飛機與材料

吳云書

本文介紹制造飛機及其發(fā)動機所用的材料?；鸺牟牧蠈⒃谝院罄^續(xù)介紹。

人類最早熟知自然界質(zhì)量比較輕的材料是木料和布匹之類的東西，所以早期的飛機都是由木料、布匹和繩索等制成的。直到1908年，德國維爾姆發(fā)現(xiàn)了鋁合金和第一次大戰(zhàn)迫切的需要，木質(zhì)飛機才很快地發(fā)展成為全金屬飛機。也就是將木質(zhì)構(gòu)架用鋼管框架代替、布質(zhì)蒙皮用鋁合金代替，飛機的速度也由每小時幾十公里增加到幾百公里。由此可見，材料的發(fā)展可以促進飛機的發(fā)展。

當(dāng)飛機的速度增加到接近聲音的速度時，產(chǎn)生了所謂“音障”問題，帶有螺旋槳的動力裝置，已經(jīng)不能應(yīng)用。這時，除了飛機的外形有所改變以外，還需要以噴氣發(fā)動機來代替裝有螺旋槳的活塞式發(fā)動機。但是，活塞式發(fā)動機氣缸的最高工作溫度不超過攝氏300～400度，一般耐熱鋼完全可以勝任；而對推力較大的噴氣發(fā)動機來說，燃燒室壁的溫度常常保持在攝氏700度左右，渦輪和渦輪葉片溫度常經(jīng)在800度以上?？墒窃诙兰o三十年代，還找不到能耐這樣高的溫度的合金材料。所以，雖然人類早在十九世紀就知道這類發(fā)動機的工作原理，卻制造不出噴氣發(fā)動機。于是航空發(fā)動機設(shè)計人員向航空材料工作者提出要求，希望盡快地研究出一種能耐高溫的合金材料。由于希特勒的瘋狂備戰(zhàn)，德國人首先用鐵作主要原料，于1937～1938年制出了能耐攝氏600～700度的鐵基耐熱合金，因而在德國制出了世界上第一臺性能較差的噴氣發(fā)動機。直到1940年前后，英國人研究出用鎳作主要原料的鎳基耐高溫合金(即所謂尼木尼克)，才把發(fā)動機的工作溫度提高到攝氏800度左右。所以，一直到第二次世界大戰(zhàn)末期，才正式生產(chǎn)出噴氣式飛機。這就充分地說明了，飛機的發(fā)展也能促使航空材料的發(fā)展；而當(dāng)材料獲得新的進展之后，又推動飛機向更高的階段發(fā)展。

飛機材料問題

飛機所用的材料主要是鋁合金。已往飛機的起落架多用高強度合金鋼制造，近年來已逐漸改為高強度鋁合金。而機翼部分也全部采用了高強度鋁合金。

現(xiàn)代噴氣式飛機，首先要求材料具有很高的強度而其重量又很輕，也就是要求材料具有很大的比強度(即強度與比重的比值)。例如，高強度鋁合金的強度如為每平方毫米60公斤，比重為2.8，那么它的比強度應(yīng)為60÷2.8=21.4；鋼的強度如為每平方毫米110公斤，比重約為8，則其比強度應(yīng)為110÷8=13.8。由此可見，鋼的強度雖然比鋁合金的強度來得大，但它的比重卻比鋁合金更大，所以鋼的比強度反而比鋁合金的比強度小些。此外，在同樣載重的條件下，鋁、鎂合金的體積比鋼要大，剛度也較大(也就是不容易變形)。這就是鋼逐漸被鋁合金代替的原因。當(dāng)然，如果鋼的比強度超過了鋁合金(例如最近研究的時效硬化不銹鋼，強度在每平方毫米250公斤以上)，也有可能在將來鋼又代替鋁合金。

噴氣式飛機所使用的材料

1.隔框(鋁合金或鎂合金)2.桁條(鋁合金)3.起落架(減震支柱為高強度鋁合金或鋼，輪轂為鑄造鎂合金，輪胎為橡膠)4.翼肋(鋁合金)5.機翼前梁(高強度鋁合金或合金鋼)6.機翼后梁(高強度鋁合金或合金鋼)7.機身主隔框用以支撐發(fā)動機(鑄造鎂合金或鋁合金)8.發(fā)動機9.座艙鋼板10.座艙罩(透明有機玻璃)11.蒙皮(高強度鋁合金或一般鋁合金)12.進氣口隔板(鋁合金或鎂合金)

當(dāng)飛機的速度超過聲音速度二倍時，將使飛機外表皮由于受到空氣的摩擦而發(fā)熱，達攝氏100度以上，產(chǎn)生了所謂“熱障”問題。如果飛機外殼的溫度超過攝氏300度，鋁合金就會變軟，不能承受很大的力量。因此，就必須研究制造能耐300度以上的新材料來代替鋁合金。近十幾年來，人們發(fā)現(xiàn)了鈦合金在攝氏300～500度的溫度范圍內(nèi)性能最好，而且比強度相當(dāng)高。所以從1947年到現(xiàn)在不過十幾年的時間內(nèi)，由于航空工業(yè)的需要，鈦合金得到迅速的發(fā)展。例如，1947年美國鈦的年產(chǎn)量僅為兩噸，1954年迅速增加到4，000噸，到了1957年進一步增長到20，000噸。日本在1953年的年產(chǎn)量只有幾噸，但在一年之后即增長到1，000噸。鈦合金不僅可能成為未來飛機的主要結(jié)構(gòu)材料，而且可能成為火箭、宇宙飛船、艦艇、原子能工業(yè)以及其他重要的軍事工業(yè)的材料。有人預(yù)測到了1967年，全世界鈦年產(chǎn)量可達200，000噸，可能超過鋁、鎂或不銹鋼的年產(chǎn)量。我們祖國是鈦礦蘊藏量最豐富的國家之一，發(fā)展前途很大。目前由于鈦合金的價格還比較昂貴，一般飛機上使用得還不多。不同類型的飛機使用鈦合金的數(shù)量約在400～2，000公斤之間。

除了鈦合金可能在將來作為飛機的主要結(jié)構(gòu)材料之外，還有高強度耐熱鋼和燒結(jié)鋁也可能用作耐熱結(jié)構(gòu)材料。燒結(jié)鋁是把鋁粉壓制燒結(jié)再經(jīng)軋制或擠壓而成，是在攝氏300～400度下工作的有希望的結(jié)構(gòu)材料。

此外，高速飛機的某些部件為了透過電磁波，為了隔熱、密封或減輕重量等目的，也廣泛地采用了不同類型的非金屬材料。例如，雷達天線整流罩，飛機機頭罩，部分垂直尾翼和水平尾翼，機翼翼尖等部件多用玻璃布增強塑料制成。也有若干高速飛機在水平尾翼、副翼和座艙附近等部件中填充了泡沫塑料，并在隔熱層中填充玻璃棉和礦渣棉等。

總起來說，現(xiàn)代飛機所使用的材料占飛機總重量的百分比，對于飛行速度在兩倍音速以下的飛機，鋁合金約占33.5%，鋼約占7%；對于飛行速度為3～4倍音速的飛機，鋼和鈦合金約占35%，鋁合金則只占4.5%左右。

發(fā)動機的材料問題

在航空發(fā)動機方面，活塞式發(fā)動機使用的材料主要為合金鋼和輕合金(鋁合金和鎂合金)。在噴氣發(fā)動機中，除若干部件使用合金鋼之外，其他如火焰筒(或稱燃燒室)、渦輪盤、導(dǎo)向葉片和渦輪葉片等目前多用鎳基合金作為原材料，壓氣機部分多使用鋁合金和鎂合金。

近來由于壓氣機的增壓比越來越大，被壓縮的空氣溫度越來越高，所以逐漸用鈦合金或不銹鋼取代了鋁合金。

如果要把現(xiàn)代發(fā)動機的性能進一步提高，還須將渦輪部分的工作溫度提高到攝氏1，000度以上。這個溫度對鎳基耐熱合金(或鈷基耐熱合金)來說，已經(jīng)是太高了?？磥碓跀z氏1，000度以上使用的合金以鉬基合金的可能性為最大。鉬基合金的最大缺點是在高溫下容易氧化。因此，電燈泡總要把其中的空氣抽凈或者裝入惰性氣體以防燈泡內(nèi)的鉬絲氧化而被燒掉。由鉬基合金制成的葉片，由于必須在高溫之下與燃氣直接接觸，不能提高它的抗氧化性就不能用作渦輪葉片，因此，這是一個材料研究工作者必須解決的問題。我們祖國也是鉬礦蘊藏量最豐富的國家。將鉬基合金應(yīng)用在航空工業(yè)上將具有無限廣闊的前途。以上我們僅僅談到飛機和發(fā)動機一些主要部件的材料問題。實際上，飛機所用的零件、元件非常復(fù)雜，因而使用的材料也是極其復(fù)雜的。例如飛機上的儀器儀表、無線電電子元件都要求性能特殊的材料。這方面的材料大體上可分為五類，即磁性材料、特殊電性材料、彈性材料、膨脹材料和接觸點材料。人們常將這些材料統(tǒng)稱為精密合金，其實這些材料不能籠統(tǒng)命名為合金，還包含有若干非金屬材料在內(nèi)。

鈦合金在噴氣發(fā)動機中的應(yīng)用(圖中用網(wǎng)點表示的部分為鈦合金制造的)

1.進口2.壓氣機3.擴散器4.燃燒室5.渦輪6.燃燒室后部7.尾噴管

1.隔框

2.襟翼受磨部分

3.操縱線導(dǎo)管

4.支架裝置

5.桁條

6.尾噴管排氣部分

噴氣式飛機上由鈦合金制成的主要部件示意圖