近年來(lái)，隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展， “航空航天熱”不斷升溫。恰逢“長(zhǎng)征七號(hào)”火箭成功發(fā)射之際，這股熱浪再次升溫，“航空航天”也成為了人們?nèi)粘Ｓ懻摰脑掝}，似乎每一個(gè)國(guó)人心中都有一個(gè)“航空航天夢(mèng)”，這個(gè)夢(mèng)想如影隨形，深埋心底。

    作為航空航天工業(yè)的基礎(chǔ)，材料工業(yè)的發(fā)展決定著國(guó)防工業(yè)所能攀爬的高度，所謂的“一代材料，一層高度”是航空航天科技圈的真實(shí)寫照。

    通常條件下，航空航天飛行器是在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作，除了依靠?jī)?yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，更主要的是依賴于材料所具有的優(yōu)異特性和功能。由此可見，航空航天材料在航空航天產(chǎn)品發(fā)展中的具有極其重要的地位和作用。

    單從飛行器在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面講，航空航天產(chǎn)品在追求輕質(zhì)和減重方向上可以說(shuō)是斤斤計(jì)較，甚至是說(shuō)成“克克必爭(zhēng)”都不為過(guò)。比如對(duì)航天飛機(jī)來(lái)說(shuō)，每減重1kg的經(jīng)濟(jì)效益將近十萬(wàn)美元。下圖就是飛行器每減重1kg所取得的經(jīng)濟(jì)效益與飛行速度的關(guān)系。

    減輕結(jié)構(gòu)所得經(jīng)濟(jì)效益（相對(duì)值），飛行器每減重1kg后所得經(jīng)濟(jì)效益與飛行速度的關(guān)系

    要想實(shí)現(xiàn)飛行器的減重，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，最主要的途徑是采用新型材料及改型材料。從圖中就可以看出，隨著科技的發(fā)展，新型材料和改進(jìn)型材料與主動(dòng)載荷控制、顫振抑制、自動(dòng)化設(shè)計(jì)及先進(jìn)結(jié)構(gòu)概念等相比，在飛行器結(jié)構(gòu)減重中占有主導(dǎo)地位，也正因?yàn)檫@個(gè)原因，材料的比強(qiáng)度，比模量等這些概念在航空航天領(lǐng)域具有更為重要的現(xiàn)實(shí)意義。如我們常見得到鈦合金，金屬?gòu)?fù)合材料等都是高強(qiáng)輕質(zhì)材料，很受航空航天領(lǐng)域的青睞。

    新型材料及改進(jìn)型材料在軍機(jī)結(jié)構(gòu)減重中的重要性及發(fā)展趨勢(shì)

    對(duì)于航空航天飛行器而言，除采用高強(qiáng)輕質(zhì)合金外，制約其產(chǎn)品性能的另一類關(guān)鍵材料是高溫材料。以飛機(jī)蒙皮為例，現(xiàn)在航天飛機(jī)的蒙皮溫度高達(dá)1000℃，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片承受的溫度高達(dá)2000℃。因此，為了支撐航空航天產(chǎn)品在高溫下的工作要求，許多新型材料如金屬間化合物、陶瓷、碳/碳及各種復(fù)合材料正在加速發(fā)展之中，目的就是降低飛行器的結(jié)構(gòu)重量，提高飛行器的結(jié)構(gòu)效率、服役的可靠性及延長(zhǎng)使用壽命。

    但是，隨著近年來(lái)在航空航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入損傷容限設(shè)計(jì)的概念，對(duì)材料的韌性提出了更高的要求，這難免會(huì)造成用犧牲材料強(qiáng)度來(lái)?yè)Q取材料更高的韌性，以確保航空航天產(chǎn)品的高可靠性、高耐久性和長(zhǎng)壽命。尤其是對(duì)于航空航天動(dòng)力裝置而言，更是提出了更高的要求，即超高溫或超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件。為了滿足上述諸多苛刻的工作條件，我們必須最大程度的挖掘結(jié)構(gòu)材料的潛力。現(xiàn)在，滿足使用條件的結(jié)構(gòu)材料包括有新型高溫合金和高溫鈦合金、金屬間化合物及其復(fù)合材料、熱障涂層材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基和碳/碳復(fù)合材料等。

    單晶高溫合金

    單晶高溫合金在950-1100℃ 溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的抗氧化、抗熱腐蝕等綜合性能，成為高性能先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪葉片的主要材料。我國(guó)研制了 DD402、DD406等單晶合金。其中第一代單晶合金DD402在1100℃ 、1300ＭPa應(yīng)力下持久壽命大于100h ，適合制作工作溫度在1050℃以下的渦輪葉片，是國(guó)內(nèi)使用溫度最高的渦輪葉片材料；第二代單晶合金DD406含2%Re，使用溫度可達(dá)800-1100℃ ，正在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行使用考核。

    鎳基超合金

    鎳基超合金具有良好的高溫蠕變特性、高溫疲勞特性以及抗氧化、抗高溫腐蝕等綜合性能，滿足了高推重比先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。為了使渦輪機(jī)葉片能夠承受遠(yuǎn)超過(guò)Ni熔點(diǎn)的溫度，除了升高Ni基超合金的使用溫度外，還在基體表面涂敷絕熱層 （TBC），以及采取冷卻措施等降低基體溫度。CMSX-10、Rene N6等含Re為5%-6%的第３代單晶體Ni基超合金，其使用溫度達(dá)到1050℃ 。近年來(lái)美國(guó)通用電氣公司（GE）、法國(guó)史奈克馬公司（SENCMA）和日本國(guó)家材料科學(xué)研究所（NIMS）開發(fā)了第4代單晶體Ni基超合金，該合金不僅添加了Re，還添加了2%-3%的Ru，以提高合金組織的穩(wěn)定性。 NIMS 研制了第 5 代單晶體Ni 基超合金，在第 4 代合金的基礎(chǔ)上增加了 Ru 含量，使合金的耐用溫度達(dá)到 1100℃ 。

    等軸晶，柱狀晶，單晶

    金屬間化合物

    金屬間化合物是近幾十年來(lái)研究的一類前景廣闊、低密度的高溫材料。目前，金屬間化合物中熔點(diǎn)超過(guò)1500 ℃的就有 300多種，其中 Mo3Si、 Re3Nb、 W2Hf２等金屬間化合物的熔點(diǎn)都超過(guò)了2000℃ 。近年來(lái)Ti-Al 和 Ni-Al系材料的力學(xué)性能及應(yīng)用研究取得了令人矚目的成就。

    難熔金屬材料

    難熔金屬（ W、Re 、Mo、Nb等）及其合金具有高熔點(diǎn)、耐高溫和強(qiáng)抗腐蝕能力等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航天發(fā)動(dòng)機(jī)等場(chǎng)合。其中研究和應(yīng)用最多的主要是 W、Re 、Mo、Nb等金屬。

    金屬陶瓷材料

    金屬陶瓷是介于高溫合金和陶瓷之間的一種高溫材料。碳硅化鈦（Ti3SiC2）是其中研究最多的一種材料，具有耐高溫、抗氧化能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，又具有金屬材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、可加工性、塑性等優(yōu)異性能，是一種綜合陶瓷材料。碳硅化鈦在1200-1400℃ 高溫下，強(qiáng)度比目前最好的耐熱合金還高，又易加工，故完全可作高溫結(jié)構(gòu)材料用，其高溫強(qiáng)度與抗氧化、抗熱震等性能優(yōu)于 Si3N4 ，有可能用于未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制作導(dǎo)向葉片或渦輪葉片。

    金屬基復(fù)合材料

    金屬基復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有更高的比強(qiáng)度、比剛度、耐高溫和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。鈦基、鈦鋁化合物基和高溫合金基復(fù)合材料耐溫能力較強(qiáng)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中溫（650-1000℃）部件的候選材料。

    陶瓷基復(fù)合材料

    陶瓷基復(fù)合材料具有密度低、耐高溫、高熱導(dǎo)率、高彈性模量等優(yōu)異的物理性能，并能在高溫下保持很高的強(qiáng)度、良好的抗熱震性和適中的熱膨脹率，對(duì)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片質(zhì)量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大，是高溫領(lǐng)域最有前途的材料。在2000℃ 以上氧化氣氛中可用的候選材料主要是碳化物和硼化物。

    樹脂基復(fù)合材料

    樹脂基復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度高、比模量高、耐疲勞與耐腐蝕性好和阻噪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件（風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)葉片、進(jìn)氣機(jī)匣等）和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到了廣泛應(yīng)用。樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展到了耐溫 450℃ 的第四代聚酰亞胺復(fù)合材料，形成了從 280-450℃ 涵蓋四代的耐高溫樹脂基復(fù)合材料體系。

    防護(hù)涂層

    目前，對(duì)于鎳基高溫合金而言，主要使用的防護(hù)包括擴(kuò)散涂層、包覆涂層、熱障涂層及新型高溫涂層。

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)航空材料發(fā)展的需求目標(biāo)和重點(diǎn)

    液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)材料的需求

    從前面列舉的航空航天材料可以看出，先進(jìn)航空航天產(chǎn)品構(gòu)件越來(lái)越多地采用高性能的新型材料以滿足日益提高的性能要求，特別是在承受高溫的構(gòu)件方面，以金屬間化合物、高溫合金、單晶合金、難熔合金及先進(jìn)陶瓷材料等為代表的新型材料扮演了日益重要的角色。

    當(dāng)代高性能固航空及航天發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特征是“高能-輕質(zhì)-可控”，三者互相關(guān)聯(lián)，而且是以材料和工藝技術(shù)為基礎(chǔ)集成起來(lái)。先進(jìn)的材料及新工藝的全面應(yīng)用是提高航空及航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)決定性因素。

    航空航天未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)用材的預(yù)測(cè)（NASA）

    美國(guó)航空航天局對(duì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，可以看出，到2020年Ti基復(fù)合材料、TiAl及Ni、Fe基金屬間化合物、陶瓷復(fù)合材料，難熔合金與Ni基高溫及單晶合金等將占發(fā)動(dòng)機(jī)用材料的百分之八十五左右，其中相當(dāng)一部分關(guān)鍵高溫構(gòu)件要采用凝固和塑性加工制備。就以TiAl基合金來(lái)說(shuō)，GE公司宣布，波音787選用的GENX發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后兩級(jí)葉片采用TiAl合金可減重200公斤，下表為GE公司TiAl基合金的應(yīng)用情況與發(fā)展計(jì)劃。

    GE公司等TiAl基合金的應(yīng)用情況與發(fā)展計(jì)劃

    2011-2020年我國(guó)先進(jìn)材料與熱工藝技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

    我國(guó)在航空航天領(lǐng)域，到2022年，先進(jìn)材料與熱工藝技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)計(jì)劃中也將高性能TiAl合金及冷坩堝熔鑄和定向凝固作為研究開發(fā)的重點(diǎn)。