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第八章 航空材料 航空材料的分类: u按化学组成(或基本组成)分类 u(1)金属材料:由金属元素或以金属元素为主 体组成的具有金属特性的材料。 u(2)无机非金属材料:无机非金属材料是由硅 酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原 料和(或)氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、 硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺 制备而成的材料。它与广义的陶瓷材料有等同 的含义。 u高分子材料(聚合物): u由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成 的分子量很大的化合物。 u橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。 u复合材料:由两种或两种以上化学性质或组织结 构不同的材料组合而成。 u复合材料既能保持原组成材料的重要特色,又通过复合效 应使各组分的性能互相补充,获得原组分不具备的许多优 良性能。 u 2004年度国家技术发明奖一等奖: u高性能炭/炭航空制动材料的制备技术(中南大学黄伯云院士 等) u耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术(西北工业大 学张立同院士等) 第一节 航空金属材料 一、金属材料及影响其性能的因素: u金属材料分为:纯金属和合金。 u金属特性:导电性、导热性、延展性、光泽 性、正的电阻温度系数。例如:钢、铁、铜 、铝等。 u影响其性能的因素: u化学成分:组成物质的基本元素及其含量。 化学成分主要由冶炼和铸造控制,特别是靠 冶炼来保证。 u化学成分不同,金属材料的性能不同。 u结构:原子在空间有规律排列的形式(原子 集合体中各原子的具体组合状态)。 u例如:石墨和金刚石。 u结构不同,性能不同。 u组织:用肉眼和借助于不同放大倍数的显微 镜观察到的金属材料内部各种相的晶粒大小 、形态和分布。 u不同成分具有不同的组织; u同种成分不同的加工、处理工艺可获得不同 的组织。 u组织不同,性能也不同。 左图为图为 AlSi合金 的共晶组织组织 金属铸锭组织 成分-结构-性质-工艺过程之间关系示意图 合成与制备过程 使用性能 性质 成 分 与 结 构 (化学) (工程) (物理学) 金属材料的成分不同,结构组织不同, 性能不同。 u改变金属材料的性能: u内在因素成分、结构、组织 u外在因素各种加工处理工艺(外在因素 通过改变内在因素改变材料的性能) 二、金属材料的性能: 零件的加工过程: 冶炼 下料(锻件、铸造件) 预先热 处理 机加工 最终热处理 磨削 装配 使用 对金属材料性能要求: 工艺性能,使用性能。 u工艺性能:能适应实际生产工艺要求的能力。在 于能不能保证生产、制作。 包括: 铸造性能流动性,收缩性,偏析等; 锻造性能固态流动性,冷变形硬化能力等 ; 以及切削加工性能,热处理性能,焊接性能。 u使用性能:在使用中应具备的性能。在于保证能 不能应用。 包括: 物理性能,化学性能,机械性能(强度、 硬度、塑性、韧性) 1、金属键的“自由电子”模型 金属原子的最外层价电子脱离原子核的束缚 ,形成“自由电子”或称“离域电子”。这些电子与 正离子吸引形成金属晶体。金属的这种结合力成 为金属键。 金属的一般特性 都是和金属中存在这种“自 由电子”模型。 三、金属的结构理论 固体能带理论是关于晶体的量子理论对于 金属中的能带,常用 “紧束缚近似(TBA)”模型 , 它相当于分子中LCAO-MO在晶体中的推广: 2、固体能带理论 分 子 轨 道 能 级 演 变 成 能 带 的 示 意 图 根据能带的分布和电子填充情况,能带 有不同的性质和名称: 充满电子的能带叫满带 部分能级充满的能带叫导带 能级最高的满带和导带总称价带 完全没有电子的能带叫空带 各能带间不能填充电子的区域叫带隙,又 称禁带 单价金属Na的能带结构 导体的能带结构特征是 具有导带 Na的能带结构: 1s、2s、 2p能带都是满带,而3s能带 中只填充了其中 N2个轨道 ,是部分填充电子的能带, 即导带 3s 2p 2s 1s Mg的3s能带虽已填满,但与3p空带重 叠,总体看来也是导带 3s与3p 金属Mg的能带结构 绝缘体 Eg 5 eV 只有满带和空带, 且Eg超过5 eV, 在一般 电场条件下难以将满带 电子激发入空带,因此 不能形成导带. Eg 3 eV 只有满带和空带,但Eg小于3 eV易受光或热激 发使满带中部分电子跃迁到空带,形成导带而导电 半导体 金属单质晶体结构比较简单, 这与金属键密 切相关: 由于金属键没有方向性和饱和性,大多 数金属元素按照等径圆球密堆积的几何方式构 成金属单质晶体,主要有立方面心最密堆积、 六方最密堆积和立方体心密堆积三种类型. 3、球的密堆积 等径圆球以最密集的方式排成一列(密 置列),进而并置成一层(密置层),再叠 成两层(密置双层),都只有一种方式: 3.1 等径圆球最密堆积 请 点 击 按 钮 打 开 晶 体 模 型 密置层如何叠起来形成密堆积? 先考察一个密置层的结构特点: 等径圆球的密堆积 从一个密置层上,可以看出这样几点: 1. 层上有3个特殊位置: 球的顶部A、上三角凹坑B和下三角凹坑 C. 以该层为参照层,称为A层; 2. 叠加到A层上的第二层各个球只能置于凹坑B或C. 由于上下三角只 是相对而言, 故称第二层为B层; 3. 第三层叠加到第二层B上时,只可能是C或A层; 4. 无论叠加多少层,最多只有A、B、C三种, 最少有A、B两种(因为 相邻层不会同名); 5. 若以后各层均按此方式循环, 每三层重复一次,或每两层重复一 次,就只会产生两种结构: 这两种最密堆积是金属单质晶体的典型结构. (2)ABABAB, 即每 两层重复一次, 称为A3 (或A3) 型, 从中可取出六方晶胞。 (1)ABCABC, 即 每三层重复一次, 这种结构 称为A1 (或A1)型, 从中可以 取出立方面心晶胞; A3堆积:ABAB 请点击按钮打开晶体模型 3.2 小结: 几种典型的金属单质晶体结构 四、钛及其合金 钛及其合金的发展历程 钛及其合金的分类 钛合金在航空航天中应用 1.1 钛的发现 n钛元素于1791年被英国 人格雷戈尔首先发现,工 业矿是金红石(TiO2)和钛 铁矿。(含量60%) 地壳中未发现过纯钛。 钛及其合金的发展历程 1.2、钛的制备与发展 n钠还原法原理 TiCl4 + 4Na Ti + 4NaCl (1) 1932年Kroll使用 Ca代替了钠制备钛 TiCl4 + 2Ca Ti + 2CaCl2 (2) 被誉为“钛工业之父 ” n镁还原法原理 TiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2 这种方法有两个过程:还原和蒸馏,制 得海绵钛,奠定了金属钛生产的工业基础 。 n1948年,美国杜邦公司首先商业化生产金 属钛。但由于制纯钛难度大,钛的价格非 常高。 n中国继美、日、前苏联之后,于1958年开 始钛的生产。 TiClTiCl 4 4 和和Mg Mg 分分 子吸附在活性子吸附在活性 中心中心 TiCl TiCl 4 4 液体液体 的气化的气化 发生化发生化 学反应学反应 结晶结晶 成核成核 钛晶钛晶 长大长大 MgClMgCl 2 2 脱附脱附 MgClMgCl 2 2 外扩散外扩散 还原过程 海绵钛海绵钛 气体气体TiClTiCl 4 4 和液和液 体体Mg Mg 的外扩散的外扩散 1.3 钛合金的发展 n20世纪50年代, 第一个钛合金B120 VCA 。合金(Ti-13V-11Cr-6Al)由美国Crucibl钢 铁公司研制出来。 n第一个商业钛合金,由德国Rem Cru公司 研制出来的 SR-71 “黑鸟”飞机 机体重量的93%为钛合金 n1968年, 钛合金Ti-5Al -2Sn-2Zr-4Mo- 4Cr可 以作为高强度锻件; n20世纪70 年代初期 ,此合金作中温(低于 425 )范围的发动机 盘 n20世纪80年代中期,用于B-1B轰炸机上 B-1B轰炸机 n1990年,普惠公司的Ti-35V-15Cr钛合金 ,具有抗燃烧性 1.4、我国研究现状 “九五”期间研制出超高强钛合金21(TB8) 钛合金 “十一五”期间研制高强度亚稳钛合金Ti-B20 抗拉强度:1200 1500 MPa; 延伸率:8%18% n 钛:熔点低于882, 呈密排六方晶格(h.c.p)结 构,称为钛; 钛及其合金的分类 n钛:熔点高于882, 呈体心立方晶格(b.c.c)结 构,称为钛。 构 型 2.1 钛的分类 钛 钛 2.2 钛钛的基本性质质 u钛钛及钛钛合金的高速发发展,是与航空和航天技术术的发发 展以及其本身特有的优优异性能分不开的;美国注重宇 航用钛钛合金及其他各方面应应用,同时时开发发新的应应用 领领域;日本则则注重发发展非宇航领领域用新型钛钛合金。 u在400500间间的耐热热性远远比Al合金和Mg合金高; u有与18-8不锈钢锈钢 相比媲美的耐蚀蚀性,特别别是在海水 和含氨介质质中的抗蚀蚀性几乎与空气中相同; u钛钛及钛钛合的强度与优质钢优质钢 相近,但密度只有钢钢的一 半,比强度最高; u化学活性极高,与Cl, O, S, C, N等强烈反应应(高温下) ,液态态下几乎同ThO2以外的所有坩埚埚起反应应,只能 用真空电电耗电电弧炉熔炼炼; u钛钛的低温性能很好 ; u可焊焊性好;具有良好的冲压压性能;但耐磨性较较差; u弹弹性模量较较低(120GPa),约为铁约为铁 的54% ; u导热导热 系数及线胀线胀 系数均较较低。其导热导热 系数比铁铁低4.5倍, 使用时时易产产生温度梯度及热应热应 力。 u钛钛的导导磁率近乎为为1.0,非磁性(严严格说为顺说为顺 磁性)。制成的 潜艇,既能抗海水腐蚀蚀,又能抗深层压层压 力,其下潜深度比 不锈钢锈钢 潜艇增加80%。同时时,由于钛钛无磁性,不会被水雷 发现发现 ,具有很好的反监护监护 作用。 u钛对钛对 超声波的阻抗较较小,透声系数较较高,适于做声纳导纳导 流 罩之类类材料。 u钛钛具有优优良的生物相容性且无毒、质轻质轻 、强度高,是非常 理想的医用金属材料,可用作植入人体的材料。 2.3 生产方法 n镁热法生产海绵钛 TiO2+ C + Cl2TiCl4 (液态)+ 2CO Mg + TiCl4 = MgCl4+Ti 纯度可达99.5%。海绵钛是多孔金属,易吸收空 气中水分、氧气及氮气,因此海绵钛必须用铁桶 密封包装。 n碘化法钛(高纯钛) 分解TiI4生产的,纯度可达99.9%。 n海绵钛:通过热还原法生产 出来的海绵状金属钛; n钛材:海绵钛通过高温熔化 成液体,锭铸成材。 形 状 2.4分类、牌号与用途 钛合金 l性能:单相合金, 组织稳定,耐磨性高于纯 钛,抗氧化能力强。500600下,其 强度和抗蠕变性不变,但不能进行热处理强 化,室温强度不高,塑性不高。 l牌号:TA1-TA8。 TA1-TA3为工业纯钛。 l组织: 相,含有相稳定元素(Al)及一些中性强化元 素(Zr, Sn)。 当加入少量相稳定元素时,可以得到近-钛 合金,显微组织上除相基体外,还有少量 相。典型的钛合金有Ti-8Al-1Mo-lV等。 l用途 航空工业中最常用的一种-Ti合金,多以 板、棒材等制造在350以下工作的零件, 用于飞机、船舶、化工以及海水淡化装置等 。 TA4-TA6: 作钛合金的焊丝材料; TA7: 500以下长期工作零件,如飞机 蒙皮、航空模锻件。 TA8:室温与高温强度较TA7高,可作发 动机压气机盘、叶片等。 表一 钛合金的牌号与成分 钛合金 l性能:单相合金,未热处理具有较高的强 度,优良的断裂韧性,塑性加工性能优异, 淬火、时效后合金得到进一步强化,室温 强度可达13721666 MPa;但热稳定性 较差,工作温度低于200度。 l牌号: TB l组织:目前有两种: 退火态:稳定 淬火后:形成介稳定相,在工业上常用 ; l用途
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