗粒小，制粉时冷却

速度快，消除了偏析，改善了热加工性，把本来只能铸造的合金变成可热加工

的形变高温合金，屈服强度和疲劳性能都有提高，粉末高温合金为生产更高强

度的合金产生了新的途径。粉末高温合金主要用于制造高推比先进航空发动机

的涡轮盘，也用于生产先进航空发动机的压气机盘，涡轮轴和涡轮挡板等高温

热端零部件。

4.2.3.钻基高温合金：抗腐蚀等特殊领域前景广阔

钻基高温合金的抗氧化性能较差,但其抗热腐蚀能力比镶好；钻基高温合金

的高温强度、抗热腐蚀性能、热疲劳性能和抗蠕变性能也比银基高温合金更强，

适用于制造燃气轮机导向叶片、喷嘴等。

我国由于资源限制，目前研制了K40、GH188和L605等钻基合金，使用

范围有限。2001年以后，通用电气在钻基高温合金方面的研究主要集中在将钻

基合金作为制备燃气涡轮机的基材材料，并在合金表面制备涂层如热障涂层以

提高耐侵蚀性能。

由于材料方面的限制，钵元素在地球上储量较少，价格较为昂贵。目前钻

基研究的热度有所下降，很多科研研究也停留在数字建模试验等理论阶段。

4.3.一代军机一代合金，发动机用高温合金或进入快速放量期

发动机对温度的要求不断提升。高推重比需要更高的喷口温度，需要工作

温度更高的材料支撑。在世界高温合金的发展历程中，发动机叶片和盘件材料

分别经历了变形、铸造、定向、单晶四个阶段。适应温度从600C逐步提升至

1100°以上。

军机的换代伴随着高温合金的升级。第一代涡喷发动机的核心材料是变形

高温合金，核心材料工作温度650℃,到第四代的涡扇发动机，核心材料工作

温度已经达到了1200C,采用了单晶高温合金。历代军机的换代一直伴随着发

动机核心材料一一高温合金的升级。高温合金的升级需要研发的支持。在航空

工业的发展需求牵引下，中国高温合金先后研制出了变形、铸造、等轴品、定

向凝固柱晶和单晶合金体系。上述高温合金的相继问世，不断地推动航空工业

向前发展。据前瞻产业研究院发布的研究数据，发动机占军用飞机成本的25%,

材料成本占发动机成本的50%,而高温合金占材料成本约35%o

第7页共io页

5.碳纤维：制造全环节技术壁垒高

5.1.航空航天核心材料，技术壁垒较高

碳纤维具有强度高、比模量高（强度为钢铁的io倍，质量仅有铝材的一半）、

质量轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高低温警优越性能，是军民用重

要基础材料，应用于航空航天、体育、汽车、建筑及其结构补强等领域。相比

传统金属材料，树脂基碳纤维模量高于钛合金等传统工业材料，强度通过设计

可达到高强钢水平、明显高于钛合金，在性能和轻量化两方面优势都非常明显。

然而碳纤维成本也相对较高，虽然目前在航空航天等高精尖领域已部分取代传

统材料，但对力学性能要求相对不高的传统行业则更看重经济效益，传统材料

依然为主力军。

现代碳纤维材料始于军用，目前航空航天为重要应用领域。现代的碳纤维

是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维，具有良好的柔软性，且纵轴方向

的强度很高，具有超强的抗拉力，属于新一代增强纤维，且碳纤维化学性质稳

定，对高温耐受能力强，不易被腐蚀，是大型整体化结构的理想材料与常规

材料相比，碳纤维复合材料可使飞机减重，并有能力克服金属材料容易出现疲

劳和被腐蚀的缺点。我国军用碳纤维产业链企业主要有中航高科、光威复材、

中简科技等，其中中航高科偏下游，主要为航空复材产品；光威复材实现全产

业链布局，为碳纤维产业龙头；中简科技布局偏上游，产品技术含量相对更高。

碳纤维技术发展至今已经历三代变迁，同时实现高的拉伸强度和弹性模量

是目前碳纤维研制过程中的技术难点。近年来日美从两条不同技术路径在第三

代碳纤维上取得技术突破，并有望在未来5-10年内实现工业化生产，对于提高

战机、武器的作战能力意义重大。东丽利用传统的PAN溶液纺丝技术使得碳纤

维强度和弹性模量都得到大幅提升，通过精细控制碳化过程，在纳米尺度上改

善碳纤维的微结构，对碳化后纤维中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等进行控

制。以当前东丽较为先进的碳纤维制品T1100G为例，T1100G的拉伸强度和弹

性模量分别为6.6GPa和324GPa,比T800提高12%以及10%,正进入产业化

阶段。美国佐治亚理工学院从原丝制备工艺入手，利用创新的PAN基碳纤维凝

胶纺丝技术，通过凝胶把聚合物联结在一•起，产生强劲的链内力和微晶取向的

定向性，保证在高弹性模量所需的较大微晶尺寸情况下，仍具备高强度，从而

第8页共10页

将碳纤维拉伸强度提升至5.5〜5.8GPa,拉伸弹性模量达354〜375GPa。

52军用需求空间广