它（tā）們堪與複合材料同（tóng）台（tái）競技！
點擊量：513 發布時間：2017-03-17 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增材製造技術有限公司
近（jìn）年來，航空（kōng）業迅猛發展，新（xīn）科技技術的進步促使複合材料越來越成為（wéi）當今（jīn）航空業的主流材料。就在這樣一個大的趨勢下，鋁合金等傳統金屬材料也在不斷的挖掘自己的潛能、推（tuī）陳出新，就此（cǐ），以金屬材料和複合材料為代表的的拉鋸戰在航空領域已悄然打響。
鋁合金鑄件在機翼（yì）上的應用
洛•馬X-55運輸機全複合材料機身
複合材料強度高，質量（liàng）輕，可以減（jiǎn）輕飛機的重量，提高飛機的飛行效（xiào）率，這（zhè）也（yě）是為什麽（me）複合材料能一躍成為航（háng）空製造業的寵兒的原因（yīn）。目（mù）前，複合（hé）材料中提的最多的是碳纖維材料。這種材（cái）料已經逐漸從次承力結構部件應用躍升機翼（yì）、機身等主承力（lì）構件的必選材料。
碳纖維（wéi）材料（liào）
碳纖維複合材料目前在小型商務飛機和（hé）直升機上的使用量已占70%～80%，在（zài）軍用飛機上占30%～40%，在大型客機上占15%～50%。
波（bō）音公司（sī）的新型客機787所用的碳纖維複合材料甚至到達了機構重量的50%。
波音787飛機大量使用（yòng）碳纖維材料
碳纖維材（cái）料（liào）雖（suī）然存在（zài）性能缺陷（xiàn），而且加工工藝比較繁瑣而且成本也高。但是，它卻具有優異比強度、比剛度和耐腐蝕等優（yōu）點，其外形製造可以高完整性（xìng）一次成形，在一個加工周期內成（chéng）形機翼整體帶筋壁板和機身整體筒形帶筋壁板，極大地減少了緊固件的使用；而且，碳（tàn）纖維複合材料采用加成製造方法成形結構件，在保持了強度等性能的同時，避免了金屬切削加工造成的大量原材料浪費。
發動機上（shàng）碳（tàn）纖維增強樹（shù）脂基複合材料封嚴片
對於複合材料難加工、成本高問（wèn）題，材料科學家（jiā）也在不斷地改（gǎi）進加工方法（fǎ），就比如說非熱壓（yā）罐製造工藝改（gǎi）進傳統的熱壓罐成（chéng）型技術。目前為止，航空製件中獲得應用的非熱壓罐技術主要有幾個方向：非熱（rè）壓罐預浸料（liào）技術、液體成型技術、預浸料模壓成型（xíng）技術、微波（bō）固化技（jì）術、電子（zǐ）束（shù）固化技術、平衡壓（yā）力流體成（chéng）型技術。
目前，這項技術（shù）在航空製造業中取得不錯的成績。俄羅斯聯合飛機製造公司在（zài）其即（jí）將推向市場的MS-21單通（tōng）道（dào）客機上，采用複合材料非熱壓罐成形（xíng）技術製造機翼主承力構件，這在民用飛機（jī）製造史上具有裏程碑意義，將對（duì）世界航空（kōng）製造業的發展產生深遠影響。
MS-21所用的複合材料
波（bō）音研製的“鬼眼”無人機，由三部分組成、長45．7m的機翼也（yě）是利用非熱壓罐成形技（jì）術製造的（de）。
“鬼眼”無人機
GKN航宇（yǔ）公司在歐盟“潔淨天空”計劃的資助下，利用非熱壓罐成形技術製（zhì）造出了下一代複合材料整體機翼翼盒驗證件，翼盒集成（chéng）了帶加強筋的（de）蒙皮、複雜彎曲輪廓及4個不同的長桁形狀。
複合材料（liào）的機翼設計
麵對複合材料來勢洶洶（xiōng）的挑戰，金屬材料也（yě）給出了強（qiáng）硬的回擊。
”一號選手“--鈹鋁合金
這種合（hé）金的具有質量輕、比強度高、比剛度高（gāo）、熱穩定性好（hǎo）、高韌性、抗腐蝕、結合了鈹的低密度與鋁的易加工性等許多優良特性。隨著航空（kōng）、航天工業、汽車工業等行業的（de）快（kuài）速發（fā）展，這種合金已經成為一種越來越重（chóng）要的新（xīn）型（xíng）材料。鈹鋁合金按（àn）鈹含量可分為鋁基合金和鈹基合金,前者鈹含量在5%以下用（yòng）作冶金添加劑;後者鈹含量在60%以（yǐ）上用（yòng）作結構材料。
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（yào）的方法，該方法可以大幅降低（dī）鈹（pí）鋁合金生產成本，精（jīng）密鑄造也減少了後（hòu）續加工（gōng）環節（jiē），節省加（jiā）工成本和時間。美（měi）國的斯達麥特公司開發（fā）了Berylcast族鈹鋁合金，布拉（lā）什・威爾曼開發了AlBeMet係列鈹鋁合金，這些鈹鋁合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（lǚ）合金熔模鑄造的生產。
熔模精密鑄造工藝
粉（fěn）末冶金法生產鈹鋁合（hé）金（jīn），這種（zhǒng）方法自70年代（dài）洛克公司開始使用（yòng）以（yǐ）來，采用該工（gōng）藝生產鋁（lǚ）鈹合金已成慣例。除了一些小的改進以外,基（jī）本流程保持不（bú）變。先用惰性氣體霧化法製取預合金粉,而（ér）後製成3～5μm的（de）枝晶狀粉粒,該（gāi）尺寸（cùn）對最終產品（pǐn）的強度（dù）是至關重要的。粉末經冷等（děng）靜壓壓至理論密度（dù）的約80%,再熱等（děng）靜壓成形,最後經擠壓進一步提高（gāo）密度。擠壓成的棒（bàng）材可直接加工成部件,或（huò）切割後軋製成板材,其最大尺寸可達107cm×107cm。
粉（fěn）末冶金法製備鈹鋁合金的工藝圖
鈹鋁合金以其低的比重、高強度（dù）、高韌（rèn）性等優良（liáng）特性（xìng）已在航空航天中得到應用。例如（rú），斯達（dá）麥特生（shēng）產的Berylcast合金（jīn）熔模鑄件（jiàn）被用在美國的RAH66Comanch型軍（jun1）用（yòng）直升機和愛國者PAC23型導彈係統上。下圖是美國Brush•Wellman公司生產的精密鑄造元件，產品（pǐn）均用於航空航天。
鈹鋁合金鑄造產品
“二號選手”--鈦鋁合金
鈦（tài）鋁合金密度低，彈性模量高，綜合性能指標優於傳統高溫合金，韌性又高於普通的陶（táo）瓷材料（liào），在航空航天材料中展現出令人矚目的發展前景，成為新一代高溫材（cái）料的代表之一，被當做高推（tuī）重比先進軍用飛機發動機高壓壓氣機及（jí）低壓渦輪葉片的首選（xuǎn）材料。
鈦鋁合金粉末
這種（zhǒng）鈦鋁合金的代表化合物是（shì）鈦和鋁的（de）原（yuán）子（zǐ）比為1:1的（de）鈦鋁合金（jīn），鑄造用的錠（dìng）材在室溫下（xià）的抗拉強度為600MPa，900℃下的抗拉強度為400MPa。因為這種材料密度為3.8g/cm3，其比強度比（bǐ）鎳合金要好（hǎo），而且常溫延伸率（lǜ）比陶瓷還好（hǎo），是一種富有延（yán）性（xìng）的材料。其（qí）延性隨溫度升高增加，其塑形（xíng）加工成為可（kě）能。而且機械加工也比較容（róng）易進行。
鈦鋁合金的（de）製備加工技（jì）術主（zhǔ）要（yào）有這麽幾（jǐ）種：鑄錠冶金技術，粉末冶金技術，快速冷凝技術，機械合金化技術等（děng）。
鈦鋁合金鑄錠技（jì）術冶金技術先進行熔煉製造出（chū）鈦鋁合金錠（dìng），隨後采用熱（rè）等靜壓和均勻化退火處理（lǐ）消除鑄錠中微（wēi）觀孔洞、疏鬆和成（chéng）分（fèn）偏析等組（zǔ）織（zhī）缺陷，然（rán）後在一定溫度區（qū）間和一定應（yīng）變速率條件下，采用1次（cì）或多（duō）次鍛造（zào）來細化鑄態組織，並進行熱處理，最後鍛造成型。
鑄錠（dìng）冶金法工藝
快速冷凝技（jì）術的工藝圖如（rú）下圖所示。這（zhè）種技術的優點就是通過快速冷凝技術與粉末冶金成型技術相結合，這樣（yàng）可以大範（fàn）圍地調整（zhěng）合金成分和組織結構，還可以（yǐ）實現近終形成型，從根本上解決（jué）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（bú）同於傳統的球磨，機械合金化使用高能量球磨，在室（shì）溫極高破碎能（néng）量條件下（xià），可製（zhì）備及控製理想微觀結構的（de）新合金。采用機械合金化製備鈦鋁合金，首先將合金固溶進（jìn）鈦，在初始階段晶格尺寸（cùn）急劇減小，大約10h後非晶（jīng）產（chǎn）物出現，但非晶產物不穩定，逐漸轉化成納米尺度的亞穩定晶體。
機械（xiè）合（hé）金化（huà）技（jì）術工藝圖
鈦鋁合金（jīn）的製備不（bú）僅僅（jǐn）隻有介紹的（de）那幾種。因為鈦鋁合金的優良特（tè）性，使得鈦鋁合（hé）金在航空航天用材料展現出了令人矚目（mù）的（de）發展前景。
日本三菱公司采用包套鍛成形出了Ti-42Al-10V合金葉片，該合金具（jù）有較好的高溫塑性，該公司還開發了Ti42Al5Mn合金，並且采用（yòng）鍛造（zào）後機械（xiè）加工的方式製造出渦輪葉片等零件。
鈦（tài）鋁合金成為先進軍用飛機發動機高壓（yā）壓氣機及低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計劃在GE90發動機中用鈦（tài）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（lǚ）合金葉（yè）片
空中客車（chē）和波音（yīn）公司正致力於提高發動機的推比，低壓渦輪（lún）減重潛力最大，在不久（jiǔ）的將來渦輪後部轉子葉片將采用鈦鋁合金葉片。
鈦鋁合金葉片
“三（sān）號選手”--鋁鋰合金
鋰（lǐ）是世（shì）界（jiè）上最輕的金屬元（yuán）素，把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就成了鋁鋰（lǐ）合金了。在（zài）金屬鋁中加入鋰（lǐ）之後，合金的密度會（huì）將低（dī），剛度會增加，同時仍然保持較（jiào）高（gāo）的強（qiáng）度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性（xìng）、延展性。所以鋁鋰合金具有低密度、高比強度、高（gāo）比剛度、優良（liáng）的低溫（wēn）性能、良好的耐（nài）腐蝕性能和卓（zhuó）越的超塑成（chéng）形性能，用（yòng）其取代常規鋁合金（jīn），可（kě）使構件質量減輕10％～15％，剛度提高15％～20％。
鋁鋰（lǐ）合金
因為這些特性，這種新型的合金受到了航空、航（háng）天等行（háng）業（yè）的廣泛關注。例如麥（mài）道公（gōng）司的C-17運輸機使用了鋁鋰合金板（bǎn）材和擠壓（yā）型材製（zhì）造貨艙（cāng）的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結構，用量達2.8t，比（bǐ）用普通鋁合金減重208kg，法國幻影式戰鬥機上也大量應用鋁鋰合金，其（qí）成本低於熱固（gù）塑料和（hé）金（jīn）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造雅克－36飛機（jī）的主要構件，包括機身蒙皮、尾翼、翼肋等，該飛機在惡劣的海洋氣候條件下使用，性能良好。20世紀90年代初又在米格（gé）－29和米格－31飛（fēi）機（jī）上采用1420合金焊接結構，使減重效果進一步提（tí）高。
米格-29 應用鋁鋰合金
與（yǔ）纖維複合材料相比低密度鋁鋰合金不需要因新的製造設備而投入大量資金（jīn）。這樣由（yóu）於（yú）複（fù）合材料質量輕而節約的費用遠不能抵消由於設（shè）備的投資費用，所以（yǐ）在一些應用方麵（miàn），鋁鋰合（hé）金比複（fù）合材（cái）料更有實質的效果。
正因為如此，鋁鋰合金如今已經在軍用飛機、民（mín）用（yòng）客機和直升飛機上使用或試用，主（zhǔ）要用於機身框（kuàng）架、襟翼、翼肋、垂（chuí）直安定麵、整流罩，進氣道唇口（kǒu）、艙門燃油箱等等。
鋁鋰合（hé）金機（jī）身段
目前，鋁鋰合金的生產方法（fǎ）技（jì）術主要有：鑄錠冶金法，粉末（mò）冶（yě）金法，熔鹽電解法。
前麵已經介紹（shào）了鑄錠冶金法和粉末冶（yě）金法（fǎ），現在給大家介紹熔鹽電解法製備鋁鋰合金。
鑒於傳統的合金製（zhì）備方法存在的缺點，研究者們研究出了一些更好的製備（bèi）方法，其中比較有代表性的就是熔鹽（yán）電解法（fǎ）。熔鹽電（diàn）解法製備鋁鋰合金最初是日本的大學開（kāi）始研究的（de），它將LiCL-KCL係電解液放在經加工的（de）陶瓷（cí）纖（xiān）維容器（qì）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作用和潛能，它被認為是結構金（jīn）屬材（cái）料中能夠承（chéng）重的最輕（qīng）金屬，另一方麵，在強度與硬度（dù）方麵的表現，鎂與其他金屬相比可能略遜一籌。金屬鎂的密度僅為鋁的三分之二，是最輕的結構性金屬。研究人（rén）員在金屬鎂中注入大量直徑小於100納米的碳化矽（guī）顆粒，能夠（gòu）顯著提升材料的強度、硬度和可塑性，以及高（gāo）溫下（xià）的耐用性。
純金屬鎂形變樣本
這種由金屬鎂和碳化矽納米顆粒組成的新型超強金屬材料的剛重比非常高，用這種材料製造的飛機、航天器和汽車重量（liàng）更輕，因此經濟性也更高。
為了研製這種超強但輕質的金屬材料，研究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（néng）夠充分分散於（yú）熔融狀態的鎂鋅合金，而粒子（zǐ）本身的動能則能防止它（tā）們（men）簇成一團。
然後，該材料通過高壓扭轉的方式進（jìn）行壓縮。目前，高壓扭（niǔ）轉（zhuǎn）在（zài）金（jīn）屬加工工藝中非常（cháng）普遍，壓縮力和扭轉變（biàn）形同時作用於材料。在過去二十幾年（nián）裏，因為可以生（shēng）產出高強度和晶粒細化材料（甚（shèn）至是納米級別材料），高壓扭轉方（fāng）式在（zài）業（yè）內逐（zhú）漸流行。
最終產出（chū）的金屬複合材料由14%的碳化矽納米粒子和（hé）86%的鎂（měi）構成。新材（cái）料在試（shì）驗過（guò）程中，展示出了相關材料曆史上最高強度水（shuǐ）平以及最優硬度（dù）重量比。而且，材料還展示出了超強的耐高溫特性。
納米陶瓷鎂合金（jīn）樣本
該新型材料獲將比塑料（liào）還（hái）要輕，比金屬（shǔ）變（biàn）現的還要好，未來（lái）將在航空航天領域大展身（shēn）手。
鎂合金材料
麵對複合材料的挑戰，新（xīn）型金屬材料給出了強有力的回應，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）料的鬥爭，空客和（hé）波音這兩個航空製造業巨（jù）頭對這兩種材料則是各有側重和扶持。
在複合材料方麵，他們（men）主動探索低成本（běn）、高效率的機翼和機身（shēn）製造技術，繼續推進波音787和A350的製造技術改進；
波音（yīn）787複合材料（liào）機身
在（zài）金屬合金方（fāng）麵，他（tā）們積極采用第三（sān）代（dài）鋁鋰合（hé）金，並且在激（jī）光焊接、攪拌摩擦焊、激光噴丸等先進工藝上尋求突破，持續用於波音（yīn）747-8和A380的效率改進和性能提升。
A350鈦合金以及鋁合金材料
可以斷定，這場航空（kōng）領域的爭（zhēng）奪（duó）還將繼續下去。
