材料與飛機在相互推動下不斷發(fā)展，航空材料一直發(fā)揮著先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用。按照使用部位的不同，航空材料可分為機體材料和發(fā)動機材料。在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程中，機體材料不僅引領(lǐng)飛行器自身的發(fā)展，而且還帶動了地面交通工具以及空間飛行器的進步。而發(fā)動機材料的發(fā)展則不斷促進動力產(chǎn)業(yè)和能源行業(yè)的推陳出新。

    “一代材料，一代飛機”是航空工業(yè)發(fā)展的生動寫照。機體材料至今已經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，正在跨入第五階段。第一階段是從1903年到1919年，機體采用木、布結(jié)構(gòu)；第二階段是1920年到1949年，產(chǎn)生了鋁合金和鋼的機身材料；第三個階段是從1956年到1969年，飛機材料中增加了鈦；第四個階段是1970年至今，其特點是增加了復(fù)合材料。

    2006年2月9日，國務(wù)院發(fā)布了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，其第四章里確定了大型飛機等16個國家級重大專項。大飛機專項的關(guān)鍵技術(shù)包括發(fā)動機、材料和電子設(shè)備等三項，而事實上，發(fā)動機和電子設(shè)備的發(fā)展基礎(chǔ)依然是材料，即高溫合金材料和電子、微電子材料等，再次凸顯航空材料在飛機、發(fā)動機發(fā)展中的關(guān)鍵作用。本文將以現(xiàn)代飛機和發(fā)動機中最重要的高溫合金、鋁合金、鈦合金、超高強度鋼、復(fù)合材料等5大類結(jié)構(gòu)材料為例，淺談這些材料的發(fā)展歷程（代別）及其對航空裝備的推動和支撐作用。

    高溫合金

    高溫合金是為了滿足噴氣發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為軍用和民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達50%以上。

    高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動機的技術(shù)進步密切相關(guān)，尤其是發(fā)動機熱端部件渦輪盤、渦輪葉片材料和制造工藝是發(fā)動機發(fā)展的重要標(biāo)志。由于對材料的耐高溫性能和應(yīng)力承受能力提出很高要求，早期英國研制了Ni3（Al、Ti）強化的Nimonic80合金，用作渦輪噴氣發(fā)動機渦輪葉片材料，同時，又相繼發(fā)展了Nimonic系列合金。美國開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強化型鎳基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出的Inconel、Mar-M和Udmit等合金系列。

    在高溫合金發(fā)展過程中，制造工藝對合金的發(fā)展起著極大的推進作用。由于真空熔煉技術(shù)的出現(xiàn)，合金中有害雜質(zhì)和氣體的去除，特別是合金成分的精確控制，使高溫合金性能不斷提高。隨后，定向凝固、單晶生長、粉末冶金、機械合金化、陶瓷型芯、陶瓷過濾、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動了高溫合金的迅猛發(fā)展。其中定向凝固技術(shù)最為突出，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金，其使用溫度接近初熔點的90%。因此，目前各國先進航空發(fā)動機葉片都采用定向、單晶合金制造渦輪葉片。從國際范圍來看，鎳基鑄造高溫合金已形成等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。粉末高溫合金也由第一代650℃發(fā)展到750℃、850℃粉末渦輪盤和雙性能粉末盤，用于先進高性能發(fā)動機。

    我國高溫合金隨航空發(fā)動機的發(fā)展研制和生產(chǎn)需求而發(fā)展。我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起步于20世紀(jì)70年代前，由于我國第一、二代發(fā)動機的需求，我國研制和發(fā)展了GH系列的變形高溫合金以及K系列的鑄造高溫合金，同時發(fā)展了許多新的制造技術(shù)，如真空熔煉和鑄造、空心葉片鑄造、等溫鍛造等。

    70年代后，在高溫合金的研制中，我國引進了歐美技術(shù)，按國外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行研制和生產(chǎn)，對材料的純潔度和綜合性能提出了更高要求，研制了高性能變形高溫合金、鑄造高溫合金。尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的單晶合金的研究與發(fā)展，使我國高溫合金在生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制上了一個新臺階。

    近幾年來，根據(jù)新型飛機的研制發(fā)展需求，我國高溫合金研發(fā)又進入新階段。通過新材料、新工藝的發(fā)展和應(yīng)用，我國研制和生產(chǎn)了一系列高性能新合金。

    鋁合金

    鋁合金的比強度和比剛度與鋼相似，但由于其密度較低，在同樣的強度水平下可提供截面更厚的材料，在受壓時的抗屈曲能力更佳，因此鋁合金成了經(jīng)典的飛機結(jié)構(gòu)材料。

    歐美國家航空鋁合金的發(fā)展已經(jīng)歷了第一代靜強度鋁合金、第二代耐腐蝕鋁合金和第三代高純鋁合金。前三代鋁合金的特征見表1。   20世紀(jì)80年代末至90年代中期，精密熱處理技術(shù)及合金成分精確控制等關(guān)鍵技術(shù)取得突破，第四代耐損傷鋁合金2524-T3和7150-T77研制成功，這是航空鋁合金研究跨時代的進步。傳統(tǒng)鋁合金因此完成了向高性能鋁合金的里程碑式大發(fā)展。

    在第四代鋁合金技術(shù)發(fā)展的同時，鋁鋰合金也被運用在先進的特大型民用飛機上?？湛虯380選用鋁鋰合金制造地板梁，空客A350選用鋁鋰合金制造機身蒙皮和地板結(jié)構(gòu)等，其用量預(yù)計高達總結(jié)構(gòu)重量的23%。

    第四代鋁合金技術(shù)研制成功之后，國際上正在進行低成本鋁合金的研制開發(fā)工作。2003年美鋁公司提出了“20-20計劃”：20年內(nèi)使飛機的制造成本降低20％，同時實現(xiàn)減重20％。

    國內(nèi)航空鋁合金的發(fā)展已走過幾個發(fā)展階段（表2）?？偟膩碚f，我國鋁合金的研制主要瞄準(zhǔn)國際先進水平，但關(guān)鍵技術(shù)的突破以及品種、規(guī)格的系列化發(fā)展和工程應(yīng)用水平距離國外還有較大差距，亟待建立第三、四代鋁合金的完善材料體系。

    鈦合金

    鋁合金所能承受的溫度載荷有限，20世紀(jì)70年代，航空材料進入鈦合金時代。由于鈦合金成形及切削加工非常困難、與某些化學(xué)品接觸時性能會發(fā)生變化等特點，各飛機制造公司為鈦合金材料的研制付出巨大努力。

    1.飛機結(jié)構(gòu)鈦合金材料

    鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好和耐高溫等一系列優(yōu)點，能夠進行各種方式的零件成形、焊接和機械加工，因而在先進飛機及發(fā)動機上獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)今，鈦合金用量占飛機結(jié)構(gòu)重量的百分比已成為衡量飛機用材先進程度的重要標(biāo)志之一。鈦合金占F-22戰(zhàn)斗機機體結(jié)構(gòu)重量的39％。鈦合金在國外民用飛機上的用量也隨飛機設(shè)計和性能水平的提高而不斷增加。

    高損傷容限性能是新一代戰(zhàn)斗機（包括高推比發(fā)動機）長壽命、高機動性、低成本和損傷容限設(shè)計需要的重要材料性能指標(biāo)。美國率先把破損安全設(shè)計概念和損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則成功應(yīng)用在先進戰(zhàn)斗機上，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機大量采用損傷容限型鈦合金及其大型整體構(gòu)件，以滿足高減重和長壽命的設(shè)計需求。

    Ti-6Al-4V ELI在美國C-17軍用運輸機上的特大型鍛件上得到重要應(yīng)用，高強度鈦合金Ti-6-22-22S也在C-17飛機上的水平尾翼接頭（轉(zhuǎn)軸）等關(guān)鍵部位上得到應(yīng)用。這兩種鈦合金的使用，使大型運輸機的壽命高達60000飛行小時以上。在歐洲，空客A380是首架全鈦掛架的飛機，未來的A350也將采用全鈦掛架。 

    2.航空發(fā)動機用高溫鈦合金

    高溫鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機壓氣機葉片、盤和機匣等零件，這些零件要求材料在高溫工作條件下（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(wěn)定性。隨著航空發(fā)動機推重比的提高，高壓壓氣機出口溫度升高導(dǎo)致高溫鈦合金葉片和盤的工作溫度不斷升高。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，固溶強化型的高溫鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。

    我國在航空發(fā)動機上使用的工作溫度在400℃以下的高溫鈦合金主要有TC4和TC6，應(yīng)用于發(fā)動機工作溫度較低的風(fēng)扇葉片和壓氣機第1、2級葉片。500℃左右工作的高溫鈦合金有TC11、TA15和TA7合金，其中TC11是我國目前航空發(fā)動機上用量最大的鈦合金。

    單純采用固溶強化的鈦合金難以滿足600℃以上溫度環(huán)境對蠕變抗力和強度的要求。有序強化的鈦-鋁系金屬間化合物因其高比強度、比剛度、高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，而成為600℃以上溫度非常有使用潛力的候選材料，其中Ti3Al基合金長期工作溫度在650℃左右，而TiAl基合金工作溫度可達760℃~800℃。

    超高強度鋼

    超高強度鋼作為起落架材料應(yīng)用在飛機上。第二代飛機采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼，抗拉強度為1700MPa，這種起落架的壽命較短，約2000飛行小時。

    第三代戰(zhàn)機設(shè)計要起落架求壽命超過5000飛行小時，同時由于機載設(shè)備增多，飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)下降，對起落架選材和制造技術(shù)提出更高要求。美國和我國的第三代戰(zhàn)機均采用300M鋼（抗拉強度1950MPa）起落架制造技術(shù)。

    應(yīng)該指出的是，材料應(yīng)用技術(shù)水平的提高也在推動起落架壽命的進一步延長和適應(yīng)性的擴大。如空客A380飛機起落架采用了超大型整體鍛件鍛造技術(shù)、新型氣氛保護熱處理技術(shù)和高速火焰噴涂技術(shù)，使得起落架壽命滿足設(shè)計要求。由此，新材料和制造技術(shù)的進步確保了飛機的更新?lián)Q代。

    飛機在耐腐蝕環(huán)境中的長壽命設(shè)計對材料提出了更高要求，AerMet100鋼較300M鋼而言，強度級別相當(dāng)，而耐一般腐蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能明顯優(yōu)于300M鋼，與之相配套的起落架制造技術(shù)已應(yīng)用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先進飛機上。更高強度的Aermet310鋼斷裂韌性較低，正在研究中。損傷容限超高強度鋼AF1410的裂紋擴展速率極慢，用作B-1飛機機翼作動筒接頭，比Ti-6Al-4V減重10.6%，加工性能提高60%，成本降低30.3%。俄羅斯米格－1.42上高強度不銹鋼用量高達30%。PH13-8Mo是唯一的高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，廣泛用作耐蝕構(gòu)件。國內(nèi)探索超高強度不銹鋼取得初步效果。

    國外還發(fā)展了超高強度齒輪（軸承）鋼，如CSS-42L、GearmetC69等，并在發(fā)動機、直升機和宇航中試用。國內(nèi)發(fā)動機、直升機傳動材料技術(shù)十分落后，北京航空材料研究院已自主研究開發(fā)了一種超高強度軸承齒輪鋼。

    復(fù)合材料

    在飛機、發(fā)動機結(jié)構(gòu)材料家族中，復(fù)合材料是一位新成員。材料科學(xué)的發(fā)展造就了高強度、高模量、低比重的碳纖維，從而掀開了先進復(fù)合材料時代的序幕。日本于1959年首先發(fā)明了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維，并于20世紀(jì)60年代初將其投入工業(yè)化生產(chǎn)；70年代中期以碳纖維為增強相的先進復(fù)合材料誕生。航空用的復(fù)合材料種類不少，其中的絕對主力就是樹脂基碳纖維復(fù)合材料。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(xué)組成非常穩(wěn)定，還具有高抗腐蝕性，適用于航空和航天飛行器。

    碳纖維增強復(fù)合材料通常以環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為代表。對航空結(jié)構(gòu)而言，這種復(fù)合材料的壓縮強度（Compression Strength）和韌性（沖擊后壓縮強度，簡稱CAI/Compression After Impact strength）已成為代別的主要指標(biāo)，目前已發(fā)展到第三代，并已廣泛進入軍民機產(chǎn)品。

    在航空復(fù)合材料應(yīng)用的進程中，軍機、民機、直升機、無人機各自走過相似的發(fā)展道路。軍機上復(fù)合材料的應(yīng)用大致可分為三個階段。

    第一階段，復(fù)合材料主要用于艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等操縱面上，受力較小，制件尺寸較小，大約于20世紀(jì)70年代初即已實現(xiàn)；

    第二階段，復(fù)合材料開始應(yīng)用于垂尾、平尾等受力較大、尺寸較大的尾翼級部件，其中，美國F-14戰(zhàn)斗機在1971年把硼纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成功應(yīng)用在平尾上，被稱為復(fù)合材料史上的一個里程碑。自20世紀(jì)70年代初至今，國外軍機尾翼級的部件均已用復(fù)合材料制造。

    第三階段，復(fù)合材料進入機翼、機身等受力大、尺寸大的主要承力結(jié)構(gòu)中。其中，美國原麥道飛機公司于1976年率先研制了F/A-18的復(fù)合材料機翼，把復(fù)合材料的用量提高到了13%，成為復(fù)合材料史上的又一個重要里程碑。此后，國外軍機群起仿效，幾乎都采用了復(fù)合材料機翼。目前世界軍機上復(fù)合材料用量約占全機結(jié)構(gòu)重量的20%～50%不等。

    民機既強調(diào)安全性也強調(diào)經(jīng)濟性，同樣對結(jié)構(gòu)減重有迫切需求。以美國為例，復(fù)合材料在大型民機上的應(yīng)用，大致走過了四個階段，體現(xiàn)了循序漸進的原則。

    第一階段，復(fù)合材料主要應(yīng)用在受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件，該階段于上世紀(jì)70年代中期實現(xiàn)。

    第二階段，受力較小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等開始應(yīng)用復(fù)合材料制造，該階段約于80年代中期結(jié)束。我國ARJ21新支線飛機的復(fù)合材料技術(shù)水平大致在這個階段。

    第三階段，復(fù)合材料應(yīng)用在受力較大的部件，主要是垂尾、平尾等，如波音公司B777的復(fù)合材料垂尾、平尾。波音777共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。

    第四階段，復(fù)合材料應(yīng)用于飛機最主要受力部件機翼、機身等，如波音公司的B787“夢想”飛機，代表了飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化的發(fā)展趨勢。波音787飛機共使用復(fù)合材料50%，超過了鋁、鈦、鋼金屬材料的總和，主要應(yīng)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(fù)合材料機翼和機身的大型商用客機。

    直升機包括軍用、民用和輕型直升機三類，先進復(fù)合材料在各種直升機上的用量均很大。如V-22可垂直起落，傾轉(zhuǎn)旋翼后又能高速巡航，該機結(jié)構(gòu)的50%由復(fù)合材料制成，包括機身、機翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等，共用復(fù)合材料3000多千克。美國武裝直升機“科曼奇”（RAH-66）共使用復(fù)合材料50%，歐洲最新的“虎”式武裝直升機復(fù)合材料用量高達80%，接近全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。我國與法國、新加坡合作研制的輕型直升機EC120的機身、垂尾、水平安定面、尾翼、前艙等結(jié)構(gòu)均由復(fù)合材料制成。

    無人機包括無人作戰(zhàn)機、無人偵察機和各種小型、微型、超微型無人機。軍用無人機具有的低成本、輕結(jié)構(gòu)、高機動、大過載、高隱身、長航程的技術(shù)特點，決定了其對減重的迫切需求，因此復(fù)合材料用量都很大，鮮明地體現(xiàn)了飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化的趨勢。美國波音公司X-45系列飛機復(fù)合材料用量達90%以上，諾斯羅普·格魯門公司的X-47系列飛機基本上為全復(fù)合材料飛機。

    航空發(fā)動機應(yīng)用復(fù)合材料可以大幅度提高其推重比，因此先進復(fù)合材料已成為未來發(fā)動機關(guān)鍵材料之一。發(fā)動機除使用樹脂基復(fù)合材料外，因溫度要求的關(guān)系，還會用到金屬基、陶瓷基、碳/碳等復(fù)合材料（表3）。

    結(jié)語

    如引言所述，飛機材料的發(fā)展已經(jīng)進入第五階段，總趨勢是復(fù)合材料和鈦合金的用量不斷增多，創(chuàng)歷史新高。美國C-17大型軍用運輸機的鈦用量占全機材料重量的10.3%（鈦零件總重6.8噸），復(fù)合材料用量達8.1%；空客A380的復(fù)合材料用量22%，鈦合金用量10%；波音787復(fù)合材料用量50%，鈦用量15%；空客A350的復(fù)合材料用量52%，鈦合金用量9%。航空材料品種雖然沒有發(fā)生大變化，但材料的性能、品質(zhì)，特別是與前幾階段在飛機上的應(yīng)用比例相比，卻發(fā)生了極大的變化。在這些數(shù)據(jù)的背后，更多的是材料科學(xué)技術(shù)的跨越式發(fā)展和創(chuàng)新與進步。

    我國航空材料工業(yè)從跟蹤仿制開始，已經(jīng)走過了50年的發(fā)展歷程，經(jīng)歷了好幾個發(fā)展階段和材料代別，但相對于國際航空材料技術(shù)的先進水平，我國航空材料技術(shù)還有相當(dāng)大的差距。為此，國家提出“探索一代、預(yù)研一代、研制一代、生產(chǎn)一代”的劃代發(fā)展思想，航空材料科學(xué)技術(shù)作為這“四個一代”發(fā)展的技術(shù)引領(lǐng)者和技術(shù)推動者，應(yīng)該更加強化創(chuàng)新，超前部署，厚積薄發(fā)。中航工業(yè)北京航空材料研究院是國內(nèi)唯一面向航空，從事航空先進材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究、材料研制與應(yīng)用技術(shù)研究和工程化研究的綜合性科研機構(gòu)，志在“引領(lǐng)航空材料技術(shù)，打造高新材料產(chǎn)業(yè)”，成為航空材料的“領(lǐng)跑者”?？梢韵嘈?，隨著國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展，我國航空材料科學(xué)技術(shù)一定會迎來一個蓬勃發(fā)展的春天。(2010年7月8日 星期四  中國航空報)