[百科] 航空上常用的金属材料和它的性能特点

钛及钛合金材料密度低、比强度高（目前金属材料中最高）、耐腐蚀、耐高温、无磁、组织性能和稳定性好，可以与复合材料结构直接连接，而且两者之间的热膨胀系数相近，不易产生电化学腐蚀，具有优良的综合性能。因此，钛合金在航空领域得到越来越广泛的应用。洛克希德公司的“黑鸟”高空高速战略侦察机 SR-71，飞行速度超过 3马赫，在高速飞行时，机体表面温度将超过常规铝合金蒙皮的极限，如果用钢制造，飞机重量会大大增加，影响飞行速度和升限等性能。因此，SR-71的机身大量采用了钛合金，总重达 30多吨，占飞机结构重量的 93%。随着人们对飞机性能要求的不断提高，民用飞机的钛合金用量也在逐渐增加。早期波音 707上的钛合金部件用量仅占结构总重量的 0.2%，到最新的波音 787，占比高达 15%。

此外，钛合金也是制造航空发动机的主要材料。早期美国 F-4战斗机使用的 J79发动机，钛合金的用量只有50千克，不到总重量的2%。而现在大多数航空发动机的钛用量已经达到发动机总重量的25%〜30%。如波音 747、767的发动机 JT9D，其用钛量为总重量的 25%；空客A320的V2500发动机，其用钛量为总重量的 31%。钛合金的另一大用途是作为螺栓、铆钉等紧固件材料。这些紧固件虽小，但用量却很大，使用钛合金紧固件可以大大减轻重量。据估算，C-5大型运输机有 70%的紧固件为钛合金紧固件，飞机因此而减重 1吨左右。现在钛合金 3D打印技术已用于飞机制造。钛合金3D打印技术由于摆脱了传统的模具制造这一显著延长研发时间的环节，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造结构十分复杂的金属零件，因而为先进飞机结构的快速研发提供了有力的技术手段。

合金家族之三：超高强度钢

超高强度钢在强度、刚性、韧性以及价格等方面具有很多优势，且拥有在承受极高载荷条件下保持高寿命和高可靠性的特点，在航空领域得到广泛使用。例如，飞机的起落架要承受冲击等复杂载荷，而且载荷巨大，同时还要求起落架舱容积尽可能小，超高强度钢绝对强度大、稳定性好，因此成为起落架的首选材料。

20世纪 60年代，美国成功开发了 300M超高强度钢。300M钢的抗拉强度高，达到 1860MPa以上。它的横向塑性高，断裂韧性好，与同强度低合金超高强度钢相比，300M钢的抗疲劳性能更好，在介质中的裂纹扩展速率低。这些特点使得 300M钢成为大型飞机起落架的主要材料。1992年，美国又开发了 AreMet100。AreMet100与 300M的强度级别相同，但耐腐蚀性能和耐应力腐蚀性能较 300M钢有较大提高，是目前综合性能最好的超高强度钢。F-22、F/A-18E/F就使用了AreMet100作为飞机起落架的主要材料。

超高强度钢的另一应用是作为一些特殊传动部件的基体材料，如航空发动机中的轴承和传动齿轮。航空发动机的轴承和齿轮的工作环境完全可以用“炼狱”来形容，它们不仅要承受各种应力的挤压和摩擦，而且绝不允许在使用过程中出现裂纹等损伤，只有超高强度钢才可担此重任。目前，世界上只有极少数国家掌握航空发动机传动部件超高强度钢的制造技术。

合金家族之四：镁合金

镁合金是最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、抗震能力强、可承受较大冲击载荷等特点。国外最早针对镁合金的研究主要是在航天器的应用领域，后来逐渐发展到航空领域。1934年，德国开始将镁合金制造的飞机零部件应用到福克 Fw-200飞机上，主要用在飞机的发动机罩、机翼蒙皮及座位框架上，每架飞机共用镁合金材料大约 650kg。目前，镁合金材料在航空领域的应用主要包括：飞机框架、座椅、发动机机匣、齿轮箱等。2010年，美国联邦航空管理局针对用AZ31、WE43等制造的镁合金飞机座椅，开展了大量的整机可燃性试验，比较了这两种镁合金的可燃性、燃烧持续时间等性能。

埃塞克斯飞机公司用镁合金板材及型材制造的 190-8327L飞机油箱，与用铝合金制造的油箱相比，每升容积可减重 0.144〜0.168kg，整架飞机的最大减重可达 454kg。目前，一些高温镁合金如WE43、WE54等已被广泛应用于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中，如西科斯基的S-92直升机。这些镁合金材料能较好地适应高温、腐蚀、震动和沙尘等比较恶劣的环境。

声明：本文来自石墨烯应用技术企业主 - 志阳科技，原标题为“航空上常用的金属材料有哪些?各有什么性能特点?”

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