郑超
浙江中航通飞研究院有限公司 浙江省湖州市 313200
摘要： 在21世纪，成功的产品的关键特征是良好的顾客价值和最小的环境影响。价值最简单地被认为是从一个产品中获得的服务，而这个服务是以付出的金钱为代价的，包括初始成本和拥有成本。在这里，所有权成本包括资本成本以及燃料和维护成本。从历史上看，改进的结构材料一直是更好(更高价值)产品的主要推动力。半个世纪以前，更好的表现主要是以表现来衡量的。今天，“更好”包含了前面已经提到的额外指标。当这些指标被分解成详细的设计要求时，材料仍然是一个关键的推动因素，但是导致新产品选择材料的特征更加复杂，设计师可用的选择也更多。在本文中，我们将试图从定性的角度描述用于航空结构材料的演变以及材料在创造顾客价值中的作用。环境影响还有几个相关的方面，包括产品的排放、产品生产过程中产生的废水以及处置/回收能力。
关键词：飞机结构选材性能 材料性能 指标分析?
一． 航空材料选择需求概述
运输业最近的一个趋势是通过创造吸收先进结构材料和受益于新的制造技术的产品来提高客户价值。目标是通过提高绩效、降低所有权成本、延长系统寿命和减少环境影响来创造价值。改进的性能，由材料决定，通常转化为更高的结构效率，导致产品重量减少。结构效率是材料性能和设计方法论相结合的产物。
轻型结构，符合设计意图，已经成为所有运输系统的通用要求，但是目前复杂的设计和制造方法现在需要结构材料来满足更广泛的多种性能。在过去的几十年里，这导致了材料性能的许多改进，这些改进主要与我们对组成、加工、微观结构和性能之间关系的理解的增加有关。这种理解来自于为这些关系提供指导的技术文献，以及工业实验，这些实验提供了关于加工如何影响微观结构和性能的详细但经验性的信息。综合从这两个来源获得的信息有助于取代合金开发的“试错”方法，并缩短了取得预期结果所需的时间。然而，由于产品设计周期持续缩短，产品上市时的材料准备就绪成为一个“要么接受，要么放弃”的机会窗口，进一步降低成本至关重要。我们断言，缩短材料就绪周期最明显的途径是通过开发和使用更精确和健壮的计算方法。毫无疑问，这些方法将会同时包括建模与模拟。这是材料界面临的一个重大挑战，但如果要在未来一代产品中实现材料对竞争性产品的持续贡献，就必须解决和克服这一挑战。
二．航空材料研究现状分析
自从动力飞行的第一天开始，飞机设计师们就一直致力于在机身和推进系统中实现最小重量。例如，最初的莱特飞行器采用了一个铝块引擎，这几乎是闻所未闻的在20世纪之交。从1903年到1930年左右，实际飞行需要绝对最小重量，这在很大程度上是由于现有推进系统的能力有限。因此，强度/重量比率是发动机和飞机材料选择的主要驱动因素。虽然这个考虑仍然是第一顺序的重要性，轻的重量现在是必要的，但不足够。目前的设计标准要复杂得多，正如导言中所提到的，获胜的产品需要新的设计方法以及改进的材料和加工方法。从内燃机、活塞发动机到涡轮机的过渡代表了航空器中一个重大的“游戏规则改变者”。从20世纪40年代早期德国梅塞施米特 Me-262战斗机开始，涡轮机成为首选的推进系统类型。早期涡轮发动机的性能受到材料性能的严重限制，特别是在工作温度方面。喷气式战斗机在40年代后期投入使用，但大型喷气式飞机，例如轰炸机和运输机，直到近十年后才变得可行，这主要是因为生产具有足够可靠性的大型涡轮发动机越来越困难。正如后面将要描述的那样，涡轮技术已经进化了，今天，推进技术不再是曾经的限制因素。
三．材料发展与改进
3.1 飞机发动机用钛合金改进
钛合金具有优异的比强度、良好的抗损伤性能、高达600 ℃的温度能力以及良好的制造工艺能力，是制造航空发动机冷却部分的优良材料。特别是在风扇中，由于圆盘的应力非常大，所以必须使用高质量的钛合金，以减少材料缺陷的发生。有几种类型的材料，那些是熔体相关的和那些是在锻造过程中造成的。其中最严重的是熔体相关缺陷，尤其是间隙稳定包裹体，称为硬 α 或I型缺陷。这些缺陷基本上是硬而脆的夹杂物，含氮量高达10% ，通常以 TiN 的形式存在。由于夹杂物的脆性和转子内部的高工作应力，硬 α 基本上是一种初期裂纹，从发动机第一个循环开始就开始扩展。为了尽量减少这些缺陷的发生，人们付出了巨大的努力，目前生产的转子级材料的发生率大约为每百万公斤1个缺陷。这意味着35年前减少了5-10 倍。
3.2 铝合金设计的新方法
无论是整机制造商还是发动机制造商，都表示需要新的高温铝合金，这种合金可以在150 ℃的温度下成功地用于超音速机身或发动机部件。出于经济方面的考虑，合金开发不能再采用过去100年来占主导地位的纯经验、试错方法。建模与模拟，结合实验，可以用来提高合金设计的效率，优化加工和制造操作。这种方法可以大大减少与合金开发和生成将新材料插入所需的知识库有关的时间。流线型合金设计的一种方法示意图如图14所示。第一步是选择一个有希望获得所期望的组织和性能以满足所述目标的系统，这是通过广泛的文献检索和现有数据的评价来实现的。在选择系统之后，需要确定为实现程序目标提供最大潜力的阶段空间。由于相图表示的是合金的状态与温度、压力和合金浓度的函数关系，因此可以用它们来确定理想的相场。通常情况下，复杂合金系统的相图还没有确定，必须使用 CALPHAD (相图计算)等程序进行计算。这种方法是一种建立相间平衡的方法，通过热力学模型的个别相的基础上的相竞争的想法在一个系统。一旦确定了合金体系和相场，就可以通过位错模拟方法确定期望达到最大强度的最佳析出结构和形态。通过模拟方法所获得的知识在一些铝合金中得到了验证 。对于高温合金，沉淀结构的热稳定性至关重要，必须兼顾相的粗化和相的竞争。单一第二相的粗化是由于第二相与铝基体之间的总界面能有降低的趋势。界面能由化学能和相应的应变能组成。采用第一性原理计算程序，如 Vienna 从头算模拟程序(VASP) ，可以通过在界面或内部析出结构中加入选定的微量元素，计算界面能以及总能和界面能的变化。这样的计算将有助于微量元素的选择，希望不用试错法就能减少析出物的粗化。本程序也可用于验证晶体结构和计算弹性常数。第二相弹性常数的定量数据是确定强化机制的重要基础。这些参数也在决定第二相粒子的习性面和平衡形状的演变中起作用，因为它们决定了与晶格失配相关的弹性应变能。一旦确定了候选合金(和微结构) ，就必须通过机械性能测试等方法对方法进行评估，但这种方法应当导致合金设计的简化，因此有助于早期插入新的高性能材料。
四．小结
改进材料的供应使飞机和飞机推进能力得以不断提高。综上所述，提高材料性能、改进材料加工方法和更有效的设计方法使现代飞机能够不间断飞行20000公里以上。同时，现代商用飞机的噪音和排放量比以往任何时候都要低得多。随着现代飞机性能的不断提高，推进系统可靠性的同时提高也在不断发展。通过新的计算方法，合金和工艺设计方面的进步，过程控制的新传感装置，以及根据特定应用量身定制材料的能力，材料方面的改进将继续成为可能。建模与模拟。结构概念也将发生变化，以降低制造成本和减轻重量。这些包括整体加强/等和正交网格结构，精密结构铸件，超塑成形零件和焊接结构。新的制造方法可能需要对现有材料进行改性或开发有利于这些新技术的新材料。
参考文献：
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