航空结构材料

航空结构材料泛指用于制造航空飞行器的材料、机体材料和发动机材料。其中发动机材料是航空材料中最重要的结构材料。高性能（轻质、高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等）、高功能及多功能（机载设备与隐身结构要求的高功能光、电、声、热、磁材料等）、复合化（可明显减轻结构重量和提高结构效率的结构复合材料等）、智能化（具有智能材料和职能结构的机翼、蒙皮等）、低成本和高环境相容性是未来航空结构材料的重要发展趋势。

随着航空技术的发展和作战任务的需要，世界各国在不断研制新一代的作战飞机。美国与前苏联至20世纪80年代已研制成功并投人使用的第三代战斗机主要有：F-15、F-16、F-18、米格-29、苏-27等，2000年也以此为主。

第三代战斗机的机体选材特点基本上是以传统的高强度和高刚度的7000系列和韧性较好的2000系列的铝合金为主，钛合金的用量较之第二代战斗机有明显增高，并采用了少量的复合材料和钢。以F-15为例，其机体材料用量比例为：铝合金占35.3%，铁合金占26.5%，复合材料占1.2%，钢材占4.4%。

20世纪80年代开始提出对第四代战斗机的需求，如YF-22战斗机等。

第四代战斗机的突出性能表现在：

1. 具备优越的机动性能，能实施超音速机动。
2. 在不开加力的情况下，实现超音速巡航。
3. 具备一定的隐身功能。
4. 具备良好的使用维护性、高可靠性及长寿命。

第四代战斗机的突出特点是对材料提出了更高的要求，在综合了第三代战斗机及其之后所开发材料的基础上，第四代战斗机机体选材特点主要表现在：

1. 为进一步减轻飞机结构重量，提高飞机推重比和机动性，采用了高比强、高比模的金属材料、树脂基复合材料，以及一部分金属基复合材料。
2. 为克服超音速飞行所带来的热载荷问题，钛合金用量仍占较大比重；为进一步提高结构效率，采用了钛合金超塑成形一扩散连接等新工艺。
3. 为具备隐身功能，采用了结构型和涂覆型隐身材料。
4. 为提高机体和机载设备的战术性能指标，采用了形状记忆合金、超导、阻尼减震、新型电子和光学等功能材料。

以F-22原型机选材为例：复合材料占35%(其中20%为热固性复合材料，15%为热塑性复合材料)；钛合金占33%，其中有传统的Ti-6Al-4V合金和Ti-62222(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si)；铝合金占11%；钢占5%；其他占16%。

航空结构材料中，铝合金、钛合金、高强度钢等占有较大比重，但同时也面临着高聚物复合材料、金属基复合材料和非金属材料越来越大的挑战。

在当今和未来的飞机设计中，铝合金是并将继续是主要的结构材料之一，如在F-15及YF-22型号中，铝合金分别占35.3%和11%.铝合金之所以能够保持在航空结构材料领城的地位,主要有三个方面的原因：

一是铝合金本身所具有的比强度高、加工性能好、成本低廉的特点；

二是通过改进热处理状态，每种合金可获得不同的性能级别，并不断地改善综合性能，充分发挥合金的潜力和效用。如美国Alcoa公司发明的具有专利权的T77热处理状态，能使7X50合金强度相当于T6状态，而抗腐蚀性能则与T76相当，达到了强度与抗腐蚀能力的良好结合；

三是通过降低合金中铁、硅等杂质含量，研制出一系列高纯、高强、高韧的新型铝合金，提高了合金的疲劳强度、断裂韧性，降低了裂纹扩展速率，改善了抗应力腐蚀性能。如2124、2324、7475、7150等合金就是具有代表性的几种新型铝合金。

近年来，由于比重较轻的高强度β型钛合金、粉末冶金铝合金及复合材料的迅速发展，钢的用量有所减少。尽管如此，飞机的起落架、主梁、大应力接头等关键主承力构件仍采用高强度钢制造，而且要求越来越高。在20世纪40年代初，美国把4140钢用作飞机起落架时，强度水平约为1200MPa，而现在所用钢的强度已提商到2000MPa左右，并发展成为几大类。按合金含量分主要有：

一是低合金超高强度钢，这类钢主要靠马氏体相变和低温回火析出碳化物达到高强度，具有成分简单、工艺方便、价格便宜、强度水平高等优点，但焊接性和氢脆敏感性方面尚不够理想。

二是中合金(二次硬化型)超高强度钢，这类钢是为适应飞行速度提高、构件工作温度超过300℃这一要求而发展的。这类钢具有淬透性好、回火稳定性高等优点，但也存在韧性较低、缺口敏感的缺陷，使用受到一定的限制。

三是高合金超高强度钢，这类钢主要靠低碳马氏体和碳化物二次硬化达到高强度、高韧性的目的。这类钢具有抗应力腐蚀性好、裂纹扩展速率低、断裂韧性高等优点，但强度水平稍低。

高强度钢领域进一步发展的目标应该是：在保持钢的超高强度的同时，使其韧性和抗应力腐蚀性能等有大幅度提高。这种钢适于制造舰载飞机的起落架、喷气发动机主轴，以及高强度螺栓、传动装置及结构用管材等。