飞机与材料_参考网

飞机与材料

1964-01-19吴云书

航空知识 1964年1期

吴云书

本文介绍制造飞机及其发动机所用的材料。火箭的材料将在以后继续介绍。

人类最早熟知自然界质量比较轻的材料是木料和布匹之类的东西，所以早期的飞机都是由木料、布匹和绳索等制成的。直到1908年，德国维尔姆发现了铝合金和第一次大战迫切的需要，木质飞机才很快地发展成为全金属飞机。也就是将木质构架用钢管框架代替、布质蒙皮用铝合金代替，飞机的速度也由每小时几十公里增加到几百公里。由此可见，材料的发展可以促进飞机的发展。

当飞机的速度增加到接近声音的速度时，产生了所谓“音障”问题，带有螺旋桨的动力装置，已经不能应用。这时，除了飞机的外形有所改变以外，还需要以喷气发动机来代替装有螺旋桨的活塞式发动机。但是，活塞式发动机气缸的最高工作温度不超过摄氏300～400度，一般耐热钢完全可以胜任；而对推力较大的喷气发动机来说，燃烧室壁的温度常常保持在摄氏700度左右，涡轮和涡轮叶片温度常经在800度以上。可是在二十世纪三十年代，还找不到能耐这样高的温度的合金材料。所以，虽然人类早在十九世纪就知道这类发动机的工作原理，却制造不出喷气发动机。于是航空发动机设计人员向航空材料工作者提出要求，希望尽快地研究出一种能耐高温的合金材料。由于希特勒的疯狂备战，德国人首先用铁作主要原料，于1937～1938年制出了能耐摄氏600～700度的铁基耐热合金，因而在德国制出了世界上第一台性能较差的喷气发动机。直到1940年前后，英国人研究出用镍作主要原料的镍基耐高温合金(即所谓尼木尼克)，才把发动机的工作温度提高到摄氏800度左右。所以，一直到第二次世界大战末期，才正式生产出喷气式飞机。这就充分地说明了，飞机的发展也能促使航空材料的发展；而当材料获得新的进展之后，又推动飞机向更高的阶段发展。

飞机材料问题

飞机所用的材料主要是铝合金。已往飞机的起落架多用高强度合金钢制造，近年来已逐渐改为高强度铝合金。而机翼部分也全部采用了高强度铝合金。

现代喷气式飞机，首先要求材料具有很高的强度而其重量又很轻，也就是要求材料具有很大的比强度(即强度与比重的比值)。例如，高强度铝合金的强度如为每平方毫米60公斤，比重为2.8，那么它的比强度应为60÷2.8=21.4；钢的强度如为每平方毫米110公斤，比重约为8，则其比强度应为110÷8=13.8。由此可见，钢的强度虽然比铝合金的强度来得大，但它的比重却比铝合金更大，所以钢的比强度反而比铝合金的比强度小些。此外，在同样载重的条件下，铝、镁合金的体积比钢要大，刚度也较大(也就是不容易变形)。这就是钢逐渐被铝合金代替的原因。当然，如果钢的比强度超过了铝合金(例如最近研究的时效硬化不锈钢，强度在每平方毫米250公斤以上)，也有可能在将来钢又代替铝合金。

喷气式飞机所使用的材料

1.隔框(铝合金或镁合金)2.桁条(铝合金)3.起落架(减震支柱为高强度铝合金或钢，轮毂为铸造镁合金，轮胎为橡胶)4.翼肋(铝合金)5.机翼前梁(高强度铝合金或合金钢)6.机翼后梁(高强度铝合金或合金钢)7.机身主隔框用以支撑发动机(铸造镁合金或铝合金)8.发动机9.座舱钢板10.座舱罩(透明有机玻璃)11.蒙皮(高强度铝合金或一般铝合金)12.进气口隔板(铝合金或镁合金)

当飞机的速度超过声音速度二倍时，将使飞机外表皮由于受到空气的摩擦而发热，达摄氏100度以上，产生了所谓“热障”问题。如果飞机外壳的温度超过摄氏300度，铝合金就会变软，不能承受很大的力量。因此，就必须研究制造能耐300度以上的新材料来代替铝合金。近十几年来，人们发现了钛合金在摄氏300～500度的温度范围内性能最好，而且比强度相当高。所以从1947年到现在不过十几年的时间内，由于航空工业的需要，钛合金得到迅速的发展。例如，1947年美国钛的年产量仅为两吨，1954年迅速增加到4，000吨，到了1957年进一步增长到20，000吨。日本在1953年的年产量只有几吨，但在一年之后即增长到1，000吨。钛合金不仅可能成为未来飞机的主要结构材料，而且可能成为火箭、宇宙飞船、舰艇、原子能工业以及其他重要的军事工业的材料。有人预测到了1967年，全世界钛年产量可达200，000吨，可能超过铝、镁或不锈钢的年产量。我们祖国是钛矿蕴藏量最丰富的国家之一，发展前途很大。目前由于钛合金的价格还比较昂贵，一般飞机上使用得还不多。不同类型的飞机使用钛合金的数量约在400～2，000公斤之间。

除了钛合金可能在将来作为飞机的主要结构材料之外，还有高强度耐热钢和烧结铝也可能用作耐热结构材料。烧结铝是把铝粉压制烧结再经轧制或挤压而成，是在摄氏300～400度下工作的有希望的结构材料。

此外，高速飞机的某些部件为了透过电磁波，为了隔热、密封或减轻重量等目的，也广泛地采用了不同类型的非金属材料。例如，雷达天线整流罩，飞机机头罩，部分垂直尾翼和水平尾翼，机翼翼尖等部件多用玻璃布增强塑料制成。也有若干高速飞机在水平尾翼、副翼和座舱附近等部件中填充了泡沫塑料，并在隔热层中填充玻璃棉和矿渣棉等。

总起来说，现代飞机所使用的材料占飞机总重量的百分比，对于飞行速度在两倍音速以下的飞机，铝合金约占33.5%，钢约占7%；对于飞行速度为3～4倍音速的飞机，钢和钛合金约占35%，铝合金则只占4.5%左右。

发动机的材料问题

在航空发动机方面，活塞式发动机使用的材料主要为合金钢和轻合金(铝合金和镁合金)。在喷气发动机中，除若干部件使用合金钢之外，其他如火焰筒(或称燃烧室)、涡轮盘、导向叶片和涡轮叶片等目前多用镍基合金作为原材料，压气机部分多使用铝合金和镁合金。

近来由于压气机的增压比越来越大，被压缩的空气温度越来越高，所以逐渐用钛合金或不锈钢取代了铝合金。

如果要把现代发动机的性能进一步提高，还须将涡轮部分的工作温度提高到摄氏1，000度以上。这个温度对镍基耐热合金(或钴基耐热合金)来说，已经是太高了。看来在摄氏1，000度以上使用的合金以钼基合金的可能性为最大。钼基合金的最大缺点是在高温下容易氧化。因此，电灯泡总要把其中的空气抽净或者装入惰性气体以防灯泡内的钼丝氧化而被烧掉。由钼基合金制成的叶片，由于必须在高温之下与燃气直接接触，不能提高它的抗氧化性就不能用作涡轮叶片，因此，这是一个材料研究工作者必须解决的问题。我们祖国也是钼矿蕴藏量最丰富的国家。将钼基合金应用在航空工业上将具有无限广阔的前途。以上我们仅仅谈到飞机和发动机一些主要部件的材料问题。实际上，飞机所用的零件、元件非常复杂，因而使用的材料也是极其复杂的。例如飞机上的仪器仪表、无线电电子元件都要求性能特殊的材料。这方面的材料大体上可分为五类，即磁性材料、特殊电性材料、弹性材料、膨胀材料和接触点材料。人们常将这些材料统称为精密合金，其实这些材料不能笼统命名为合金，还包含有若干非金属材料在内。