飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求,AerMet100钢较300M钢而言,强度级别相当,而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢,与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低,正在研究中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢,用作B-1飞机机翼作动筒接头,比Ti-6Al-4V减重10.6%,加工性能提高60%,成本降低 30.3%。俄罗斯米格-1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢,广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。
国外还发展了超高强度齿轮(轴承)钢,如CSS-42L、GearmetC69等,并在发动机、直升机和宇航中试用。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研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。
金属间化合物
高性能、高推重比航空发动机的研制,促进了金属间化合物的开发与应用。如今金属间化合物已经发展成为多种多样的族,它们一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力,它具有高的使用温度以及比强度、导热率,尤其是在高温状态下,还具有很好的抗氧化,搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料,它填补了这两种材料之间的空档,因而成为航空发动机高温部件的理想材料之一。
目前在航空发动机结构中,致力于研究开发的主要是以钛铝和镍铝等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同,但却有更高的使用温度。例如和 TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。金属间化合物原子间的结合力强,晶体结构复杂,造成了它的变形困难,在室温下显现出硬而脆的特点。目前经过多年的试验研究,一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功,并已装机使用,效果很好。例如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物,验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。
陶瓷基复合材料
说到陶瓷,人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前,如果把它用于工程领域的承力件,是任何人都不可能接受的,直到现在说到陶瓷复合材料,也可能还会有些人不清楚,认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料,但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后,才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化,这就是陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料,特别是在航空发动机制造应用中,越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻,硬度高的优点以外,还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料,并具有很好的力学性能和化学稳定性,是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。
目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求,正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料,并取得了较大进展,有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机,它的高压涡轮密封装置,燃烧室的部分高温零件,均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。
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