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、應用等方面占據世界領先地位，通過材料計算和性能預測、數字模擬和應用評價、組織性能與多場耦合環(huán)境壽命評估等關鍵技術的成熟應用，已形成了完善的材料技術體系，擁有龐大系統(tǒng)性數據庫。
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、應用等方面占據世界領先地位，已形成了完整的材料體系和完善的選材技術體系，擁有龐大的系統(tǒng)數據庫。相比之下，我國金屬結構材料產業(yè)正處在上升期，迫切需要品種創(chuàng)新和技術進步。我國變形高溫合金從引進吸收逐步形成體系化和規(guī)模化，目前已基本實現材料的自主可控，下圖展示了我國航空發(fā)動機及燃氣輪機盤鍛件用變形高溫合金的發(fā)展趨勢。650 ℃以下使用的GH4169合金冶金質量和用量持續(xù)提升，成為“一材多用”的典范，支撐了三代航空發(fā)動機等裝備的批產應用；承溫700～750 ℃的GH4169D、GH4065A、GH4096 等新一代合金研制成功并實現工程化應用，支撐了四代航空發(fā)動機以及商用渦扇發(fā)動機的研制；GH4720Li、GH7438 等合金在多種中小型發(fā)動機中得到批量應用；艦用燃汽輪機和火箭發(fā)動機的研制與應用帶動了GH4698、GH4742、GH4202 等牌號的發(fā)展；為了滿足更高代次發(fā)動機的應用需求，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 ℃之間較完整的時效強化型變形高溫合金體系。
圖1 航空發(fā)動機及燃氣輪機盤鍛件用變形高溫合金的發(fā)展趨勢
隨著制造工藝的創(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)動機推重比的不斷提高，下表列出了各代航空發(fā)動機渦輪葉片選用材料的發(fā)展歷程。隨著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越小，基于材料計算、高通量實驗、機器學習等手段開展合金成分設計成為未來的發(fā)展趨勢，通過模擬仿真優(yōu)化工藝參數已經逐漸成為通用的高溫合金零部件生產制備方法。
表 航空發(fā)動機渦輪葉片選用材料的發(fā)展歷程
粉末高溫合金在軍、民用先進航空發(fā)動機渦輪盤中得到了廣泛應用。綜合來看，鎳基粉末高溫合金的發(fā)展趨勢具有“三高一低”的特點：高強度、高工作溫度、高組織穩(wěn)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，通過成分調整和工藝優(yōu)化來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，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，我國高溫合金體系以需求牽引為主、技術推動為輔，在研制與應用領域取得顯著進展。然而，高溫合金涉及學科眾多，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期積累的基礎之上，因此未來需持續(xù)加強。超高強度鋼是指屈服強度超過1380 MPa 的高比強度結構鋼，在航空航天、國防軍工等領域扮演著越來越重要的角色，航天航空領域的主要應用場景有飛機起落架、發(fā)動機軸、齒輪軸承、框、梁、火箭發(fā)動機殼體等。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 基馬氏體時效鋼，因在時效過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)動機主軸和火箭發(fā)動機殼體等部件[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)動機主軸采用2100～2300 MPa 的GE1014和ML340 鋼，國內開發(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)動機和直升機高功率密度傳動系統(tǒng)的齒輪、軸承和傳動軸等傳動構件。超高強度鋼的抗應力腐蝕性能也是各國研究關注的重點。美國Ques Tek 公司通過材料基因工程研發(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域具有廣泛的應用前景。低密度高強度鋼是近年來提出的新概念，其成分設計的特點是高Al 含量，同時添加奧氏體化元素，使其具有良好的塑性，例如最常見的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濟性，我國研發(fā)了DT510 低密度鋼，在降低材料密度的同時具有良好的強韌性，與傳統(tǒng)超高強度鋼30CrMnSiNi2A 相比，DT510 密度降低13.4%，屈服強度提高19.3%。
節(jié)選來源：《航天材料學報》
原標題：航空航天先進結構材料技術現狀及發(fā)展趨勢
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