航空航天应用中使用哪些金属材料？

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航空航天应用中使用哪些金属材料？

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自1903年莱特兄弟发明飞机以来，航空航天领域的材料科学经历了巨大的发展。从最初的木质材料到如今各种金属材料的广泛应用，金属材料在航空航天领域仍然占据着重要地位。本文将详细介绍航空航天应用中使用的各种金属材料及其特点和应用。

自1903年莱特兄弟发明飞机以来，飞机材料的更新换代速度极快，从最初占比高达47%的木质材料到如今各种金属材料不断涌现和使用。
在航空制造的发展中，已有百余年的历史，材料与飞机相互推动，不断发展、不断进步。
经过多年的发展，金属材料在该领域仍然占据突出地位，仍然是航空航天领域应用最广泛的材料。
金属材料的强度、硬度、及使用温度等性能均优于高分子材料，其韧性也远远在陶瓷等无机非金属材料之上，而且，它不吸湿、不老化、尺寸稳定、可导电导热等优良性能绝非其它材料可比拟的。
当今，高性能金属材料在航空航天技术发展中发挥着至关重要的作用，包括铝合金、钛合金、镁合金、超高强度钢、高温合金、金属间化合物、金属磁性材料等。
针对特定的航空航天零部件，需要实施特定的热处理工艺，才能满足航空航天零部件的综合性能要求。下面简单介绍几种典型的金属材料在航空航天中的应用。

铝合金

与其他材料相比，铝合金具有比模量/强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低等突出优点。
因此，尽管受到钛合金、复合材料等新材料的竞争，它仍然被认为是航空航天应用的最佳结构材料，并基于其良好的综合性能，成为航空航天工业中使用最多的金属结构材料。
例如，美国宇航局最近的一项研究报告称，尽管复合材料具有更高的单向力学性能、比强度和比刚度，但由于铝锂合金具有更好的多向抗冲击性能，因此比复合材料更适合制造猎户座载人舱。
洛克希德导弹航空公司为美国宇航局研制的测量卫星SEASAT-A上的各种传感器、发射机、天线等安装的固定装置质量1189kg，其中404kg为铝合金材料（占总质量的34%）；
被称为“半人马座”标准盖板的航天结构，长度为17.89M，直径为4.27M，质量为2973kg，其中铝合金材质为1905kg（占总重量的64%）。

铝合金

由于铝合金具有持久的综合性能优势，各国政府都将其视为战略材料，对其发展进行规划、引导和支持，20世纪末，美国能源部推出了铝工业技术指导计划，日本推出了超级铝计划，旨在通过技术创新进一步降低铝生产的能耗，提高铝的质量，使其具有更强大的适应能力和更高的使用价值。
铝合金在航空航天结构中主要用作承重结构，包括船体结构、承重壁板、梁、仪表安装框架、燃料箱等。
目前使用的合金主要集中在2XXX系、7XXX系、铝锂合金等，其应用形式和尺寸种类繁多。
例如战略导弹壳体、大型飞机的整壁板等往往长达数十米，厚度从几毫米到几百毫米不等，多为2XXX和7XXX锻件；而蒙皮、仪表框架、燃料储罐等则主要为薄壁构件，多为2XXX和铝锂合金制造。
大型飞机的主承力梁主要采用锻件，材料集中在7XXX合金；航天服形状复杂，也多采用铝合金，四肢采用6061合金，腰部用7075合金，对强度要求较高。

钛合金

钛合金与铝、镁、钢等金属材料相比，具有如下优点：比强度值高、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能好、热导率极小、线膨胀系数小，高低温力学性能优良，一般来说，可在350～450℃以下长期使用，低温可使用到-196℃。
但也存在比模量较低、耐磨性较差、制造工艺较复杂、材料成本较高等缺点。
航空工业中钛合金的用量也正在迅速增长。
航空发动机压气机叶片、弹仓、机体主轴承等部件常用钛合金制造。
F22战斗机是广泛采用钛合金制造主轴承结构的典型代表，其初始设计时钛合金用量为15.9%，而进入工程制造研制阶段，钛合金用量比例已提高到41%；

钛合金

其中机翼结构用钛量占42%，后机身段更高达55%。F22使用钛合金类型，主要有Ti-62222和Tc4；应用形式主要为锻件和铸件。
F22的发动机舱框架采用Wyman-Gordon公司提供的整体式Ti-6Al-4V锻件；主翼梁由钛锻件切割而成。
在飞行导弹（飞行体）中，除主要采用密度低的材料外，还选用对温度、交变应力敏感性最小的材料；除应用疲劳韧性好的材料外，还选用在超低温下也有优越综合力学性能的材料。
例如，NASA的钛合金卫星齿轮系统外套，总重量320T的水银密封舱的肋板采用Ti-1Al-5SN合金制作，单件内衬2.5kg；
阿波罗计划飞船双人舱及密闭舱翼梁、肋条也采用Ti-5Al-2.5SN合金制造，内衬采用纯钛；
ELDO-欧洲1号火箭的外壳采用Ti-13V-11cr-3Al合金制造；高压罐或燃料箱优选采用Ti-6Al-4V合金制造；
Ablestar（阿波罗）火箭用的储液器，后喷管由13块锻造的Ti-6Al-4V（含氧量低）合金板组成，并经过焊接制成储液器。储液器用于储存动力燃料的氧化催化剂。Ti-6Al-4V合金已广泛应用于火箭发动机上升段的壳体。

高温合金

在航空航天中，高温合金主要有铁基、镍基、钴基合金三种，其中镍基高温合金应用最为广泛，如GH1040、GH2028A、GH4169、GH4141、GH4586等，常用作航天发动机涡轮盘和叶片材料。
虽然近年来金属间化合物的发展较快，应用要求较高，但镍基高温合金仍然以成形性好、可靠性高等优异的性能成为航空发动机涡轮盘和涡轮叶片的首选材料。
例如PW公司为F22制造的F119发动机依然采用可靠的iNcoNEL718制造涡轮盘和涡轮叶片，并通过加注单晶、水冷和喷涂热障涂层等技术提高涡轮前温度。
在航天动力设施中，镍基高温合金也获得了广泛的应用，前不久刚刚结束地面试验的美国X51A超级燃烧冲压发动机就大量采用iNcoNEL625合金制造进气道壁板等气流通道部件。
NASA在发动机中采用的闭环燃料系统允许发动机多个部件采用iNcoNEL625镍基合金制造而不必使用特殊的耐高温材料，这也是X51相较于X43追求更加实用和可靠的关键措施之一。
此外，为了满足未来高超声速航天器应用的需要，将采用高温合金作为主要材料，制造800～1100℃高温轴承材料。
例如，X43A上的大尺寸水平尾翼和垂直尾翼均采用了Haynes230镍基高温合金焊接结构；X43A在方向舵、整流罩局部大量采用Hayness188合金，在机翼和尾翼位置上则采用了Haynes230合金来制造精确形状的零部件；在荷兰与俄罗斯等国家合作研制的“DELFLT”空间再入试验飞行器热防护系统也主要采用了PM1000镍基高温合金。

超高强度钢

超高强度钢具有较高的拉伸强度，并保持足够的韧性，比强度（强度密度比）和抗弯强度比（σS/σb）高，且具有良好的焊接性和成形性。超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金超高强度钢3大类。
超高强度钢在火箭上主要用于发动机壳体、发动机喷管及各级助推器。特别是作为大型固体燃料推进剂的火箭发动机壳体，由于工作时气体压力达几个大气压，要求材料不仅具有高强度、高韧性，而且还要具有良好的成型性和焊接性。
目前用于固体火箭发动机壳体的超高强度钢主要有D6Ac、406、18Ni、300M、35NcD16等，其中D6Ac钢已成功用于美国航天飞机固体助推器火箭壳体。
超高强度钢高压气瓶是航空航天工程的重要组成部分，由于气瓶的长期工作负荷和超高强度钢较高的环境敏感性，其应力腐蚀阈值已成为气瓶安全性最重要的性能。此外，超高强度钢还用于飞机起落架。

金属间化合物

金属间化合物因其优于高温合金的耐热性、高的比强度、高的比寿命、高的热导率和高的抗氧化性，以及优于陶瓷材料的韧性和良好的热加工性而受到了广泛的关注。可用作高温结构材料的金属间化合物有Ni3Ti、NiAl、Fe3Al、FeAl、Ti3Al、TiAl等。
目前NASA最感兴趣的是Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物。它们的特点是高温性能好；最高使用温度分别为816℃和982℃；质量轻，它的密度与钛基合金相当，只有镍基高温合金的1/2；有很高的刚性，良好的抗氧化和耐腐蚀性能。
它们是制造先进航天器壳体壁板和发动机高温部件的理想材料，有望满足NASP中温（300～1000℃）结构的使用条件，可制造航天飞机的机身和机翼壁板。
目前，金属间化合物成功地应用于航空发动机涡轮导向叶片等，航空燃气涡轮发动机受热部件所采用的材料也是镍基高温合金。
但由于材料存在高于800℃时抗氧化性能不足、强度下降等问题，因此，需要开发新材料来取代镍基高温合金。
此外，还有许多金属间化合物，在一定温度范围内，其强度随温度升高而增大或保持不变，如单相Ni3Al具有异常的温度-强度特性，是良好的高温结构材料。
Ni3Al商业合金牌号在美国已开发出IC-50、IC-218及IC-221M等，其中IC-221M合金已被美国公司选为Ni基高温合金的替代品，用于制造柴油机增压器，以提高其疲劳寿命，降低成本。

镁合金

镁和镁合金具有一些引人注意的性能：密度小，优良的导热性能、电导性能和电磁屏蔽性能；高的强度、比刚度和减振性能；优良的加工性能，如良好的铸造性能、可切削性，以及在保护气氛中具有良好的焊接性能。
但镁合金存在在大气中不耐腐蚀的缺点，一般来说，镁合金的长期工作温度不超过150℃。
镁合金在航天器结构件上也具有一定的应用价值，特别是可以制成形状复杂的大型铸件，国内已用作航天器的舱室地板、支撑梁，如通信卫星天线、卫星角架部件以及导弹方向舵等，镁合金在飞机上的应用如图1所示。
但由于镁合金的耐腐蚀性能较差，在产品设计、制造、使用、贮存等方面都带来诸多不便，且总体性能与铝合金相比并不是特别优越。
图1 B-36轰炸机（阴影部分为镁材料部分）
图1 B-36轰炸机

金属磁性材料

磁性材料是一种用途广泛、应用广泛的基础功能材料，金属磁性材料具有优异的磁性能、磁稳定性和力学性能等综合性能，被广泛应用于航天飞行器中的各种电源设备、电子设备以及导航、加速度计等装置中。
软磁材料如纯铁、铁硅、铁钴、铁镍、铁铝等在宇宙飞行器中有着广泛的应用，如发动机伺服机构中的各种继电器和电磁阀，遥测系统中的信号发生器和交换器，控制系统中的电源变压器、稳压器和磁放大器，以及人造卫星中广泛应用的各种类型的磁芯棒等。
AlNiCo、FeCrCo、SmCo、NdFeB等硬磁材料用于导弹、卫星等航天器的力矩电动机、动圈传感器、位移传感器、加速度计、磁控管，以及流量计、行波管、永磁电动机、磁滞电动机、陀螺仪等。