航空航天材料

TSINGHUAUNIVERSITY航空材料及加工成形技术概论•航空航天材料的服役环境及其要求•毛坯选择及其成形工艺•轻合金材料加工成形技术的发展动向TSINGHUAUNIVERSITY一.航空航天材料的服役环境及其要求TSINGHUAUNIVERSITY•近乎绝对的可靠性：–服役的环境大大区别于一般机械或地面及水面的运载工具，航空航天材料最大的特点就是在空中运行。–在航空航天飞行中，任何一个零部件的可靠性都提高到非常重要的地位。–必然要求构成零部件的材料必须具有近于绝对的可靠性。TSINGHUAUNIVERSITY•轻量化：–空中或空间飞行器与一般机械差异的另一个重要特点是要千方百计减轻重量。–不但要求强度高，刚度好，而且要求重量轻。•航空航天工业中最为独特的一句口号是“为减轻每一克重量而奋斗”，•“比强度”和“比刚度”：即单位重量的强度和刚度。TSINGHUAUNIVERSITY•航空航天飞行器的工作条件十分复杂和苛刻，而且彼此之间有很大的差异。•对航空材料的主要要求是耐高温、高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。TSINGHUAUNIVERSITY飞机TSINGHUAUNIVERSITY飞机的结构TSINGHUAUNIVERSITY•飞机制造材料的发展–早期：木材、蒙皮、金属丝、钢索等，–20世纪30年代：金属承力蒙皮–30~40年代：镁合金，不锈钢–40~50年代：50年代中期才开始有钛合金，并被用于飞机的高温部件。–60年代末期：大量使用树脂基复合材料，–以后：又出现了金属基及碳、硼等纤维增强的各类复合材料。TSINGHUAUNIVERSITY•飞机设计已进入损伤容限设计时代(损伤容限系指结构在规定的使用周期内,抵抗由缺陷或损伤而导致破坏的能力)，对产品的高可靠性和耐久性提出了很高的要求。•构成飞机的主要的金属结构材料有铝合金、镁合金、钛合金、结构钢、高温合金及各类复合材料等。•飞机结构用材将形成“铝合金为主，钢用量明显减少，钛合金用量显著增加，树脂基复合材料在主承力结构上全面应用”的新格局。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY•铝合金：–高比强度、低成本、性能不断改进和应用技术相对成熟使铝合金仍然是飞机机体结构的主要材料–提高耐久性和实现结构减重等方面的需求始终牵引铝合金向高强、高韧和耐蚀（抗剥蚀和抗应力腐蚀）方向发展。–含锂的铝合金较常规铝合金有高的比强、比模和低密度TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY•钛合金：–钛合金的发展是当今航空金属结构材料中最活跃的研究领域之一，–其比强度超过钢和铝合金，允许的工作温度高，有优异的抗腐蚀性能，–军用战斗机上被广泛采用，其占结构重量的比例已由F/A-18E/F的15%增加到F-22的41%。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY•树脂基复合材料：–先进树脂基复合材料具有比强度高、比刚度高，可设计性强，抗疲劳裂纹、耐腐蚀和结构尺寸稳定性好，便于复杂结构的大面积整体成形，易于实现结构承载和隐形功能一体化等突出优点。–在新一代军用战斗机、民用客机和军用直升机上的用量比例已分别达到机身结构重量的24%、11%和54%。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY航空发动机TSINGHUAUNIVERSITY•发动机材料的选择、研究、开发及使用应当建立在充分认识发动机材料使用的基本环境与要求的基础上•使用环境的基本特点是：高温，高载荷，高氧化腐蚀，而要求高性能重量比、高可靠性与长寿命。•选择材料基本性能要求：可承受的最高温度、高温比强度与比寿命、高湿抗菌化能力、韧性、导热性和加工性。•当代高推比、低油耗发动机的关键是高温结构材料。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY发动机用的典型高温材料系列•高温钛合金：–钛合金与合金钢相比具有比重小、强度高、耐高温、抗腐蚀等优点。–目前在F-100和TF-39发动机上的用量已达25%和33%。–不断地提高钛合金的工作温度和强度，以代替较重的镍基高温合金，增加发动机的推重比，应是新型钛合金研究的重点。TSINGHUAUNIVERSITY•镍基高温合金：–镍基高温合金是具有耐高温、高强韧、抗氧化、抗腐蚀、易于成形加工的宝贵材料，故又称之为超合金，是发动机中关键的材料。–目前，镍基高温合金在发动机材料中所占比重约为40%。–单晶高温合金是迄今在先进发动机中用作涡轮叶片最重要的材料，承受着最苛刻的工作条件–20世纪70年代后，为适应发动机高温高推比的要求，大大提高了涡轮盘的工作温度和应力，导致开发出某些高强合金。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY•金属间化合物：–TiAl、NiAl及难熔金属硅化合物等金属间化合物，由于晶体中金属键与共价键共存，使其有可能同时兼有金属的韧性和陶瓷的高温性能。–比陶瓷具有两个重要特点：金属间化合物具有较好的热传导性，因而作为高温结构材料使用，其冷却效率较高而热应力较小；其次，某些金属间化合物（如TiAl，NiAl）可以采用常规的冶金方法进行生产。TSINGHUAUNIVERSITY•高温复合材料：–高温金属基与金属化合物基复合材料具有较原基体更高的高温强度、抗蠕变性、抗冲击、耐热疲劳等优良的高温性能。•以B、C、SiC纤维增强的Ti3Al、TiAl、Ni3Al等金属化合物基复合材料•以W丝增强镍基、铁基合金以及以SiC、TiB2、Si3N4及BN颗粒增强的金属基复合材料–高温服役条件要求发展陶瓷及碳基复合材料。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY•从设计上对制造航空燃气涡轮发动机涡轮叶片用的材料，提出的要求：–高的抗氧化能力，即高的热稳定性；–足够的热强性，即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的能力；–满意的塑性和韧性；–更高的抗热疲劳性能，即对能引起热应力的热交换的敏感性要低；–足够高的低循环疲劳强度；–良好的抗腐蚀能力，以保持叶片的空气动力性能；–高的导热性和低的热膨胀系数；–良好的焊接性能、锻造性能，对于铸件材料还应具有优良的铸造性能、易于浇铸成形等等。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY二.毛坯选择及其成形工艺•零件毛坯的类型及其制造方法•选择材料成形工艺的原则TSINGHUAUNIVERSITY1.零件毛坯的类型及其制造TSINGHUAUNIVERSITY–铸件Casting–锻件Forging–冲压件Stamping–焊接件Welding–轧材RollinTSINGHUAUNIVERSITY铸造铸造Foundry：是一种液态金属成形的方法，即将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力、电磁力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。TSINGHUAUNIVERSITY•铸造的特点–优点：•可铸出内腔·外形很复杂的毛坯工艺灵活性大铸造成本低–缺点：•铸件的力学性能较低•铸件内部易产生缩孔·缩松·气孔等缺陷•铸造工序多,难以精确控制TSINGHUAUNIVERSITY锻压锻压：是锻造Forging与冲压Stamping的总称。对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状，改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。锻造Forging：在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定的几何形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。工（模）具一般作直线运动。冲压Stamping：通过装在压力机上的模具对板料施压，使之产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件或毛坯TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY•“锻打”发展到“塑性加工成形”，是一个从“经验”到“规律”的漫长的认识过程。•面向21世纪信息时代，锻造仍将是制造金属零件的基本方式之一。–据统计，全世界生产的钢材约有75％要经过塑性加工制成成品。–钢铁工业，20世纪增长了28倍；21世纪，仍将有很大的发展。TSINGHUAUNIVERSITY锻造的应用•形状简单，强韧性要求高的制件–锻造后，成分均匀，组织致密，晶粒细化，强韧性提高。–固态成形，制件形状受限制。TSINGHUAUNIVERSITY焊接Welding•焊接的特点:①不可拆卸的连接加工方法(通过加热或加压,并用或不用填充材料,使工件连接);②与其它连接方法(如螺栓连接·铆接等机械连接和粘接)不同,其实质是两部分金属形成原子间结合的一种连接.•优点:①连接性能好(焊缝具有良好的力学性能·密封性·耐蚀性和耐高温低温等);②省工·省料·成本低;③可减轻工件自重;④简化工艺(以小拼大,制造重型.复杂零部件,简化铸造.锻造.切削加工工艺.其它连接方法TSINGHUAUNIVERSITY•焊接不足之处–①焊接构件不可拆卸,不便更换修理部分零部件.–②焊接接头的性能与轧制的母材金属相比会有不同程度的降低.–③会产生一定的焊接残余应力和焊接变形.–④焊接接头可能产生裂纹.未焊透.夹渣.气孔等缺陷,引起应力集中,降低承载能力.TSINGHUAUNIVERSITY•焊接方法的分类–熔焊将待焊处的母材金属加热熔化,以形成焊缝的焊接方法,常以热源的种类命名，•气焊（气体火焰为热源）•电弧焊（电弧为热源）•电渣焊（熔渣电阻热为热源）•激光焊（激光束为热源）•电子束焊（电子束为热源）•等离子弧焊（压缩电弧为热源）。–钎焊采用熔点比母材低的金属材料,熔化之后润湿母材,充填接头间隙并与固态的母材相互扩散,从而实现连接(如锡焊.铜焊.银焊等).–压焊对工件施加压力(加热或不加热)以完成焊接的方法,如电阻焊等.TSINGHUAUNIVERSITY2.选择材料成形方法的原则TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY选择毛坯的原则•适用性原则：在一定的服役年限内和一定的工作条件下，为满足该零件按设计要求正常工作所提出的有关性能要求。–外部质量：零件的形状和尺寸，包括零件的加工精度、表面粗糙度和外观缺陷状况等–内部质量：材料的化学成分和金属组织及由它们所决定的材料的物理、化学和力学性能，以及内部缺陷状况等TSINGHUAUNIVERSITY•经济性原则：在满足产品使用要求的前提下，以最少的人力物力投入，生产最多的产品，或按时完成预期的某项生产任务。–生产成本•材料费：包括原材料及各项辅助材料费•燃料及动力费：如焦炭、燃油、电费等•生产工人工资：包括基本工资及各项附加工资•车间经费：包括设备及厂房等固定资产折旧费、设备维修费及维持车间正常运转的各项费用•企业管理费：包括企业管理人员、技术人员及其他辅助人员的工资、企业公用资产的折旧费以及劳保、医疗等项费用。–还要把产品的运行费用、使用效益和服役年限等因素考虑进去，进行更全面的经济核算，从中确定最佳方案。TSINGHUAUNIVERSITY•可行性原则：把主观设想的方案或获得途径，与某个特定企业的生产条件以及社会协作条件和供货条件结合起来，以保证按质、按量、按时获得所需要的零件或毛坯。•企业的生产条件–工程技术人员和工人的业务技术水平和生产经验–设备条件–生产能力–当前生产任务状况–企业的管理水平等•除本企业的生产条件外，还应把社会协作条件和供货条件考虑在内。TSINGHUAUNIVERSITY•与环境相宜原则–清洁生产：既可以满足人们的需要，又可以合理使用自然资源和能源，并保护环境的使用生产方法和措施，其实质是一种物料和能耗最少