摘 要：航空航天工業中, 合金因強度大、易焊接等特點成為備受關注的工程材料。本文通過分析鈮合金、鋁鋰合金、鈦鋁合金、鎂合金在航空航天工程中的應用, 揭示合金材料在該領域不可替代的作用, 同時指出合金存在的不足, 以及改進的措施。同時, 筆者認為合金未來的發展方向是輕量化, 提出對現有合金進行技術處理, 促進合金的發展。
關鍵詞：航空航; 鈮合金; 鋁鋰合金; 鈦鋁合金; 鎂合金;
一、前言
近年來, 新興合金工業快速發展, 有力地推動新興合金在航空航天工程的應用。其中鈮合金、鋁鋰合金、鈦鋁合金、鎂合金等合金由於其優異的性能被廣泛應用於航空航天工程。本文就該四種合金在航空航天及相關領域的應用進行探討, 希望能對促進合金性能的改進及其應用有幫助。
二、新型鈮合金
鈮元素位於元素週期表第五週期VB族。單質鈮是灰白色金屬, 具有化學性質穩定、順磁性、熔點高、密度小的特點。高温下與硫、碳等單質可以直接化合, 能與鈦、鋯、鎢等金屬形成合金, 用於新型航空航天工程的材料。鈮合金分為高強度鈮合金和低密度鈮合金。
(一) 高強度鈮合金
以固溶強化、彌散強化為主。一般添加鎢、鉬、鉿及0.06%-0.12%的碳進行固溶強化。固溶強化後的合金, 高温強度比較高, 是用於航空航天工程的理想材料。但由於鈮單質隨着雜質含量的升高會變硬, 室温可塑性較差 (斷後延展率≤10%) 。為此, 我們一般添加大量的鉿, 以及少量的碳製成WC3009鈮合金。另外, 我們可以採用彌散強化的方法解決該問題。彌散強化過程中, 一般加入5%-10%的鉬或鎢, 使得合金的塑性大大提升了, 斷後延伸率≥25%, 而且沒有喪失比強度高的特點。
(二) 低密度鈮合金
低密度鈮合金, 它的抗氧化性比高鈮含量 (質量分數Nb+W?80%) 的鈮合金要好, 能在550℃-800℃的大氣環境中不加任何抗氧化塗層而不被氧化。低密度鈮合金的製備方法很多, 如粉末冶金法、等離子熔鍊法等。與其他方法相比, 粉末冶金法很容易得到合金材料, 成份十分均勻。隨着科技不斷髮展, 3D打印技術不斷成熟, 用該技術製備複雜形狀的合金, 可以成為新的研究方向。
三、鋁鋰合金
鋰位於元素週期表第二週期ⅠA族, 是最輕的金屬, 在鋁中的溶解度比較高, 且鋰的比重小, 所以長期以來它一直被認為可以與鋁製成合金。據有關數據統計, 在鋁合金中平均加1%的'鋰, 可使其密度降低3%, 使其彈性模量提高6%, 所以鋁鋰合金在航空航天領域的作用不可小覷。
(一) 鋁鋰合金的發展
上個世紀50年代到60年代初, 第一代鋁鋰合金由美國Alcoa公司和蘇聯科學家開發出來。1958年, 美國Alcoa公司研製出2020合計板材, 用在海軍RA-5C軍用預警機上。20世紀70年代到80年代後期, 是鋁鋰合金發展的第二階段。70年代的能源危機迫使航空工業要對飛機材料進行大刀闊斧的改良, 此階段研究出的第三代鋁鋰合金, 重量減輕了7%-10%, 彈性模量提高了10%-16%, 有良好的疲勞性能。第四代鋁鋰合金, 鋰合量有所降低, 與之前相比, 其合金強度韌性進一步提升。2010年, 中國航空工業集團採用美國達文波特軋製廠的新一代鋁鋰合金成功製造出C919國產大型客機的直部段。鋁鋰合金的不斷髮展, 將導致我國鋁鋰合金的廣注應用。
(二) 鋁鋰合金的超塑性研究及航空航天工程的應用
鋁鋰合金密度小、比強度高、比彈性模量大, 廣泛應用航空航天工程。但是, 室温塑性差、易開裂、力學性能各向異性嚴重, 成為限制其發展的主要因素。經過科研人員的不懈努力, 以形變熱處理技術形成的超塑性鋁合金誕生, 超塑性鋁合金的誕生, 標誌着航空航天工程迎來了新的曙光。例如, 在航空領域內, 麥道公司在1990年3月對由鋁鋰合金 (8090) 製造的F-15B鷹戰鬥機的整流罩進行試驗, 它可以替代由鑄件和鈑金件裝配成的構件。超塑性鋁鋰合金技術在航空航天領域正在迅猛發展。
四、變形鈦鋁合金
鈦, 位於元素週期表第四周期IVB族, 具有強度大的優點。與鋁製成的鈦鋁合金, 密度低、強度高、抗氧化能力好, 這些優點使之成為有巨大前景的高温結構材料之一。鈦鋁合金經過長時間發展在國外已經開始被工程化地應用到航空航天領域。
(一) 合金化鈦鋁合金
目前, 鈦鋁合金化研究取得三類成果:γ-Ti Al合金、高鈮鈦鋁合金和β-γ鈦鋁合金。傳統的γ-Ti Al合金中, 鋁無疑是最重要的元素。但是研究發現鋁佔45%-48%的鈦鋁合金在凝固時, 發生包晶反應, 形成柱狀晶組織, 導致其室温性能一般。為了防止包晶反應的發生, 我們必須要將鋁的含量降至45%以下。鋁含量降低後, 在加工温度條件下引入無序體心立方β相, 從而改善一合金的熱加工性。此外, 鈮可以提高合金使用温度, 進一步改善合金的高温性能。
(二) 鈦鋁合金熱加工技術
合金熱加工, 可以校正偏析、細化組織、改善鈦鋁合金的綜合力學性能。其中, 熱加工技術分為含金鍛造技術、熱擠壓技術、軋製技術、粉末冶金技術等。合金熱加工技術的關鍵之處在於精確的工藝設計與參數。目前, 鈦鋁合金發展的限制因素在於其熱加工性差、窗口窄, 這樣一來, 對加工設備要求高。因此, 設計熱加工的計算機模擬可以成為完善熱加工技術的一個發展方向。
五、鎂合金
鎂, 位於元素週期表第三週期ⅡA族, 屬於鹼土金屬元素。鎂合金尺寸穩定、比強度高、易回收等優秀特徵, 被譽為“21世紀綠色工程材料”。
(一) 鎂合金成型新工藝
眾所周知, 航空航天工程對機件的複雜程度要求很高。為了滿足航空航天工程的需求, 鎂合金成型新工藝應運而生。其中包括塗層轉移精密鑄造技術、表面超聲波陽極氧化技術等新方法。
塗層轉移精密鑄造技術中, 砂芯的製備是關鍵。老式製備砂芯的方法是芯盒成型後, 在芯面上進行塗料。傳統方法難以形成均勻的塗料層, 而塗料層的均勻度影響的是鑄件的光潔度與尺寸。新的工藝方法是, 運用塗料自上充填的造型材料, 使塗層經固化後, 自動轉移到型芯表面, 該方法又稱“非佔位式轉移塗料技術”。典型應用就是鎂合金導樣殼體表面以及輪胎模具的製作。
(二) 鎂合金在航空航天工程的應用與未來發展
鎂合金的自身優異性能, 加上新技術的強化, 現已成為航空航天工業中不可或缺的材料。如, JDM2鎂合金經常規等温熱擠壓技術處理後, 成功製備出輕型導彈的彈翼;JDM1鎂合金經常規等温熱擠壓技術處理後, 可以製備出Φ145mm的無縫管道等等。我國是鎂合金資源大國, 而且目前航空航天工業發展的態勢是“輕量化”, 所以我國更應大力發展鎂科技, 在鎂資源優勢基礎上, 讓技術處於世界領先水平, 才能在行業競爭中獲得生機。
六、結論
在未來航空航天工業中, 輕量化必將成為發展的重要趨勢, 合金正以它優異的物理化學性能在航空航天領域中發揮着巨大的作用。如果能在合金優異性能的基礎上, 使其輕量化, 將會引起合金在該領域更廣泛地應用。目前, 合金的易被腐蝕、價格昂貴、製造成本高、可塑性等缺點有待進一步提高。強化合金的結構功能一體化, 不僅能增強其機械性能, 而且能賦予其所不具備的特性, 可以使其在航空航天生產領域的應用價值提升。
參考文獻
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