【长知识】先进动力的基石：论航空材料的来世今生

导读：自飞机发明以来，材料和飞机一直在相互推动发展。1903年莱特兄弟驾驶的飞机由木头和布做成，而今天我们乘坐的客机却由大量金属和复合材料制成，飞机性能也有了极大的提升，另一方面，作为飞机动力的航空发动机也极其依赖材料的改进，根据美国综合高性能涡轮发动机技术IHPTET计划，先进航空发动机项目的实现，70%~80%需要靠材料的改进，因此业内有“一代材料！一代飞机！一代动力！”之称。今天让我们一起来看看航空材料的来世今生。

航空材料指用于制造飞机的材料，一般特指机体材料和发动机材料，电子信息材料一般不直接算作航空材料。飞机机体材料和发动机材料技术要求高，例如要求轻重量、高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀、高可靠性、高耐久性与长寿命等。

四十年前，铝合金曾主导航空工业，由于铝合金的轻便、廉价以及当时的技术先进性，曾经一架飞机上，70%的材料都是铝合金，虽然也有其它新材料，比如复合材料和高温合金，但其用量非常少，只有不到7%。而且由于铝合金易于机械加工，甚至结构复杂的航空发动机主要部件都使用该材料制备。

然而，随着时间的发展，现在一架喷气式客机上只有不到20%的铝合金，而且大部分用作非关键结构材料，比如镶板和客机内饰。而且一些航空发动机和客机关键部件，甚至开始采用重量更轻和耐温性更高的非金属材料，以获得更好的燃油效率，为航空运营商带来切实的效益。此外，过去的很多航空材料开始进行各种组合，创造了前所未有的新型高性能材料。

独树一帜的航空材料

说道材料工业，就不得不提航空工业，因为自飞机诞生来，航空领域从来就是先进材料技术展示的大舞台，业内有“一代材料，一代飞机”之称。1903年莱特兄弟驾驶的第一架飞机是用木头和布做成的，但是，随着飞行高度、航程以及可承受载荷的增加，金属材料开始成为机体航空材料的主流。机体材料至今大致经历了四个发展阶段：第一阶段是1903--1919年，机体采用木、布结构；第二阶段是1920--1949年，在战争的推动下，铝合金和钢成为机身材料的主流；第三个阶段是1956--1969年，飞机材料中增加了钛合金；第四个阶段是1970年至今，其特点是增加了复合材料。

另一方面，整个飞机系统中属航空发动机的工作环境最为恶劣，长期处在高温、高压和高负荷条件下。而且航空发动机是整个飞机中结构最复杂的部件，由最多数量的零部件装配而成，并决定了整个飞机的燃油效率。先进航空发动机的低污染燃烧室内部温度甚至可以高达2100摄氏度，这推动了对新材料的需求，而当前超级合金的熔点约为1850摄氏度，因此这种挑战使得耐高温合金开始出现。

为了满足这些耐高温要求，耐高温合金，包括钛合金，镍合金和一些非金属材料如陶瓷被引入了航空工业。但这些材料往往比传统的铝合金更加难于加工。同时，航空工业部件的加工风险也很高，因为任何精度上的误差在三万英尺的飞行高度上都可能引发一次让人惊心动魄的事故，因此航空制造业的加工精度要求比几乎任何其它行业都要更高。这个精度不仅需要更长的加工时间，同时也意味着更多的废料，导致成本上升。

此外，不同于其它行业，航空工业中，材料和零部件设计是真正的相互驱动，航空材料本身会影响零部件设计，工程师在设计选材时，必须根据零部件功能及制造要求，进行适当选材。而反过来，一些新颖的航空发动机设计要求也促使了新材料的研究和应用。因此，航空材料制造商通常在材料行业中被单独分类也就豪不奇怪了。

不断改进的金属材料

标准航空铝合金6061，7050和7075，和传统的航空金属材料，如镍718，钛6Al4V和不锈钢15-5PH，仍然在航空工业领域大量应用。只是，这些金属的使用目前正在呈下降趋势，通过采用新的合金，客机的成本大幅降低，并且性能有所提高。值得一提的是，新的金属材料并不总是新的，有些甚至已经出现了超过十年，但是它们在航空工业实际应用却是最近的事，因为机床、模具技术和涂层技术的进步解决了很多金属材料的难加工问题。

不过，即使铝合金的数量在飞机上使用下降，但其使用并不会完全消失。事实上，铝合金甚至还杀了个回马枪，特别是在碳纤维材料成本过高和不成熟的情况下。当然，铝合金并不是简单的一成不变，比如改进的钛铝高温合金和铝锂合金就让航空工业获益不少。

类似于镍合金的耐热性能，钛铝合金也能在高达600摄氏度下保持足够的强度和耐腐蚀性。但钛铝合金更加容易加工，而且它的重量只有镍合金重量的一半，因此可以极大的提高航空发动机的推重比，例如，传统上采用致密的镍基超级合金制成的低压涡轮叶片和高压压气机叶片，现在都采用钛铝合金加工而成。在这一方面，美国通用电气GE公司是这一趋势的先驱，并在GEnx发动机上使用了由钛铝合金制成的低压涡轮叶片，这是该材料首次在商用航空发动机上大量使用，该发动机最终作为波音787梦幻客机的动力引擎。

图1 钛铝合金高压压气机叶片和低压涡轮叶片在航空发动机上的应用

铝合金在航空领域的另一个重新发现体现在轻重量的铝锂合金中，专门用于改善7050和7075铝合金的性能。总的来说，锂的加入减轻了铝材的密度和重量，促进了铝材在航空航天领域材料的演变。铝锂合金的高强度，低密度，高刚度，耐损伤性，耐腐蚀性和焊接友好性使其与传统铝材比，成为了商业客机机架材料的更好选择。空客目前正在使用AA2050。同时，美铝正在使用AA2090T83和2099 T8E67。该合金也可以在我国的C919大客机上找到，C919机身蒙皮、长桁、地板梁、座椅滑轨、边界梁、客舱地板支撑立柱等部件都使用了第三代铝锂合金，其机体结构重量占比达到7.4%，获得综合减重7%的型号收益。

钛5553是另一种对航空领域相当新颖的金属材料，具有高强度，重量轻，耐腐蚀性好等一系列优点。与不锈钢合金相比，钛合金更强更轻。但是钛合金有一个臭名昭著的缺点，就是成形及切削加工非常困难，各飞机制造公司为钛合金材料的研制付出巨大努力。当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一，钛合金占F-22 战斗机机体结构重量的39%，在民用客机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。

高温钛合金还用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零部件，这些零部件要求材料子在高温工作条件下（300~600℃）具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。然而，当工作温度达到500摄氏度以上是，钛合金的蠕变性能和热稳定性的重要性愈加突出，而两种性能之间又存在矛盾，因此需要优化合金成分和控制显微组织使这两个性能得以更好的匹配。

图2 我国航空发动机用高温钛合金的发展历程

目前各国研制和使用的 500℃以上高温钛合金均为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系，最高使用温度已达到 600℃，如钛合金IMI834已经成功的应用在了EJ200军用发动机上用于制造高压压气机整体叶盘。我国航空发动机用高温钛合金的发展历程如图2所示，600摄氏度以上的高温钛合金大多处于研制阶段，尚未获得正式应用。

图3 高温合金在航空发动机上的应用

而在工作温度600摄氏度以上的航空发动机涡轮和燃烧室部件制造中，多用高温合金，如图3所示。高温合金又叫超级合金。按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和钴基。该材料受合金化理论和制备工艺影响极大，最能体现“一代发动机、一代材料、一代工艺”的变化，如定向凝固、粉末冶金、等温锻造等工艺创新，推动合金迅猛发展和发动机技术进步。从最典型的单晶合金来看，国际上已经发展到了第五代，而我国基本上还停留在第三代左右，而且成品率低，成本高。

此外，航空工业也还有一些结构件，如紧固件、起落架和执行机构，需要原始的强度，重量反而不是优先考虑。在这种情况下，超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，但寿命只有约2000 飞行小时。第三代战机的起落架材料开始采用300M钢，其使用寿命可以达到5000飞行小时，并且具有一定耐腐蚀性的附加优点。

大步迈进的复合材料

复合材料在航空领域也应用得越来越广阔，它们可以减轻客机的重量，并提高燃油效率，同时易于加工、设计、塑形和修理。之前，复合材料主要是应用在轻型结构件或发动机短舱上，现在正在被应用在客机机翼、机身外壳、发动机和起落架上。

图4 先进复合材料在空客公司客机上的应用

更重要的是，复合材料组件还可以制成复杂的形状，对于金属部件需要加工和生产接头，而预成形的复合材料组件不仅轻巧而坚固，它们可以减少飞机内重型紧固件和接头的数量，之前，这些连接部位通常是潜在的故障点。而且复合材料正在推动航空工业朝着更小零部件数量的趋势发展，让很多复杂的结构件尽可能使用单件实现。

碳纤维材料代表了机舱和功能部件中复合材料的最大份额，因为碳纤维是目前已知的比强度、比刚度最好的材料。它比铝还要轻，比钢还要硬，其比重是铁的四分之一，比强度是铁的十倍；而且化学组成非常稳定，还具有高抗腐蚀性，适用于航空和航天飞行器。而民机既强调安全性也强调经济性，对结构减重有迫切需求。

以美国波音 787客机为例，复合材料占比已经超过了50%，如图5所示，复合材料在大型民机上的应用，大致走过了四个阶段。

图5 最新的波音787中复合材料（蓝色部分）占比已经超过了50%

第一阶段是1975年以前，复合材料主要应用在受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件。

第二阶段是1975~1985年，开始应用在升降舵、方向舵、襟副翼等受力较小的部件上。我国的ARJ21 新支线飞机的复合材料技术水平大致在这个阶段。

第三阶段是1985~1995年，复合材料开始应用在受力较大的部件，如垂尾、平尾等，1994年首飞的波音777共用复合材料9.9 吨，占结构总重的11%。

第四阶段是1995年至今，复合材料应用于飞机最主要受力部件机翼、机身等，如波音787飞机的复合材料占比50%，超过了铝、钛、钢金属材料的总和，主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。

而航空发动机应用复合材料可以大幅度提高其推重比，因此先进复合材料已成为未来发动机关键材料之一。航空发动机除使用树脂基复合材料外，还会用到金属基、陶瓷基、碳/碳等复合材料。

改变游戏规则的陶瓷基复合材料

如前面所述，航空发动机热端部件需要工作在极高的温度条件下，主要依靠高温合金，而由陶瓷基复合材料（CMC，ceramic matrixcomposites）制成的航空发动机零部件重量只有金属合金制成件重量的三分之一，但强度却反而增强了两倍，耐热性也提高20%。因此，它允许航空发动机热端部件运行在更高的温度下，极大的提高航空发动机效率，并有助于降低飞机的整体重量。陶瓷基复合材料已经被用在了GE公司的新一代变循环发动机ADVENT中，并获得了美国国防部10亿美元的资助。

图6 美国GE公司的新一代变循环发动机ADVENT

图7 ADVENT发动机的低压涡轮中装配着由CMC材料制成的涡轮叶片

但陶瓷基复合材料在民用航空发动机上的应用却是另一回事，最大的挑战之一就是成本：制造陶瓷材料是一个劳动密集型，高度专业化的过程。碳化硅纤维通过熔化碳和硅的化合物（称为聚碳硅烷），然后通过喷嘴吹扫制成约10微米直径的纤维，然后将这些纤维进行特殊的电子束真空处理，可以防止其暴露在极高温度下时性能劣化，最后，这些纤维被编织成可以用于陶瓷基复合材料的布状片材。这样制成的轻质高耐热陶瓷，并加入专有涂层以满足航空发动机的需求。

为了在该新材料技术上能够真正的突破，美国航空发动机制造商GE公司在过去10年中，投入了超过15亿美元，以期努力了解如何以经济可行的成本大量批产合格材料，以替代目前广泛使用的镍基合金。

GE公司在1986年获得了陶瓷基复合材料的第一项专利，并在最新与法国赛峰集团合作的LEAP系列商用发动机中使用了陶瓷基复合材料零件，截至2017年3月底，GE航空及合资伙伴已经售出了超过12,200台LEAP发动机，这是全世界首个使用陶瓷基复合材料零件的民用航空发动机。

图8 GE 9X发动机主要4个部件都由CMC材料制成

而且，GE公司正在进一步扩展碳化硅纤维基陶瓷在航空发动机上的应用，在波音的下一代大型喷气式客机动力引擎GE9X发动机中，4个主要的发动机部件包括高压涡轮中的动叶和静叶，都采用碳化硅纤维基陶瓷替代镍合金制成，这一点将使得燃油效率提升2%。目前，GE 9X发动机正在进行测试，将在2018年获得适航认证，GE公司相信这些新技术能够更多的应用在这些航空发动机上，为航空运营商带来效益。

我国航空材料现状

中国航空材料经历了引进、仿制、改进、改型和自行研制的发展历程。通过坚持不懈的逐渐改进工艺路线，提高材料质量，我国航空材料从无到有，品种规格逐步齐全，质量基本达到产品要求，初步实现了依靠国内原材料建立完整航空工业体系的目标。到目前为止，我国已定型生产的航空用金属、有机高分子材料、无机非金属材料以及复合材料的牌号约2000余个。

据C919总设计师吴光辉介绍，我国大飞机C919就通过大量的研发和验证试验，建立了铝锂合金的材料规范体系、设计许用值体系和制作工艺规范体系。同时，复合材料的应用也取得突破性进展，复合材料用量达到机体结构重量的11.5%，国内首次在民用飞机的主承力结构、高温区、增压区使用复合材料。同时，钛合金用量达到机体结构重量的7.3%，在中央翼缘条、发动机吊挂、球面框缘条、襟缝翼滑轨、垂尾对接接头等部位应用了钛合金。

根据中国产业调研网发布的中国航空材料行业现状调研报告预测，预计未来5年，中国的航空材料市场及与之相关的加工设备总体市场规模将达到1200亿元。而且无论是我国之前的大飞机专项，还是正在实施的航空发动机和燃气轮机两机重大专项，都把航空材料作为重点攻关领域之一。

总结

从飞机机体材料来看，总趋势是复合材料和钛合金的用量不断增多。空客A380的复合材料用量22%，钛合金用量10%；波音787复合材料用量50%，钛用量15%；空客A350的复合材料用量52%，钛合金用量9%，而且材料的性能和品质都得到了极大的提高。而对于航空发动机材料，现有的金属系材料性能的改良正在趋向于饱和，而革命性的新材料如陶瓷基复合材料正在航空发动机制造上发扬光大。

总之，金属和复合材料的继续研发和改进，正在让航空零部件重量更轻，强度更高，耐热和耐腐蚀性更好。新材料的加速发展，加工和切割技术的进步使得航空制造商们前所未有地获得以前认为不切实际或难以加工的新材料。未来“更强、更耐热、更轻、更便宜”的新材料正在让21世纪的飞机变得推力更大、更轻、更省油、更可靠、更耐久、更便于维修，并且成本更低。

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