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浅谈新材料新工艺在航空航天中的应用

  • 投稿Hunt
  • 更新时间2015-09-28
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丁 晓 斌

(山东省泰安市第一中学 山东 泰安 271000)

摘 要:航空航天工业是资金和技术密集型产业,也是国家战略性产业,航空航天工业发展能够带动新材料、新工艺等高技术产业发展,对经济发展和国防建设具有重要促进作用。融入当代众多学科先进成果的新材料、新工艺,是发展先进制造业和高新技术产业的基础、先导和重要组成部分,世界范围内新材料、新工艺的发展已步入了前所未有的历史发展新阶段,正在深刻影响和改变着经济发展格局。

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关键词 :新材料;新工艺;航空航天;应用

中图分类号:TG164.2 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1665-2272.2015.14.008

0 引言

航空航天工业是资金和技术密集型产业,也是国家战略性产业,辐射面广,带动力强,产业链长,产品附加值高。航空航天工业发展能够带动新材料、新工艺等高技术产业发展,对经济发展和国防建设具有重要促进作用。我国“十二五”的目标是100次火箭发射,100颗卫星发射上天,100颗卫星在轨稳定运行。伴随着“神十”飞天及国家正在快速发展大型飞机、支线飞机、军用飞机,同时即将开放低空领域,中国航空航天产业将呈现出“井喷式”的发展态势,这为新材料、新工艺的应用发展提供了广阔的市场前景。

航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等;按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。用航空航天材料制造的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作,有的则受到重量和容纳空间的限制,需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能,有的需要在大气层中或外层空间长期运行,不可能停机检查或更换零件,因而要有极高的可靠性和质量保证,不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。

1 新材料、新工艺在航空航天中的应用程度取决于下列因素

(1)材料科学理论的新发现。例如,铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展;高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。

(2)材料加工工艺的进展。例如,古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术,从而使高性能的叶片材料得到实际应用;复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展,使它在不同的受力方向上具有最优特性,从而使复合材料具有“可设计性”,并为它的应用开拓了广阔的前景;热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件,如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。

(3)材料性能测试与无损检测技术的进步。现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构;材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱,而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息,为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据,为生产提供保证产品质量的检测手段。

2 飞行器制造工程的发展是决定新材料、新工艺在航空航天中应用的重要因素

(1)严格的质量控制。飞行器质量的优劣直接影响着国防安全和乘员的生命安全。一架大型客机关系到数百名乘客的安全。一枚运载火箭包括上千万个零部件,控制系统中一个小零件的失灵可能会造成无可挽回的巨大损失。制造中应该完全杜绝由于质量不高造成的事故,要求飞行器制造有更为严格的工艺纪律和人员素质,确保制造质量的稳定性。

(2)多种技术的结合。飞行器的发展一方面要求设计结构上的改进,另一方面要求应用新的材料、新的工艺,制造技术在其中起着关键性的作用。如钛合金具有航空结构要求的卓越性能,早在20世纪50年代就受到人们的重视,但由于钛在常温下的可加工性差,只能制造简单形状的纯钛或低强度钛合金零件,后来因热成形方法和设备得到了发展,先进的钛合金结构才在航空航天飞行器上扩大应用。钛合金在高温下的超塑性成形和扩散连接组合工艺技术的发展,为制造复杂形状薄壁整体构件开辟了可能的途径。用这种方法制造的整体夹层结构实际上就是设计、材料与制造工艺多种技术的结合。这种设计、工艺和材料相互促进的趋势,在飞行器制造中较一般机器制造更为明显。飞行器的更新不断给工艺和材料的研制提出新的课题,而工艺和材料的新突破,又会有效地支持飞行器的开发和创新

(3)加工方法的先进性。飞行器零件形状复杂,材料品种多,这些条件决定了加工方法的多样化。一般机器制造的基本加工技术在飞行器制造中大多得到应用,但许多技术具有高于一般机器制造方法的先进性。例如飞行器制造中对大量高强度钢、钛、铍和高温合金等难切削材料的加工、微米级以上的精密加工和超精加工,是一般机器制造技术所难达到的。飞行器的许多外形复杂的零件需要除去多余的材料,要求进行高精度的型面加工,为此发展了各种靠模机床、多坐标联动的大型数控机床和各种测量仪器和装置。其他特种加工方法有:化学铣切、电加工和激光束加工等。

3 结语

航空航天材料科学是材料科学中富有开拓性的一个分支。以一般机械制造工程为基础,广泛吸收各种先进技术和科学理论的成果,针对飞行器的特点研究各种制造方法的机理和应用,探求制造过程的规律,合理利用资源,经济而高效率地制造先进优质飞行器。飞行器的设计不断地向材料科学提出新的课题,推动航空航天材料科学向前发展;各种新材料、新工艺的出现也给飞行器的设计提供新的可能性,极大地促进了航空航天技术的发展,它是实现人类航空航天理想,使先进的设计思想变成现实的重要保证。可以说,新材料、新工艺的使用不仅使生产力获得极大的解放,从而极大地推动了人类社会的进步,而且在人类文明进程中具有里程碑的意义。

融入当代众多学科先进成果的新材料、新工艺,是发展先进制造业和高新技术产业的基础、先导和重要组成部分,世界范围内新材料、新工艺的发展已步入了前所未有的历史发展新阶段,正在深刻影响和改变着经济发展格局,其规模和水平在一定程度上决定着一个国家和地区在未来世界经济中的地位和国际竞争力。

(责任编辑 高 平)