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科普丨航空航天的金属材料

发表时间:2021-03-26      点击次数:481

进入二十一世纪以来,我国航空航天事业得到的发展,所有这些,依赖的是高效的机体结构、强劲的发动机、强壮的起落架、先进的系统等,而构成这一切零部件基础的主要是航空金属材料。

下面小编带领大家来了解一下金属材料在航空航天领域的应用。航空航天领域的产品耗资巨大,即使是很小的减重也能对总成本产生巨大影响,因此材料的轻量化在航空航天领域至关重要。铝合金、镁合金、钛合金和镍钼钨合金等合金材料以其低密度、高使用寿命、优异的耐腐蚀及耐高温等综合性能,在飞行器及航空航天领域被广泛应用。

其中铝合金材料占飞机用料50%--70%左右,镁合金材料占飞机用料5%--10%左右,现代化的飞机,钛合金的用量比重越来越大,而镍钨钼合金则用于飞机发动机。

 

铝合金

 

铝(面心立方结构)是一种轻金属,密度小(ρ=2.7g/cm3),大约是铁的 1/3,熔点低(660℃),具有很高的塑性(δ:32~40%,ψ:70~90%),易于加工,可制成各种型材、板材,抗腐蚀性能好;但是纯铝的强度很低,退火状态 σb 值约为8kgf/mm2,故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验,人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝,这就得到了一系列的铝合金。

 

铝合金密度低,强度较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,被广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面,飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造,以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接,结构重量可减轻50%以上。

 

镁合金

 

在实用金属中是最轻的金属,镁的比重大约是铝的2/3,是铁的1/4,比重2.1--2.3左右,熔点300度左右。具有高强度、高刚性。主要用来制造不承重的部件、壳体。例如各种活门壳体,油泵壳体等。

 

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是:密度小(1.8g/cm3镁合金左右),比强度高,比弹性模量大,散热好,消震性好,承受冲击载荷能力比铝合金大,耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用的是镁铝合金,其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门,用来制造低承力的零件。

 

镁合金在潮湿空气中容易氧化和腐蚀,因此零件使用前,表面需要经过化学处理或涂漆。镁合金具有较高的抗振能力,在受冲击载荷时能吸收较大的能量,还有良好的吸热性能,因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定,适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管,又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、襟翼、舱门和舵面等活动零件。

 

 

钛合金

 

钛也是一种轻金属,比重4.5左右,比铝重,但是强度很高,很耐高温,熔点1660多度,是造飞机的理想材料,飞机发动机,防弹部位,强化部位,加固部位,燃烧室,涡轮轴,涡轮盘,喷口等,大多数是用钛合金材料制造的。

 

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。20世纪50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金,70年代开发出一批耐蚀钛合金,80年代以来,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展钛合金主要用于制作飞机发动机、压气机部件,其次为火箭和高速飞机的结构件。

 

镍钼钨合金

 

是造发动机的理想材料。飞机发动机的温度高达2000多度,一般的材料是不行的,只有镍钨钼合金才能胜任。

 

高强钢

 

高强钢通常使用在要求有高刚度、高比强度、高疲劳寿命,以及具有良好中温强度、耐腐蚀性和一系列其它参数的结构件中。无论是在半成品生产中,还是在复杂结构件的构造中,尤其是在以焊接作为最终工序的焊接结构件生产中,钢材都是不可替代的材料。

 

长期以来,飞机制造业使用最多的钢材,是强度水平为1600-1850MPa、断裂韧性约为77.5-91MPa每平方米的中合金化高强钢。目前,在保持同样断裂韧性指标的条件下,已将钢材的强度水平提高到了1950Mpa。还开发出了新型经济合金化的高抗裂性、高强度焊接结构钢,开发强度性能水平为2100-2200Mpa的高可靠性结构钢;高强度耐蚀钢强度水平与中合金结构钢相近,可靠性参数大大超过中合金结构钢。

 

随着高分子材料被应用在制作飞机的材料上,使得飞机的性能越来越好。在航空工业中,腐蚀与防腐是个重要的问题,可是一般的金属防腐蚀的效果很差,由于高分子材料耐酸,碱,盐介质的腐蚀性优于金属和其他的合金材料,故被应用在飞机的制作上。另外,高分子材料具有密度小,强度大的优点,这对减轻飞机本身的质量和减少能源的消耗都有重要的意义。