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日新月異的航空金屬材料 未來之星當(dāng)屬鎂合金-壓鑄展-鑄造展-2016第十七屆廣州國際壓鑄、鑄造及工業(yè)爐展覽會-中國最受關(guān)注的壓鑄鑄造展會-巨浪展覽-The 17th Guangzhou Die-casting, Foundry & Industry Furnace Exhibition
2015年10月23日 壓鑄展-鑄造展- Die-casting expo-foundry expo |
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在航空運輸日益發(fā)達的今天，人們對飛行已經(jīng)相當(dāng)熟悉：伴隨著發(fā)動機有力的轟鳴聲，飛機騰空而起，起落架隨之緩緩收入艙內(nèi)，飛機經(jīng)過短暫的爬升后迅速消失在地平線上。所有這些，依賴的是高效的機體結(jié)構(gòu)、強勁的發(fā)動機、強壯的起落架、先進的系統(tǒng)等，而構(gòu)成這一切零部件基礎(chǔ)的主要是航空金屬材料。
01合金家族之一：鋁合金
1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機，所選用的材料是木材和帆布，飛行速度只有每小時16公里，和騎自行車的速度相差無幾。
1911年，鋁合金研制成功，并很快取代了木材和帆布，成為制造飛機的主要材料。第一次世界大戰(zhàn)期間，全金屬結(jié)構(gòu)的飛機已經(jīng)很普遍了。
從木布結(jié)構(gòu)過渡到金屬結(jié)構(gòu)，飛機的速度和其他性能實現(xiàn)了一次飛躍。例如，到1939年，螺旋槳飛機創(chuàng)造的最高時速已達755公里，僅36年的時間，飛機的飛行速度提高了47倍。如今，在飛機所使用的金屬材料中，鋁合金仍占有重要地位。
航空用鋁合金密度低、耐腐蝕性能好，且具有較高的比強度、比剛度，容易加工成型，有足夠的使用經(jīng)驗，這些優(yōu)點使其成為飛機結(jié)構(gòu)的理想材料。
從誕生以來，鋁合金隨著飛機設(shè)計的要求而不斷發(fā)展，其性能也日益強大。例如，1954年，英國的3架“彗星”飛機先后墜毀，事故分析表明，墜機的主要原因是材料疲勞以及部分7075-T6鋁合金構(gòu)件被嚴(yán)重腐蝕。經(jīng)過探索，研究人員突破了過時效熱處理問題，研制出第二代耐腐蝕鋁合金，有效提升了飛機的安全水平。
如今，航空鋁合金的發(fā)展已經(jīng)進入第六階段。2005年4月27日，世界上最大的寬體客機空客A380在圖盧茲機場成功首飛。A380能夠取得成功，先進材料的應(yīng)用立下了汗馬功勞。其中，加拿大鋁業(yè)公司和美國鋁業(yè)公司就為A380開發(fā)了新型鋁合金材料。
早在1998年，加拿大鋁業(yè)公司就與空客公司達成協(xié)議，共同組建為A380飛機攻關(guān)的集成項目團隊，一起開發(fā)新型鋁合金材料。根據(jù)A380各部件的特點，加拿大鋁業(yè)公司開發(fā)出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列鋁合金。每種合金都具有不同的性能和特點。
以7040-T7651合金為例，A380外翼的前梁和中央翼梁對材料的靜強度以及斷裂韌性提出了很高的要求。同時，材料還必須具有良好的延展性和機械加工性。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，加拿大鋁業(yè)公司對原有合金AA7010/7050-T7651進行了改進，開發(fā)出新型合金7040-T7651。這種合金具有高靜強度、高韌性、低殘余應(yīng)力和良好的延展性等特點。
美國鋁業(yè)公司成立于1888年。一百多年來，該公司研發(fā)了一系列鋁合金材料，為航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。
美國鋁業(yè)公司也參與了空客A380的研發(fā)。為了實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件的整體化、大型化，該公司開發(fā)出可用于整體結(jié)構(gòu)的新型鋁合金7085大型鍛件，其截面厚度可達300毫米。在A380項目中，用7085鍛件制造的應(yīng)急艙門，零件數(shù)量從147個減至40個，緊固件由1400個減至450個，重量減輕了20%，成本降低了20%?25%，承載能力和疲勞壽命也得到了顯著提高。
02合金家族之二：鈦合金
鈦及鈦合金材料密度低、比強度高(目前金屬材料中最高)、耐腐蝕、耐高溫、無磁、組織性能和穩(wěn)定性好，可以與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)直接連接，而且兩者之間的熱膨脹系數(shù)相近，不易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，具有優(yōu)良的綜合性能。因此，鈦合金在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
1949年，美國道格拉斯公司在DC-7運輸機的發(fā)動機艙和隔熱板上，第一次使用了鈦合金。洛克希德公司的“黑鳥”高空高速戰(zhàn)略偵察機SR-71，飛行速度超過3馬赫，在高速飛行時，機體表面溫度將超過常規(guī)鋁合金蒙皮的極限，如果用鋼制造，飛機重量會大大增加，影響飛行速度和升限等性能。因此，SR-71的機身大量采用了鈦合金，總重達30多噸，占飛機結(jié)構(gòu)重量的93%。
隨著人們對飛機性能要求的不斷提高，民用飛機的鈦合金用量也在逐漸增加。早期波音707上的鈦合金部件用量僅占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%，到最新的波音787，占比高達15%。
此外，鈦合金也是制造航空發(fā)動機的主要材料。早期美國F-4戰(zhàn)斗機使用的J79發(fā)動機，鈦合金的用量只有50千克，不到總重量的2%。而現(xiàn)在大多數(shù)航空發(fā)動機的鈦用量已經(jīng)達到發(fā)動機總重量的25%?30%。如波音747、767的發(fā)動機JT9D，其用鈦量為總重量的25%;空客A320的V2500發(fā)動機，其用鈦量為總重量的31%。
鈦合金的另一大用途是作為螺栓、鉚釘?shù)染o固件材料。這些緊固件雖小，但用量卻很大，使用鈦合金緊固件可以大大減輕重量。據(jù)估算，C-5大型運輸機有70%的緊固件為鈦合金緊固件，飛機因此而減重1噸左右。
現(xiàn)在鈦合金3D打印技術(shù)已用于飛機制造。鈦合金3D打印技術(shù)由于擺脫了傳統(tǒng)的模具制造這一顯著延長研發(fā)時間的環(huán)節(jié)，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零件，因而為先進飛機結(jié)構(gòu)的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。
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