它们堪与复合材料同台竞技!

点击量:402 发布时间:2017-03-17 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
 
近年来,航空业迅猛发展,新科技技术的进步促使复合材料越来越成为当今航空业的主流材料。就在这样一个大的趋势下,铝合金等传统金属材料也在不断的挖掘自己的潜能、推陈出新,就此,以金属材料和复合材料为代表的的拉锯战在航空领域已悄然打响。
 
铝合金铸件在机翼上的应用
 
 
洛•马X-55运输机全复合材料机身
 
复合材料强度高,质量轻,可以减轻飞机的重量,提高飞机的飞行效率,这也是为什么复合材料能一跃成为航空制造业的宠儿的原因。目前,复合材料中提的最多的是碳纤维材料。这种材料已经逐渐从次承力结构部件应用跃升机翼、机身等主承力构件的必选材料。
 
 
碳纤维材料
  
碳纤维复合材料目前在小型商务飞机和直升机上的使用量已占70%~80%,在军用飞机上占30%~40%,在大型客机上占15%~50%。
波音公司的新型客机787所用的碳纤维复合材料甚至到达了机构重量的50%。
 
 
 波音787飞机大量使用碳纤维材料
 
碳纤维材料虽然存在性能缺陷,而且加工工艺比较繁琐而且成本也高。但是,它却具有优异比强度、比刚度和耐腐蚀等优点,其外形制造可以高完整性一次成形,在一个加工周期内成形机翼整体带筋壁板和机身整体筒形带筋壁板,极大地减少了紧固件的使用;而且,碳纤维复合材料采用加成制造方法成形结构件,在保持了强度等性能的同时,避免了金属切削加工造成的大量原材料浪费。    
 
 
发动机上碳纤维增强树脂基复合材料封严片
 
对于复合材料难加工、成本高问题,材料科学家也在不断地改进加工方法,就比如说非热压罐制造工艺改进传统的热压罐成型技术。目前为止,航空制件中获得应用的非热压罐技术主要有几个方向:非热压罐预浸料技术、液体成型技术、预浸料模压成型技术、微波固化技术、电子束固化技术、平衡压力流体成型技术。
  
目前,这项技术在航空制造业中取得不错的成绩。俄罗斯联合飞机制造公司在其即将推向市场的MS-21单通道客机上,采用复合材料非热压罐成形技术制造机翼主承力构件,这在民用飞机制造史上具有里程碑意义,将对世界航空制造业的发展产生深远影响。
 
 
MS-21所用的复合材料
  
波音研制的“鬼眼”无人机,由三部分组成、长45.7m的机翼也是利用非热压罐成形技术制造的。
 
 
“鬼眼”无人机
  
GKN航宇公司在欧盟“洁净天空”计划的资助下,利用非热压罐成形技术制造出了下一代复合材料整体机翼翼盒验证件,翼盒集成了带加强筋的蒙皮、复杂弯曲轮廓及4个不同的长桁形状。
 
 
复合材料的机翼设计
   
面对复合材料来势汹汹的挑战,金属材料也给出了强硬的回击。
 
 
”一号选手“--铍铝合金
 
这种合金的具有质量轻、比强度高、比刚度高、热稳定性好、高韧性、抗腐蚀、结合了铍的低密度与铝的易加工性等许多优良特性。随着航空、航天工业、汽车工业等行业的快速发展,这种合金已经成为一种越来越重要的新型材料。铍铝合金按铍含量可分为铝基合金和铍基合金,前者铍含量在5%以下用作冶金添加剂;后者铍含量在60%以上用作结构材料。
 
 
铍铝合金
  
铍铝合金的制备方法有这么几种:
  
熔模精密铸造工艺,这种方法是制备铍铝合金的一个重要的方法,该方法可以大幅降低铍铝合金生产成本,精密铸造也减少了后续加工环节,节省加工成本和时间。美国的斯达麦特公司开发了Berylcast族铍铝合金,布拉什・威尔曼开发了AlBeMet系列铍铝合金,这些铍铝合金的工艺都是按照熔模精密铸造工艺,在真空条件下进行铍铝合金熔模铸造的生产。
 
 
熔模精密铸造工艺
  
粉末冶金法生产铍铝合金,这种方法自70年代洛克公司开始使用以来,采用该工艺生产铝铍合金已成惯例。除了一些小的改进以外,基本流程保持不变。先用惰性气体雾化法制取预合金粉,而后制成3~5μm的枝晶状粉粒,该尺寸对最终产品的强度是至关重要的。粉末经冷等静压压至理论密度的约80%,再热等静压成形,最后经挤压进一步提高密度。挤压成的棒材可直接加工成部件,或切割后轧制成板材,其最大尺寸可达107cm×107cm。
 
 
粉末冶金法制备铍铝合金的工艺图
  
铍铝合金以其低的比重、高强度、高韧性等优良特性已在航空航天中得到应用。例如,斯达麦特生产的Berylcast合金熔模铸件被用在美国的RAH66Comanch型军用直升机和爱国者PAC23型导弹系统上。下图是美国Brush•Wellman公司生产的精密铸造元件,产品均用于航空航天。
 
 
 铍铝合金铸造产品
 
 
“二号选手”--钛铝合金
 
钛铝合金密度低,弹性模量高,综合性能指标优于传统高温合金,韧性又高于普通的陶瓷材料,在航空航天材料中展现出令人瞩目的发展前景,成为新一代高温材料的代表之一,被当做高推重比先进军用飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片的首选材料。
 
 
钛铝合金粉末
 
这种钛铝合金的代表化合物是钛和铝的原子比为1:1的钛铝合金,铸造用的锭材在室温下的抗拉强度为600MPa,900℃下的抗拉强度为400MPa。因为这种材料密度为3.8g/cm3,其比强度比镍合金要好,而且常温延伸率比陶瓷还好,是一种富有延性的材料。其延性随温度升高增加,其塑形加工成为可能。而且机械加工也比较容易进行。
  
钛铝合金的制备加工技术主要有这么几种:铸锭冶金技术,粉末冶金技术,快速冷凝技术,机械合金化技术等。
  
钛铝合金铸锭技术冶金技术先进行熔炼制造出钛铝合金锭,随后采用热等静压和均匀化退火处理消除铸锭中微观孔洞、疏松和成分偏析等组织缺陷,然后在一定温度区间和一定应变速率条件下,采用1次或多次锻造来细化铸态组织,并进行热处理,最后锻造成型。
 
 
 铸锭冶金法工艺
  
快速冷凝技术的工艺图如下图所示。这种技术的优点就是通过快速冷凝技术与粉末冶金成型技术相结合,这样可以大范围地调整合金成分和组织结构,还可以实现近终形成型,从根本上解决钛铝合金难加工的问题。
 
 
 快速冷凝技术工艺图
  
机械合金化技术不同于传统的球磨,机械合金化使用高能量球磨,在室温极高破碎能量条件下,可制备及控制理想微观结构的新合金。采用机械合金化制备钛铝合金,首先将合金固溶进钛,在初始阶段晶格尺寸急剧减小,大约10h后非晶产物出现,但非晶产物不稳定,逐渐转化成纳米尺度的亚稳定晶体。
 
 
 机械合金化技术工艺图
  
钛铝合金的制备不仅仅只有介绍的那几种。因为钛铝合金的优良特性,使得钛铝合金在航空航天用材料展现出了令人瞩目的发展前景。
  
日本三菱公司采用包套锻成形出了Ti-42Al-10V合金叶片,该合金具有较好的高温塑性,该公司还开发了Ti42Al5Mn合金,并且采用锻造后机械加工的方式制造出涡轮叶片等零件。
  
钛铝合金成为先进军用飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片的首选材料。GE公司计划在GE90发动机中用钛铝合金叶片代替镍基合金,将减轻发动机重量200~300千克以上。
 
 
 
GE90发动机使用了钛铝合金叶片
  
空中客车和波音公司正致力于提高发动机的推比,低压涡轮减重潜力最大,在不久的将来涡轮后部转子叶片将采用钛铝合金叶片。
 
 
钛铝合金叶片
  
 
“三号选手”--铝锂合金
 
锂是世界上最轻的金属元素,把锂作为合金元素加到金属铝中,就成了铝锂合金了。在金属铝中加入锂之后,合金的密度会将低,刚度会增加,同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性、延展性。所以铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成形性能,用其取代常规铝合金,可使构件质量减轻10%~15%,刚度提高15%~20%。
 
 
铝锂合金
  
因为这些特性,这种新型的合金受到了航空、航天等行业的广泛关注。例如麦道公司的C-17运输机使用了铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构,用量达2.8t,比用普通铝合金减重208kg,法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金,其成本低于热固塑料和金属基复合材料。
 
 
 C-17运输机
  
早在20世纪70年代,前苏联就将铝锂合金用于制造雅克-36飞机的主要构件,包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等,该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用,性能良好。20世纪90年代初又在米格-29和米格-31飞机上采用1420合金焊接结构,使减重效果进一步提高。
 
 
 米格-29 应用铝锂合金
  
与纤维复合材料相比低密度铝锂合金不需要因新的制造设备而投入大量资金。这样由于复合材料质量轻而节约的费用远不能抵消由于设备的投资费用,所以在一些应用方面,铝锂合金比复合材料更有实质的效果。 
  
正因为如此,铝锂合金如今已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用,主要用于机身框架、襟翼、翼肋、垂直安定面、整流罩,进气道唇口、舱门燃油箱等等。
 
 
铝锂合金机身段
  
目前,铝锂合金的生产方法技术主要有:铸锭冶金法,粉末冶金法,熔盐电解法。
  
前面已经介绍了铸锭冶金法和粉末冶金法,现在给大家介绍熔盐电解法制备铝锂合金。
  
鉴于传统的合金制备方法存在的缺点,研究者们研究出了一些更好的制备方法,其中比较有代表性的就是熔盐电解法。熔盐电解法制备铝锂合金最初是日本的大学开始研究的,它将LiCL-KCL系电解液放在经加工的陶瓷纤维容器中作阴极,熔融铝作阳极进行电解。生成的金属锂在阴极析出,并扩散到熔融铝中,一步直接合金化。
 
 
 
“四号选手”--纳米陶瓷镁合金
 
镁在工程学中具有重要作用和潜能,它被认为是结构金属材料中能够承重的最轻金属,另一方面,在强度与硬度方面的表现,镁与其他金属相比可能略逊一筹。金属镁的密度仅为铝的三分之二,是最轻的结构性金属。研究人员在金属镁中注入大量直径小于100纳米的碳化硅颗粒,能够显著提升材料的强度、硬度和可塑性,以及高温下的耐用性。
 
 
纯金属镁形变样本
  
这种由金属镁和碳化硅纳米颗粒组成的新型超强金属材料的刚重比非常高,用这种材料制造的飞机、航天器和汽车重量更轻,因此经济性也更高。
  
为了研制这种超强但轻质的金属材料,研究员用碳化硅来生产这种金属材料,小于100毫微米的碳化硅能够充分分散于熔融状态的镁锌合金,而粒子本身的动能则能防止它们簇成一团。
 
然后,该材料通过高压扭转的方式进行压缩。目前,高压扭转在金属加工工艺中非常普遍,压缩力和扭转变形同时作用于材料。在过去二十几年里,因为可以生产出高强度和晶粒细化材料(甚至是纳米级别材料),高压扭转方式在业内逐渐流行。
  
最终产出的金属复合材料由14%的碳化硅纳米粒子和86%的镁构成。新材料在试验过程中,展示出了相关材料历史上最高强度水平以及最优硬度重量比。而且,材料还展示出了超强的耐高温特性。 
 
 
 纳米陶瓷镁合金样本
  
该新型材料获将比塑料还要轻,比金属变现的还要好,未来将在航空航天领域大展身手。
 
 
镁合金材料
  
面对复合材料的挑战,新型金属材料给出了强有力的回应,而新型的金属材料也远不止上面说的那些。在面对这两种材料的斗争,空客和波音这两个航空制造业巨头对这两种材料则是各有侧重和扶持。
  
在复合材料方面,他们主动探索低成本、高效率的机翼和机身制造技术,继续推进波音787和A350的制造技术改进;
 
 
波音787复合材料机身
  
在金属合金方面,他们积极采用第三代铝锂合金,并且在激光焊接、搅拌摩擦焊、激光喷丸等先进工艺上寻求突破,持续用于波音747-8和A380的效率改进和性能提升。
 
 
A350钛合金以及铝合金材料
  
可以断定,这场航空领域的争夺还将继续下去。
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