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1、天津中德职业技术学院 航空航天与汽车学院毕业设计 天津中德职业技术学院 毕 业 设 计 （论文）论文题目 新型复合材料在航空制造领域的应用 学 院 _航空航天与汽车学院_ 专 业 _ 飞机制造技术_班 级 10级飞机制造技术2班_姓 名 _ 指导教师 _ 目 录第一章 新型航空材料的基础知识31. 航空材料的研究与发展3 2. 新型航空材料的特点5第二章. 新型航空材料的性能分析61.铝锂合金1.1 Al-Li合金的特点61.2 Al-Li合金的强韧化机制71.3 Al-li合金的热处理82复合材料2.1复合材料的构成82.2复合材料的分类及特点92.3复合材料的缺点10第三章. 新型航空材料
2、的实际应用12 1.Al-Li合金的应用12 2. 复合材料在航空发动机上的应用12 3. 复合材料在机翼上的应用12 4. 复合材料在机身上的应用 14第四章. 展望未来发展前景17 1.金属系复合材料17 2.取向凝固结晶17 3.陶瓷系材料17参考文献18第一章 新型航空材料的基础知识航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用：航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。1.1航空材料的研究与发展航空材料的分类航空材料有不同的分类方式：按成份可分为四大类：l 金属材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶
3、金合金等。l 无机非金属材料：玻璃、陶瓷等l 高分子材料：透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等。l 先进复合材料：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳/碳复合材料等。按使用功能可分为两大类：l 结构材料.功能材料所谓结构，是指由板、杆等承力单元件构成的承力系统，在载荷作用下，该系统只产生小的弹性形变，即系统应具有几何不变性。如承力系统是几何可变的，则承力系统不是结构，而是机构。以飞机为例，航空产品中典型的结构包括：机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、各种操纵面、起落架（除传动机构之外的部分）等。用于加工制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。1. 铝合金铝合金因
4、其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。2. 结构钢一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。3. 钛合金钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。4. 先进复合材料由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。航空发动机用材的演变早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。涡轮喷气发动
5、机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上依赖于高温材料的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键：1. 涡轮叶片材料在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的高温材料用于制造涡轮，所以发展迟缓。到五十年代初，英国的White公司开发出了镍基高温合金。到六十年代，开始使用真空熔炼方法制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能更好。七十年代，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和耐疲劳性能进一步提高。2. 涡轮盘材料二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为800900，采用了16-25-6铁基合金。五十年代，随着涡轮进口温度提高到950，出
6、现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理使合金具有更高的高温强度。到七十年代，进口温度提高到了1240，出现了Rene 95合金和粉末冶金高温合金。对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军用发动机的推重比已经达到10，如美国的F119发动机已装备了F22战斗机。大推力涡轮风扇发动机如GE90、PW4073/4084、Trent800等早已为B777、A330等大型宽体客机所选用。在这些先进航空发动机中，高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民用发动机中使用的单晶叶片材料和
7、粉末高温合金涡轮盘材料。1.2新型航空材料的特点航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀”。所谓“轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即要求材料不但强度（静强度高、能承受大过载、疲劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”，反映了减重对于航空产品的重大经济意义。而且材料减重对飞机减重的贡献也越来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。 “高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温
8、腐蚀性能。“耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。当然，除以上性能外，对某些材料还要求有其他方面的性能，如：非金属材料要具有良好的耐老化性能和耐气候性能；透明材料要具有良好的光学性能；电工材料具有良好的电学性能；以及防火安全性能等。航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠、性能优良的飞机、发动机。航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、技术质量要求高等特点。航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。新型号的先进飞机价
9、格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。第二章新型航空材料的性能分析2.1.铝锂合金 新材料是航空航天的重要技术基础，航空航天技术的发展的重要技术基础，航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。2.1.1 Al-Li合金的特点 锂是世界上最轻的金属元素，密度仅为0. 534gcm3，为铝的1/5，铁的1/15。锂元素为地球存在较多的金属，同时海水中还有相当大的含量。把金属锂作为
10、合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入金属锂之后，可以降低合金的密度，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点，吸引着许多科学家对它进行研究。锂在铝中的溶解度随温度变化而改变。当锂含量大于3%时，Al-Li合金的韧性明显下降，脆性增大。因此，其合金中的锂含量为2% -3%。Al-Li系合金具有密度小，比强度高，比刚度大，疲劳性能良好，耐蚀性及耐热性好等优点（在一定热处理条件下）。但Al-Li系合金的塑性和韧性差，缺口敏感性大，材料加工及产品生产困难。用Al-Li合
11、金制作可使飞机减重10%-20%，可提高飞机的飞行速度和承载能力。因此，AI-Li合金是一种在航空、航天领域中很有竞争力的一种新型超轻结构材料。Al-Li合金的价格是硬铝价格的23倍，若在海水中萃取锂的技术获得成功，则可得到价格便宜的锂材料。 Al-Li合金具有很高的强度和良好的高温和低温性能，其室温力学性能与一般高强度铝合金相当，而高温和低温性能则优于一般高强度铝合金。新A1-Li合金有很好的超塑成型性能，例如Al-Li-Cu-Mg-Zr合金，在低速下的超塑延伸率可达1800%，添加Zr元素和形变热处理能提高其超塑性能。Al-Li合金的强度、延伸率和断裂韧性等力学性能，均随温度降低而显著提高
12、（下表列出了Al-Li-Cu-Mg-Zr合金(T81型)在不同温度下的机械性能），其提高幅度比通常低温下使用的高强铝合金高得多。结合它的密度，使Al-Li合金成为一种发展潜力很大的低温结构材料. 目前在美国、英国、法国和前苏联等国家己成功研制出Al-Li合金并将其用于实际生产中，已开发的Al-Li合金大致有三个系列：Al-Cu-Li系合金、Al-Mg-Li系合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系合金等温度（K）b（MPa）v（MPa）（%）E（GPa）KIC（MPa*ml/2）3005655355.078.334777156007.086.957482061517.087.672AlLi合金20
13、90-T81在不同温度下的机械性能2.1.2 Al-Li合金的强韧化机制 (1)强化机制 Al-Li合金的强化作用主要来源于析出相强化，固溶强化和细化晶粒强化。锂在铝中有较高的溶解度，并随温度而明显变化，所以AI-Li合金有明显的时效强化效应，属于可热处理强化型的铝合金。Al-Li合金在时效过程中以弥散质点形式析出的亚稳球形相8，(A13Li)为有序超点阵结构，与基体完全共格，对位错运动具有强烈的阻碍作用，是合金中主要的强化相。(2)影响Al-Li合金塑性和韧性的因素 Al-Li二元合金塑性和韧性低，主要与以下因素有关： 1)前己述及强化相的析出虽有强化作用，但由于强化相的存在，将导致位错在晶界或夹杂物处塞积，产生应力集中，结果在品界或夹杂物处萌生裂纹，因此，8相对Al-Li合金的塑性和韧性极为不利。随着锂量增多，合金强度升高，塑性和韧性下降。 2)晶界附近常形成8，相无析出带，特别是晶界处有粗大的平衡相8析出时，晶界8相无析出带更明显。无析出带的强度比品内强度低，当受到外力作用时，首先在无析出带内屈服，发生局部应力集中，产生严重应变，将导致裂纹萌生。这种裂纹在无析出带内扩展，产生沿晶断裂。 3)晶界处存在着粗大的平衡相8析出物，常常是裂纹形核的场所，因此，导致合金低韧性。4)形变后的Al-Li合金，在一定温度下会发生再结晶。一般认为发生完全再结晶
