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航空航天中的技术机密之金属材料
航天科技的进步,离不开材料的发展。今天我们一起来了解金属材料在航天领域的应用。
图1 波音737客机
一、航空金属材料一览
在过去的几十年中，铝及合金材料具有轻质、价格低廉和易于加工的特点，从而主导航空航天材料。除了铝合金，其他金属及其合金也扮演着重要角色，表1为目前使用的航空材料主要涉及到的金属材料以及特点。
表1 金属材料在航空航天中的应用形式及特点
金属元素 应用形式 特点
Al 铝及其合金 密度很小，铝合金高强度、良好的机械能、易加工、抗腐蚀和抗氧化性
Fe 超强度钢 长寿命、高可靠、高强度
Mg 镁合金 密度小，相对比强度、比刚度高；耐高温、抗腐蚀性好
Li 锂合金，锂盐 超低密度和超高抗弯刚度；良好的导电性、导热性、延展性，还有耐腐蚀、耐磨损、抗冲击性能好、抗高速粒子穿透性能
Ti 钛合金 抗腐蚀性能好、热强度和力学强度高、导热弹性小。抗弯强度比超硬铝合金、高强度镁合金、高强度结构钢大
Mn 锰合金 易铸造、耐摩擦；抗腐蚀性和抗点火性
Re 铼合金 良好的塑性、机械性和抗蠕变性能，还具有良好的耐磨损、抗腐蚀性能；对除氧气之外的大部分燃气能保持良好的化学惰性
Ni、Ru 镍钌合金 增加合金在高温下的硬度，高温耐蠕变性能，增强发动机涡轮叶片的使用寿命
Ir 铱合金 增加防腐蚀性能、耐高温性能
Cu 铜合金 耐腐蚀、耐摩擦、高强度
Zn Zn-Ni合金 耐腐蚀
Cr 铬合金 超高强度，抗氧化和热腐蚀性能以及良好的热加工性能和焊接性能
二、飞机上的金属材料
作为蓝天上飞行架次最多的波音737，其设计注重轻量化、高强度，安全可靠等特点，以保证飞机在各种飞行状态和应力下都能保持良好的结构性能。波音737大致分为5个重要部位：机身、机翼、发动机、尾翼、起落架。每个部位承载的使命不同，由此需要选择对应性能的材料。
机身 作为飞机重要部位，将机翼、尾翼、起落架等连成一个整体，在保证足够的强度、刚度下，还要尽可能更轻。而铝合金具有的硬度小强度高，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料，故机身通常采用铝合金。
机翼 机翼功能是提供升力、操控飞机和储存燃油，其中最重要的功能是在飞行中为飞机提供升力。机翼内部的梁是机翼的主要受力件，一般采用超硬铝、钢或钛合金；翼梁与机身的接头部分采用高强度结构钢。机翼蒙皮因上下翼面的受力情况不同，分别采用抗压性能好的超硬铝及抗拉和疲劳性能好的硬铝。为了减轻重量，机翼的前后缘常采用玻璃钢或铝蜂窝夹层结构。
发动机 航空发动机作为飞机的心脏，为飞机提供动力，是一种高度复杂和精密的热力机械。飞机发动机需要在高温、高压、高转速和高负载的特殊环境中长期反复工作，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点成为发动机部件的重要材料之一。此外，镍铼合金具有的高温蠕变强度，可用于制造喷气发动机的燃烧室、涡轮叶片及排气喷嘴。
尾翼 机翼主要功能是产生升力，其金属材料参考机翼部分。
起落架 起落架起到支撑飞机在地面行驶和起降的作用，飞机安全起降过程中担负着极其重要的使命。高强度合金钢具有高强度、高韧性、高耐磨性和耐蚀性等特点，因此成为了飞机起落架制造的主要材料之一，如Ti-10V-2Fe-3Al合金用在飞机起落架和轨道梁。
从以上可以看出机翼和起落架都用到了高强度钢，虽然主要元素都是铁，但形成的合金性能不同。因为除了主要元素以外，合金的性能还与铸造工艺、其所经历的热处理方式有关，可以通过调整合金的组成元素，采用新的加工和制造技术等途径达到改善性能的目的。
虽然合金的组成元素不是秘密，但其他特种元素的掺杂、冶炼过程，均是各军备制造强国的技术秘密。2017年8月24日，我国宣布已经成功完成某种性能优异的超级钢的研制，这种超级钢具有优异的强度和延展性结合，其中含Mn 10% 、C 0.47%、 Al 2%、 V 0.7%，这种合金配方价格低廉，可以降低成本。此外，这种超级钢强度很大，在应用时能够实现钢板的轻薄化，这对于航空航天等领域的轻量化发展具有重要的意义。
三、结语
航天梦是中国梦的重要组成部分，更轻、更硬、更耐高温等性能材料是化学家无尽的追求。研究出性能更优的材料服务于我们的伟大航天事业是航天人无尽的追求。一代材料,一代装备,科技强国,未来有你!

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