它們堪與複合材料同台競技！
點擊量（liàng）：462 發布時間：2017-03-17 作（zuò）者：草莓视频ios（上海）增材（cái）製造技術有限公司
近年來，航空業迅猛發展，新科技技術的進步促使複合材料越來越成為當今航空業的主（zhǔ）流材料。就在這樣（yàng）一個大的趨勢下，鋁合金等（děng）傳統金屬（shǔ）材料（liào）也在不斷的挖掘自己的潛能、推陳出新，就此，以金屬材料和複合材料為代表的的拉鋸（jù）戰在航空領域已悄然打響。
鋁合金鑄件在機翼上的應用
洛•馬X-55運輸機全複合材料機身（shēn）
複合材料（liào）強度高，質量輕，可以減（jiǎn）輕（qīng）飛機的重量，提高飛機的飛行效率，這也是為什麽（me）複合材料能一躍成為航空製造業的寵兒的原因。目前，複合材（cái）料中提的最多的是碳纖維材料。這種材料已經逐（zhú）漸（jiàn）從次承力結構部件應用躍（yuè）升機翼、機身（shēn）等（děng）主承力構件的必選材料。
碳纖維材（cái）料
碳纖維複合材料目前在小型（xíng）商務飛機和直升機上的使用量已占70%～80%，在軍用飛機（jī）上（shàng）占30%～40%，在大（dà）型客機上占15%～50%。
波音公司的（de）新（xīn）型客機787所用的碳纖維（wéi）複合材料甚至到達了機構（gòu）重量的50%。
波音（yīn）787飛機大量使用碳纖維（wéi）材料
碳纖維材料雖（suī）然存在性能缺陷，而且加（jiā）工工藝比較繁瑣而且成本（běn）也高。但是，它卻具有優異比強度、比（bǐ）剛度（dù）和耐腐蝕等優點，其（qí）外形（xíng）製造（zào）可以高完整性一次成形（xíng），在一個加工周期內成形機翼整體帶筋壁板和機身整體筒形帶筋壁板，極（jí）大地減少了緊固件的使（shǐ）用；而且（qiě），碳纖維複合材（cái）料采用加成（chéng）製造方法成形結構件，在保持了強度等性（xìng）能的（de）同時，避免（miǎn）了金屬切削加工造成的大量原材料浪費。
發動機（jī）上碳纖維增（zēng）強樹脂基複合材料封嚴片（piàn）
對於複合材料難加工、成本高問題，材（cái）料科（kē）學家也在不斷地改進（jìn）加工方法（fǎ），就比如說非熱（rè）壓罐製造工藝改（gǎi）進傳（chuán）統的熱壓罐成型技術。目前為止（zhǐ），航空製件中獲得（dé）應（yīng）用的非熱壓罐技術主要（yào）有幾個方向（xiàng）：非熱壓罐預浸料技術、液體成型技術、預浸料模壓成型技術、微波固化技術、電子束固化技術、平衡（héng）壓力流體成型技術。
目前，這項技術在航空製造業中取得不錯的成績。俄（é）羅斯聯合飛機製造公司在其即將推向市場（chǎng）的MS-21單通（tōng）道客機上，采用（yòng）複合材料非熱壓罐成形技術製造機翼主承力構件，這在民用飛機製（zhì）造史上具（jù）有裏（lǐ）程（chéng）碑意義，將對世界航（háng）空製造業的發展產生深遠影響。
MS-21所用（yòng）的複合材料
波音研製的“鬼眼（yǎn）”無人機，由三部分組成、長45．7m的機翼也是（shì）利用非熱壓罐成形技術製造的。
“鬼眼”無人（rén）機
GKN航宇公司在歐盟“潔淨天空”計劃的資助下（xià），利用非熱壓（yā）罐成形技術製造出了下一代複合材料（liào）整體機翼翼盒驗證件（jiàn），翼盒集成了（le）帶加強筋的蒙皮、複雜（zá）彎曲輪廓及4個不同的長桁形狀。
複（fù）合材料的機翼設計（jì）
麵對複合材料來勢洶洶的挑戰，金屬（shǔ）材料也給出（chū）了強硬的回擊。
”一號選手“--鈹鋁合金
這種合金的具有質量輕、比強度高、比剛度高、熱穩定性好、高（gāo）韌（rèn）性、抗腐蝕、結合了鈹的低（dī）密度與鋁的易加工性等許多優良特性。隨著航空、航天工業、汽車工業等行業（yè）的快速發展，這種合金已經（jīng）成為一種越來越重要的新型材（cái）料。鈹鋁合金按鈹含量可分為鋁基合金和鈹基合金,前者鈹含量在5%以（yǐ）下用作冶（yě）金添加劑;後者鈹（pí）含量在60%以上用作（zuò）結構材料。
鈹鋁合金
鈹鋁合金的製備方法有這麽幾種：
熔模精密鑄造工藝，這種方法是製備鈹鋁合金的一個重要的方法（fǎ），該（gāi）方法可以大幅降低鈹鋁合金生（shēng）產成（chéng）本，精密（mì）鑄造也減少了後續（xù）加工環節，節省（shěng）加工成本和時間。美國的斯（sī）達麥（mài）特公司開發了Berylcast族鈹鋁合金，布拉什・威爾（ěr）曼開發了（le）AlBeMet係（xì）列鈹（pí）鋁合金，這（zhè）些鈹鋁合（hé）金的工藝都是按照熔模精密鑄造工藝，在（zài）真空條件下進行鈹鋁合金熔（róng）模鑄造的生產。
熔模精密鑄造工藝
粉末冶（yě）金（jīn）法生產鈹鋁合金（jīn），這種（zhǒng）方法自70年代洛克公司開始使用以來，采用該工藝（yì）生（shēng）產鋁鈹合金（jīn）已成慣例。除了一些小的改進以外,基本流（liú）程（chéng）保持不變。先用惰性氣體霧化法製取預合金粉,而後製成（chéng）3～5μm的枝晶狀（zhuàng）粉粒,該尺寸對最終產品的強度是至關重要的。粉末經冷等靜壓壓至理論密度的約80%,再熱等靜壓成形,最後經擠壓進一步提高（gāo）密度。擠壓成的棒材可直接加工成部件,或（huò）切割後軋製成板材,其最大尺寸可（kě）達107cm×107cm。
粉末冶金法製備（bèi）鈹鋁合金的工藝圖
鈹鋁合金以其低（dī）的比重、高強度、高韌（rèn）性等優良特性已在航空航（háng）天中得到應用。例（lì）如，斯達麥特生產的（de）Berylcast合金熔（róng）模鑄件被用在美國的RAH66Comanch型（xíng）軍用直升機（jī）和愛國者PAC23型導彈係統上。下圖是美國Brush•Wellman公司生產的精密鑄造元（yuán）件，產品均用於航空航天。
鈹鋁合金鑄造產品
“二號選手”--鈦鋁合金
鈦鋁合金密度低（dī），彈性（xìng）模量高，綜合性能指標優於傳統高溫合（hé）金，韌性又高於普通的陶瓷材料，在航空航天材料中展現出（chū）令人矚目的發展前景，成為新一代高溫材（cái）料的代表之一（yī），被當做高（gāo）推（tuī）重比先進軍用飛機發動機高壓壓氣機及低壓渦輪葉片的首選材料。
鈦鋁合金粉末
這（zhè）種鈦鋁合金的代表化合物是鈦（tài）和鋁（lǚ）的原子比為1:1的鈦鋁合金（jīn），鑄造用的錠材在室溫下（xià）的抗拉強度為（wéi）600MPa，900℃下的抗拉強度為（wéi）400MPa。因為這種材料密度為3.8g/cm3，其比強度比（bǐ）鎳合金要好，而且常溫延伸（shēn）率（lǜ）比陶瓷還好，是一（yī）種富有延性的材料。其延性隨溫度升高增加，其塑形加工（gōng）成為可能。而且機（jī）械加工（gōng）也比較容易進行。
鈦鋁（lǚ）合金的製備加（jiā）工技術（shù）主要有這麽幾種：鑄錠冶金技術，粉末冶金技術，快速冷凝（níng）技術，機械合金化技術等。
鈦鋁合金（jīn）鑄錠技術冶金技術先進行熔煉製造出鈦鋁合金錠，隨後采用熱等靜壓和均勻化退火處理消除鑄錠中微觀孔（kǒng）洞（dòng）、疏（shū）鬆和成分偏（piān）析等組織缺陷，然後在一定溫度區間和一定應變速率條件下，采用1次或多次鍛造來細化鑄態組織，並進行熱處理，最後鍛造成型。
鑄錠冶金法工藝
快速冷凝技術的工（gōng）藝圖如下圖所示。這種技術的優（yōu）點就是通過快速冷凝技術與（yǔ）粉末冶金成型技術相結合，這樣可以大（dà）範（fàn）圍地調整合金成分和組織結構，還可以實現近終形成型，從根本上解決鈦鋁合金難加工的問題。
快速冷凝技術工藝圖
機械合金化技術不同於（yú）傳統的球磨，機械合金化（huà）使用高能量球（qiú）磨，在室（shì）溫極高破碎能量條件（jiàn）下，可（kě）製備及控製理想微觀結構的新（xīn）合金。采用機械合（hé）金化製備鈦鋁合金，首先（xiān）將合（hé）金固溶進鈦，在初始階段晶格尺寸急（jí）劇減小，大約10h後非晶產物出現（xiàn），但非晶（jīng）產物不穩定，逐漸轉化成納米尺度的亞穩定晶體。
機械（xiè）合金化技術工藝圖
鈦鋁合金的製備不僅僅（jǐn）隻（zhī）有介紹的那（nà）幾種。因為鈦鋁合（hé）金的（de）優良特性，使得鈦鋁合金在航空航天用材料展現出了令（lìng）人矚目的發展前景。
日本三菱公司采用包套鍛成形出了Ti-42Al-10V合（hé）金葉片，該合金具有較好的高溫塑性，該公司還開發了Ti42Al5Mn合金，並且采用鍛造後機（jī）械（xiè）加工（gōng）的方（fāng）式（shì）製造出渦輪葉片等零件。
鈦鋁合金成為先進（jìn）軍用飛機（jī）發動機高壓壓氣機（jī）及（jí）低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計劃在GE90發動（dòng）機中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金，將減輕發動機重量200～300千克以上。
GE90發動機使用了鈦鋁合金葉片
空中客車和波音公司正致力於提高發動（dòng）機的推（tuī）比，低壓渦輪減重潛力最（zuì）大，在不久的將來渦（wō）輪後部轉子葉片將（jiāng）采用鈦鋁合金葉片。
鈦鋁合金葉片
“三號選（xuǎn）手”--鋁鋰合金
鋰是世（shì）界上（shàng）最輕的金屬元素，把鋰（lǐ）作為合金元素加到金屬鋁中，就成了鋁鋰合金了。在金屬鋁中（zhōng）加入鋰之後，合金的密度（dù）會將低，剛（gāng）度會增加，同時仍（réng）然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性、延（yán）展性。所以鋁鋰合金具有（yǒu）低密度、高比強度、高比剛度、優良的低溫性能、良好的耐腐蝕性能和卓（zhuó）越的超塑成形性（xìng）能，用其取代（dài）常規鋁合金，可使構件質量減（jiǎn）輕10％～15％，剛度提高15％～20％。
鋁鋰合金
因為這些特性（xìng），這種新型的合金受到了航空、航天等行業的廣泛關注。例如麥道公司（sī）的C-17運輸機使用了鋁鋰合金板材和擠壓型材製（zhì）造貨艙的地（dì）板梁、襟翼副（fù）翼蒙皮（pí）等結構，用（yòng）量達2.8t，比用（yòng）普通鋁合金減（jiǎn）重208kg，法（fǎ）國幻影式戰鬥機上也大量應用鋁鋰合金，其成本低於熱固塑料和金屬基複合材料。
C-17運輸機
早在20世紀70年代，前蘇聯就將鋁鋰合金用於製（zhì）造雅克－36飛機的主要構件，包括機身蒙（méng）皮、尾翼、翼肋等，該飛機在惡（è）劣的海洋氣候條件下使用（yòng），性能良好。20世紀90年代初（chū）又（yòu）在米格－29和米格－31飛（fēi）機上采用1420合金焊接結構，使減重效果進一步（bù）提高。
米格-29 應用鋁鋰合金
與纖維複合材料相比（bǐ）低密度鋁鋰合金不（bú）需要因新的製造設備而投入大量資金。這樣（yàng）由於複（fù）合材料質量輕（qīng）而節（jiē）約的費用遠不（bú）能抵消由於設（shè）備的投資費用（yòng），所以在一（yī）些應用方麵，鋁鋰合金比複合材（cái）料更有實質的（de）效果。
正因（yīn）為如此，鋁鋰合金如今已（yǐ）經在軍用飛機、民用客（kè）機和直升飛機上使用或試用，主要用於機身框架、襟翼、翼肋、垂直安定麵、整流罩，進氣道唇口（kǒu）、艙門燃油箱等等。
鋁鋰合金機身段
目（mù）前，鋁鋰合金的生產方法技術主要（yào）有：鑄錠冶金法，粉末冶金法（fǎ），熔鹽電解法。
前麵已經介紹了鑄（zhù）錠冶金法和粉末冶金法，現在給大家（jiā）介紹熔鹽電解法製備鋁鋰合金。
鑒於（yú）傳統的合金製備方法存（cún）在的缺點，研究者們研究出了一（yī）些更好（hǎo）的製備方法，其中比較有代表性的就是熔鹽電解法。熔鹽電解法製備（bèi）鋁（lǚ）鋰合金最初是日（rì）本的大學開始研究的，它將LiCL-KCL係電解液放在經加工的陶瓷纖維容器中作陰極，熔融鋁作陽極進行電解。生成的金屬鋰在陰極析出，並擴散到熔融鋁中，一步直接合（hé）金化。
“四號選手”--納米陶瓷鎂合金
鎂在工程學中具有重要（yào）作用和（hé）潛能，它被認（rèn）為是結構金屬材料中能夠承（chéng）重的最輕金屬，另一方麵，在強度與硬度方麵的表現，鎂與（yǔ）其他金屬（shǔ）相比可能（néng）略遜一籌。金屬鎂的密（mì）度僅（jǐn）為鋁（lǚ）的三分之二，是最（zuì）輕的結（jié）構性金屬。研究人員（yuán）在金屬鎂（měi）中注入大量直徑小於100納（nà）米的碳化矽顆（kē）粒，能（néng）夠顯著提升材料的強度、硬度和可塑性（xìng），以及高溫下的耐用性。
純（chún）金屬鎂形變樣本
這種由金屬（shǔ）鎂和碳化矽納（nà）米顆粒組成的新型超強金屬材（cái）料的剛重比非常高，用這種材料製造的飛機、航天器和汽車重量更輕，因此經濟（jì）性也更（gèng）高。
為了研製這種超強（qiáng）但輕質的金屬材料，研究（jiū）員用碳化矽來生產這種金屬材料，小於100毫微米的碳化矽能夠充分分散於（yú）熔融狀態的鎂（měi）鋅合（hé）金，而粒子本身的動能則能防止它們簇成一團。
然後，該材料通過高壓扭轉的方式進行壓縮。目前（qián），高壓扭轉在金（jīn）屬（shǔ）加工工藝中非常普遍，壓縮力和扭轉（zhuǎn）變形同時作用於材料。在過去（qù）二十幾（jǐ）年裏，因為可以生產出高強度和晶粒細化材料（甚至是納米級別材料），高壓扭轉（zhuǎn）方式在業內（nèi）逐漸（jiàn）流行。
最終產出的金屬複合（hé）材（cái）料由14%的碳化矽納米粒子和86%的鎂構成。新材料在（zài）試驗過程中，展示（shì）出了相關材（cái）料（liào）曆史上最高強度水平以（yǐ）及最（zuì）優硬度重量比。而且，材料還展示（shì）出了超（chāo）強的耐高溫特性。
納米陶瓷鎂合金樣（yàng）本
該新（xīn）型材料獲將（jiāng）比（bǐ）塑料還要輕（qīng），比金屬變現的還要好，未來將在航空航天領域大展身手（shǒu）。
鎂合金材料
麵對複合（hé）材料的挑戰，新型金屬（shǔ）材料給出了強（qiáng）有力的回應，而新型的金屬材料也遠不止上麵說的那些。在麵對這兩種材（cái）料的鬥（dòu）爭，空客和波音這兩個（gè）航（háng）空製（zhì）造業巨頭對這兩種（zhǒng）材料則是各有側重和扶持（chí）。
在複合材料方麵，他們主動探索（suǒ）低成本（běn）、高效率的機翼和機身製造技術，繼續推進波音787和（hé）A350的製造技術改進；
波音（yīn）787複（fù）合材料機身
在金屬合金方麵，他們積極采用（yòng）第三代鋁鋰合金，並且在（zài）激光焊接、攪（jiǎo）拌摩擦焊、激光噴丸（wán）等先進工藝上（shàng）尋（xún）求突破，持續用於（yú）波音747-8和A380的效率改（gǎi）進和性能（néng）提升。
A350鈦合金以及鋁合金材料
可（kě）以斷定，這場航空領域的爭奪還將繼續下去。
