航材院九九年科研工作总结_13209

工艺创新在航空材料发展中的显要作用曹春晓北京航空材料研究院二○○四年七月目录1.前言2.航空材料发展背景3.工艺创新在航空材料发展中的显要作用3.1塑性成形工艺的典例3.2凝固成形工艺的典例3.3粉末成形工艺的典例3.4热处理工艺的典例3.5复合工艺的典例4.结束语1.前言●材料发展的驱动力——永无止境地追求两“高”两“低”的目标。高性能高效率低成本低污染●不同的使用对象和不同的历史时期，材料发展的驱动力可能有不同的侧重，但是应综合考虑两“高”两“低”的要求。●材料的力学性能和使用可靠性取决于组织结构（包括缺陷情况），而组织结构不仅取决于成分，而且取决于工艺（制备技术）。●材料发展的创新途径（成分创新、工艺创新）目的都是在更高层次上满足两“高”两“低”的要求。●不同的具体情况下，材料创新途径可能有不同的侧重，但都应把成分创新与工艺创新紧密结合起来。在很多情况下，工艺创新往往是最有效的综合达到两“高”两“低”目标的途径。2.航空材料发展背景●先进飞机及其发动机（特别是军用的）的需求是航空材料发展的强大推动力。●美国21世纪保持空中优势的主要支柱：◇三大战斗机：F/A-18E/F，F/A-22，F35◇无人机：侦察机和作战机◇轰炸机：B-2和高超音速轰炸机F/A-18E/F（超黄蜂，2002年开始服役，舰载机）◇F/A-18C/D（黄蜂）的放大型（增大25%）◇作战半径增大约40%◇可生存性大6～10倍◇武器挂点增加2个◇隐身性能提高F/A-22（猛禽，2005年开始服役，四代机典型代表）◇隐身◇巡航M1.5，Mmax=2.0◇非常规机动性好◇先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。2004年4月29日开始的使用试验证实，一次演习中用5架F-15对付一架F/A-22，F/A-22在3分钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见F/A-22。F-35(JSF,2008年开始服役，空中霸主）◇轻型多用途◇Mmax=2.5，不超音速巡航◇隐身◇价廉，2800～3500万美元/架◇美三军和英皇家海军共订购3002架，以色列、新加坡、希腊、波兰、韩国、澳大利亚、台湾都要加盟X-45(2008开始服役，无人作战飞机）◇飞行高度最终目标为1.2万米◇2006年将让无人作战机与人工驾驶机混合战斗训练◇2002年5月22日X-45A首次秘密试飞成功◇隐身、无尾B-2（幽灵，已服役，隐形轰炸机）◇隐形，雷达截面积0.1m2◇远程，航程（空中加油一次）＞18530km◇精确制导，每架可投掷16颗2000磅钻地弹◇与F/A-22组成一支能快速部署的全球隐身打击特遣部队B-3(概念设计图，2025年开始服役，高超音速轰炸机）◇M＞5，1小时内横越大西洋，几小时内轰炸世界上任何地点◇隐身◇载弹量≥B-52美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比机型F-16YF-17F/A-18A/BF/A-18C/DF/A-18E/FF/A-22F-35B-1B-2X-45AX-45B复合材料389.51023243629385090钛合金2712131541272126铝合金8373505029154119钢510151614596●随着军用飞机的发展，各种材料在飞机机体上的用量不断变化，总的趋势是复合材料和钛合金的用量逐渐增多SR-71高空高速侦察机●高超音速轰炸机用材必然要发生很大变化。即使早期研制成功的SR-71高空高速侦察机（M=3），由于蒙皮温度已相当高，故钛合金用量高达93%。当M5时，蒙皮温度高达数千华氏度，材料问题非常突出。波音民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）机型B707B727B737B747B747SPB757B767B777B7E7钛合金0.212.22.5462715复合材料1331150●随着民用飞机的发展，各种材料在飞机机体上的用量也有变化，总的趋势也是复合材料和钛合金的用量不断增多。波音飞机钛用量随年代的变化机型钛合金复合材料第三代客机A3204.55.5第四代客机A34068研制中客机A3801022空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）●美国21世纪保持空中优势的高性能发动机◇F414（推重比9，F/A-18E/F用）◇F119（推重比10，F/A-22用）◇F135（F119的推力增大型，F35用）◇推重比15～20发动机（综合高性能涡轮发动机技术）◇高超音速飞机用冲压喷气发动机F119发动机（F/A-22用）高超音速飞机X-43A采用冲压喷气发动机以三轴式结构和全钛压气机为主要特色的遄达发动机和RB211发动机●现代民用飞机均采用涡扇发动机作为动力装置，而其中罗·罗公司生产的三轴式涡扇发动机最具特色。发动机上各种材料用量的变化趋势●随着航空发动机的发展，各种材料在发动机中的用量不断变化。总的趋势是从钢、铝时代逐渐转化成冷端以钛为主、热端以镍为主的镍、钛、钢“三国鼎立”的时代。未来的趋势是部分地被树脂基、金属基、陶瓷基复合材料和金属间化合物所取代。3.工艺创新在航空材料发展中的显要作用从上述发展背景可以看出，为了满足飞机及其发动机日新月异的需求，航空材料必须不断创新，而材料创新的内涵包含成分创新和工艺创新两大部分。成分创新在满足飞机及其发动机需求方面的重要作用通常不会被人们忽视或忘却，而工艺创新在满足飞机及其发动机需求方面的重要作用却容易被一部分人忽视或忘却。因此，很有必要通过下面的各种典型实例阐明工艺创新在航空材料发展中的显要作用。3.1塑性成形工艺的典例3.1.1钛合金高低温交替锻造工艺●金属材料从铸锭开坯经坯料锻造直至最终模锻往往要经过很多火次，每火的加热温度通常是从高温递减至较低温度，国内外钛合金传统的锻造工艺也是如此。然而，钛合金大型锻件及其坯料的组织经常出现严重的不均匀，俗称“大花脸”，对力学性能不利。●经过研究和生产实践，我们根据全程组织设计的概念，进行了全程工艺设计，创立了AHLT工艺，即从铸锭开坯直至最终模锻进行全程的统筹安排，其锻前加热温度经历了“高—低—高—低”的程序，其中“高”指β区加热，“低”指α＋β区加热。该工艺获得了均匀的金相组织和优良的综合性能。俄罗斯和我国钛合金盘高倍组织均匀性的对比俄罗斯钛合金盘的高低倍组织我国钛合金盘的高低倍组织TC11钛合金高压压气机转子，其压气机盘全部采用高低温交替锻造工艺。该“工艺研究”项目获国家科技进步一等奖。迄今为止，TC11仍是我国军用工业中年用量最大的一种钛合金牌号，有力地推动了钛合金材料的发展。3.1.2钛合金高温形变强韧化工艺传统的α＋β锻造工艺虽能获得较高的δ、ψ，但KIC低，da/dN快，蠕变抗力低，这不适应损伤容限设计和高温零件的要求。因此，国内外均在发展高温形变强韧化工艺，花样颇多，如近β锻、准β锻、亚β锻、β锻、全β锻等，均在不同程度上提高了KIC和蠕变强度，减慢了da/dN，其δ和ψ虽在多数情况下有不同程度降低，但并不影响使用可靠性。这种关键性能上的戏剧性变化是单纯依靠合金成分的改变所办不到的。性能上的变化取决于组织上的变化，而组织又取决工艺。钛合金不同类型的显微组织123456987101112131415TA12钛合金高压压气机盘和鼓筒（采用急冷式β模锻工艺）百花齐放的各种高温形变强韧化工艺均取得良好效果和不同程度的应用。其中以急冷式β模锻工艺为主要创新点的TA12钛合金应用研究获部级科技进步一等奖，而近β锻造工艺最近获国防科学技术一等奖。3.1.3等温、近等温和超塑性加工工艺钛合金材料发展过程遇到的较大困难是塑性加工温度范围狭窄，而且由于导热性差（见表）而使坯料表面温度冷却很快，其变形不均匀问题很难解决，相应地组织性能不均匀和表面裂纹等问题突出。测试温度，℃TC6钛合金30CrMnSiA钢2A11铝合金100829.313040012.630.617670016.827.2\三种材料的热导率W/(m℃)——这三种工艺在定义上是有差别的，但相互联系很紧密，就合而言之。美国GE公司采用近等温塑性加工工艺发展Ti-Al系金属间化合物材料●等温或近等温塑性加工也促进了难变形的Ti-Al系金属间化合物材料的发展●创新性等温或近等温塑性加工工艺促进了SP700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)等新型超塑性钛合金的发展●一个古老的典型实例--大马士革钢宝刀的历史故事早在11世纪末到13世纪末的200年里，骠悍的阿拉伯骑兵那闪闪发光、锋利无比的大马士革宝刀曾使东征的十字军闻风丧胆。锻打宝刀的铁坯产于印度，能被叙利亚工匠锻成削铁如泥的宝刀，但运至欧洲让最高明的工匠锻造时，却脆得无法成形。这是因为当含碳量高达1.5%时，虽可显著提高钢的强度和硬度，却因形成大量脆性的渗碳体网状组织而无法锻打刀剑。宝刀虽尚能找到，锻造技术却久已失传。直到20世纪60年代，美国斯坦福大学的两位冶金师揭开了大马士革宝刀的秘密。原来高含量碳的加入虽会导致脆性，但也能阻止晶粒长大而获得超细晶粒（平均直径为九个微米），从而在一定条件下使它处于超塑性状态。现在，这种新的经过超塑性加工的钢刀钢剪已在美国和日本上市，人们在自己的厨房里就可一试大马士革宝刀的锋芒了。3.1.4超大变形量连续冷拉工艺●普通碳钢的拉伸强度为290～590MPa，但日本在90年代将低碳铁素体钢经特殊热处理后再以99.99%变形量通过金刚石模板连续冷拉成超细纤维(1m长的丝材坯料被拉成1万米的纤维)，这时它的拉伸强度竟高达5300MPa，同时又保留了铁素体原来的塑性和韧性。这与组织的细化和缺陷的减少有关。冷拉超细纤维的直径越小，强度越高。直径50m纤维的强度为4170MPa，直径15m纤维的强度为5300MPa。●单纤维冷拉效率低，近期发展的集束包套冷拉工艺可一次将上百根金属丝坯拉制成超细纤维。包套用铜制成，具有很好的润滑性。拉制后用化学铣削法去除铜套，纤维表面光滑，截面均匀，还可防止断丝。目前已用此法获得直径为10m的不锈钢超细纤维。●冷拉超细纤维与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等组合成混合纤维，加入到树脂基体中制成复合材料可发挥综合性能优势，获得飞机设计师们的青睐。3.2凝固成形工艺的典例3.2.1金属型精铸工艺●美Howmet公司和P&W公司联合推出，1991年开始用于高温合金，后来又用于钛合金。●分GMM（重力金属型铸造）和VDC（真空金属模铸造）。●与陶瓷型熔模铸造相比，节省成本40～50%，减少了污染，提高了性能（见图）。钛合金金属型铸件与陶瓷型铸件、锻件的性能对比●已用GMM工艺制造了F119发动机压气机第4、5级阻燃钛合金可调式导流叶片精铸件（见图）。●打算用VDC工艺制造钛合金风扇和压气机叶片，如能实现，则更是一个重大突破。F119发动机（F/A-22用）F119发动机压气机第4、5级阻燃钛合金可调式导流叶片金属型铸件●小型件→大型整体发动机机匣→大型复杂整体飞机结构件●应用典例之一——V-22Osprey垂直起落飞机（倾转式旋翼）的转接座（见图）V-22Osprey飞机Ti-6Al-4V转接座3.2.2大型复杂整体结构件熔模精铸●应用典例之二——F-22飞机的垂尾方向舵作动筒支座F-22（2005年前开始服役）●为什么要用？主要是为了大幅度减少零件数而显著降低成本、缩短周期和减轻结构重量。以V-22转接座为例，降低成本30%，加工和安装时间减少62%V-22转接座前后两种方案的对比示意图主要靠关键技术及其诱人的效果壮了胆。●三大关键技术：(1)计算机技术（特别是工艺模拟）；(2)热等静压；(3)β热处理。●诱人的效果：铸造系数从1.25～2.00降至1.00；既精确控形，也精确控性。●促进了钛合金铸件在F-22等飞机上的大量应用，F-22就有6个大型Ti-6Al-4V铸件，连F-22的侧机身与机翼的接头这种非常关键的零件都采用了Ti-6Al-4V铸件，无疑这是钛合金铸造技术迈出的非常大的一步！——2002年初Howmet公司又接到一批F-22大型钛铸件的订货合同，总价值800万美元。●为什么敢用？美国、英国与航材院涡轮叶片用高温合金的发展3.2.3高温合金叶片材料的发展史首先是