助力航空航天，金屬材料有多重要？
在役的航空航天結構材料中，金屬結構材料仍為主導。美國、英國、德國、日本等發(fā)達國家在研究、制造、評價(jià)、應用等方面占據世界領(lǐng)先地位，通過(guò)材料計算和性能預測、數字模擬和應用評價(jià)、組織性能與多場(chǎng)耦合環(huán)境壽命評估等關(guān)鍵技術(shù)的成熟應用，已形成了完善的材料技術(shù)體系，擁有龐大系統性數據庫。
鈦合金是二十一世紀最有價(jià)值的戰略金屬材料，是航空、航天領(lǐng)域發(fā)展必不可少的“脊柱”之一。鈦合金切削過(guò)程中刀具磨損嚴重、加工表面質(zhì)量差、加工效率低等問(wèn)題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。研究鈦合金切削過(guò)程中刀具磨損及加工表面質(zhì)量的形成機理、優(yōu)化合理的鈦合金切削參數對航空、航天等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。
20世紀中葉，國內外軍用飛機開(kāi)始進(jìn)入超聲速時(shí)代，航空發(fā)動(dòng)機隨之轉化為噴氣發(fā)動(dòng)機，鋼、鋁結構已經(jīng)不能適應時(shí)代發(fā)展的要求而逐漸被淘汰。與此同時(shí)，鈦合金以其優(yōu)良的性能快速的進(jìn)入了航空航天領(lǐng)域且成為該領(lǐng)域主要的結構材料之一。可以清楚的看到，在現役飛機的機體上，鈦合金所占的比重在迅速增大。
在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機機體上，鈦合金所占的比重通常保持在20%以上且呈遞增的趨勢。但鈦合金固有的難加工屬性造成的刀具磨損嚴重、加工表面質(zhì)量差、加工成本高等特點(diǎn)已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。
除此以外，美國、英國、德國、日本等發(fā)達國家在金屬結構材料研究、制造、評價(jià)、應用等方面占據世界領(lǐng)先地位，已形成了完整的材料體系和完善的選材技術(shù)體系，擁有龐大的系統數據庫。相比之下，我國金屬結構材料產(chǎn)業(yè)正處在上升期，迫切需要品種創(chuàng )新和技術(shù)進(jìn)步。
1、高溫合金
我國變形高溫合金從引進(jìn)吸收逐步形成體系化和規模化，目前已基本實(shí)現材料的自主可控，下圖展示了我國航空發(fā)動(dòng)機及燃氣輪機盤(pán)鍛件用變形高溫合金的發(fā)展趨勢。650 ℃以下使用的GH4169合金冶金質(zhì)量和用量持續提升，成為“一材多用”的典范，支撐了三代航空發(fā)動(dòng)機等裝備的批產(chǎn)應用；承溫700～750 ℃的GH4169D、GH4065A、GH4096 等新一代合金研制成功并實(shí)現工程化應用，支撐了四代航空發(fā)動(dòng)機以及商用渦扇發(fā)動(dòng)機的研制；GH4720Li、GH7438 等合金在多種中小型發(fā)動(dòng)機中得到批量應用；艦用燃汽輪機和火箭發(fā)動(dòng)機的研制與應用帶動(dòng)了GH4698、GH4742、GH4202 等牌號的發(fā)展；為了滿(mǎn)足更高代次發(fā)動(dòng)機的應用需求，近期正在研制承溫能力800 ℃以上的GH4151、GH4975 等合金，形成服役溫度在600～900 ℃之間較完整的時(shí)效強化型變形高溫合金體系。
隨著(zhù)制造工藝的創(chuàng )新，鑄造高溫合金由等軸晶、定向鑄晶發(fā)展到單晶，通過(guò)一步步消除晶界使鑄造高溫合金承溫能力逐漸提高。作為航空發(fā)動(dòng)機葉片的主要材料，鑄造高溫合金的發(fā)展也成就了航空發(fā)動(dòng)機推重比的不斷提高，下表列出了各代航空發(fā)動(dòng)機渦輪葉片選用材料的發(fā)展歷程。隨著(zhù)對高溫合金性能要求的不斷提高，合金的成分設計空間變得越來(lái)越小，基于材料計算、高通量實(shí)驗、機器學(xué)習等手段開(kāi)展合金成分設計成為未來(lái)的發(fā)展趨勢，通過(guò)模擬仿真優(yōu)化工藝參數已經(jīng)逐漸成為通用的高溫合金零部件生產(chǎn)制備方法。
粉末高溫合金在軍、民用先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機渦輪盤(pán)中得到了廣泛應用。綜合來(lái)看，鎳基粉末高溫合金的發(fā)展趨勢具有“三高一低”的特點(diǎn)：高強度、高工作溫度、高組織穩定性和低疲勞裂紋擴展速率。歐美國家率先研制成功第一代650 ℃高強型粉末高溫合金，如René95 等；第二代750 ℃損傷容限型粉末高溫合金，如René88DT 等，以及第三代高強損傷容限型粉末高溫合金，如ME3等。
第四代粉末高溫合金是在第三代的基礎上，通過(guò)成分調整和工藝優(yōu)化來(lái)獲得更高的工作溫度，使其具有高強度、高損傷容限和高工作溫度的特點(diǎn)，如ME501 等。我國目前已研制出以FGH4095為代表的第一代、FGH4096 為代表的第二代粉末高溫合金，第三代及第四代仍在研制探索中。
近年來(lái)，我國高溫合金體系以需求牽引為主、技術(shù)推動(dòng)為輔，在研制與應用領(lǐng)域取得顯著(zhù)進(jìn)展。然而，高溫合金涉及學(xué)科眾多，部件制造要求高，容錯空間小，其成熟應用是建立在對研發(fā)和制造體系全面深入理解和長(cháng)期積累的基礎之上，因此未來(lái)需持續加強。
2、超高強度鋼
超高強度鋼是指屈服強度超過(guò)1380 MPa 的高比強度結構鋼，在航空航天、國防軍工等領(lǐng)域扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色，航天航空領(lǐng)域的主要應用場(chǎng)景有飛機起落架、發(fā)動(dòng)機軸、齒輪軸承、框、梁、火箭發(fā)動(dòng)機殼體等。飛機起落架典型材料主要有300M 和Aermet 100 鋼，兩者均具有1930 MPa 以上的超高強度。300M 為低合金超高強度鋼，廣泛應用于客機、大型軍用運輸機和殲擊機起落架；AerMet 100 鋼為已成熟應用的強韌性匹配最佳的超高強度鋼，因其兼具優(yōu)良的抗應力腐蝕開(kāi)裂和疲勞抗力，已應用于F22、F18E/F 等軍機起落架。
此外，Fe-Ni 基馬氏體時(shí)效鋼，因在時(shí)效過(guò)程中析出納米級金屬間化合物而擁有優(yōu)越的強韌性能，其典型鋼種為18Ni 型C250 和C300 鋼，多應用于發(fā)動(dòng)機主軸和火箭發(fā)動(dòng)機殼體等部件[46]。裝備性能提升和高承載、低成本、減重設計的要求，將飛機起落架和主軸材料推向2200 MPa 以上強度水平，GE和Leep 發(fā)動(dòng)機主軸采用2100～2300 MPa 的GE1014和ML340 鋼，國內開(kāi)發(fā)出強度級別達到2400 MPa的GC-24 鋼。航空軸承齒輪鋼代表高強度滲碳不銹鋼CSS-42L，最高使用溫度達430 ℃。
在研的超強耐熱滲碳鋼CH2000 屬第四代航空軸承齒輪鋼，滲碳及熱處理后表層硬度達65～68HRC，心部抗拉強度在2000 MPa 以上，使用溫度可達450 ℃，適用于新一代航空發(fā)動(dòng)機和直升機高功率密度傳動(dòng)系統的齒輪、軸承和傳動(dòng)軸等傳動(dòng)構件。
超高強度鋼的抗應力腐蝕性能也是各國研究關(guān)注的重點(diǎn)。美國Ques Tek 公司通過(guò)材料基因工程研發(fā)出新型二次硬化超高強度不銹鋼FerriumS53，該鋼兼具良好的斷裂韌度，已成功應用于美國空軍A-10 攻擊機的起落架部件。我國自主研發(fā)的10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE 超高強度不銹鋼，已成功應用在直升機起落架結構件，該鋼的強度、韌性均優(yōu)于FerriumS53 鋼，為現今強度級別最高的超高強度不銹鋼，在航空航天裝備制造領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。
低密度高強度鋼是近年來(lái)提出的新概念，其成分設計的特點(diǎn)是高Al 含量，同時(shí)添加奧氏體化元素，使其具有良好的塑性，例如最常見(jiàn)的Fe-Mn-Al-C四元體系。為了達到飛行器減重增程的目標并兼顧經(jīng)濟性，我國研發(fā)了DT510 低密度鋼，在降低材料密度的同時(shí)具有良好的強韌性，與傳統超高強度鋼30CrMnSiNi2A 相比，DT510 密度降低13.4%，屈服強度提高19.3%。