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航空航天中的技術(shù)機(jī)密之金屬材料
航天科技的進(jìn)步,離不開材料的發(fā)展。今天我們一起來了解金屬材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖1 波音737客機(jī)
一、航空金屬材料一覽
在過去的幾十年中，鋁及合金材料具有輕質(zhì)、價(jià)格低廉和易于加工的特點(diǎn)，從而主導(dǎo)航空航天材料。除了鋁合金，其他金屬及其合金也扮演著重要角色，表1為目前使用的航空材料主要涉及到的金屬材料以及特點(diǎn)。
表1 金屬材料在航空航天中的應(yīng)用形式及特點(diǎn)
金屬元素 應(yīng)用形式 特點(diǎn)
Al 鋁及其合金 密度很小，鋁合金高強(qiáng)度、良好的機(jī)械能、易加工、抗腐蝕和抗氧化性
Fe 超強(qiáng)度鋼 長壽命、高可靠、高強(qiáng)度
Mg 鎂合金 密度小，相對(duì)比強(qiáng)度、比剛度高；耐高溫、抗腐蝕性好
Li 鋰合金，鋰鹽 超低密度和超高抗彎剛度；良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性，還有耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊性能好、抗高速粒子穿透性能
Ti 鈦合金 抗腐蝕性能好、熱強(qiáng)度和力學(xué)強(qiáng)度高、導(dǎo)熱彈性小。抗彎強(qiáng)度比超硬鋁合金、高強(qiáng)度鎂合金、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼大
Mn 錳合金 易鑄造、耐摩擦；抗腐蝕性和抗點(diǎn)火性
Re 錸合金 良好的塑性、機(jī)械性和抗蠕變性能，還具有良好的耐磨損、抗腐蝕性能；對(duì)除氧氣之外的大部分燃?xì)饽鼙３至己玫幕瘜W(xué)惰性
Ni、Ru 鎳釕合金 增加合金在高溫下的硬度，高溫耐蠕變性能，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的使用壽命
Ir 銥合金 增加防腐蝕性能、耐高溫性能
Cu 銅合金 耐腐蝕、耐摩擦、高強(qiáng)度
Zn Zn-Ni合金 耐腐蝕
Cr 鉻合金 超高強(qiáng)度，抗氧化和熱腐蝕性能以及良好的熱加工性能和焊接性能
二、飛機(jī)上的金屬材料
作為藍(lán)天上飛行架次最多的波音737，其設(shè)計(jì)注重輕量化、高強(qiáng)度，安全可靠等特點(diǎn)，以保證飛機(jī)在各種飛行狀態(tài)和應(yīng)力下都能保持良好的結(jié)構(gòu)性能。波音737大致分為5個(gè)重要部位：機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、尾翼、起落架。每個(gè)部位承載的使命不同，由此需要選擇對(duì)應(yīng)性能的材料。
機(jī)身 作為飛機(jī)重要部位，將機(jī)翼、尾翼、起落架等連成一個(gè)整體，在保證足夠的強(qiáng)度、剛度下，還要盡可能更輕。而鋁合金具有的硬度小強(qiáng)度高，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，是制造飛機(jī)和宇宙飛船的理想材料，故機(jī)身通常采用鋁合金。
機(jī)翼 機(jī)翼功能是提供升力、操控飛機(jī)和儲(chǔ)存燃油，其中最重要的功能是在飛行中為飛機(jī)提供升力。機(jī)翼內(nèi)部的梁是機(jī)翼的主要受力件，一般采用超硬鋁、鋼或鈦合金；翼梁與機(jī)身的接頭部分采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。機(jī)翼蒙皮因上下翼面的受力情況不同，分別采用抗壓性能好的超硬鋁及抗拉和疲勞性能好的硬鋁。為了減輕重量，機(jī)翼的前后緣常采用玻璃鋼或鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。
發(fā)動(dòng)機(jī) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，為飛機(jī)提供動(dòng)力，是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)載的特殊環(huán)境中長期反復(fù)工作，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)成為發(fā)動(dòng)機(jī)部件的重要材料之一。此外，鎳錸合金具有的高溫蠕變強(qiáng)度，可用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪葉片及排氣噴嘴。
尾翼 機(jī)翼主要功能是產(chǎn)生升力，其金屬材料參考機(jī)翼部分。
起落架 起落架起到支撐飛機(jī)在地面行駛和起降的作用，飛機(jī)安全起降過程中擔(dān)負(fù)著極其重要的使命。高強(qiáng)度合金鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性和耐蝕性等特點(diǎn)，因此成為了飛機(jī)起落架制造的主要材料之一，如Ti-10V-2Fe-3Al合金用在飛機(jī)起落架和軌道梁。
從以上可以看出機(jī)翼和起落架都用到了高強(qiáng)度鋼，雖然主要元素都是鐵，但形成的合金性能不同。因?yàn)槌酥饕匾酝猓辖鸬男阅苓€與鑄造工藝、其所經(jīng)歷的熱處理方式有關(guān)，可以通過調(diào)整合金的組成元素，采用新的加工和制造技術(shù)等途徑達(dá)到改善性能的目的。
雖然合金的組成元素不是秘密，但其他特種元素的摻雜、冶煉過程，均是各軍備制造強(qiáng)國的技術(shù)秘密。2017年8月24日，我國宣布已經(jīng)成功完成某種性能優(yōu)異的超級(jí)鋼的研制，這種超級(jí)鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性結(jié)合，其中含Mn 10% 、C 0.47%、 Al 2%、 V 0.7%，這種合金配方價(jià)格低廉，可以降低成本。此外，這種超級(jí)鋼強(qiáng)度很大，在應(yīng)用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)鋼板的輕薄化，這對(duì)于航空航天等領(lǐng)域的輕量化發(fā)展具有重要的意義。
三、結(jié)語
航天夢(mèng)是中國夢(mèng)的重要組成部分，更輕、更硬、更耐高溫等性能材料是化學(xué)家無盡的追求。研究出性能更優(yōu)的材料服務(wù)于我們的偉大航天事業(yè)是航天人無盡的追求。一代材料,一代裝備,科技強(qiáng)國,未來有你!

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