航空金属材料详解

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1、第八章 航空材料 航空材料的分类： u按化学组成(或基本组成)分类 u(1)金属材料：由金属元素或以金属元素为主 体组成的具有金属特性的材料。 u(2)无机非金属材料：无机非金属材料是由硅 酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原 料和(或)氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、 硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺 制备而成的材料。它与广义的陶瓷材料有等同 的含义。 u高分子材料(聚合物)： u由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成 的分子量很大的化合物。 u橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。 u复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结 构不同的材料组合而成。 u复合材料既能保持原组成材料的重要

2、特色，又通过复合效 应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优 良性能。 u 2004年度国家技术发明奖一等奖： u高性能炭/炭航空制动材料的制备技术(中南大学黄伯云院士 等) u耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术(西北工业大 学张立同院士等) 第一节 航空金属材料 一、金属材料及影响其性能的因素： u金属材料分为：纯金属和合金。 u金属特性：导电性、导热性、延展性、光泽 性、正的电阻温度系数。例如：钢、铁、铜 、铝等。 u影响其性能的因素： u化学成分：组成物质的基本元素及其含量。 化学成分主要由冶炼和铸造控制，特别是靠 冶炼来保证。 u化学成分不同，金属材料的性能不同。 u结

3、构：原子在空间有规律排列的形式(原子 集合体中各原子的具体组合状态)。 u例如：石墨和金刚石。 u结构不同，性能不同。 u组织：用肉眼和借助于不同放大倍数的显微 镜观察到的金属材料内部各种相的晶粒大小 、形态和分布。 u不同成分具有不同的组织； u同种成分不同的加工、处理工艺可获得不同 的组织。 u组织不同，性能也不同。 左图为图为 AlSi合金 的共晶组织组织 金属铸锭组织 成分-结构-性质-工艺过程之间关系示意图 合成与制备过程 使用性能 性质 成 分 与 结 构 (化学) (工程) (物理学) 金属材料的成分不同，结构组织不同， 性能不同。 u改变金属材料的性能： u内在因素成分、结构、

4、组织 u外在因素各种加工处理工艺(外在因素 通过改变内在因素改变材料的性能) 二、金属材料的性能： 零件的加工过程： 冶炼 下料(锻件、铸造件) 预先热 处理 机加工 最终热处理 磨削 装配 使用 对金属材料性能要求： 工艺性能，使用性能。 u工艺性能：能适应实际生产工艺要求的能力。在 于能不能保证生产、制作。 包括： 铸造性能流动性，收缩性，偏析等； 锻造性能固态流动性，冷变形硬化能力等 ； 以及切削加工性能，热处理性能，焊接性能。 u使用性能：在使用中应具备的性能。在于保证能 不能应用。 包括： 物理性能，化学性能，机械性能(强度、 硬度、塑性、韧性) 1、金属键的“自由电子”模型 金属原

5、子的最外层价电子脱离原子核的束缚 ，形成“自由电子”或称“离域电子”。这些电子与 正离子吸引形成金属晶体。金属的这种结合力成 为金属键。 金属的一般特性 都是和金属中存在这种“自 由电子”模型。 三、金属的结构理论 固体能带理论是关于晶体的量子理论对于 金属中的能带，常用 “紧束缚近似（TBA）”模型 ， 它相当于分子中LCAO-MO在晶体中的推广： 2、固体能带理论 分 子 轨 道 能 级 演 变 成 能 带 的 示 意 图 根据能带的分布和电子填充情况，能带 有不同的性质和名称： 充满电子的能带叫满带 部分能级充满的能带叫导带 能级最高的满带和导带总称价带 完全没有电子的能带叫空带 各能带

6、间不能填充电子的区域叫带隙，又 称禁带 单价金属Na的能带结构 导体的能带结构特征是 具有导带 Na的能带结构: 1s、2s、 2p能带都是满带，而3s能带 中只填充了其中 N2个轨道 ，是部分填充电子的能带， 即导带 3s 2p 2s 1s Mg的3s能带虽已填满，但与3p空带重 叠，总体看来也是导带 3s与3p 金属Mg的能带结构 绝缘体 Eg 5 eV 只有满带和空带， 且Eg超过5 eV, 在一般 电场条件下难以将满带 电子激发入空带，因此 不能形成导带. Eg 3 eV 只有满带和空带，但Eg小于3 eV易受光或热激 发使满带中部分电子跃迁到空带，形成导带而导电 半导体 金属单质晶体

7、结构比较简单, 这与金属键密 切相关: 由于金属键没有方向性和饱和性，大多 数金属元素按照等径圆球密堆积的几何方式构 成金属单质晶体，主要有立方面心最密堆积、 六方最密堆积和立方体心密堆积三种类型. 3、球的密堆积 等径圆球以最密集的方式排成一列（密 置列），进而并置成一层（密置层），再叠 成两层（密置双层），都只有一种方式： 3.1 等径圆球最密堆积 请 点 击 按 钮 打 开 晶 体 模 型 密置层如何叠起来形成密堆积? 先考察一个密置层的结构特点： 等径圆球的密堆积 从一个密置层上，可以看出这样几点： 1. 层上有3个特殊位置: 球的顶部A、上三角凹坑B和下三角凹坑 C. 以该层为参照层

8、，称为A层; 2. 叠加到A层上的第二层各个球只能置于凹坑B或C. 由于上下三角只 是相对而言, 故称第二层为B层; 3. 第三层叠加到第二层B上时，只可能是C或A层; 4. 无论叠加多少层，最多只有A、B、C三种, 最少有A、B两种(因为 相邻层不会同名); 5. 若以后各层均按此方式循环, 每三层重复一次，或每两层重复一 次，就只会产生两种结构： 这两种最密堆积是金属单质晶体的典型结构. （2）ABABAB, 即每 两层重复一次, 称为A3 (或A3) 型, 从中可取出六方晶胞。 （1）ABCABC, 即 每三层重复一次, 这种结构 称为A1 (或A1)型, 从中可以 取出立方面心晶胞;

9、A3堆积：ABAB 请点击按钮打开晶体模型 3.2 小结: 几种典型的金属单质晶体结构 四、钛及其合金 钛及其合金的发展历程 钛及其合金的分类 钛合金在航空航天中应用 1.1 钛的发现 n钛元素于1791年被英国 人格雷戈尔首先发现,工 业矿是金红石(TiO2)和钛 铁矿。(含量60%) 地壳中未发现过纯钛。 钛及其合金的发展历程 1.2、钛的制备与发展 n钠还原法原理 TiCl4 + 4Na Ti + 4NaCl (1) 1932年Kroll使用 Ca代替了钠制备钛 TiCl4 + 2Ca Ti + 2CaCl2 (2) 被誉为“钛工业之父 ” n镁还原法原理 TiCl4 + 2Mg Ti

10、+ 2MgCl2 这种方法有两个过程：还原和蒸馏,制 得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础 。 n1948年，美国杜邦公司首先商业化生产金 属钛。但由于制纯钛难度大，钛的价格非 常高。 n中国继美、日、前苏联之后，于1958年开 始钛的生产。 TiClTiCl 4 4 和和Mg Mg 分分 子吸附在活性子吸附在活性 中心中心 TiCl TiCl 4 4 液体液体 的气化的气化 发生化发生化 学反应学反应 结晶结晶 成核成核 钛晶钛晶 长大长大 MgClMgCl 2 2 脱附脱附 MgClMgCl 2 2 外扩散外扩散 还原过程 海绵钛海绵钛 气体气体TiClTiCl 4 4 和液和液 体体Mg

11、 Mg 的外扩散的外扩散 1.3 钛合金的发展 n20世纪50年代, 第一个钛合金B120 VCA 。合金(Ti-13V-11Cr-6Al)由美国Crucibl钢 铁公司研制出来。 n第一个商业钛合金，由德国Rem Cru公司 研制出来的 SR-71 “黑鸟”飞机 机体重量的93%为钛合金 n1968年， 钛合金Ti-5Al -2Sn-2Zr-4Mo- 4Cr可 以作为高强度锻件； n20世纪70 年代初期 ，此合金作中温(低于 425 )范围的发动机 盘 n20世纪80年代中期，用于B-1B轰炸机上 B-1B轰炸机 n1990年，普惠公司的Ti-35V-15Cr钛合金 ，具有抗燃烧性 1.4

12、、我国研究现状 “九五”期间研制出超高强钛合金21(TB8) 钛合金 “十一五”期间研制高强度亚稳钛合金Ti-B20 抗拉强度：1200 1500 MPa； 延伸率：8%18% n 钛：熔点低于882， 呈密排六方晶格(h.c.p)结 构，称为钛； 钛及其合金的分类 n钛：熔点高于882， 呈体心立方晶格(b.c.c)结 构，称为钛。 构 型 2.1 钛的分类 钛 钛 2.2 钛钛的基本性质质 u钛钛及钛钛合金的高速发发展，是与航空和航天技术术的发发 展以及其本身特有的优优异性能分不开的;美国注重宇 航用钛钛合金及其他各方面应应用，同时时开发发新的应应用 领领域；日本则则注重发发展非宇航领领域

13、用新型钛钛合金。 u在400500间间的耐热热性远远比Al合金和Mg合金高; u有与18-8不锈钢锈钢 相比媲美的耐蚀蚀性，特别别是在海水 和含氨介质质中的抗蚀蚀性几乎与空气中相同; u钛钛及钛钛合的强度与优质钢优质钢 相近，但密度只有钢钢的一 半，比强度最高; u化学活性极高，与Cl, O, S, C, N等强烈反应应(高温下) ，液态态下几乎同ThO2以外的所有坩埚埚起反应应，只能 用真空电电耗电电弧炉熔炼炼； u钛钛的低温性能很好 ; u可焊焊性好；具有良好的冲压压性能；但耐磨性较较差； u弹弹性模量较较低(120GPa)，约为铁约为铁 的54% ; u导热导热 系数及线胀线胀 系数均较

14、较低。其导热导热 系数比铁铁低4.5倍， 使用时时易产产生温度梯度及热应热应 力。 u钛钛的导导磁率近乎为为1.0，非磁性(严严格说为顺说为顺 磁性)。制成的 潜艇，既能抗海水腐蚀蚀，又能抗深层压层压 力，其下潜深度比 不锈钢锈钢 潜艇增加80%。同时时，由于钛钛无磁性，不会被水雷 发现发现 ，具有很好的反监护监护 作用。 u钛对钛对 超声波的阻抗较较小，透声系数较较高，适于做声纳导纳导 流 罩之类类材料。 u钛钛具有优优良的生物相容性且无毒、质轻质轻 、强度高，是非常 理想的医用金属材料，可用作植入人体的材料。 2.3 生产方法 n镁热法生产海绵钛 TiO2+ C + Cl2TiCl4 (液

15、态)+ 2CO Mg + TiCl4 = MgCl4+Ti 纯度可达99.5%。海绵钛是多孔金属，易吸收空 气中水分、氧气及氮气，因此海绵钛必须用铁桶 密封包装。 n碘化法钛(高纯钛) 分解TiI4生产的，纯度可达99.9%。 n海绵钛：通过热还原法生产 出来的海绵状金属钛； n钛材：海绵钛通过高温熔化 成液体，锭铸成材。 形 状 2.4分类、牌号与用途 钛合金 l性能：单相合金, 组织稳定，耐磨性高于纯 钛，抗氧化能力强。500600下，其 强度和抗蠕变性不变，但不能进行热处理强 化，室温强度不高，塑性不高。 l牌号：TA1-TA8。 TA1-TA3为工业纯钛。 l组织： 相，含有相稳定元素(Al)及一些中性强化元 素(Zr, Sn)。 当加入少量相稳定元素时，可以得到近-钛 合金，显微组织上除相基体外，还有少量 相。典型的钛合金有Ti-8Al-1Mo-lV等。 l用途 航空工业中最常用的一种-Ti合金，多以 板、棒材等制造在3