航空金属材料

第八章航空材料航空材料的分类：按化学组成(或基本组成)分类(1)金属材料：由金属元素或以金属元素为主体组成的具有金属特性的材料。(2)无机非金属材料：无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和(或)氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。高分子材料(聚合物)：由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。2004年度国家技术发明奖一等奖：高性能炭/炭航空制动材料的制备技术(中南大学黄伯云院士等)耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术(西北工业大学张立同院士等)第一节航空金属材料一、金属材料及影响其性能的因素：金属材料分为：纯金属和合金。金属特性：导电性、导热性、延展性、光泽性、正的电阻温度系数。例如：钢、铁、铜、铝等。影响其性能的因素：化学成分：组成物质的基本元素及其含量。化学成分主要由冶炼和铸造控制，特别是靠冶炼来保证。化学成分不同，金属材料的性能不同。结构：原子在空间有规律排列的形式(原子集合体中各原子的具体组合状态)。例如：石墨和金刚石。结构不同，性能不同。组织：用肉眼和借助于不同放大倍数的显微镜观察到的金属材料内部各种相的晶粒大小、形态和分布。不同成分具有不同的组织；同种成分不同的加工、处理工艺可获得不同的组织。组织不同，性能也不同。左图为Al—Si合金的共晶组织金属铸锭组织成分-结构-性质-工艺过程之间关系示意图合成与制备过程使用性能性质成分与结构(化学)(工程)(物理学)金属材料的成分不同，结构组织不同，性能不同。改变金属材料的性能：内在因素——成分、结构、组织外在因素——各种加工处理工艺(外在因素通过改变内在因素改变材料的性能)二、金属材料的性能：零件的加工过程：冶炼下料(锻件、铸造件)预先热处理机加工最终热处理磨削装配使用对金属材料性能要求：工艺性能，使用性能。工艺性能：能适应实际生产工艺要求的能力。在于能不能保证生产、制作。包括：铸造性能——流动性，收缩性，偏析等；锻造性能——固态流动性，冷变形硬化能力等；以及切削加工性能，热处理性能，焊接性能。使用性能：在使用中应具备的性能。在于保证能不能应用。包括：物理性能，化学性能，机械性能(强度、硬度、塑性、韧性)1、金属键的“自由电子”模型金属原子的最外层价电子脱离原子核的束缚，形成“自由电子”或称“离域电子”。这些电子与正离子吸引形成金属晶体。金属的这种结合力成为金属键。金属的一般特性都是和金属中存在这种“自由电子”模型。三、金属的结构理论固体能带理论是关于晶体的量子理论．对于金属中的能带，常用“紧束缚近似（TBA）”模型，它相当于分子中LCAO-MO在晶体中的推广：2、固体能带理论分子轨道能级演变成能带的示意图根据能带的分布和电子填充情况，能带有不同的性质和名称：充满电子的能带叫满带部分能级充满的能带叫导带能级最高的满带和导带总称价带完全没有电子的能带叫空带各能带间不能填充电子的区域叫带隙，又称禁带单价金属Na的能带结构导体的能带结构特征是具有导带．Na的能带结构:1s、2s、2p能带都是满带，而3s能带中只填充了其中N／2个轨道，是部分填充电子的能带，即导带．3s2p2s1sMg的3s能带虽已填满，但与3p空带重叠，总体看来也是导带．3s与3p金属Mg的能带结构绝缘体Eg5eV只有满带和空带，且Eg超过5eV,在一般电场条件下难以将满带电子激发入空带，因此不能形成导带.Eg3eV只有满带和空带，但Eg小于3eV．易受光或热激发使满带中部分电子跃迁到空带，形成导带而导电．半导体金属单质晶体结构比较简单,这与金属键密切相关:由于金属键没有方向性和饱和性，大多数金属元素按照等径圆球密堆积的几何方式构成金属单质晶体，主要有立方面心最密堆积、六方最密堆积和立方体心密堆积三种类型.3、球的密堆积等径圆球以最密集的方式排成一列（密置列），进而并置成一层（密置层），再叠成两层（密置双层），都只有一种方式：3.1等径圆球最密堆积请点击按钮打开晶体模型密置层如何叠起来形成密堆积?先考察一个密置层的结构特点：等径圆球的密堆积从一个密置层上，可以看出这样几点：1.层上有3个特殊位置:球的顶部A、上三角凹坑B和下三角凹坑C.以该层为参照层，称为A层;2.叠加到A层上的第二层各个球只能置于凹坑B或C.由于上下三角只是相对而言,故称第二层为B层;3.第三层叠加到第二层B上时，只可能是C或A层;4.无论叠加多少层，最多只有A、B、C三种,最少有A、B两种(因为相邻层不会同名);5.若以后各层均按此方式循环,每三层重复一次，或每两层重复一次，就只会产生两种结构：这两种最密堆积是金属单质晶体的典型结构.（2）ABABAB……,即每两层重复一次,称为A3(或A3)型,从中可取出六方晶胞。（1）ABCABC……,即每三层重复一次,这种结构称为A1(或A1)型,从中可以取出立方面心晶胞;A3堆积：ABAB……请点击按钮打开晶体模型3.2小结:几种典型的金属单质晶体结构四、钛及其合金钛及其合金的发展历程钛及其合金的分类β钛合金在航空航天中应用1.1钛的发现钛元素于1791年被英国人格雷戈尔首先发现,工业矿是金红石(TiO2)和钛铁矿。(含量60%)地壳中未发现过纯钛。钛及其合金的发展历程1.2、钛的制备与发展钠还原法原理TiCl4+4NaTi+4NaCl(1)1932年Kroll使用Ca代替了钠制备钛TiCl4+2CaTi+2CaCl2(2)被誉为“钛工业之父”镁还原法原理TiCl4+2MgTi+2MgCl2这种方法有两个过程：还原和蒸馏,制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。1948年，美国杜邦公司首先商业化生产金属钛。但由于制纯钛难度大，钛的价格非常高。中国继美、日、前苏联之后，于1958年开始钛的生产。TiCl4和Mg分子吸附在活性中心TiCl4液体的气化发生化学反应结晶成核钛晶长大MgCl2脱附MgCl2外扩散还原过程海绵钛气体TiCl4和液体Mg的外扩散1.3钛合金的发展20世纪50年代,第一个钛合金B120VCA。合金(Ti-13V-11Cr-6Al)由美国Crucibl钢铁公司研制出来。第一个商业钛合金，由德国RemCru公司研制出来的SR-71“黑鸟”飞机机体重量的93%为钛合金1968年，钛合金Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr可以作为高强度锻件；20世纪70年代初期，此合金作中温(低于425℃)范围的发动机盘20世纪80年代中期，用于B-1B轰炸机上B-1B轰炸机1990年，普惠公司的Ti-35V-15Cr钛合金，具有抗燃烧性1.4、我国研究现状“九五”期间研制出超高强钛合金β21(TB8)钛合金“十一五”期间研制高强度亚稳钛合金Ti-B20抗拉强度：1200～1500MPa；延伸率：8%～18%α钛：熔点低于882℃，呈密排六方晶格(h.c.p)结构，称为α钛；钛及其合金的分类β钛：熔点高于882℃，呈体心立方晶格(b.c.c)结构，称为β钛。构型2.1钛的分类α钛β钛2.2钛的基本性质钛及钛合金的高速发展，是与航空和航天技术的发展以及其本身特有的优异性能分不开的;美国注重宇航用钛合金及其他各方面应用，同时开发新的应用领域；日本则注重发展非宇航领域用新型钛合金。在400~500℃间的耐热性远比Al合金和Mg合金高;有与18-8不锈钢相比媲美的耐蚀性，特别是在海水和含氨介质中的抗蚀性几乎与空气中相同;钛及钛合的强度与优质钢相近，但密度只有钢的一半，比强度最高;化学活性极高，与Cl,O,S,C,N等强烈反应(高温下)，液态下几乎同ThO2以外的所有坩埚起反应，只能用真空电耗电弧炉熔炼；钛的低温性能很好;可焊性好；具有良好的冲压性能；但耐磨性较差；弹性模量较低(120GPa)，约为铁的54%;导热系数及线胀系数均较低。其导热系数比铁低4.5倍，使用时易产生温度梯度及热应力。钛的导磁率近乎为1.0，非磁性(严格说为顺磁性)。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，由于钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。钛对超声波的阻抗较小，透声系数较高，适于做声纳导流罩之类材料。钛具有优良的生物相容性且无毒、质轻、强度高，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的材料。2.3生产方法镁热法生产海绵钛TiO2+C+Cl2＝TiCl4(液态)+2COMg+TiCl4=MgCl4+Ti纯度可达99.5%。海绵钛是多孔金属，易吸收空气中水分、氧气及氮气，因此海绵钛必须用铁桶密封包装。碘化法钛(高纯钛)分解TiI4生产的，纯度可达99.9%。海绵钛：通过热还原法生产出来的海绵状金属钛；钛材：海绵钛通过高温熔化成液体，锭铸成材。形状2.4分类、牌号与用途α钛合金性能：单相合金,组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。500℃～600℃下，其强度和抗蠕变性不变，但不能进行热处理强化，室温强度不高，塑性不高。牌号：TA1-TA8。TA1-TA3为工业纯钛。组织：α相，含有α相稳定元素(Al)及一些中性强化元素(Zr,Sn)。当加入少量β相稳定元素时，可以得到近α-钛合金，显微组织上除α相基体外，还有少量β相。典型的钛合金有Ti-8Al-1Mo-lV等。用途航空工业中最常用的一种α-Ti合金，多以板、棒材等制造在350℃以下工作的零件，用于飞机、船舶、化工以及海水淡化装置等。TA4-TA6：作钛合金的焊丝材料；TA7：500℃以下长期工作零件，如飞机蒙皮、航空模锻件。TA8：室温与高温强度较TA7高，可作发动机压气机盘、叶片等。表一α钛合金的牌号与成分β钛合金性能：单相合金,未热处理具有较高的强度，优良的断裂韧性,塑性加工性能优异,淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，工作温度低于200度。牌号：TB组织：目前有两种：退火态：稳定β淬火后：形成介稳定相β’，在工业上常用；用途：适用于制造螺栓、铆钉、冷轧板材、带材等，用于宇航工业的结构材料，广泛用于航空航天领域。表二β钛合金的牌号与主要化学成分α+β钛合金性能：双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化，但焊接性能较差。牌号用TC表示，TC1-TC10组织：含有较多的α相稳定元素和β相稳定元素。这些相的金相形态和数量依成分、热加工变形和热处理方式而异。这类合金可经处理得到很高的强度水平，典型例子有Ti-6Al-4V。Ti-6Al-4V(TC4)合金至今仍是使用最广泛的钛合金。TC1，TC2：Ti–Al-Mn系TC3，TC4，TC10：Ti–Al-V系用途：可用作火箭发动机外壳、航空发动机的压气机盘和结构锻件与紧固件。β钛合金在航空航天工业中的应用3.1.具有阻燃性能的β钛合金Ti-35V-15Cr(美国)BTT-1/BTT-3(俄罗斯)Ti-25V-15Cr-0.2Si(中国)Ti-1Al-13Cr-0.2Si(中国)F22战斗机3.2Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)钛合金Ti1023合金的拉伸强度、断裂韧性和疲劳性能相当优异，同时这种合金具有优异的锻造性能，在760℃可进行等温锻造，提供各种近净型加工锻件。波音757波音7773.3.Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3)钛合金优良的铸造性、氢抗力及损伤抗力。由于可以冷轧带材，随着薄板或带材的减小，该合金的成本可以低于常规的Ti-64的1/10。也广泛用于波音777飞机和B-1B轰炸机3.4.Ti