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国防军工材料之先进金属结构材料

民企军工联盟2018-12-05 15:36:57

  随着现代军事科技的不断发展,各国对武器装备的性能提出了更高的要求,同时也面临着一系列关键材料技术突破的问题,这是体现一个国家综合实力与技术创新的标志之一。对军用新材料强韧化、轻量化、多功能化和高效化的发展要求,促使军工新材料的研究十分繁荣。先进金属结构材料就是其中一类,包括变形镁合金、先进钛合金、超强高度钢和金属间化合物等。


      一、变形镁合金

  变形镁合金有很高的比强度、比刚度和塑性,是航空航天领域中最有前途的金属结构材料之一,座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、蒙皮、直升机上机闸等大都采用镁理合金制件。有研究表明采用镁合金部件代替铝合金,可以解决铝合金机翼的疲劳问题。目前,对于镁合金的研究和开发已基本成熟,多个品牌的变形镁合金已经开发出来。例如:耐热镁合金、耐蚀镁合金、阻燃镁合金、高强韧镁合金以及超轻变形Mg-Li合金。其中,镁锂合金的研究十分活跃,目前主要应用在歼击机和枪械方面。如喷气式歼击机“洛克希德F-80”以及“B-36”轰炸机都应用这类镁合金。我国的东北大学和哈尔滨工业大学在进行前期研究。耐热镁合金目前主要在往稀土镁合金方向研究,如美国开发的QE22和WE44镁合金具有相当高的高温强度,已运用到直径1m的“维热尔”火箭壳体的制作上,提高了其飞行性能。阻燃镁合金目前的研究也是向稀土化方向发展。这方面上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心开发出的加入铍和稀土元素的镁合金已成功的应用到了轿车变速箱壳盖的工业试验,相信在武器要求强量化背景下,这种镁合金在军事工业上会有很大的应用前景。


  二、先进钛合金

  钛是20世纪80年代走向工业化生产的一种重要金属。也是一种对经济和国防具有重要意义的新型金属。钛合金与镁合金相似,它密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点,在航空航天和军事领域中获得了广泛应用,包括军用、民用飞机、航空发动机、导弹。舰艇、核反应堆以及轻型火炮等。其中,在高强韧性方面,美国开发的Ti1023钛合金抗拉强度高、断裂韧性高、耐疲劳性好、锻造性能优良,已应用在B777飞机起落架系统和火箭发动机推进剂储箱和导管等部件。另外美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金β21S在690℃具有良好的抗氧化性能,可在540℃下长期工作。冷、热加工性能优良,可制成0.064mm的箔材。已被美国国家宇航局确定用作硅/钛复合材料的基体材料,并将用于美国航天飞机的机身和机翼壁板。在

耐高温性方面,英国、美国和俄罗斯在这方面具有先进水平,英国的IMI829、IMI834钛合金,美国的Ti100、俄罗斯的BT18Y、BT36、BT37已经用在了军用飞机发动机上。20世纪80年代美国的两家公司研制出对持续燃烧不敏感的钛合金Alloy C(Ti-1270),它具有较高的室温强度,并具有良好的室温和高温塑性、蠕变和疲劳性能,已用于F119发动机。我国研制的Ti-40阻燃性能与美国的Ti-1270相当,也用于我国新型的战斗机发动机上。我国的600℃高温钛合金TI60还处于研制阶段。


   三、超高强度钢

  超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200 Mpa 和1400 Mpa的钢,它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。Aermetl00是美国Carpenter技术公司研制的高合金超高强度钢。已披用于F-22、F-18E/F等先进飞机的起落架。美国近期又开发出一种后继钢,称Aermet 310,比Aermet100强度高10%,KIc达70MPa。SFGHITEN、NANOHITEN、ERW和HISTORY是日本JFE公司最近开发出的几种高强度钢。其中SFGHITEN为含Nb系列高强度IF钢板,主要应用对象是汽车车身外板, NANOHITEN是强度级别为780MPa的热轧钢板,其特点是塑性好、扩孔率高,具有优良的翻边成形性能和稳定的力学性能。可应用于各类加强件、臂类与梁类零件。ERW和HISTORY是JFE针对飞机悬架系零部件开发的高强度钢管,强度级别也是780 MPa。该材料具有良好的液压成形性能。已开始应用于飞机悬架系统的臂类零件。Stelco公司最近开发出了一种代号为SteIR MM的高强度微合金,具有良好的断裂韧性,经试验其断裂韧性比普通钢高22%左右,并已投放市场。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后,北京航空材料研究院已自主开发出适应某型号飞机发动机的刚强度钢。


   四、金属间化合物

  金属间化合物材料技术仍处在探索发展阶段,美国GE公司将Ti-48Al-2Nb-2Crγ型合金精铸成CF6-80CZ发动机涡轮叶片。地面试车取得成功。惠普公司也拟根据Caesar计划在F119发动机上试车。对镍铝化台物也在进行广泛的研究工作,俄罗斯近年开发成功了BKHA-1B和BKHA-2M.前者以Nl3Al为基、后者以N3Al+NaAl为基。已分别用于发动机静子叶片和导向叶片涂层材料。国外在铌基体中加入Si,形成Nb3Si或Nb 3Si2金属间化合物。作为增强体,形成Nb-Si复合材料,其耐温能力比单晶合金提高200~300℃。