【复材信息】帮助航天工程，金属材料有多重要？

06-20 10:11

金属构件材料仍然是值班航天工程结构材料的主要组成部分。美国、英国、德国、日本等发达国家在研究、制造、评估和应用方面占据世界领先地位。通过材料计算和性能预测、数字模拟和应用评估、组织性能和多重耦合环境寿命评估等关键技术的成熟应用，形成了完善的材料技术体系，拥有庞大的系统数据库。

钛合金是21世纪最宝贵的战略金属材料，也是航空航天领域发展不可或缺的“脊柱”之一。在钛合金切削过程中，刀具磨损严重、加工表面质量差、加工效率低等问题成为制约其发展的瓶颈。研究钛合金切削过程中刀具磨损和加工表面质量的形成机制，提高钛合金的合理切削参数，对航空航天等领域的发展具有重要意义。

20世纪中叶，国内外军用飞机正式进入超声速时代。随着飞机发动机转化为喷气式发动机，钢和铝结构逐渐被淘汰，以满足时代发展的需要。同时，钛合金因其优异的性能迅速进入航空航天领域，成为该领域的主要结构材料之一。可以清楚地看到，钛合金在服务飞机机体中的比重正在迅速增加。

钛合金在先进飞机发动机机体中的比重一般保持在20%以上，呈上升趋势。然而，由于钛合金固有的难加工特性，刀具磨损严重、加工表面质量差、生产成本高等优点成为制约其发展的瓶颈。

此外，美国、英国、德国、日本等发达国家在金属构件材料的研究、制造、评估和应用方面处于世界领先地位，形成了完整的材料体系和完善的材料选择技术体系，拥有庞大的系统数据库。相比之下，中国金属构件材料行业正处于上升期，迫切需要种类创新和技术进步。

1、耐热合金

中国变形高温合金从引入吸收逐渐形成系统化、规模化，基本实现了材料的自主可控性。下图显示了变形高温合金在中国飞机发动机和燃气轮机盘锻件中的发展方向。650 ℃以下使用的GH4169合金冶金质量和用量不断提高，成为“一材多用”的典范，支撑了三代飞机、发动机等设备的批量生产和应用；700～750 ℃的GH4169D、GH4065A、GH4096 等待新一代合金开发，实现工程应用，支持四代飞机发动机和商用涡扇发动机的开发；GH4720Li、GH7438 等待合金被批量应用于各种中小型发动机；舰用燃气轮机和火箭发动机的开发和应用促进了GH4698、GH4742、GH4202 等级发展；为满足更高的代次发动机应用需求，近期正在开发8000承温能力 GH41515℃以上。、GH4975 等待合金，形成服务温度为600～900 ℃间时效强化型变形高温合金系统较为完整。

随著制造工艺的创新，铸造高温合金由等轴晶、定向铸晶发展为单晶，通过逐步清除晶界，逐步提高锻造高温合金的承温能力。铸造高温合金作为航空发动机叶片的主要材料，其发展也使得飞机发动机推重比不断提高。下表列出了各代飞机发动机涡轮叶片选材的发展历程。随着耐热合金性能要求的不断提高，合金的成分设计空间越来越小。基于材料计算、高通量试验和机器学习的合金成分设计已经成为未来的发展趋势。通过模拟模拟优化技术指标，耐热合金零件的制备技术逐渐成为一种常见的技术。

粉状耐热合金已广泛应用于军队、民用先进航空发动机涡轮盘。总的来说，镍基粉末耐热合金的发展方向具有“三高一低”的特点:高韧性、高工作温度、高组织可靠性、低疲劳裂纹扩展速度。欧美国家率先开发第一代650 Ren等高强度粉末耐热合金é95 等；第二代750 Ren等受损容限型粉末耐热合金é88DT 等等，以及ME3等第三代高强度损伤容限型粉末耐热合金。

第四代粉末耐热合金是在第三代的基础上，通过成分优化和工艺优化获得更多的工作温度，使其具有ME501等高强度、高损伤容限、高工作温度等特点。等等。目前，我国已经开发出第一代FGH4095，FGH40966 第三代和第四代仍在研制和探索第二代粉末耐热合金。

近年来，我国耐热合金系统在研发和应用领域取得了显著进展，主要是需求牵引和技术推广。但耐热合金涉及的学科很多，零部件制造要求高，容错空间小。其完善应用是基于对R&D和制造系统的全面深入理解和长期积累，因此未来需要不断加强。

2、超高强度钢

超高强钢是指屈服强度超过13800 MPa 高强度结构钢在航天工程、国防军工等领域发挥着越来越重要的作用。飞机起落架、发动机轴、齿轮轴承、框架、梁、火箭发动机外壳等。是航空工程领域的主要应用领域。典型的飞机起落架材料主要有300M 和Aermet一起 100 钢铁，两者都有1930 MPa 上述超高强度。300M 它是一种低合金超高强度钢，广泛应用于客机、大型军用运输机和歼击机起落架；AerMet 100 钢材是最好的超高强度钢，具有成熟应用的强韧性，兼顾优异的抗应力腐蚀开裂和疲劳抗力，已应用于F22。、F18E/F 等待军机起落架。

此外，Fe-Ni 由于纳米金属间化合物在时效过程中沉淀，基奥氏体时效钢具有优异的韧性，其典型钢种为18Ni。型C250 和C300 钢铁，多用于发动机主轴、火箭发动机外壳等部位[46]。提高设备性能，满足高承载、低成本、减重设计的要求，将飞机起落架和主轴材料推向2200 MPa 上述强度水平，GE和Leep 选择21000发动机主轴～2300 MPa GE1014和ML340 钢铁，国内研发强度等级达到24000 MPa的GC-24 钢。高韧性渗碳不锈钢CSS-42L是航空轴承齿轮钢的代表，最高使用温度为430%。 ℃。

超强耐热渗碳钢CH2000 属于第四代航空轴承齿轮钢，经过渗碳和热处理后表面硬度达到65。～68HRC，芯部抗拉强度为2000 MPa 使用温度可以达到450。 C，适用于齿轮、轴承、转动轴等传动部件，适用于新一代飞机发动机和直升机高功率密度传动装置。

超强钢抗晶间腐蚀性能也是各国研究关注的焦点。Ques，美国 Tek 通过材料基因工程，企业开发了FerriumS53，一种新型二次硬化超高强度不锈钢。该钢兼顾良好的断裂韧性，已成功应用于美国空军A-10。攻击装置的起落架部件。我们国家自主研发10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE 超高强不锈钢，已成功应用于直升机起落架零件，其强度、韧性均优于FerriumS53 钢材，是当今强度水平最高的超高强度不锈钢，在航天工程设备制造领域有着广阔的应用前景。

近年来，低密度高强度钢是一个新概念，其成分设计的特点是高Al。含量，同时添加奥氏体化元素，使其具有良好的塑性，例如最常见的Fe-Mn-Al-C四元系统。我国开发了DT510，以实现飞机减重增程的目标，兼顾经济性。与传统超高强度钢30CrMnSiNi2AA相比，低密度钢在降低材料密度的同时具有较好的强韧性。相比，DT510 降低13.4%的密度，提高19.3%的屈服强度。

免责声明:中国复合材料协会微信微信官方账号发布的文章仅用于复合材料理论知识和市场信息的交流与分享，不用于任何商业目的。如果任何个人或组织对文章版权或其内容的真实性和准确性有疑问，请尽快联系我们。我们会及时处理。

继续滚动阅读下一个轻触阅读原文。