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近年來,，航空業(yè)迅猛發(fā)展，新科技技術(shù)的進(jìn)步促使復(fù)合材料越來越成為當(dāng)今航空業(yè)的主流材料,。就在這樣一個(gè)大的趨勢(shì)下,，鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料也在不斷的挖掘自己的潛能、推陳出新,，就此,，以金屬材料和復(fù)合材料為代表的的拉鋸戰(zhàn)在航空領(lǐng)域已悄然打響。 鋁合金鑄件在機(jī)翼上的應(yīng)用
復(fù)合材料強(qiáng)度高,，質(zhì)量輕,，可以減輕飛機(jī)的重量，提高飛機(jī)的飛行效率,，這也是為什么復(fù)合材料能一躍成為航空制造業(yè)的寵兒的原因,。目前，復(fù)合材料中提的最多的是碳纖維材料,。這種材料已經(jīng)逐漸從次承力結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用躍升機(jī)翼,、機(jī)身等主承力構(gòu)件的必選材料。
碳纖維復(fù)合材料目前在小型商務(wù)飛機(jī)和直升機(jī)上的使用量已占70%～80%,，在軍用飛機(jī)上占30%～40%,，在大型客機(jī)上占15%～50%。 波音公司的新型客機(jī)787所用的碳纖維復(fù)合材料甚至到達(dá)了機(jī)構(gòu)重量的50%,。
碳纖維材料雖然存在性能缺陷,，而且加工工藝比較繁瑣而且成本也高。但是,，它卻具有優(yōu)異比強(qiáng)度,、比剛度和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，其外形制造可以高完整性一次成形,，在一個(gè)加工周期內(nèi)成形機(jī)翼整體帶筋壁板和機(jī)身整體筒形帶筋壁板,，極大地減少了緊固件的使用；而且,，碳纖維復(fù)合材料采用加成制造方法成形結(jié)構(gòu)件,，在保持了強(qiáng)度等性能的同時(shí),，避免了金屬切削加工造成的大量原材料浪費(fèi)。
對(duì)于復(fù)合材料難加工,、成本高問題，材料科學(xué)家也在不斷地改進(jìn)加工方法,，就比如說非熱壓罐制造工藝改進(jìn)傳統(tǒng)的熱壓罐成型技術(shù),。目前為止，航空制件中獲得應(yīng)用的非熱壓罐技術(shù)主要有幾個(gè)方向：非熱壓罐預(yù)浸料技術(shù),、液體成型技術(shù),、預(yù)浸料模壓成型技術(shù)、微波固化技術(shù),、電子束固化技術(shù),、平衡壓力流體成型技術(shù)。
目前,，這項(xiàng)技術(shù)在航空制造業(yè)中取得不錯(cuò)的成績(jī),。俄羅斯聯(lián)合飛機(jī)制造公司在其即將推向市場(chǎng)的MS-21單通道客機(jī)上，采用復(fù)合材料非熱壓罐成形技術(shù)制造機(jī)翼主承力構(gòu)件,，這在民用飛機(jī)制造史上具有里程碑意義,，將對(duì)世界航空制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
波音研制的“鬼眼”無人機(jī),，由三部分組成,、長(zhǎng)45．7m的機(jī)翼也是利用非熱壓罐成形技術(shù)制造的。
GKN航宇公司在歐盟“潔凈天空”計(jì)劃的資助下,，利用非熱壓罐成形技術(shù)制造出了下一代復(fù)合材料整體機(jī)翼翼盒驗(yàn)證件,，翼盒集成了帶加強(qiáng)筋的蒙皮、復(fù)雜彎曲輪廓及4個(gè)不同的長(zhǎng)桁形狀,。 復(fù)合材料的機(jī)翼設(shè)計(jì)
面對(duì)復(fù)合材料來勢(shì)洶洶的挑戰(zhàn),，金屬材料也給出了強(qiáng)硬的回?fù)簟?/p> ”一號(hào)選手“--鈹鋁合金 這種合金的具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高,、比剛度高,、熱穩(wěn)定性好、高韌性,、抗腐蝕,、結(jié)合了鈹?shù)牡兔芏扰c鋁的易加工性等許多優(yōu)良特性。隨著航空,、航天工業(yè),、汽車工業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，這種合金已經(jīng)成為一種越來越重要的新型材料,。鈹鋁合金按鈹含量可分為鋁基合金和鈹基合金,前者鈹含量在5%以下用作冶金添加劑;后者鈹含量在60%以上用作結(jié)構(gòu)材料,。
鈹鋁合金的制備方法有這么幾種：
熔模精密鑄造工藝,，這種方法是制備鈹鋁合金的一個(gè)重要的方法，該方法可以大幅降低鈹鋁合金生產(chǎn)成本,，精密鑄造也減少了后續(xù)加工環(huán)節(jié),，節(jié)省加工成本和時(shí)間。美國(guó)的斯達(dá)麥特公司開發(fā)了Berylcast族鈹鋁合金,，布拉什?威爾曼開發(fā)了AlBeMet系列鈹鋁合金,，這些鈹鋁合金的工藝都是按照熔模精密鑄造工藝，在真空條件下進(jìn)行鈹鋁合金熔模鑄造的生產(chǎn),。
粉末冶金法生產(chǎn)鈹鋁合金,，這種方法自70年代洛克公司開始使用以來，采用該工藝生產(chǎn)鋁鈹合金已成慣例,。除了一些小的改進(jìn)以外,基本流程保持不變,。先用惰性氣體霧化法制取預(yù)合金粉,而后制成3～5μm的枝晶狀粉粒,該尺寸對(duì)最終產(chǎn)品的強(qiáng)度是至關(guān)重要的。粉末經(jīng)冷等靜壓壓至理論密度的約80%,再熱等靜壓成形,最后經(jīng)擠壓進(jìn)一步提高密度,。擠壓成的棒材可直接加工成部件,或切割后軋制成板材,其最大尺寸可達(dá)107cm×107cm,。
鈹鋁合金以其低的比重、高強(qiáng)度,、高韌性等優(yōu)良特性已在航空航天中得到應(yīng)用,。例如，斯達(dá)麥特生產(chǎn)的Berylcast合金熔模鑄件被用在美國(guó)的RAH66Comanch型軍用直升機(jī)和愛國(guó)者PAC23型導(dǎo)彈系統(tǒng)上,。下圖是美國(guó)Brush·Wellman公司生產(chǎn)的精密鑄造元件,，產(chǎn)品均用于航空航天。
“二號(hào)選手”--鈦鋁合金 鈦鋁合金密度低,，彈性模量高,，綜合性能指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)高溫合金，韌性又高于普通的陶瓷材料,，在航空航天材料中展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景,，成為新一代高溫材料的代表之一，被當(dāng)做高推重比先進(jìn)軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)及低壓渦輪葉片的首選材料,。
這種鈦鋁合金的代表化合物是鈦和鋁的原子比為1:1的鈦鋁合金,，鑄造用的錠材在室溫下的抗拉強(qiáng)度為600MPa，900℃下的抗拉強(qiáng)度為400MPa,。因?yàn)檫@種材料密度為3.8g/cm3,，其比強(qiáng)度比鎳合金要好，而且常溫延伸率比陶瓷還好,，是一種富有延性的材料,。其延性隨溫度升高增加，其塑形加工成為可能,。而且機(jī)械加工也比較容易進(jìn)行,。
鈦鋁合金的制備加工技術(shù)主要有這么幾種：鑄錠冶金技術(shù),，粉末冶金技術(shù)，快速冷凝技術(shù),，機(jī)械合金化技術(shù)等,。
鈦鋁合金鑄錠技術(shù)冶金技術(shù)先進(jìn)行熔煉制造出鈦鋁合金錠，隨后采用熱等靜壓和均勻化退火處理消除鑄錠中微觀孔洞,、疏松和成分偏析等組織缺陷,，然后在一定溫度區(qū)間和一定應(yīng)變速率條件下，采用1次或多次鍛造來細(xì)化鑄態(tài)組織,，并進(jìn)行熱處理，最后鍛造成型,。
快速冷凝技術(shù)的工藝圖如下圖所示,。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是通過快速冷凝技術(shù)與粉末冶金成型技術(shù)相結(jié)合，這樣可以大范圍地調(diào)整合金成分和組織結(jié)構(gòu),，還可以實(shí)現(xiàn)近終形成型,，從根本上解決鈦鋁合金難加工的問題。
機(jī)械合金化技術(shù)不同于傳統(tǒng)的球磨,，機(jī)械合金化使用高能量球磨,，在室溫極高破碎能量條件下，可制備及控制理想微觀結(jié)構(gòu)的新合金,。采用機(jī)械合金化制備鈦鋁合金,，首先將合金固溶進(jìn)鈦，在初始階段晶格尺寸急劇減小,，大約10h后非晶產(chǎn)物出現(xiàn),，但非晶產(chǎn)物不穩(wěn)定，逐漸轉(zhuǎn)化成納米尺度的亞穩(wěn)定晶體,。
鈦鋁合金的制備不僅僅只有介紹的那幾種,。因?yàn)殁佷X合金的優(yōu)良特性，使得鈦鋁合金在航空航天用材料展現(xiàn)出了令人矚目的發(fā)展前景,。
日本三菱公司采用包套鍛成形出了Ti-42Al-10V合金葉片,，該合金具有較好的高溫塑性，該公司還開發(fā)了Ti42Al5Mn合金,，并且采用鍛造后機(jī)械加工的方式制造出渦輪葉片等零件,。
鈦鋁合金成為先進(jìn)軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)及低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計(jì)劃在GE90發(fā)動(dòng)機(jī)中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金,，將減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量200～300千克以上,。
空中客車和波音公司正致力于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推比，低壓渦輪減重潛力最大,，在不久的將來渦輪后部轉(zhuǎn)子葉片將采用鈦鋁合金葉片,。
“三號(hào)選手”--鋁鋰合金 鋰是世界上最輕的金屬元素,，把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就成了鋁鋰合金了,。在金屬鋁中加入鋰之后,，合金的密度會(huì)將低，剛度會(huì)增加,，同時(shí)仍然保持較高的強(qiáng)度,、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性、延展性,。所以鋁鋰合金具有低密度,、高比強(qiáng)度、高比剛度,、優(yōu)良的低溫性能,、良好的耐腐蝕性能和卓越的超塑成形性能，用其取代常規(guī)鋁合金,，可使構(gòu)件質(zhì)量減輕10％～15％,，剛度提高15％～20％。
因?yàn)檫@些特性,，這種新型的合金受到了航空,、航天等行業(yè)的廣泛關(guān)注。例如麥道公司的C-17運(yùn)輸機(jī)使用了鋁鋰合金板材和擠壓型材制造貨艙的地板梁,、襟翼副翼蒙皮等結(jié)構(gòu),，用量達(dá)2.8t，比用普通鋁合金減重208kg,，法國(guó)幻影式戰(zhàn)斗機(jī)上也大量應(yīng)用鋁鋰合金,，其成本低于熱固塑料和金屬基復(fù)合材料。
早在20世紀(jì)70年代,，前蘇聯(lián)就將鋁鋰合金用于制造雅克－36飛機(jī)的主要構(gòu)件,，包括機(jī)身蒙皮、尾翼,、翼肋等,，該飛機(jī)在惡劣的海洋氣候條件下使用，性能良好,。20世紀(jì)90年代初又在米格－29和米格－31飛機(jī)上采用1420合金焊接結(jié)構(gòu),，使減重效果進(jìn)一步提高。
與纖維復(fù)合材料相比低密度鋁鋰合金不需要因新的制造設(shè)備而投入大量資金,。這樣由于復(fù)合材料質(zhì)量輕而節(jié)約的費(fèi)用遠(yuǎn)不能抵消由于設(shè)備的投資費(fèi)用,，所以在一些應(yīng)用方面，鋁鋰合金比復(fù)合材料更有實(shí)質(zhì)的效果。
正因?yàn)槿绱?，鋁鋰合金如今已經(jīng)在軍用飛機(jī),、民用客機(jī)和直升飛機(jī)上使用或試用，主要用于機(jī)身框架,、襟翼,、翼肋、垂直安定面,、整流罩,，進(jìn)氣道唇口、艙門燃油箱等等,。
目前,，鋁鋰合金的生產(chǎn)方法技術(shù)主要有：鑄錠冶金法，粉末冶金法,，熔鹽電解法,。
前面已經(jīng)介紹了鑄錠冶金法和粉末冶金法，現(xiàn)在給大家介紹熔鹽電解法制備鋁鋰合金,。
鑒于傳統(tǒng)的合金制備方法存在的缺點(diǎn)，研究者們研究出了一些更好的制備方法,，其中比較有代表性的就是熔鹽電解法,。熔鹽電解法制備鋁鋰合金最初是日本的大學(xué)開始研究的，它將LiCL-KCL系電解液放在經(jīng)加工的陶瓷纖維容器中作陰極,，熔融鋁作陽極進(jìn)行電解,。生成的金屬鋰在陰極析出，并擴(kuò)散到熔融鋁中,，一步直接合金化,。 “四號(hào)選手”--納米陶瓷鎂合金 鎂在工程學(xué)中具有重要作用和潛能，它被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)金屬材料中能夠承重的最輕金屬,，另一方面,，在強(qiáng)度與硬度方面的表現(xiàn)，鎂與其他金屬相比可能略遜一籌,。金屬鎂的密度僅為鋁的三分之二,，是最輕的結(jié)構(gòu)性金屬。研究人員在金屬鎂中注入大量直徑小于100納米的碳化硅顆粒,，能夠顯著提升材料的強(qiáng)度,、硬度和可塑性，以及高溫下的耐用性,。
這種由金屬鎂和碳化硅納米顆粒組成的新型超強(qiáng)金屬材料的剛重比非常高,，用這種材料制造的飛機(jī)、航天器和汽車重量更輕,，因此經(jīng)濟(jì)性也更高,。
為了研制這種超強(qiáng)但輕質(zhì)的金屬材料,，研究員用碳化硅來生產(chǎn)這種金屬材料，小于100毫微米的碳化硅能夠充分分散于熔融狀態(tài)的鎂鋅合金,，而粒子本身的動(dòng)能則能防止它們簇成一團(tuán),。
然后，該材料通過高壓扭轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行壓縮,。目前,，高壓扭轉(zhuǎn)在金屬加工工藝中非常普遍，壓縮力和扭轉(zhuǎn)變形同時(shí)作用于材料,。在過去二十幾年里,，因?yàn)榭梢陨a(chǎn)出高強(qiáng)度和晶粒細(xì)化材料（甚至是納米級(jí)別材料），高壓扭轉(zhuǎn)方式在業(yè)內(nèi)逐漸流行,。
最終產(chǎn)出的金屬?gòu)?fù)合材料由14%的碳化硅納米粒子和86%的鎂構(gòu)成,。新材料在試驗(yàn)過程中，展示出了相關(guān)材料歷史上最高強(qiáng)度水平以及最優(yōu)硬度重量比,。而且,，材料還展示出了超強(qiáng)的耐高溫特性。
該新型材料獲將比塑料還要輕,，比金屬變現(xiàn)的還要好,，未來將在航空航天領(lǐng)域大展身手。
面對(duì)復(fù)合材料的挑戰(zhàn),，新型金屬材料給出了強(qiáng)有力的回應(yīng),，而新型的金屬材料也遠(yuǎn)不止上面說的那些。在面對(duì)這兩種材料的斗爭(zhēng),，空客和波音這兩個(gè)航空制造業(yè)巨頭對(duì)這兩種材料則是各有側(cè)重和扶持,。
在復(fù)合材料方面，他們主動(dòng)探索低成本,、高效率的機(jī)翼和機(jī)身制造技術(shù),，繼續(xù)推進(jìn)波音787和A350的制造技術(shù)改進(jìn)；
在金屬合金方面,，他們積極采用第三代鋁鋰合金,，并且在激光焊接、攪拌摩擦焊,、激光噴丸等先進(jìn)工藝上尋求突破,，持續(xù)用于波音747-8和A380的效率改進(jìn)和性能提升。 A350鈦合金以及鋁合金材料
可以斷定,，這場(chǎng)航空領(lǐng)域的爭(zhēng)奪還將繼續(xù)下去,。
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