無人機整機
無人機配件
無人機服務
設備與工具導讀：自飛機發明以來，材料和飛機一直在相互推動發展。1903年萊特兄弟駕駛的飛機由木頭和布做成，而今天我們乘坐的客機卻由大量金屬和復合材料制成，飛機性能也有了極大的提升，另一方面，作為飛機動力的航空發動機也極其依賴材料的改進，根據美國綜合高性能渦輪發動機技術IHPTET計劃，先進航空發動機項目的實現，70%~80%需要靠材料的改進，因此業內有“一代材料！一代飛機！一代動力！”之稱。今天讓我們一起來看看航空材料的來世今生。
航空材料指用于制造飛機的材料，一般特指機體材料和發動機材料，電子信息材料一般不直接算作航空材料。
航空材料指用于制造飛機的材料，一般特指機體材料和發動機材料，電子信息材料一般不直接算作航空材料。飛機機體材料和發動機材料技術要求高，例如要求輕重量、高強度、高韌性、耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕、高可靠性、高耐久性與長壽命等。
四十年前，鋁合金曾主導航空工業，由于鋁合金的輕便、廉價以及當時的技術先進性，曾經一架飛機上，70%的材料都是鋁合金，雖然也有其它新材料，比如復合材料和高溫合金，但其用量非常少，只有不到7%。而且由于鋁合金易于機械加工，甚至結構復雜的航空發動機主要部件都使用該材料制備。
然而，隨著時間的發展，現在一架噴氣式客機上只有不到20%的鋁合金，而且大部分用作非關鍵結構材料，比如鑲板和客機內飾。而且一些航空發動機和客機關鍵部件，甚至開始采用重量更輕和耐溫性更高的非金屬材料，以獲得更好的燃油效率，為航空運營商帶來切實的效益。此外，過去的很多航空材料開始進行各種組合，創造了前所未有的新型高性能材料。
獨樹一幟的航空材料
說道材料工業，就不得不提航空工業，因為自飛機誕生來，航空領域從來就是先進材料技術展示的大舞臺，業內有“一代材料，一代飛機”之稱。1903年萊特兄弟駕駛的第一架飛機是用木頭和布做成的，但是，隨著飛行高度、航程以及可承受載荷的增加，金屬材料開始成為機體航空材料的主流。機體材料至今大致經歷了四個發展階段：第一階段是1903--1919年，機體采用木、布結構；第二階段是1920--1949年，在戰爭的推動下，鋁合金和鋼成為機身材料的主流；第三個階段是1956--1969年，飛機材料中增加了鈦合金；第四個階段是1970年至今，其特點是增加了復合材料。
另一方面，整個飛機系統中屬航空發動機的工作環境最為惡劣，長期處在高溫、高壓和高負荷條件下。而且航空發動機是整個飛機中結構最復雜的部件，由最多數量的零部件裝配而成，并決定了整個飛機的燃油效率。先進航空發動機的低污染燃燒室內部溫度甚至可以高達2100攝氏度，這推動了對新材料的需求，而當前超級合金的熔點約為1850攝氏度，因此這種挑戰使得耐高溫合金開始出現。
為了滿足這些耐高溫要求，耐高溫合金，包括鈦合金，鎳合金和一些非金屬材料如陶瓷被引入了航空工業。但這些材料往往比傳統的鋁合金更加難于加工。同時，航空工業部件的加工風險也很高，因為任何精度上的誤差在三萬英尺的飛行高度上都可能引發一次讓人驚心動魄的事故，因此航空制造業的加工精度要求比幾乎任何其它行業都要更高。這個精度不僅需要更長的加工時間，同時也意味著更多的廢料，導致成本上升。
此外，不同于其它行業，航空工業中，材料和零部件設計是真正的相互驅動，航空材料本身會影響零部件設計，工程師在設計選材時，必須根據零部件功能及制造要求，進行適當選材。而反過來，一些新穎的航空發動機設計要求也促使了新材料的研究和應用。因此，航空材料制造商通常在材料行業中被單獨分類也就豪不奇怪了。
不斷改進的金屬材料
標準航空鋁合金6061，7050和7075，和傳統的航空金屬材料，如鎳718，鈦6Al4V和不銹鋼15-5PH，仍然在航空工業領域大量應用。只是，這些金屬的使用目前正在呈下降趨勢，通過采用新的合金，客機的成本大幅降低，并且性能有所提高。值得一提的是，新的金屬材料并不總是新的，有些甚至已經出現了超過十年，但是它們在航空工業實際應用卻是最近的事，因為機床、模具技術和涂層技術的進步解決了很多金屬材料的難加工問題。
不過，即使鋁合金的數量在飛機上使用下降，但其使用并不會完全消失。事實上，鋁合金甚至還殺了個回馬槍，特別是在碳纖維材料成本過高和不成熟的情況下。當然，鋁合金并不是簡單的一成不變，比如改進的鈦鋁高溫合金和鋁鋰合金就讓航空工業獲益不少。
類似于鎳合金的耐熱性能，鈦鋁合金也能在高達600攝氏度下保持足夠的強度和耐腐蝕性。但鈦鋁合金更加容易加工，而且它的重量只有鎳合金重量的一半，因此可以極大的提高航空發動機的推重比，例如，傳統上采用致密的鎳基超級合金制成的低壓渦輪葉片和高壓壓氣機葉片，現在都采用鈦鋁合金加工而成。在這一方面，美國通用電氣GE公司是這一趨勢的先驅，并在GEnx發動機上使用了由鈦鋁合金制成的低壓渦輪葉片，這是該材料首次在商用航空發動機上大量使用，該發動機最終作為波音787夢幻客機的動力引擎。
圖1 鈦鋁合金高壓壓氣機葉片和低壓渦輪葉片在航空發動機上的應用
鋁合金在航空領域的另一個重新發現體現在輕重量的鋁鋰合金中，專門用于改善7050和7075鋁合金的性能。總的來說，鋰的加入減輕了鋁材的密度和重量，促進了鋁材在航空航天領域材料的演變。鋁鋰合金的高強度，低密度，高剛度，耐損傷性，耐腐蝕性和焊接友好性使其與傳統鋁材比，成為了商業客機機架材料的更好選擇。空客目前正在使用AA2050。同時，美鋁正在使用AA2090T83和2099 T8E67。該合金也可以在我國的C919大客機上找到，C919機身蒙皮、長桁、地板梁、座椅滑軌、邊界梁、客艙地板支撐立柱等部件都使用了第三代鋁鋰合金，其機體結構重量占比達到7.4%，獲得綜合減重7%的型號收益。
鈦5553是另一種對航空領域相當新穎的金屬材料，具有高強度，重量輕，耐腐蝕性好等一系列優點。與不銹鋼合金相比，鈦合金更強更輕。但是鈦合金有一個臭名昭著的缺點，就是成形及切削加工非常困難，各飛機制造公司為鈦合金材料的研制付出巨大努力。當今，鈦合金用量占飛機結構重量的百分比已成為衡量飛機用材先進程度的重要標志之一，鈦合金占F-22 戰斗機機體結構重量的39%，在民用客機上的用量也隨飛機設計和性能水平的提高而不斷增加。
高溫鈦合金還用于制造航空發動機壓氣機葉片、盤和機匣等零部件，這些零部件要求材料子在高溫工作條件下（300~600℃）具有較高的比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩定性。然而，當工作溫度達到500攝氏度以上是，鈦合金的蠕變性能和熱穩定性的重要性愈加突出，而兩種性能之間又存在矛盾，因此需要優化合金成分和控制顯微組織使這兩個性能得以更好的匹配。
圖2 我國航空發動機用高溫鈦合金的發展歷程
目前各國研制和使用的 500℃以上高溫鈦合金均為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系，最高使用溫度已達到 600℃，如鈦合金IMI834已經成功的應用在了EJ200軍用發動機上用于制造高壓壓氣機整體葉盤。我國航空發動機用高溫鈦合金的發展歷程如圖2所示，600攝氏度以上的高溫鈦合金大多處于研制階段，尚未獲得正式應用。
圖3 高溫合金在航空發動機上的應用
而在工作溫度600攝氏度以上的航空發動機渦輪和燃燒室部件制造中，多用高溫合金，如圖3所示。高溫合金又叫超級合金。按基體組織材料可分為三類：鐵基、鎳基和鈷基。該材料受合金化理論和制備工藝影響極大，最能體現“一代發動機、一代材料、一代工藝”的變化，如定向凝固、粉末冶金、等溫鍛造等工藝創新，推動合金迅猛發展和發動機技術進步。從最典型的單晶合金來看，國際上已經發展到了第五代，而我國基本上還停留在第三代左右，而且成品率低，成本高。
此外，航空工業也還有一些結構件，如緊固件、起落架和執行機構，需要原始的強度，重量反而不是優先考慮。在這種情況下，超高強度鋼作為起落架材料應用在飛機上。第二代飛機采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼，但壽命只有約2000 飛行小時。第三代戰機的起落架材料開始采用300M鋼，其使用壽命可以達到5000飛行小時，并且具有一定耐腐蝕性的附加優點。
大步邁進的復合材料
復合材料在航空領域也應用得越來越廣闊，它們可以減輕客機的重量，并提高燃油效率，同時易于加工、設計、塑形和修理。之前，復合材料主要是應用在輕型結構件或發動機短艙上，現在正在被應用在客機機翼、機身外殼、發動機和起落架上。
圖4 先進復合材料在空客公司客機上的應用
更重要的是，復合材料組件還可以制成復雜的形狀，對于金屬部件需要加工和生產接頭，而預成形的復合材料組件不僅輕巧而堅固，它們可以減少飛機內重型緊固件和接頭的數量，之前，這些連接部位通常是潛在的故障點。而且復合材料正在推動航空工業朝著更小零部件數量的趨勢發展，讓很多復雜的結構件盡可能使用單件實現。
碳纖維材料代表了機艙和功能部件中復合材料的最大份額，因為碳纖維是目前已知的比強度、比剛度最好的材料。它比鋁還要輕，比鋼還要硬，其比重是鐵的四分之一，比強度是鐵的十倍；而且化學組成非常穩定，還具有高抗腐蝕性，適用于航空和航天飛行器。而民機既強調安全性也強調經濟性，對結構減重有迫切需求。
以美國波音 787客機為例，復合材料占比已經超過了50%，如圖5所示，復合材料在大型民機上的應用，大致走過了四個階段。
圖5 最新的波音787中復合材料（藍色部分）占比已經超過了50%
第一階段是1975年以前，復合材料主要應用在受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件。
第二階段是1975~1985年，開始應用在升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件上。我國的ARJ21 新支線飛機的復合材料技術水平大致在這個階段。
第三階段是1985~1995年，復合材料開始應用在受力較大的部件，如垂尾、平尾等，1994年首飛的波音777共用復合材料9.9 噸，占結構總重的11%。
第四階段是1995年至今，復合材料應用于飛機最主要受力部件機翼、機身等，如波音787飛機的復合材料占比50%，超過了鋁、鈦、鋼金屬材料的總和，主要應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、后承壓框等部位，是第一個采用復合材料機翼和機身的大型商用客機。
而航空發動機應用復合材料可以大幅度提高其推重比，因此先進復合材料已成為未來發動機關鍵材料之一。航空發動機除使用樹脂基復合材料外，還會用到金屬基、陶瓷基、碳/碳等復合材料。
改變游戲規則的陶瓷基復合材料
如前面所述，航空發動機熱端部件需要工作在極高的溫度條件下，主要依靠高溫合金，而由陶瓷基復合材料（CMC，ceramic matrixcomposites）制成的航空發動機零部件重量只有金屬合金制成件重量的三分之一，但強度卻反而增強了兩倍，耐熱性也提高20%。因此，它允許航空發動機熱端部件運行在更高的溫度下，極大的提高航空發動機效率，并有助于降低飛機的整體重量。陶瓷基復合材料已經被用在了GE公司的新一代變循環發動機ADVENT中，并獲得了美國國防部10億美元的資助。
圖6 美國GE公司的新一代變循環發動機ADVENT
圖7 ADVENT發動機的低壓渦輪中裝配著由CMC材料制成的渦輪葉片
但陶瓷基復合材料在民用航空發動機上的應用卻是另一回事，最大的挑戰之一就是成本：制造陶瓷材料是一個勞動密集型，高度專業化的過程。碳化硅纖維通過熔化碳和硅的化合物（稱為聚碳硅烷），然后通過噴嘴吹掃制成約10微米直徑的纖維，然后將這些纖維進行特殊的電子束真空處理，可以防止其暴露在極高溫度下時性能劣化，最后，這些纖維被編織成可以用于陶瓷基復合材料的布狀片材。這樣制成的輕質高耐熱陶瓷，并加入專有涂層以滿足航空發動機的需求。
為了在該新材料技術上能夠真正的突破，美國航空發動機制造商GE公司在過去10年中，投入了超過15億美元，以期努力了解如何以經濟可行的成本大量批產合格材料，以替代目前廣泛使用的鎳基合金。
GE公司在1986年獲得了陶瓷基復合材料的第一項專利，并在最新與法國賽峰集團合作的LEAP系列商用發動機中使用了陶瓷基復合材料零件，截至2017年3月底，GE航空及合資伙伴已經售出了超過12,200臺LEAP發動機，這是全世界首個使用陶瓷基復合材料零件的民用航空發動機。
圖8 GE 9X發動機主要4個部件都由CMC材料制成
而且，GE公司正在進一步擴展碳化硅纖維基陶瓷在航空發動機上的應用，在波音的下一代大型噴氣式客機動力引擎GE9X發動機中，4個主要的發動機部件包括高壓渦輪中的動葉和靜葉，都采用碳化硅纖維基陶瓷替代鎳合金制成，這一點將使得燃油效率提升2%。目前，GE 9X發動機正在進行測試，將在2018年獲得適航認證，GE公司相信這些新技術能夠更多的應用在這些航空發動機上，為航空運營商帶來效益。
我國航空材料現狀
中國航空材料經歷了引進、仿制、改進、改型和自行研制的發展歷程。通過堅持不懈的逐漸改進工藝路線，提高材料質量，我國航空材料從無到有，品種規格逐步齊全，質量基本達到產品要求，初步實現了依靠國內原材料建立完整航空工業體系的目標。到目前為止，我國已定型生產的航空用金屬、有機高分子材料、無機非金屬材料以及復合材料的牌號約2000余個。
據C919總設計師吳光輝介紹，我國大飛機C919就通過大量的研發和驗證試驗，建立了鋁鋰合金的材料規范體系、設計許用值體系和制作工藝規范體系。同時，復合材料的應用也取得突破性進展，復合材料用量達到機體結構重量的11.5%，國內首次在民用飛機的主承力結構、高溫區、增壓區使用復合材料。同時，鈦合金用量達到機體結構重量的7.3%，在中央翼緣條、發動機吊掛、球面框緣條、襟縫翼滑軌、垂尾對接接頭等部位應用了鈦合金。
根據中國產業調研網發布的中國航空材料行業現狀調研報告預測，預計未來5年，中國的航空材料市場及與之相關的加工設備總體市場規模將達到1200億元。而且無論是我國之前的大飛機專項，還是正在實施的航空發動機和燃氣輪機兩機重大專項，都把航空材料作為重點攻關領域之一。
總 結
從飛機機體材料來看，總趨勢是復合材料和鈦合金的用量不斷增多。空客A380的復合材料用量22%，鈦合金用量10%；波音787復合材料用量50%，鈦用量15%；空客A350的復合材料用量52%，鈦合金用量9%，而且材料的性能和品質都得到了極大的提高。而對于航空發動機材料，現有的金屬系材料性能的改良正在趨向于飽和，而革命性的新材料如陶瓷基復合材料正在航空發動機制造上發揚光大。
總之，金屬和復合材料的繼續研發和改進，正在讓航空零部件重量更輕，強度更高，耐熱和耐腐蝕性更好。新材料的加速發展，加工和切割技術的進步使得航空制造商們前所未有地獲得以前認為不切實際或難以加工的新材料。未來“更強、更耐熱、更輕、更便宜”的新材料正在讓21世紀的飛機變得推力更大、更輕、更省油、更可靠、更耐久、更便于維修，并且成本更低。
2022-07-07 11:02
2022-06-15 10:42
2022-06-06 10:10
2022-04-22 11:19
2020-12-04 18:50
2020-11-18 14:48
2020-07-07 16:47
2020-06-24 19:33
2020-06-16 22:14
2020-06-15 14:58
