《航空航天材料》PPT課件

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1、材料與航空航天目錄前言航宇材料的特點材料在航空航天的地位航宇材料1234結束語5航空與航天的發(fā)展是人類現(xiàn)代化的重要標志之一，也是一個國家科技水平與工業(yè)水平的體現(xiàn)。當前大飛機的立項與神舟7號的成功，為國人長志氣，為世人所矚目，是我國宇航工作者的驕傲，也是材料工作者的光榮?，F(xiàn)僅就航空航天材料的一般情況進行介紹，以供參考。由于航空航天事業(yè)發(fā)展很快，對材料的需求也與日俱增，青年科學工作者繼往開來，責重道遠。前言航宇材料的特點總要求高質量高可靠性保障供應價格因素航空材料的特點高性能（高比強度及比剛度，耐高溫）長壽命（抗疲勞，耐腐蝕與氧化、抗磨損、耐高溫）

2、高可靠性（測試與質量保證的投入高）投入或損失可靠性圖1材料測試投入與報廢率的關系航天材料的特點除高比強度、高比剛度、高可靠、批量小、高成本以外。還要求：耐空間環(huán)境真空出氧和質量損耗耐電子和原子輻照耐氧原子：氧原子在高空200km，飛行速度達8km/s條件下，溫度可達1000～1500K，有機物揮發(fā)嚴重。耐冷熱交變疲勞（-120℃～+170℃）抗空間微隕石和空中垃圾撞擊，以及屏蔽設計選材因再入溫度可高達2000℃以上，用于軍事目的的導彈還要求彈頭材料耐更高溫度和比強度。彈頭減輕1kg，可增加15km的射程或相當于減少起飛重量50kg，下圖為材料與

3、導彈射程的關系。射程(公里)玻璃鋼芳綸C/C復合材料金屬圖2導彈殼體材料與射程關系此外，由于再入時溫度過高，燒蝕材料發(fā)生電離，形成黑障及尾流，要求防熱材料高純度，堿金屬或堿土金屬含量要求很低。0材料性能（比強度、比剛度等）飛行器所收效益與飛行速度有關，因而飛行器材料的價格與飛行器的速度密切相關。材料在航空與航天所處地位圖3飛行器每減重1公斤減重所取得的經濟效益汽車材料……………………….1民航材料…………………100軍機材料………………150空間材料………..1,500以效能為重點以價格為重點圖4不同材料使用性能與價格關系（價格VS效能）對衛(wèi)星

4、及航天飛機來說，需要最好的材料，而很少考慮材料的價格，因為選用好材料每減重1克其收益就很顯著，反之汽車每減重1公斤，所得收益很少，而材料在汽車產值中占53%，材料的價格就影響很大。材料決定飛機及其發(fā)動機的性能，因而有“一代材料，一代飛機”，“一代材料一代發(fā)動機”的說法。圖5材料對飛機性能的提高所處地位42%2942?69%29％29%由于材料、設計及動力裝置的不斷改進，以及機型的加大，波音飛機從波音707（1958）到747（1988），燃油效率提高2.5倍。圖6歷代民機座·哩的油耗燃油效率(每座·哩/加侖)初始服役年份客機從波音707到747

5、，30年間燃油效率提高2.5倍2.5倍航空發(fā)動機是飛機的心臟，下表為歷代發(fā)動機的主要參數及所用材料航宇材料表1國外軍用發(fā)動機典型部件現(xiàn)役機種(3代)現(xiàn)役機種(4代)預研機種(5代)整機推重比7-99-1115-20代表型號F100，RB199F119壓氣機增壓比20-3035-4065-75出口溫度(℃)590695765關鍵材料鈦合金、高溫合金TiAl,Ti合金高溫合金Ti合金、TiAl金屬基復合材料燃燒室溫升(℃)8001050-11501250-1350關鍵材料850℃鎳基高溫合金1100℃鎳基高溫合金+陶瓷涂層1540℃陶瓷基復合材料高

6、壓渦輪進氣溫度(℃)1350-15001550-17501800-2100絕熱效率0.860.89-0.900.92冷卻復合冷卻高效冷卻氣膜冷卻關鍵材料定向凝固或單晶葉片(1100℃)粉末渦輪盤單晶葉片+熱障涂層金屬間化物(1200℃)多孔層板金屬間化物復合材料C/C復合材料推重比的不斷提高要求材料的輕量化，高壓渦輪溫度的攀升是材料中的最大難點。除了采用耐高溫材料以外，需要有效冷卻。圖7為美國宇航局對今后航空發(fā)動機材料的預測。圖7未來發(fā)動機材料預測Ni基合金Ti基復合材料難熔鋼Ni、Fe、Nb鋁化物基復合材料鈦鋁化合物基復合材料碳基復合材料鈷基

7、合金高分子基復合材料Al、Mg基復合材料可以看出，今后TiAl基材料大幅增加，不耐氧化的碳基及難熔金屬也將介入。應該指出，渦輪前溫度提高對發(fā)動機推力的提高十分重要，一般來說，渦輪前溫度每提高100℃，推力提高20～25％，熱效率提高8％，對材料來說，難度最大的是渦輪葉片和渦輪盤。對葉片材料來說，目前是鎳基高溫合金，由于熔點（1250～1350℃）所限，工作溫度不可能太高，因而采用以下幾種措施：1.發(fā)展更耐高溫的合金2.采用先進制造工藝鑄造高溫合金：多晶（1958）－柱晶（1962）－單晶（1970）3.采用不同冷卻技術對流冷卻（60年代初，美6

8、1年，中國66年）沖擊冷卻氣膜冷卻層板冷卻（冷卻效果700-800℃）發(fā)汗冷卻（難點：碳化問題）4.發(fā)展熱障涂層導熱率最低的ZrO2涂層可提高250℃