工艺创新在航空材料中的作用(87页PPT)

目录目录1.前言前言2.航空材料发展背景航空材料发展背景3.工艺创新在航空材料发展中的显要作用工艺创新在航空材料发展中的显要作用3.1 塑性成形工艺的典例塑性成形工艺的典例3.2 凝固成形工艺的典例凝固成形工艺的典例3.3 粉末成形工艺的典例粉末成形工艺的典例3.4 热处理工艺的典例热处理工艺的典例3.5 复合工艺的典例复合工艺的典例4.结束语结束语1.前言前言材料发展的驱动力材料发展的驱动力永无止境地追求两永无止境地追求两“高高”两两“低低”的目标。的目标。高性能高性能 高效率高效率 低成本低成本 低污染低污染不同的使用对象和不同的历史时期，材不同的使用对象和不同的历史时期，材料发展的驱动力可能有不同的侧重，但是料发展的驱动力可能有不同的侧重，但是应综合考虑两应综合考虑两“高高”两两“低低”的要求。的要求。材料的力学性能和使用可靠性取决于组织结构（包材料的力学性能和使用可靠性取决于组织结构（包括缺陷情况），而组织结构不仅取决于成分，而且取括缺陷情况），而组织结构不仅取决于成分，而且取决于工艺（制备技术）。决于工艺（制备技术）。材料发展的创新途径（成分创新、工艺创新）目的都是材料发展的创新途径（成分创新、工艺创新）目的都是在更高层次上满足两在更高层次上满足两“高高”两两“低低”的要求。的要求。不同的具体情况下，材料创新途径可能有不同的侧重，不同的具体情况下，材料创新途径可能有不同的侧重，但都应把成分创新与工艺创新紧密结合起来。在很多情但都应把成分创新与工艺创新紧密结合起来。在很多情况下，工艺创新往往是最有效的综合达到两况下，工艺创新往往是最有效的综合达到两“高高”两两“低低”目标的途径。目标的途径。2.航空材料发展背景航空材料发展背景 先进飞机及其发动机（特别是军用的）的需求是先进飞机及其发动机（特别是军用的）的需求是航空材料发展的强大推动力。航空材料发展的强大推动力。美国美国21世纪保持空中优势的主要支柱：世纪保持空中优势的主要支柱：三大战斗机：三大战斗机：F/A-18E/F，F/A-22，F35无人机：侦察机和作战机无人机：侦察机和作战机轰炸机：轰炸机：B-2和高超音速轰炸机和高超音速轰炸机F/A-18E/FF/A-18E/F（超黄蜂，（超黄蜂，（超黄蜂，（超黄蜂，20022002年开始服役，舰年开始服役，舰年开始服役，舰年开始服役，舰载机）载机）载机）载机）F/A-18C/D（黄蜂）的放大型（增大（黄蜂）的放大型（增大25%）作战半径增大约作战半径增大约40%可生存性大可生存性大610倍倍武器挂点增加武器挂点增加2个个隐身性能提高隐身性能提高F/A-22F/A-22（猛禽，猛禽，猛禽，猛禽，20052005年开始服役，四代机典型代表）年开始服役，四代机典型代表）年开始服役，四代机典型代表）年开始服役，四代机典型代表）隐身隐身 巡航巡航M1.5，Mmax=2.0 非常规机动性好非常规机动性好 先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。2004年年4月月29日开始的使用日开始的使用试验证实，一次演习中用试验证实，一次演习中用5架架F-15对付一架对付一架F/A-22，F/A-22在在3分分钟内完成了攻击，钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见甚至还未看见F/A-22。F-35(JSF,2008F-35(JSF,2008年开始服役，空中霸主）年开始服役，空中霸主）年开始服役，空中霸主）年开始服役，空中霸主）轻型多用途轻型多用途 Mmax=2.5，不超音速巡航，不超音速巡航 隐身隐身 价廉，价廉，28003500万美元万美元/架架 美三军和英皇家海军共订购美三军和英皇家海军共订购3002架，以色列、新加坡、希腊、波兰、架，以色列、新加坡、希腊、波兰、韩国、澳大利亚、台湾都要加盟韩国、澳大利亚、台湾都要加盟X-45(2008X-45(2008开始服役，无人作战飞机）开始服役，无人作战飞机）开始服役，无人作战飞机）开始服役，无人作战飞机）飞行高度最终目标为飞行高度最终目标为1.2万米万米 2006年将让无人作战机与人工驾驶机混合战斗训练年将让无人作战机与人工驾驶机混合战斗训练 2002年年5月月22日日 X-45A首首次秘密试飞成功次秘密试飞成功 隐身、无尾隐身、无尾B-2 B-2（幽灵，（幽灵，（幽灵，（幽灵，已服役，隐形轰炸机）已服役，隐形轰炸机）已服役，隐形轰炸机）已服役，隐形轰炸机）隐形，雷达截面积隐形，雷达截面积0.1m2 远程，航程（空中加油一次）远程，航程（空中加油一次）18530km 精确制导，每架可投掷精确制导，每架可投掷16颗颗2000磅钻地弹磅钻地弹 与与F/A-22组成一支能快速部署的全球隐身打击特遣部队组成一支能快速部署的全球隐身打击特遣部队B-3(B-3(概念设计图，概念设计图，概念设计图，概念设计图，20252025年开始服役，高超音速轰炸机）年开始服役，高超音速轰炸机）年开始服役，高超音速轰炸机）年开始服役，高超音速轰炸机）M5，1小时内横越大西洋，几小时内轰炸世界上小时内横越大西洋，几小时内轰炸世界上任何地点任何地点隐身隐身载弹量载弹量B-52美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比 随着军用飞机的发展，各种材料在飞机机体上随着军用飞机的发展，各种材料在飞机机体上的用量不断变化，总的趋势是复合材料和钛合的用量不断变化，总的趋势是复合材料和钛合金的用量逐渐增多金的用量逐渐增多SR-71SR-71高空高速侦察机高空高速侦察机高空高速侦察机高空高速侦察机 高超音速轰炸机用材必然要发生很大变高超音速轰炸机用材必然要发生很大变化。即使早期研制成功的化。即使早期研制成功的SR-71高空高速侦高空高速侦察机（察机（M=3），由于蒙皮温度已相当高，），由于蒙皮温度已相当高，故钛合金用量高达故钛合金用量高达93%。当。当M5时，蒙皮时，蒙皮温度高达数千华氏度，材料问题非常突出。温度高达数千华氏度，材料问题非常突出。波音民机机体上钛合金和复合材料的用量（波音民机机体上钛合金和复合材料的用量（波音民机机体上钛合金和复合材料的用量（波音民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）随着民用飞机的发展，各种材料在飞机机体随着民用飞机的发展，各种材料在飞机机体上的用量也有变化，总的趋势也是复合材料和上的用量也有变化，总的趋势也是复合材料和钛合金的用量不断增多。钛合金的用量不断增多。波音飞机钛用量随年代的变化波音飞机钛用量随年代的变化波音飞机钛用量随年代的变化波音飞机钛用量随年代的变化空客民机机体上钛合金和复合空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（材料的用量（%）美国美国21世纪保持空中优势的高世纪保持空中优势的高性能发动机性能发动机 F414（推重比（推重比9，F/A-18E/F用）用）F119（推重比（推重比10，F/A-22用）用）F135（F119的推力增大型，的推力增大型，F35用）用）推重比推重比1520发动机（综合高性能涡轮发动机技术）发动机（综合高性能涡轮发动机技术）高超音速飞机用冲压喷气发动机高超音速飞机用冲压喷气发动机F119F119发动机（发动机（发动机（发动机（F/A-22F/A-22用）用）用）用）高超音速飞机高超音速飞机高超音速飞机高超音速飞机X-43AX-43A采用冲压喷气发动机采用冲压喷气发动机采用冲压喷气发动机采用冲压喷气发动机以三轴式结构和全钛压气机为主要特色的遄达以三轴式结构和全钛压气机为主要特色的遄达以三轴式结构和全钛压气机为主要特色的遄达以三轴式结构和全钛压气机为主要特色的遄达发动机和发动机和发动机和发动机和RB211RB211发动机发动机发动机发动机 现代民用飞机均采用涡扇发动机作为动力装现代民用飞机均采用涡扇发动机作为动力装置，而其中罗置，而其中罗罗公司生产的三轴式涡扇发动罗公司生产的三轴式涡扇发动机最具特色。机最具特色。发动机上各种材料用量的变化趋势发动机上各种材料用量的变化趋势发动机上各种材料用量的变化趋势发动机上各种材料用量的变化趋势 随着航空发动机的发展，各种材料在发动机中的用随着航空发动机的发展，各种材料在发动机中的用量不断变化。总的趋势是从钢、铝时代逐渐转化成冷量不断变化。总的趋势是从钢、铝时代逐渐转化成冷端以钛为主、热端以镍为主的端以钛为主、热端以镍为主的镍、钛、钢镍、钛、钢“三三国鼎立国鼎立”的时代。的时代。未来的趋势是部未来的趋势是部分地被树脂基、分地被树脂基、金属基、陶瓷基金属基、陶瓷基复合材料和金属复合材料和金属间化合物所取代。间化合物所取代。3.工艺创新在航空材料发展中工艺创新在航空材料发展中的显要作用的显要作用 从上述发展背景可以看出，为了满足飞机及其发动从上述发展背景可以看出，为了满足飞机及其发动机日新月异的需求，航空材料必须不断创新，而材料创机日新月异的需求，航空材料必须不断创新，而材料创新的内涵包含成分创新和工艺创新两大部分。成分创新新的内涵包含成分创新和工艺创新两大部分。成分创新在满足飞机及其发动机需求方面的重要作用通常不会被在满足飞机及其发动机需求方面的重要作用通常不会被人们忽视或忘却，而工艺创新在满足飞机及其发动机需人们忽视或忘却，而工艺创新在满足飞机及其发动机需求方面的重要作用却容易被一部分人忽视或忘却。因此，求方面的重要作用却容易被一部分人忽视或忘却。因此，很有必要通过下面的各种典型实例阐明工艺创新在航空很有必要通过下面的各种典型实例阐明工艺创新在航空材料发展中的显要作用。材料发展中的显要作用。3.1 塑性成形工艺的典例塑性成形工艺的典例3.1.1 钛合金高低温交替锻造工艺钛合金高低温交替锻造工艺金属材料从铸锭开坯经坯料锻造直至最终模锻往往要经金属材料从铸锭开坯经坯料锻造直至最终模锻往往要经过很多火次，每火的加热温度通常是从高温递减至较低温过很多火次，每火的加热温度通常是从高温递减至较低温度，国内外钛合金传统的锻造工艺也是如此。然而，钛合度，国内外钛合金传统的锻造工艺也是如此。然而，钛合金大型锻件及其坯料的组织经常出现严重的不均匀，俗称金大型锻件及其坯料的组织经常出现严重的不均匀，俗称“大花脸大花脸”，对力学性能不利。，对力学性能不利。经过研究和生产实践，我们根据全程组织设计的概念，进行了全经过研究和生产实践，我们根据全程组织设计的概念，进行了全程工艺设计，创立了程工艺设计，创立了AHLT工艺，即从铸锭开坯直至最终模锻进工艺，即从铸锭开坯直至最终模锻进行全程的统筹安排，其锻前加热温度经历了行全程的统筹安排，其锻前加热温度经历了“高高低低高高低低”的程序，其中的程序，其中“高高”指指区加热，区加热，“低低”指指区加热。该工艺获区加热。该工艺获得了均匀的金相组织和优良的综合性能。得了均匀的金相组织和优良的综合性能。俄罗斯和我国钛合金盘高倍组织均匀性的对比俄罗斯和我国钛合金盘高倍组织均匀性的对比俄罗斯钛合金盘的高低倍组织俄罗斯钛合金盘的高低倍组织我国钛合金盘的高低倍组织我国钛合金盘的高低倍组织TC11钛合金高压压气机转子，其压气机盘全部采用高低钛合金高压压气机转子，其压气机盘全部采用高低温交替锻造工艺。该温交替锻造工艺。该“工艺研究工艺研究”项目获国家科技进步项目获国家科技进步一等奖。迄今为止，一等奖。迄今为止，TC11仍是我国军用工业中年用量最仍是我国军用工业中年用量最大的一种钛合金牌号，有力地推动了钛合金材料的发展。大的一种钛合金牌号，有力地推动了钛合金材料的发展。3.1.2 钛合金高温形变强韧化工艺钛合金高温形变强韧化工艺传统的传统的锻造工艺虽能获得较高的锻造工艺虽能获得较高的、，但，但KIC低，低，da/dN快，快，蠕变抗力低，这不适应损伤容限设计和高温零件的要求。因此，蠕变抗力低，这不适应损伤容限设计和高温零件的要求。因此，国内外均在发展高温形变强韧化工艺，花样颇多，如近国内外均在发展高温形变强韧化工艺，花样颇多，如近锻、准锻、准锻、亚锻、亚锻、锻、锻、全锻、全锻