引言
隨著航天飛行器迫切的減重需求,對(duì)應(yīng)用材料提出了更高的要求,具有優(yōu)異力學(xué)性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,尤其是以鋁合金、鎂合金、鈦合金及復(fù)合材料等材料為代表的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料成為航空航天研究的熱點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)航天箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)新材料應(yīng)用方面完成了部分嘗試和探索。但就現(xiàn)在各材料行業(yè)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀和新材料預(yù)先研究結(jié)果看,各種材料性能、規(guī)格還有大幅提升的需求和潛力。從調(diào)研結(jié)果來看,技術(shù)成熟度還偏低,尚不能滿足全彈結(jié)構(gòu)和未來型號(hào)發(fā)展的緊迫需求。本文從航天結(jié)構(gòu)發(fā)展需求的角度出發(fā),列舉了航天目前需要發(fā)展和研究的部分先進(jìn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,介紹了各材料發(fā)展的現(xiàn)狀,并進(jìn)一步提出研究和發(fā)展的方向。
1 輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)材料
1.1 超高強(qiáng)鋁合金
不斷提高結(jié)構(gòu)極限承載能力是航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所追尋的目標(biāo),應(yīng)用高強(qiáng)度材料是必然選擇。從第一代鋁合金到第四代高性能鋁合金在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用不斷更新替換,鋁合金材料的發(fā)展趨勢(shì)也是對(duì)材料強(qiáng)度要求越來越高。國(guó)內(nèi)以7A04 為代表的第一代,以7A09、7075 為代表的第二代變形鋁合金已得到廣泛應(yīng)用。以7050 為代表的第三代,以7A60、7055、7056 等第四代高強(qiáng)變形鋁合金仍然處于實(shí)驗(yàn)室或半工業(yè)試制階段,還未具備在運(yùn)載器結(jié)構(gòu)上大范圍工程化應(yīng)用的條件。
超高強(qiáng)鋁合金主要以7XXX 系鋁合金為主,即Al-Zn-Mg-Cu 系合金。20世紀(jì)初至今,國(guó)外,主要以美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為主,已先后成功開發(fā)出了7X75、7X50/7010、7055/7449、7136/7056 等幾代典型的7XXX 系鋁合金,并在航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。20世紀(jì)90 年代,美國(guó)、英國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,利用先進(jìn)的噴射成形技術(shù)開發(fā)了含Zn 8wt% 以上的新一代超高強(qiáng)鋁合金,用于制造交通運(yùn)輸領(lǐng)域強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件[3]。
國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)鋁合金的研究起步較晚,主要以中南大學(xué)、東北輕合金有限公司、北京航空航天大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)為主。部分普通7XXX 系鋁合金在我國(guó)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段, 主要包括7075,7050,7175 等。由江蘇豪然公司開發(fā)的噴射擠壓成形7055 鋁合金T6 態(tài)抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)到745 MPa[4],目前還成功研制出抗拉強(qiáng)度800 MPa 級(jí)噴射成形超高強(qiáng)鋁合金。
以7055 為代表的7XXX 系超高強(qiáng)鋁合金逐漸成為航天產(chǎn)品應(yīng)用的翹楚。
7055 鋁合金于20 世紀(jì)90 年代研制成功,美國(guó)鋁業(yè)公司于1993 年申請(qǐng)專利,是Zn 含量超高的新一代鋁合金,據(jù)美國(guó)軍標(biāo)記載,其抗拉強(qiáng)度高達(dá)648 MPa,是現(xiàn)在應(yīng)用中使用的最高強(qiáng)度鋁合金。目前美國(guó)已將7055 鋁合金板材成功應(yīng)用于波音777 飛機(jī)上翼結(jié)構(gòu),將型材和鍛件應(yīng)用于龍骨架、行李軌道和座椅軌道結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)江蘇豪然公司將噴射成形材料制備工藝和7055 牌號(hào)成分相結(jié)合制備出更穩(wěn)定、更均質(zhì)的高性能鋁合金。
國(guó)內(nèi)商飛在機(jī)翼長(zhǎng)桁、某些航天運(yùn)載器發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體、噴管、飛機(jī)輪轂等結(jié)構(gòu)中也應(yīng)用了7055 鋁合金材料,取代了部分30CrMnSiA 及鈦合金產(chǎn)品。
但是,超高強(qiáng)鋁合金因力學(xué)性能的大幅度提升造成相應(yīng)的塑性降低、淬透性差、淬火殘余應(yīng)力大、機(jī)加工難度大等一系列問題。從前期工程化應(yīng)用的情況來看,后續(xù)還需要針對(duì)7XXX 系超高強(qiáng)鋁合金開展大量機(jī)理性及工藝性研究,系統(tǒng)評(píng)價(jià)材料成形工藝、熱處理工藝、綜合力學(xué)性能、切削加工工藝等,為航天運(yùn)載器上材料的選用提供依據(jù)。
1.2 耐高溫高強(qiáng)鎂合金
鎂合金被譽(yù)為“21 世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)工程材料”。因其高比強(qiáng)度、高比模量、良好的高溫性能、阻尼減振性能及高性價(jià)比、優(yōu)異的機(jī)加工性能越來越受到航空航天的青睞。可以預(yù)見,隨著鎂及鎂合金的深入研究,有望取代鋁合金,為航天飛行器的結(jié)構(gòu)減重奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
目前,鎂合金在航天飛行器上的應(yīng)用正由簡(jiǎn)單的構(gòu)件向復(fù)雜承力耐熱構(gòu)件跨越,主要應(yīng)用于火箭、飛機(jī)( 包括軍用和民用)、衛(wèi)星和飛船上比較重要的零部件,這對(duì)鎂合金的耐熱高強(qiáng)性能提出了更高的要求。早在20 世紀(jì)60 年代,國(guó)外在大力神、丘辟特、雷神和北極星等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上都曾選用變形鎂合金做結(jié)構(gòu)材料,其中“大力神”Titan 號(hào)洲際彈道導(dǎo)彈上用變形鎂合金達(dá)900 kg,其蒙皮選用了Mg-Th 系(HK31A、HM21A) 板材、AZ31B 板材。另外,小型導(dǎo)彈上用鎂量更大,如以色列“獵鳥”Falcon 空對(duì)空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件上用鎂量達(dá)到90%,其中,導(dǎo)彈殼體由ZK60A 管材和AZ31 板材制備而成,而舵選用了ZK60A 鍛件。在常規(guī)武器上,鎂合金也廣泛應(yīng)用。如:英國(guó)大口徑120mm BATL6Wombat 無(wú)后座力反坦克炮采用了鎂合金,大大減輕了質(zhì)量,加上所配的M80.5in 步槍,總重才308kg[5]。美國(guó)M274 A1 型軍用吉普車采用了鎂合金車身及橋殼,大大減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量,具有良好的機(jī)動(dòng)性及越野性能,4 個(gè)士兵可以抬起來[6]。
近年來,隨著新技術(shù)的應(yīng)用,鑄造鎂合金性能也有很大提升,如上海交通大學(xué)應(yīng)用坩堝液態(tài)金屬密封技術(shù)與精密低壓鑄造技術(shù)開發(fā)的高溫高強(qiáng)鑄造鎂合金JDM1 和JDM2 取得了成功,但規(guī)模較小。國(guó)內(nèi)鎂合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用以鑄件為主,軍用方面,如在直徑1 m 以下的戰(zhàn)術(shù)艙段、支架及局部結(jié)構(gòu)等;民用方面- 如汽車、3C 產(chǎn)品等。同時(shí)變形鎂合金的研究也越來越多,因?yàn)樽冃捂V合金相對(duì)鑄造有力學(xué)性能好、延伸率大、缺陷少、用途廣等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于小尺寸結(jié)構(gòu)件,變形鎂合金抗拉強(qiáng)度能達(dá)到400MPa 以上,且耐高溫。在航天運(yùn)載器上的局部結(jié)構(gòu)及支架上正在推廣應(yīng)用。對(duì)于占航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)主要質(zhì)量的整體艙段,特別是直徑1 m 以上的大尺寸艙段,變形鎂合金潛力巨大。
但目前耐熱鎂合金在工程化應(yīng)用方面還面臨一些問題,主要表現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的工業(yè)化變形鎂合金總體強(qiáng)度水平不高,抗拉強(qiáng)度基本在200~300 MPa,且塑性較差,還不能很好滿足航天發(fā)展的需求;小尺寸結(jié)構(gòu)件,變形鎂合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)到400 MPa 以上,但對(duì)于大尺寸結(jié)構(gòu)件,其抗拉強(qiáng)度和延伸率有待進(jìn)一步提高;高強(qiáng)耐熱變形鎂合金大尺寸鑄錠的熔鑄技術(shù)有待進(jìn)一步提升和發(fā)展,成熟的大尺寸鑄錠的缺失影響了變形鎂合金在航空航天中的大規(guī)模應(yīng)用;高強(qiáng)耐熱變形鎂合金的加工成型,特別是大直徑與大變形量結(jié)構(gòu)的成形,雖然有一定的基礎(chǔ),但是還沒有成熟的技術(shù);鎂合金的表面防護(hù)技術(shù)已開展較多研究,但對(duì)于結(jié)構(gòu)件的全生命周期的防護(hù),特別是有較長(zhǎng)貯存期要求的結(jié)構(gòu)件,還有待進(jìn)一步研究。
1.3 耐高溫高強(qiáng)鈦合金
耐高溫高強(qiáng)鈦合金的研制與應(yīng)用在世界范圍內(nèi)都受到了高度重視。早期,高溫鈦合金是指在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用溫度超過350℃以上的無(wú)序固溶強(qiáng)化鈦合金。
1954 年,美國(guó)成功研制出世界上第一個(gè)高溫鈦合金Ti-6Al-4V,奠定了高溫鈦合金研究的基礎(chǔ)。后來美國(guó)的艾伯星火箭、阿波羅飛船和發(fā)現(xiàn)者衛(wèi)星均采用了Ti-6Al-4V 合金[7]。之后各國(guó)學(xué)者研制高溫鈦合金也多是以此為基礎(chǔ)進(jìn)行的。
從20 世紀(jì)50 年代起到80 年代的近40 年,是國(guó)外高溫鈦合金的快速發(fā)展時(shí)期,使用溫度從最初的350℃提高到600 ℃。20 世紀(jì)90 年代以后,高溫鈦合金的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向Ti-Al 系金屬間化合物。在此期間,以美、英、俄等為主的航空發(fā)達(dá)國(guó)家均建立了各自相對(duì)獨(dú)立的高溫鈦合金材料體系,如表1所示[8]。
美國(guó)的麥道公司采用快速凝固或粉末冶金技術(shù)研制出一種高純度、高致密性的鈦合金,在760℃下的強(qiáng)度相當(dāng)于目前常溫下使用的鈦合金強(qiáng)度。
我國(guó)鈦合金研究起步于20 世紀(jì)60年代, 從前期仿制TC4、TC6、TA7、TA11 等低溫鈦合金,到90 年代末,研制出TA12、Ti633G、Ti53311S 等550℃高溫鈦合金,近10 年,又研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的600℃至650℃高溫鈦合金Ti60、Ti600、TG6、Ti65 等[9]。就研究成果而言,我國(guó)當(dāng)前已經(jīng)研究出了一些性能較為優(yōu)越的合金,但大多耐高溫合金工程化應(yīng)用水平尚不成熟,未能得到大批量應(yīng)用。尤其隨著我國(guó)航天運(yùn)載器的發(fā)展,耐高溫高強(qiáng)鈦合金的需求日益明顯,為了支撐與促進(jìn)我國(guó)航天的發(fā)展,應(yīng)加快對(duì)高溫鈦合金的研究工作。
一方面,盡快完成對(duì)已研發(fā)高性能鈦合金的材料評(píng)價(jià);另一方面,要積極借鑒外國(guó)研究者的研究方法,研發(fā)更高級(jí)別的耐高溫高強(qiáng)鈦合金。
2 輕質(zhì)復(fù)合材料
2.1 高強(qiáng)/高模碳纖維樹脂基復(fù)合材料
樹脂基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)纖維包括碳纖維和其他高性能有機(jī)纖維,而目前用得最多和最重要的是碳纖維[10]。以碳纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高比模量、高溫尺寸穩(wěn)定性和可設(shè)計(jì)性等一系列突出的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈艙段等彈體結(jié)構(gòu)上,已成為先進(jìn)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化不可缺少的關(guān)鍵材料。
航天用碳纖維的應(yīng)用以高強(qiáng)、中模為主,高模也有少量應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料在國(guó)外航天領(lǐng)域主要應(yīng)用在運(yùn)載火箭、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、承力構(gòu)件等方面。如美國(guó)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈“侏儒”、“三叉戟”、民兵系列[11],戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈THAAD、ERINT 等在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等部位都有成熟應(yīng)用[12];同時(shí),日本“M-5”、法國(guó)“ 阿里安-2”、“阿里安-5”等火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上也大量采用碳纖維復(fù)合材料[13]。由美國(guó)赫克里斯公司生產(chǎn)的IM-7 碳纖維是目前使用量最大的碳纖維[14]。我國(guó)各類航天運(yùn)載器上也大量采用碳纖維復(fù)合材料作為殼段結(jié)構(gòu)、主承力構(gòu)件。目前,已形成T300 級(jí)、T700 級(jí)、T800 級(jí)等約20多個(gè)品種[15],廣泛應(yīng)用于航空航天。
2014 年,據(jù)東麗工業(yè)公司報(bào)道,已開發(fā)出一種新型高強(qiáng)高模碳纖維,稱為TORAYCA T1100G;同時(shí)開發(fā)出了T1100G 高性能預(yù)浸料( 樹脂浸漬碳纖維薄板)。東麗利用碳化技術(shù),在納米尺度上精確控制纖維結(jié)構(gòu)。與東麗現(xiàn)有的應(yīng)用于航空航天中的碳纖維產(chǎn)品如T1000G 和T800S 相比(T-800纖維,拉伸強(qiáng)度5.65 GPa、彈性模量300 GPa),新型的T1100G 性能得到了顯著提高。隨著航天運(yùn)載火箭對(duì)減重增程等戰(zhàn)標(biāo)的要求不斷提高,對(duì)碳纖維,尤其是高強(qiáng)/ 高模碳纖維復(fù)合材料提出更高的要求,因此,高性能的碳纖維材料是一個(gè)必然的趨勢(shì)和發(fā)展方向。面對(duì)國(guó)外的技術(shù)封鎖,我國(guó)應(yīng)該從制造工藝、生產(chǎn)成本等方面分步推進(jìn),在研發(fā)的同時(shí)逐步提高碳纖維工程化應(yīng)用的成熟度。
2.2 耐中高溫樹脂基碳纖維復(fù)合材料
樹脂基復(fù)合材料的耐溫性主要取決于基體。耐高溫樹脂基復(fù)合材料通常指在250~300℃ ( 目前可以提至更高) 內(nèi)可以長(zhǎng)期使用[16-17]。
近年來,先進(jìn)材料耐溫等級(jí)不斷提升,從工程中廣泛應(yīng)用的耐溫材料來看,從輕質(zhì)鋁合金、雙馬樹脂基復(fù)合材料、鈦合金到聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料,耐溫等級(jí)依次升高。采用力學(xué)性能好、密度小、耐溫等級(jí)高、生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟的耐高溫樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不僅可以實(shí)現(xiàn)承力結(jié)構(gòu)質(zhì)量的降低,而且可以有效減少熱防護(hù)材料的使用,是實(shí)現(xiàn)高速飛行器輕質(zhì)化的有效途徑。
20 世紀(jì)50 年代末,美國(guó)“北極星A-2”導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱殼開始采用玻璃/ 環(huán)氧纏繞成型,與相應(yīng)的高強(qiáng)度鋼發(fā)動(dòng)機(jī)相比較,在減輕質(zhì)量與減小脆性方面都有明顯的改進(jìn),質(zhì)量約可減輕50%,射程增大27%[18]。直到20 世紀(jì)60 年代末,玻璃纖維/ 環(huán)氧復(fù)合材料一直是彈道導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱殼的標(biāo)準(zhǔn)材料,應(yīng)用于“民兵”、“海神”等固體導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱殼。
美國(guó)潛基戰(zhàn)略導(dǎo)彈“三叉戟”、MX、法國(guó)的M-4 和前蘇聯(lián)的SS-24、SS-25的發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱殼設(shè)計(jì)均采用了芳綸纖維/ 環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料[19],通用動(dòng)力(General Dynamics) 公司在F-111 水平安定面上首次使用了環(huán)氧復(fù)合材料,減重達(dá)25%,并且通過了靜力、疲勞和地面振動(dòng)試驗(yàn),安全飛行250 h。后來此項(xiàng)設(shè)計(jì)還應(yīng)用在了F-14、F-15 上。在航天飛機(jī)有效載荷艙門上也采用了石墨/ 環(huán)氧復(fù)合材料面板夾芯結(jié)構(gòu),相比于鋁蜂窩結(jié)構(gòu),質(zhì)量減輕了410 kg。同時(shí)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在空間結(jié)構(gòu)如衛(wèi)星天線、光學(xué)結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也占有很大的比例[20]。
隨著航空航天器飛行馬赫數(shù)的不斷提高,氣動(dòng)加熱日趨嚴(yán)重。耐中高溫樹脂基復(fù)合材料的需求愈顯迫切,并受到越來越多國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)的重視,樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)提高其耐熱性、對(duì)高性能樹脂基體改性、研發(fā)新型高性能樹脂基體,以滿足運(yùn)載、導(dǎo)彈武器等飛行器的使用需求。
3 結(jié)語(yǔ)
總的來說,目前普通高性能金屬材料仍是航天結(jié)構(gòu)材料的重要組成部分,但其應(yīng)用已基本接近技術(shù)的極限,而高強(qiáng)、耐高溫的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料將是未來航天應(yīng)用和發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí),先進(jìn)的復(fù)合材料在航天中的應(yīng)用前景廣闊,逐步取代了部分金屬材料,在導(dǎo)彈和航天器結(jié)構(gòu)中所占比例日益增加,提高結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的耐高溫性能、力學(xué)性能,掌握耐高溫樹脂基結(jié)構(gòu)成型技術(shù),降低制造成本,形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系成為當(dāng)今航天新材料研究和發(fā)展的重點(diǎn)。
航空航天是引領(lǐng)帶動(dòng)新材料、新工藝發(fā)展的主要領(lǐng)域,隨著新材料的出現(xiàn)也給航天飛行器的設(shè)計(jì)提供了更多的可能和選擇空間。除了上述文中提到的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料外,還有許多防熱材料、密封材料、智能材料等功能材料也是航天領(lǐng)域需要擴(kuò)展的方向。深入開展先進(jìn)輕質(zhì)新材料的研究,在新材料研發(fā)的同時(shí)對(duì)新研材料做深入的機(jī)理性研究,系統(tǒng)評(píng)價(jià)新材料的綜合性能,進(jìn)一步提升新材料的可靠性和成熟度,對(duì)于促進(jìn)新材料的工程化應(yīng)用和航天的發(fā)展具有重要的意義。
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