绿色航空材料的发展现状 及趋势分析

2022年·第十二 期 绿色航空材料的发展现状及趋势分析 中国工程科技知识中心中国机械工程学会2022年10月 报告图解 知领报告 2022年第12期 编 辑： 武丽丽 执笔： 金帅中国机械工程学会罗丹青中国机械工程学会郭英玲中国机械工程学会 审 核： 蔡志勇 目录 摘 要 i 1、发展绿色航空产业的必然性 1 2、航空航天新材料的研究进展 1 2.1航空铝合金材料的发展现状 2 2.1.1国外航空用铝合金材料发展现状 2 2.1.2国内航空用铝合金材料研究现状 2.2航空钛合金材料的发展现状 3 3 2.2.1国外航空用钛合金材料的发展现状 3 2.2.2国内航空用钛合金材料的发展现状 2.3航空钢材的发展现状 5 4 2.4航空复合材料的发展现状 6 2.4.1国外航空用复合材料的发展现状 6 2.4.2国内航空用复合材料的发展现状 3、航空新材料的发展趋势 8 8 3.1铝及铝合金材料的发展趋势 8 3.2钛及钛合金材料的发展趋势 8 3.2.1低成本航空钛合金的研究开发 9 3.2.2高性能航空钛合金的研究开发 9 3.2.3增材制造在航空钛合金中的应用 9 3.2.4钛合金材料的回收与再利用 3.3超高强度钢的发展趋势 10 9 3.4新型复合材料的发展趋势 10 3.4.1新型复合材料的开发技术10 3.4.2低成本绿色化的复合材料制备技术11 参考资料12 I 摘要 当前，新冠疫情给全球局势演变带来相当大的不确定性。气候、环境、资源等问题日益突出，环境友好、绿色环保成为人类生存社会文明发展的必然选择。 近年来，国内外航空界在继续重视飞行器及发动机安全性的同时，也越来越关注节省资源、降低成本、保护环境等问题，在此背景下绿色航空产业取得了一定的进展。绿色航空涵盖了飞行器的设计、制造、使用、维修、退役、回收等的整个研制和使用过程，涉及技术领域包括绿色材料、绿色制造、绿色维修等。所谓绿色材料，是指材料从设计、原材料选用、加工制造、包装运输、使用、回收及再利用的整个周期内，实现资源利用的最大化，并尽可能地减少使用成本以及对环境造成的影响。 本文分析了国内外航空材料的发展现状，分别介绍了铝合金材料、钛合金材料、高强度钢以及复合材料四大类结构材料的发展历程、研究现状，探讨了绿色航空材料的发展前景。 总而言之，在全球现代化工业高速发展的推动下，航空材料的绿色化发展是必然趋势，也是经济发展的迫 切要求。近年来，我国开始大力发展新材料技术，各项新材料技术取得不断突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成绩。展望未来，航空新材料将会朝着多用途、高性能、新工艺、低成本和新概念的方向发展。随着中国航空新材料领域自主研发水平的提升，我们需要从材料设计、制备工艺、材料开发以及回收再利用等方面入手，全面提高航空材料绿色化技术水平，共同创造绿色航空的美好未来。 i 1、发展绿色航空产业的必然性 当前，新冠疫情给全球局势演变带来相当大的不确定性。气候、环境、资源等问题日益突出，环境友好、绿色环保成为人类生存社会文明发展的必然选择。2020年习近平总书记深刻指出，“人类需要一场自我革命，加快形成绿色发展方式和生活方式，建设生态文明和美丽地球。”李克强总理在2022年政府工作报告中提出要持续改善生态环境，推动绿色低碳发展，加强污染治理和生态保护修复，处理好发展和减排关系，促进人与自然和谐共生。 近年来，国内外航空界在继续重视飞行器安全性的同时，也越来越关注资源节省、成本降低、环境保护等问题，在此背景下绿色航空取得了一定的进展。一方面这既与航空制造业对于降低成本、提高生产率的发展需求有关，另一方面也与人类日益增强的环保意识和越来越严格的环保标准密切相关。欧美发达国家围绕绿色航空领域，制订了一系列研究计划：如美国启动了持续低排放、低能耗和低噪声项目(CLEAN)，环境责任航空项目(ERA)；欧盟启动了“洁净天空”项目(CLEANSKY)。 绿色航空涵盖了飞行器的设计、制造、使用、维修、退役、回收等的整个研制和使用过程，涉及技术领域包括绿色材料、绿色制造、绿色维修等。所谓绿色材料，是指材料从设计、原材料选用、加工制造、包装运输、使用、回收及再利用的整个周期内，实现资源利用的最大化，并尽可能地减少使用成本以及对环境造成的影响。 材料是飞行器制造的基础，航空材料的发展对航空技术起到强有力的支撑和 保障作用。进入21世纪，飞行器向着更加安全可靠、轻量化、强韧化、绿色环保的方向发展，从而对材料提出了越来越高的要求，也促进了飞行器在飞行速度、可靠性、低成本、高效率和舒适度等方面的升级。在新的产业形势下，发展高端航空绿色材料及其制备、加工技术对支撑我国航空事业的可持续发展意义重大。 2、航空新材料的研究进展 飞机材料一定程度上决定了飞机机体结构的制造成本。由于中国航空装备早期以引进为主，因此在材料选用上主要沿用国外的材料体系，近些年来，我国开 始大力发展新材料技术，各项新材料技术取得不断突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成绩。但是目前航空新材料产业的整体水平与国际先进水平相比仍存在不小的差距。 2.1航空铝合金材料的发展现状 铝合金具有比模量大、比强度高、导热导电性能好、耐腐蚀性好、加工性能优异、等优点，尽管面临来自复合材料、钛合金材料等新材料的替代竞争，飞机机体上铝合金材料的用量正在逐步减少，但是由于其在成本、工艺以及综合性能方面的优势，高性能铝合金仍然是一种不可或缺的航空飞行器用关键材料。 2.1.1国外航空用铝合金材料发展现状 国外对于铝合金的研究大概经历了高静强度铝合金、耐腐蚀铝合金、高强高韧铝合金、高综合性能铝合金的四个阶段。20世纪初，铝合金就已经成为世界各国制造航空飞行器的主要结构材料，在飞机结构中重量占比达到70%以上，飞机上的蒙皮、纵梁、肋梁、舱壁、桁条等设备构件都是由铝合金材料制造。 航空用铝合金材料中，应用比较多的是7000系铝合金和2000系铝合金： （一）7000系铝合金因其耐蚀性好、韧性高以及加工性能优异，成为航空飞行器的主要结构材料。其主要成分是是Al、Zn、Mg、Cu元素，以Zn为主添加元素，通过加入一些特殊元素以获得更高的性能（高强、高韧、耐腐蚀性能），如通过铬（Cr）、锰（Mn）、钼（Mo）等微量元素的添加来改善应力腐蚀、开裂问题等等。（二）2000系铝合金耐温性能优良，多用于150～250℃温度范围内工作的耐热零件和耐热可焊接的结构件及锻件。其主体成分主要是Al、Cu、Mg3种元素，以Cu为主添加元素，通过调节Cu的含量来改善铝合金材料的焊接性能，以及通过调节元素含量和热处理工艺来提高其耐蚀性和韧性以满足应用于不同场合的需求。 为了满足航空严苛的使用条件，提高飞行器的安全性及可靠性，要求铝合金材料向着具备更高的断裂韧性和更高的抗应力腐蚀性方向发展，大体上铝合金材料的研发是沿着由高强度低韧性到高强度高韧性再到高强度高韧性以及耐腐蚀的方向发展；对应的热处理工艺开发是沿着从T6到T73到T76到T736到T77的方向发展；在合金设计方面的发展特点是Fe、Si等杂质含量越来越低，微量过渡 族元素添加越来越合理，合金化程度越来越高，从而大幅度提升合金的整体综合性能。 2.1.2国内航空用铝合金材料研究现状 我国对于航空用铝合金的研制，最初是为了配合飞机维修和仿制的需求而开展的。多年来，我国不断加大高强铝合金材料的研发力度，生产能力和技术水平都取得了巨大的进步，基本具备了高强铝合金材料的批量生产能力，但是在关键技术的突破以及品种、系列化发展和工程应用水平方面与欧美发达国家相比仍存在差距：一是对铝合金材料的研究多数仍处于实验室阶段，实验室成果转化缓慢。二是对基础理论与工艺的研究仍比较薄弱，开发时间短，数据积累不够。三是材料生产加工设备、生产装备有待进一步完善，产品质量稳定性及设备自动化水平有待进一步提高。四是没有形成自己的航空材料标准体系，牌号多、品种规格不全、材料数据不完整。 2.2航空钛合金材料的发展现状 钛及钛合金材料比强度高、高温力学性能和抗蠕变性能优异、耐腐蚀性好，此外其服役温度范围广、可在室温到中高温环境服役。因此，20世纪70年代钛合金材料的出现使其快速成为航空工业中极其重要的结构材料。 2.2.1国外航空用钛合金材料的发展现状 （一）高温钛合金。高温钛合金主要用在飞机襟翼滑轨、轴承壳体、支架、发动机罩、压气机盘和叶片、机匣等结构框架件。这些构件要求材料在300～600℃的高温条件下具有较高的比强度、疲劳强度、蠕变抗力及组织稳定性。目前代表国际先进水平的高温钛合金牌号主要有美国的Ti-6242S、Ti-1100，英国的IMI834，俄罗斯的BT36等。Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)钛合金是为了改善钛合金的高温性能，尤其是为了适应喷气发动机的使用要求而研制的一种近α型钛合金。其最高使用温度为540℃，具有强度高、韧性高、抗蠕变性能和热稳定性优异等优点，主要应用于制造发动机安装架，发动机转动部件，燃气涡轮发动机零件，飞机机体热端零件等。IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英国研制的一种近α型钛合金，也是长时使用温度可达600℃的国际上最早的实用型高温钛合金，抗蠕变 性能、疲劳强度以及变形能力优良，被用于波音777飞机的大型发动机上。 （二）高强度钛合金。高强度钛合金通常是指抗拉强度大于1000MPa的钛合金，主要用来替代飞机结构中常用的高强度结构钢，可实现重量减重10%。目前，应用于飞机上的高强度钛合金主要以β型钛合金为主，具有代表性的主要有Ti-1023，BT22，Ti-153，β-21S以等。Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3)高强韧钛合金是由美国研制的目前应用最为广泛的近β型钛合金，其锻造性能优异，被广泛应用于波音777客机起落架及空客A380的主起落架支柱。BT22(Ti-5A1-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是俄罗斯研制的一种高合金化、高强度近β型钛合金。其合金组织在退火状态下为α+β结构，该合金的韧性高，塑性好、加工性能和焊接性能优良，已用于制造机身、机翼、起落架等高负载航空部件及发动机的风扇盘和叶片等。 （三）阻燃钛合金。目前，比较典型的阻燃钛合金有美国的AlloyC、俄罗斯的BTT-1。美国研制的AlloyC(Ti-35V-15Cr)合金是一种β型钛合金，该合金具有良好的高温强度和抗氧化能力，已被应用于Fl19发动机的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管。俄罗斯研制的Ti-Cu-Al系BTT-1阻燃钛合金具有良好的热加工性，已被用于发动机压气机机匣和叶片。 2.2.2国内航空用钛合金材料的发展现状 我国钛资源丰富，其储量居于世界前列。近年来随着钛合金行业的迅速发展，我国钛及钛合金的研制及应用有了较大的进展，自主研发的新型钛合金数量已有40余种，其中许多已成熟并批量用于飞机机体和发动机。 （一）高温钛合金。Ti-60合金是我国自主研制的一种600℃高温钛合金。该合金是在TAl2(Ti-55)合金的基础上添加了适当含量的Al，Sn，Si元素，从而进一步提高了合金的热稳定性、高温蠕变性能和高温抗氧化性。Ti-600合金是在美国Ti-1100合金的基础上添加了适当含量的稀土元素Y，该合金在600~650℃力学性能优良，尤其是蠕变性能优势更加明显。 （二）高强度结构钛合金。我国在20世纪70～90年代自主研发了一批高强度结构钛合金。这些钛合金的强度均可以达到1100-1300MPa的水平。21世纪初研发的代表β钛合金有2种：①近β钛合金Ti-B18，抗拉强度可达1150～1350MPa；②亚稳定β钛合金Ti-B20，抗拉强度可达1200～1600MPa。 （三）阻燃钛合金。多年来，我国在阻燃钛合金方面进行了深入的研究，参照AlloyC合金，分别设计了Ti-V-Cr-Al，Ti-Mo-Cr-Al，Ti-Mo-V-C