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淺析四種合金材料在航空航天技術(shù)中的應(yīng)用論文
摘 要：航空航天工業(yè)中, 合金因強(qiáng)度大、易焊接等特點(diǎn)成為備受關(guān)注的工程材料。本文通過分析鈮合金、鋁鋰合金、鈦鋁合金、鎂合金在航空航天工程中的應(yīng)用, 揭示合金材料在該領(lǐng)域不可替代的作用, 同時(shí)指出合金存在的不足, 以及改進(jìn)的措施。同時(shí), 筆者認(rèn)為合金未來的發(fā)展方向是輕量化, 提出對現(xiàn)有合金進(jìn)行技術(shù)處理, 促進(jìn)合金的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：航空航; 鈮合金; 鋁鋰合金; 鈦鋁合金; 鎂合金;
一、前言
近年來, 新興合金工業(yè)快速發(fā)展, 有力地推動(dòng)新興合金在航空航天工程的應(yīng)用。其中鈮合金、鋁鋰合金、鈦鋁合金、鎂合金等合金由于其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于航空航天工程。本文就該四種合金在航空航天及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探討, 希望能對促進(jìn)合金性能的改進(jìn)及其應(yīng)用有幫助。
二、新型鈮合金
鈮元素位于元素周期表第五周期VB族。單質(zhì)鈮是灰白色金屬, 具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、順磁性、熔點(diǎn)高、密度小的特點(diǎn)。高溫下與硫、碳等單質(zhì)可以直接化合, 能與鈦、鋯、鎢等金屬形成合金, 用于新型航空航天工程的材料。鈮合金分為高強(qiáng)度鈮合金和低密度鈮合金。
(一) 高強(qiáng)度鈮合金
以固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化為主。一般添加鎢、鉬、鉿及0.06%-0.12%的碳進(jìn)行固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化后的合金, 高溫強(qiáng)度比較高, 是用于航空航天工程的理想材料。但由于鈮單質(zhì)隨著雜質(zhì)含量的升高會(huì)變硬, 室溫可塑性較差 (斷后延展率≤10%) 。為此, 我們一般添加大量的鉿, 以及少量的碳制成WC3009鈮合金。另外, 我們可以采用彌散強(qiáng)化的方法解決該問題。彌散強(qiáng)化過程中, 一般加入5%-10%的鉬或鎢, 使得合金的塑性大大提升了, 斷后延伸率≥25%, 而且沒有喪失比強(qiáng)度高的特點(diǎn)。
(二) 低密度鈮合金
低密度鈮合金, 它的抗氧化性比高鈮含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)Nb+W﹥80%) 的鈮合金要好, 能在550℃-800℃的大氣環(huán)境中不加任何抗氧化涂層而不被氧化。低密度鈮合金的制備方法很多, 如粉末冶金法、等離子熔煉法等。與其他方法相比, 粉末冶金法很容易得到合金材料, 成份十分均勻。隨著科技不斷發(fā)展, 3D打印技術(shù)不斷成熟, 用該技術(shù)制備復(fù)雜形狀的合金, 可以成為新的研究方向。
三、鋁鋰合金
鋰位于元素周期表第二周期ⅠA族, 是最輕的金屬, 在鋁中的溶解度比較高, 且鋰的比重小, 所以長期以來它一直被認(rèn)為可以與鋁制成合金。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 在鋁合金中平均加1%的鋰, 可使其密度降低3%, 使其彈性模量提高6%, 所以鋁鋰合金在航空航天領(lǐng)域的作用不可小覷。
(一) 鋁鋰合金的發(fā)展
上個(gè)世紀(jì)50年代到60年代初, 第一代鋁鋰合金由美國Alcoa公司和蘇聯(lián)科學(xué)家開發(fā)出來。1958年, 美國Alcoa公司研制出2020合計(jì)板材, 用在海軍RA-5C軍用預(yù)警機(jī)上。20世紀(jì)70年代到80年代后期, 是鋁鋰合金發(fā)展的第二階段。70年代的能源危機(jī)迫使航空工業(yè)要對飛機(jī)材料進(jìn)行大刀闊斧的改良, 此階段研究出的第三代鋁鋰合金, 重量減輕了7%-10%, 彈性模量提高了10%-16%, 有良好的疲勞性能。第四代鋁鋰合金, 鋰合量有所降低, 與之前相比, 其合金強(qiáng)度韌性進(jìn)一步提升。2010年, 中國航空工業(yè)集團(tuán)采用美國達(dá)文波特軋制廠的新一代鋁鋰合金成功制造出C919國產(chǎn)大型客機(jī)的直部段。鋁鋰合金的不斷發(fā)展, 將導(dǎo)致我國鋁鋰合金的廣注應(yīng)用。
(二) 鋁鋰合金的超塑性研究及航空航天工程的應(yīng)用
鋁鋰合金密度小、比強(qiáng)度高、比彈性模量大, 廣泛應(yīng)用航空航天工程。但是, 室溫塑性差、易開裂、力學(xué)性能各向異性嚴(yán)重, 成為限制其發(fā)展的主要因素。經(jīng)過科研人員的不懈努力, 以形變熱處理技術(shù)形成的超塑性鋁合金誕生, 超塑性鋁合金的誕生, 標(biāo)志著航空航天工程迎來了新的曙光。例如, 在航空領(lǐng)域內(nèi), 麥道公司在1990年3月對由鋁鋰合金 (8090) 制造的F-15B鷹戰(zhàn)斗機(jī)的整流罩進(jìn)行試驗(yàn), 它可以替代由鑄件和鈑金件裝配成的構(gòu)件。超塑性鋁鋰合金技術(shù)在航空航天領(lǐng)域正在迅猛發(fā)展。
四、變形鈦鋁合金
鈦, 位于元素周期表第四周期IVB族, 具有強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)。與鋁制成的鈦鋁合金, 密度低、強(qiáng)度高、抗氧化能力好, 這些優(yōu)點(diǎn)使之成為有巨大前景的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。鈦鋁合金經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展在國外已經(jīng)開始被工程化地應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域。
(一) 合金化鈦鋁合金
目前, 鈦鋁合金化研究取得三類成果:γ-Ti Al合金、高鈮鈦鋁合金和β-γ鈦鋁合金。傳統(tǒng)的γ-Ti Al合金中, 鋁無疑是最重要的元素。但是研究發(fā)現(xiàn)鋁占45%-48%的鈦鋁合金在凝固時(shí), 發(fā)生包晶反應(yīng), 形成柱狀晶組織, 導(dǎo)致其室溫性能一般。為了防止包晶反應(yīng)的發(fā)生, 我們必須要將鋁的含量降至45%以下。鋁含量降低后, 在加工溫度條件下引入無序體心立方β相, 從而改善一合金的熱加工性。此外, 鈮可以提高合金使用溫度, 進(jìn)一步改善合金的高溫性能。
(二) 鈦鋁合金熱加工技術(shù)
合金熱加工, 可以校正偏析、細(xì)化組織、改善鈦鋁合金的綜合力學(xué)性能。其中, 熱加工技術(shù)分為含金鍛造技術(shù)、熱擠壓技術(shù)、軋制技術(shù)、粉末冶金技術(shù)等。合金熱加工技術(shù)的關(guān)鍵之處在于精確的工藝設(shè)計(jì)與參數(shù)。目前, 鈦鋁合金發(fā)展的限制因素在于其熱加工性差、窗口窄, 這樣一來, 對加工設(shè)備要求高。因此, 設(shè)計(jì)熱加工的計(jì)算機(jī)模擬可以成為完善熱加工技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。
五、鎂合金
鎂, 位于元素周期表第三周期ⅡA族, 屬于堿土金屬元素。鎂合金尺寸穩(wěn)定、比強(qiáng)度高、易回收等優(yōu)秀特征, 被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”。
(一) 鎂合金成型新工藝
眾所周知, 航空航天工程對機(jī)件的復(fù)雜程度要求很高。為了滿足航空航天工程的需求, 鎂合金成型新工藝應(yīng)運(yùn)而生。其中包括涂層轉(zhuǎn)移精密鑄造技術(shù)、表面超聲波陽極氧化技術(shù)等新方法。
涂層轉(zhuǎn)移精密鑄造技術(shù)中, 砂芯的制備是關(guān)鍵。老式制備砂芯的方法是芯盒成型后, 在芯面上進(jìn)行涂料。傳統(tǒng)方法難以形成均勻的涂料層, 而涂料層的均勻度影響的是鑄件的光潔度與尺寸。新的工藝方法是, 運(yùn)用涂料自上充填的造型材料, 使涂層經(jīng)固化后, 自動(dòng)轉(zhuǎn)移到型芯表面, 該方法又稱“非占位式轉(zhuǎn)移涂料技術(shù)”。典型應(yīng)用就是鎂合金導(dǎo)樣殼體表面以及輪胎模具的制作。
(二) 鎂合金在航空航天工程的應(yīng)用與未來發(fā)展
鎂合金的自身優(yōu)異性能, 加上新技術(shù)的強(qiáng)化, 現(xiàn)已成為航空航天工業(yè)中不可或缺的材料。如, JDM2鎂合金經(jīng)常規(guī)等溫?zé)釘D壓技術(shù)處理后, 成功制備出輕型導(dǎo)彈的彈翼;JDM1鎂合金經(jīng)常規(guī)等溫?zé)釘D壓技術(shù)處理后, 可以制備出Φ145mm的無縫管道等等。我國是鎂合金資源大國, 而且目前航空航天工業(yè)發(fā)展的態(tài)勢是“輕量化”, 所以我國更應(yīng)大力發(fā)展鎂科技, 在鎂資源優(yōu)勢基礎(chǔ)上, 讓技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平, 才能在行業(yè)競爭中獲得生機(jī)。
六、結(jié)論
在未來航空航天工業(yè)中, 輕量化必將成為發(fā)展的重要趨勢, 合金正以它優(yōu)異的物理化學(xué)性能在航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用。如果能在合金優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上, 使其輕量化, 將會(huì)引起合金在該領(lǐng)域更廣泛地應(yīng)用。目前, 合金的易被腐蝕、價(jià)格昂貴、制造成本高、可塑性等缺點(diǎn)有待進(jìn)一步提高。強(qiáng)化合金的結(jié)構(gòu)功能一體化, 不僅能增強(qiáng)其機(jī)械性能, 而且能賦予其所不具備的特性, 可以使其在航空航天生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值提升。
參考文獻(xiàn)
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