我国航空材料的发展现状、问题与思路

2007-04-14  来源1:复材在线 作者:复材在线 浏览次数:5752 收藏  |  分享

材料不仅是制造航空产品的物质基础,同时也是使航空产品达到人们所期望的技术性能、使用寿命与可靠性的技术基础。航空技术的进步与发展对航空材料起着积极的"牵引"作用;与此同时,材料科学与工程发展,新型材料的出现,制造工艺与理化...
材料不仅是制造航空产品的物质基础,同时也是使航空产品达到人们所期望的技术性能、使用寿命与可靠性的技术基础。航空技术的进步与发展对航空材料起着积极的"牵引"作用;与此同时,材料科学与工程发展,新型材料的出现,制造工艺与理化测试技术的进步,又为航空新产品的设计与制造提供重要的物质与技术,从而对航空产业的发展起着有效的"推动"作用。例如,承载与隐形一体化材料的出现,既是隐形飞机设计构思提出的需求,同时也使隐形飞机从设想变为现实;优质单晶高温合金的出现,使发动机涡轮前温度得以大大提高,推动着高推重比航空发动机的进步。

航空材料的特点

由于航空产品具备高科技密集、系统庞大复杂、使用条件恶劣多变,要求长寿命、高可靠性和品种多、批量小等特点,从而使航空材料也相应地具有一系列特点:

(1)种类、品种、规格多。航空材料按用途分有结构材料、功能材料及工艺与辅助材料三大类:按化学成分分有金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料以及各种复合材料。各类材料又涉及众多的牌号、品种与规格。

(2)高的比强度(σb/ρ)和高的比刚度(E/ρ)是航空结构材料的重要特点。减轻结构重量既可增加飞机、直升机的运载能力,提高机动性,加大航程,又可减少燃油消耗。因此,高强度铝合金、钛合金以及先进复合材料在航空上得到广泛的应用。

(3)高温合金是航空材料极其重要的组成部分。燃气涡轮(包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴)发动机是现代飞机、直升机的主要动力装置,而各类高温合金则是制造现代航空燃气涡轮发动机的关键材料。随着发动机推重比(或功重比)的提高,涡轮前温度也随之升高,对材料的耐温要求也愈来愈高。

(4)质量要求高。由于飞机、直升机是一种载人反复运行的产品,在规定的使用寿命期内,对使用可靠性、安全性有着极其严格的要求。为此对航空材料要进行严格的质量控制。

(5)抗疲劳性能是航空材料的另一个突出特点。大量的事实说明,在飞机、发动机所发生的失效事件中,约80%以上是各种形式的疲劳损伤所引起。航空材料的抗疲劳性能是关系到航空产品使用可靠性和使用寿命的一项非常重要的性能指标。

(6)成本高、价格贵。由于航空产品品种多样而批量小,相应地航空材料的牌号品种也多,批量也小,难以形成规模化生产,同时质量要求又高,从而导致材料的成本高,价格贵。材料费用在航空产品成本中占有很大比重。如何降低其价格是航空材料发展的一个重要努力方向。

我国航空材料的发展现状

中国航空产业经历了从修理、引进、仿制到改进、改型和自行设计研制的发展历程。用以制造航空产品的材料也经历了引进、仿制、改进、改型和自行研制的发展历程。到目前为止,我国已定型生产的航空用金属、有机高分子材料、无机非金属材料以及复合材料的牌号约2000余个;已建成具有一定规模的航空材料研究与生产基地,拥有生产航空产品所需各类材料牌号、品种与规格的生产设备及检测仪器;先后制订了1000余份各类航空材料、热工艺及理化检测标准(包括国标、国军标与航空标准);编写出版了《中国航空材料手册》、《发动机结构设计用材料性能数据手册》及《航空材料选用目录》等;颁布了"航空工业材料及热工艺技术工作规定"、"航空材料(含锻、铸件)技术管理办法"等法规性文件。从总体上看,我国目前已定型生产的航空材料(含类别、牌号、品种与规格)及其相应的标准与规范,基本上能满足第二代航空产品批生产的需求。针对第三代航空产品所需关键材料,如热强钛合金、高强铝合金、超高强度结构钢不锈钢、树脂基复合材料、单晶与粉末高温合金等,从技术上看,已具备试用条件,但要转化为在特定工况下使用的零部件,并体现出第三代航空产品的总体效能(技术与战术性能、使用可靠性与寿命以及经济效益等)尚需做大量的工作。

我国航空材料的差距

我国航空材料的现状与新一代航空产品(飞机以F-22为代表,发动机以推比10为代表)对材料的需求之间尚存在较大的差距,主要有如下三方面:

(1)前沿材料研究滞后,新材料储备小,第三代、第四代航空产品所需的一些关键材料,如快速凝固材料、高强轻质结构材料、热强钛合金、超高强度钢、金属间化合物及以其为基的复合材料、树脂基复合材料等的研究滞后,与国外先进新材料研制水平的差距约为15~20年;

(2)新材料研制、生产和应用研究的基础条件较差,如超纯熔炼、高温整体扩散连接、喷射成型、等温锻造、电子束沉积涂层、纳米材料制备、超高温检测、超声显微镜、激光无损检测等先进的合成与加工设备、质量检测与控制手段等不能满足新材料研制、生产与应用的需要;

(3)一些常用结构材料的质量不稳定,性能数据分散,表面质量差,尺寸精度低,有些品种规格不能正常供货,满足不了生产使用要求。

我国航空材料存在的问题

当前我国航空材料存在的问题,主要有如下几方面:

1. 材料牌号多、乱且重复

各类材料均没有形成具有不同性能水平档次的牌号序列。我国先后从原苏联、英国、法国、美国及俄罗斯等引进过航空产品,每引进一个航空产品均要仿制一大批相关国家的材料与标准,致使多国材料云集我国,造成了"四多四少"的严重局面。即:低水平材料多,高水平材料少;仿制国外材料多,国内新研材料少;用途单一材料多,一材多用材料少;研制材料成果多,工程化应用材料少。

我国现有各类航空材料牌号约2000余个,居世界之首。如研制和生产的高温合金牌号有近100个,几乎是世界航空用高温合金牌号之总和。仅涡轮盘用高温合金先后共研制13个牌号,其中仿苏4个,仿美、英、法6个,自行研制3个。处在同一性能水平有7个,真正适应并具有不同性能水平档次的只有4个牌号。根据《航空材料选用目录》所载,在我国各类航空产品上所用的结构钢共有131个牌号,不锈钢有81个牌号。编入《航空材料手册》的结构钢只有47个牌号、不锈钢36个牌号。纳入国军标的结构钢与不锈钢分别仅有38个和32个。大部分钢号是在近10多年引进国外航空产品过程中仿制的,有的仅在1~2个产品上制作1~2个零件,用途单一,用量极少,目前大部分是按企业标准或型号标准进行试生产。

在所仿制的国外材料中,存在严重的重复仿制现象。如主要用做齿轮的渗碳钢,重复仿制了七个钢号;主要用做轴类零件的结构钢,重复仿制了五个钢号;主要用作压气机叶片与盘的马氏体不锈钢,重复仿制了六个。典型的例子有:仿英国的16Ni4CrMoA和仿法国的16Ni3CrMoA两个渗碳钢;仿美国的0Cr15Ni5Cu4Nb和仿俄国的0Cr15Ni5Cu2Ti两个沉淀硬化不锈钢;仿英国的1Cr12Ni3MoV和仿法国的1Cr12Ni3Mo2V两个马氏体型不锈钢等。上述钢种二者之间的成分和性能几乎完全相同,只是由于引进的机种来自不同的国家,国内各厂所之间缺少必要的沟通和分析研究,花费了大量的财力与人力,分别进行了引进仿制而造成重复。

2.没有形成相互联系与协调配套的适合我国国情的材料、工艺及理化检测标准系列

在仿制各国材料的同时,相应地引进了各个国家的标准。由于各国的标准体系、格式、内容及要求各不相同,因此在国内形成了多国标准并存,互不兼容,难以贯彻的复杂局面。

由于材料的重复引进造成多国材料云集,不仅无法建立起中国自己的材料牌号系列,也不可能建立起相互联系与协调配套的材料、工艺及理化检测等标准系列。

3. 材料性能数据"少、缺、散"现象严重

大多数材料只有表征其性质与特征的基本性能数据,少数仿制材料甚至只有技术标准中规定的五大力学性能(σb、σ0.2、δ、φ、αk)数据;某些用作关键件重要件的材料,缺少按损伤容限设计的性能数据和按可靠性概率设计所需的统计性能数据,如A基值、B基值及-3σ值等。零部件在使用环境温度、介质及应力综合作用下的使用性能数据更是缺少。由于受国内材料生产工艺技术水平、设备能力以及材料生产批量等的限制,材料冶金质量的稳定性、均匀性及一致性较差,导致材料性能数据分散,离散系数大。此外,在航空产品定寿、延寿及结构完整性研究过程中,所测定的材料性能数据目前大部分分散保存在各个厂、所,没有汇总集中和建立起统一的航空材料性能数据库,使国家花费巨额资金测试所得的材料性能数据处于分散状态,无法做到资源共享。

4. 材料的实物质量低

当前国内生产的航空材料,从总体上看,其标准质量(指技术标准规定的质量指标)基本上达到或接近国际水平,但材料的实物质量却普遍低于国际水平。主要表现在不同炉批的材料,其成分与性能虽然符合标准规定,但波动范围大,材质的一致性、均匀性和稳定性较差。

后果

目前我国航空材料存在的上述问题,严重制约我国航空工业的发展,对我国航空产品的设计与研制、生产与使用造成一系列严重后果:

(1)由多国材料牌号云集所造成的复杂无序状态,严重制约着建立适合我国国情的航空材料牌号系列以及与之配套的标准系列,从而使航空产品设计及其选材难以走上科学化、规范化与程序化的轨道,给航空产品的制造、生产管理造成困难;

(2)材料牌号繁多,使本来因航空产品批量小而造成对材料需求量少的矛盾更加突出,使材料生产企业难以组织规范化生产,不利于提高企业的经济效益,同时使材料的质量稳定性降低,性能数据分散性增大,直接影响航空产品的使用可靠性与成本,降低航空产品的市场竞争能力;

(3)对国外相近材料的大量重复仿制,耗费了国家大量资金与人力资源,严重影响我国航空材料的创新开发、改进改型及应用研究,制约了自行研制新材料的推广应用和对成熟材料的挖潜改进;

(4)材料性能数据存在的"少、缺、散"状况不利于正确使用,给航空产品的结构设计、分析计算、寿命预测及可靠性评估等造成极大困难,在一定程度上制约着我国航空产业的发展。

上述问题的存在,原因是多方面的。主要是我国航空产业科学技术基础薄弱、起点低,所经历的发展道路曲折;其次是在材料选用、材料研制及材料采购等领域没有引入和形成一整套科学而有效的运行机制,没有制订出相应的行为规范与程序,没有建立起符合我国国情的航空材料体系。

我国航空材料的发展思路

在深入分析研究我国航空材料的现状与问题、需求与差距的基础上,应把建立起符合我国国情的航空材料体系作为发展我国航空材料的总体思路。

这里所提的"航空材料"体系是指由用作航空产品的各类材料牌号系列、标准(规范)系列、性能数据库以及有关材料选用、研制和采购工作的运行机制与行为规范等四方面构成的相互联系、相互协调的有机整体。

建立中国航空材料体系的具体思路应包括以下几个层次:

1.逐步理顺和建立我国航空用各类材料的牌号序列

首先要对现有用于各类航空产品的材料加以收集汇总,然后按照"淘汰落后材料,限用综合性能差与使用面窄的材料,合并性能水平相近的材料,推荐综合性能好的材料,补充暂缺的先进材料"等原则,加以分类整理,建立起适合我国国情的具有不同性能水平档次的各类材料的牌号序列,并逐步纳入国标、国军标或航标。

2.正确处理并逐步解决多国材料并存、重复、互不兼容的复杂局面

(1)对已往在引进国外航空产品过程中所仿制的,目前尚未纳入国标、国军标或航标的各类国外材料,进行全面清理和综合对比分析,选择其中国内没有且有应用前景的材料牌号,加以研究完善,而后使其尽快纳入国标、国军标、或航标中,编入到该类材料的牌号序列中。其余的国外材料牌号要加以限用,即限制在除原引进航空产品以外的产品上使用。

(2)随着我国对外开放的深入和加入"WTO"步伐的临近,引进航空产品及技术将会不断增加,妥善处理其中的材料问题将是建立中国航空材料体系的关键。为此,要在熟悉和掌握国外各类材料牌号与标准的基础上,进行对比分析,分别采取代用与仿制两种方法加以处置。

首先是用国内现有材料牌号代用。由于各国矿产资源和技术水平的不同,一些工业发达国家先后形成了各自的材料牌号序列。各国间完全相同的材料牌号是极少的,大多数只存在相当或相近的对应关系。因此,如果国内现有某材料牌号的化学成分与引进产品所用某一材料的化学成分相近,力学性能与工艺性能相当,即可用该材料代用相应国外材料。在这里需要的是理性的、实事求是的科学分析,必须摒弃过去那种"一丝不苟"照搬照抄国外的做法。在没有相应国内材料牌号与之对应的国外材料,且又没有仿制价值时,可根据具体的使用条件,采取"以优代劣"的办法加以处置。

其次是对国内现有材料牌号难以代用的少量国外材料可作如下处置:对确有先进性和应用前景者,则可立项仿制;若用量少,要求高,国内难以仿制生产或虽可仿制生产,但经济上很不合算,同时国外又能正常供货的材料,可直接向国外采购,不必拘泥于"一切立足于国内"。

3.加大对现有定型材料的改进改型研究力度

通过调控成分或变更工艺等手段,充分挖掘现有材料的潜力,做到"一材多用"。

4. 加强对新材料的研究

先进航空产品的发展,对材料的要求愈来愈高,因此,要加强对树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属间化合物、高强高韧、可焊、耐蚀合金钢、高强铝合金、耐热钛合金等的研究。

5.在建立材料牌号序列的同时,建立航空材料性能数据库

对那些用作关键件、重要件的材料,要补充测试有关结构设计、可靠性评估与寿命预测等所需的性能数据。

6.加强特种工艺和理化测试技术的开发研究

在制订材料标准的同时,制订相应的特种工艺及理化检测标准,形成完整的标准系列,达到扩大材料应用范围,提高材料的应用技术经济效益。

7.建立和完善运行机制及行业规范

在有关材料选用、材料研制和材料采购等方面,建立和完善与市场经济相适应的运行机制及一套行之有效的行为规范,理顺材料选用、材料研制材料采购等部门之间的关系,使这方面的工作走上科学化、规范化和程序化的轨道。

需要指出的是:建立中国航空材料体系是当前发展我国航空材料的关键步骤,是繁杂的系统工程,是一项开拓性的工作,应本着循序渐进、逐步实施的原则,先搞发动机材料体系,取得经验后,再搞飞机(含直升机)机体材料体系和机载设备材料体系,最后汇总、合并形成中国航空材料体系。(end)

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