在航空運(yùn)輸日益發(fā)達(dá)的今天，人們對(duì)飛行已經(jīng)相當(dāng)熟悉：伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)有力的轟鳴聲，飛機(jī)騰空而起，起落架隨之緩緩收入艙內(nèi)，飛機(jī)經(jīng)過(guò)短暫的爬升后迅速消失在地平線上。所有這些，依賴(lài)的是高效的機(jī)體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)、強(qiáng)壯的起落架、先進(jìn)的系統(tǒng)等，而構(gòu)成這一切零部件基礎(chǔ)的主要是航空金屬材料。
合金家族之一：鋁合金
1903年，美國(guó)萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機(jī)，所選用的材料是木材和帆布，飛行速度只有每小時(shí)16公里，和騎自行車(chē)的速度相差無(wú)幾。
1911年，鋁合金研制成功，并很快取代了木材和帆布，成為制造飛機(jī)的主要材料。第一次世界大戰(zhàn)期間，全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)已經(jīng)很普遍了。
從木布結(jié)構(gòu)過(guò)渡到金屬結(jié)構(gòu)，飛機(jī)的速度和其他性能實(shí)現(xiàn)了一次飛躍。例如，到1939年，螺旋槳飛機(jī)創(chuàng)造的最高時(shí)速已達(dá)755公里，僅36年的時(shí)間，飛機(jī)的飛行速度提高了47倍。如今，在飛機(jī)所使用的金屬材料中，鋁合金仍占有重要地位。
航空用鋁合金密度低、耐腐蝕性能好，且具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，容易加工成型，有足夠的使用經(jīng)驗(yàn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的理想材料。
從誕生以來(lái)，鋁合金隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)的要求而不斷發(fā)展，其性能也日益強(qiáng)大。例如，1954年，英國(guó)的3架“彗星”飛機(jī)先后墜毀，事故分析表明，墜機(jī)的主要原因是材料疲勞以及部分7075-T6鋁合金構(gòu)件被嚴(yán)重腐蝕。經(jīng)過(guò)探索，研究人員突破了過(guò)時(shí)效熱處理問(wèn)題，研制出第二代耐腐蝕鋁合金，有效提升了飛機(jī)的安全水平。
如今，航空鋁合金的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入第六階段。2005年4月27日，世界上最大的寬體客機(jī)空客A380在圖盧茲?rùn)C(jī)場(chǎng)成功首飛。A380能夠取得成功，先進(jìn)材料的應(yīng)用立下了汗馬功勞。其中，加拿大鋁業(yè)公司和美國(guó)鋁業(yè)公司就為A380開(kāi)發(fā)了新型鋁合金材料。
早在1998年，加拿大鋁業(yè)公司就與空客公司達(dá)成協(xié)議，共同組建為A380飛機(jī)攻關(guān)的集成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，一起開(kāi)發(fā)新型鋁合金材料。根據(jù)A380各部件的特點(diǎn)，加拿大鋁業(yè)公司開(kāi)發(fā)出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列鋁合金。每種合金都具有不同的性能和特點(diǎn)。
以7040-T7651合金為例，A380外翼的前梁和中央翼梁對(duì)材料的靜強(qiáng)度以及斷裂韌性提出了很高的要求。同時(shí)，材料還必須具有良好的延展性和機(jī)械加工性。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，加拿大鋁業(yè)公司對(duì)原有合金AA7010/7050-T7651進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出新型合金7040-T7651。這種合金具有高靜強(qiáng)度、高韌性、低殘余應(yīng)力和良好的延展性等特點(diǎn)。
美國(guó)鋁業(yè)公司成立于1888年。一百多年來(lái)，該公司研發(fā)了一系列鋁合金材料，為航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。
美國(guó)鋁業(yè)公司也參與了空客A380的研發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的整體化、大型化，該公司開(kāi)發(fā)出可用于整體結(jié)構(gòu)的新型鋁合金7085大型鍛件，其截面厚度可達(dá)300毫米。在A380項(xiàng)目中，用7085鍛件制造的應(yīng)急艙門(mén)，零件數(shù)量從個(gè)減至40個(gè)，緊固件由1400個(gè)減至450個(gè)，重量減輕了20%，成本降低了20%?25%，承載能力和疲勞壽命也得到了顯著提高。
合金家族之二：鈦合金
鈦及鈦合金材料密度低、比強(qiáng)度高(目前金屬材料中最高)、耐腐蝕、耐高溫、無(wú)磁、組織性能和穩(wěn)定性好，可以與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)直接連接，而且兩者之間的熱膨脹系數(shù)相近，不易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，具有優(yōu)良的綜合性能。因此，鈦合金在航空領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
1949年，美國(guó)道格拉斯公司在DC-7運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙和隔熱板上，第一次使用了鈦合金。洛克希德公司的“黑鳥(niǎo)”高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)SR-71，飛行速度超過(guò)3馬赫，在高速飛行時(shí)，機(jī)體表面溫度將超過(guò)常規(guī)鋁合金蒙皮的極限，如果用鋼制造，飛機(jī)重量會(huì)大大增加，影響飛行速度和升限等性能。因此，SR-71的機(jī)身大量采用了鈦合金，總重達(dá)30多噸，占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%。
隨著人們對(duì)飛機(jī)性能要求的不斷提高，民用飛機(jī)的鈦合金用量也在逐漸增加。早期波音707上的鈦合金部件用量?jī)H占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%，到最新的波音787，占比高達(dá)15%。
此外，鈦合金也是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料。早期美國(guó)F-4戰(zhàn)斗機(jī)使用的J79發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦合金的用量只有50千克，不到總重量的2%。而現(xiàn)在大多數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量已經(jīng)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的25%?30%。如波音747、767的發(fā)動(dòng)機(jī)JT9D，其用鈦量為總重量的25%;空客A320的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)，其用鈦量為總重量的31%。
鈦合金的另一大用途是作為螺栓、鉚釘?shù)染o固件材料。這些緊固件雖小，但用量卻很大，使用鈦合金緊固件可以大大減輕重量。據(jù)估算，C-5大型運(yùn)輸機(jī)有70%的緊固件為鈦合金緊固件，飛機(jī)因此而減重1噸左右。
現(xiàn)在鈦合金3D打印技術(shù)已用于飛機(jī)制造。鈦合金3D打印技術(shù)由于擺脫了傳統(tǒng)的模具制造這一顯著延長(zhǎng)研發(fā)時(shí)間的環(huán)節(jié)，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零件，因而為先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。
合金家族之三：超高強(qiáng)度鋼
超高強(qiáng)度鋼在強(qiáng)度、剛性、韌性以及價(jià)格等方面具有很多優(yōu)勢(shì)，且擁有在承受極高載荷條件下保持高壽命和高可靠性的特點(diǎn)，在航空領(lǐng)域得到廣泛使用。
例如，飛機(jī)的起落架要承受沖擊等復(fù)雜載荷，而且載荷巨大，同時(shí)還要求起落架艙容積盡可能小，超高強(qiáng)度鋼絕對(duì)強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好，因此成為起落架的首選材料。
20世紀(jì)60年代，美國(guó)成功開(kāi)發(fā)了300M超高強(qiáng)度鋼。300M鋼的抗拉強(qiáng)度高，達(dá)到1860MPa以上。它的橫向塑性高，斷裂韌性好，與同強(qiáng)度低合金超高強(qiáng)度鋼相比，300M鋼的抗疲勞性能更好，在介質(zhì)中的裂紋擴(kuò)展速率低。這些特點(diǎn)使得300M鋼成為大型飛機(jī)起落架的主要材料。
1992年，美國(guó)又開(kāi)發(fā)了AreMet100。AreMet100與300M的強(qiáng)度級(jí)別相同，但耐腐蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能較300M鋼有較大提高，是目前綜合性能最好的超高強(qiáng)度鋼。F-22、F/A-18E/F就使用了AreMet100作為飛機(jī)起落架的主要材料。
超高強(qiáng)度鋼的另一應(yīng)用是作為一些特殊傳動(dòng)部件的基體材料，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承和傳動(dòng)齒輪。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承和齒輪的工作環(huán)境完全可以用“煉獄”來(lái)形容，它們不僅要承受各種應(yīng)力的擠壓和摩擦，而且絕不允許在使用過(guò)程中出現(xiàn)裂紋等損傷，只有超高強(qiáng)度鋼才可擔(dān)此重任。目前，世界上只有極少數(shù)國(guó)家掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件超高強(qiáng)度鋼的制造技術(shù)。
合金家族之四：未來(lái)之星—鎂合金
鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、抗震能力強(qiáng)、可承受較大沖擊載荷等特點(diǎn)。
國(guó)外最早針對(duì)鎂合金的研究主要是在航天器的應(yīng)用領(lǐng)域，后來(lái)逐漸發(fā)展到航空領(lǐng)域。1934年，德國(guó)開(kāi)始將鎂合金制造的飛機(jī)零部件應(yīng)用到?？薋w-200飛機(jī)上，主要用在飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、機(jī)翼蒙皮及座位框架上，每架飛機(jī)共用鎂合金材料大約650kg。
目前，鎂合金材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：飛機(jī)框架、座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、齒輪箱等。2010年，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局針對(duì)用AZ31、WE43等制造的鎂合金飛機(jī)座椅，開(kāi)展了大量的整機(jī)可燃性試驗(yàn)，比較了這兩種鎂合金的可燃性、燃燒持續(xù)時(shí)間等性能。
埃塞克斯飛機(jī)公司用鎂合金板材及型材制造的190-8327L飛機(jī)油箱，與用鋁合金制造的油箱相比，每升容積可減重0.144?0.168kg，整架飛機(jī)的最大減重可達(dá)454kg。
目前，一些高溫鎂合金如WE43、WE54等已被廣泛應(yīng)用于新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱和直升機(jī)的變速系統(tǒng)中，如西科斯基的S-92直升機(jī)。這些鎂合金材料能較好地適應(yīng)高溫、腐蝕、震動(dòng)和沙塵等比較惡劣的環(huán)境。
伴隨著航空金屬材料的不斷發(fā)展，飛機(jī)金屬加工工藝也在迅速發(fā)展，如大型壁板時(shí)效成型技術(shù)、大型模鍛件制造、3D打印技術(shù)、先進(jìn)膠結(jié)技術(shù)、先進(jìn)焊接技術(shù)等。
在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要綜合材料優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，物盡其用，這樣才能最大限度地發(fā)揮材料的性能，真正實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全、高效，達(dá)到減少重量、降低制造和運(yùn)營(yíng)成本的目的。
