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精密儀器

航空鋁合金的應(yīng)用與發(fā)展

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性和成型性好、成本低等一系列優(yōu)點,在航空、航天、船舶、核工業(yè)及兵器工業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用前景及不可替代的地位。在航空方面,鋁合金是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要用材。



雖說鋁合金密度低,但其強(qiáng)度比較高,接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼,塑性好,可加工成各種型材,具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性,工業(yè)上廣泛使用,使用量僅次于鋼。



鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。鑄造鋁合金,在鑄態(tài)下使用;變形鋁合金,能承受壓力加工,力學(xué)性能高于鑄態(tài)??杉庸こ筛鞣N形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用門窗。 



鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機(jī)械性能,物理性能和抗腐蝕性能。鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為鋁硅合金,鋁銅合金,鋁鎂合金和鋁鋅合金。


鋁合金的發(fā)展與航空事業(yè)的發(fā)展是密不可分的。20世紀(jì)初在萊特兄弟制造的飛機(jī)上就采用了A1-Cu-Mn鑄造的飛機(jī)發(fā)動機(jī)的曲柄箱體。1906年A. Wilm在AI-Cu-Mg系合金中發(fā)現(xiàn)時效硬化現(xiàn)象,使鋁合金作為飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)材料成為可能,此后,鋁合金作為飛機(jī)機(jī)體的主要結(jié)構(gòu)材料登上歷史舞臺。



總結(jié)鋁合金的發(fā)展大致可分為下列五個階段,在不同時期由于不同的需求,科學(xué)家們對航空鋁合金一直不停地研究,一步一步地使航空鋁合金真正地應(yīng)用于飛行器的發(fā)展。


靜強(qiáng)度階段需求階段


這一階段的時間段大概是20世紀(jì)初到50年代中期,那個時候飛機(jī)的性能都比較簡單落后,對飛機(jī)材料性能的需求僅僅是要求其具有高的靜強(qiáng)度。這樣就可以減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量同時增大飛機(jī)的載重量和航程,從這些方面來提高飛機(jī)的性能。用我們今天得思想來看這顯得很單純、很簡單,但是在當(dāng)時的那種環(huán)境中確實也只能這樣了。就是在這種需求的刺激下,科學(xué)家們研制出了2014和2017鋁合金。


2014鋁合金


2014鋁合金從成分看即屬于硬鋁合金又屬于鍛鋁合金,因含銅量較高,故強(qiáng)度較高,熱強(qiáng)性較好,但在熱態(tài)下的塑性比較差,2014鋁合金具有良好的可切削性,接觸焊、點焊和滾焊性能良好,電弧焊和氣焊性能差;可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,有擠壓效應(yīng)。



隨后又研制了2024-T3合金,至30年代,2024合金在飛機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。二戰(zhàn)期間,為獲得更高的機(jī)體材料強(qiáng)度,研制了高強(qiáng)A1-Zn-Mg-Cu系合金7075-T6,隨后又研制了更高強(qiáng)度的7178-T6合金。這些合金在60年代以前廣泛應(yīng)用于民用及軍用飛機(jī)上。


抗腐蝕性能需求階段



這一需求階段開始的時間是60年代,那個時候飛機(jī)上開始使用厚大截面結(jié)構(gòu),這樣就出現(xiàn)了機(jī)體機(jī)構(gòu)的應(yīng)力的腐蝕問題。新的鋁合金材料不但要滿足靜強(qiáng)度需求還要能夠滿足機(jī)體的腐蝕應(yīng)力需求。后來研制出了一種能夠滿足腐蝕應(yīng)力強(qiáng)度需求的7XXX系列的鋁合金,但是同時犧牲了15%的靜強(qiáng)度。60年代,7075-T73、7075-T76合金在飛機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。



綜合性能需求階段


等到了60年代末到70年代初的這段時間,鋁合金的發(fā)展受失效-安全設(shè)計的影響,對材料的高斷裂韌度的要求便慢慢提高。美國首先研制了7475合金。為進(jìn)一步滿足厚大截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕性能的要求,Alcoa公司研制了705小T74合金。70年代后期,飛機(jī)設(shè)計提出了機(jī)體結(jié)構(gòu)材料在具有高強(qiáng)度的同時應(yīng)具有高的斷裂韌度和優(yōu)良的抗疲勞性能。


強(qiáng)烈的減重需求和高可靠性需求階段


到了80年代初,由于能源危機(jī)及為提高軍機(jī)戰(zhàn)斗力,對飛機(jī)設(shè)計提出了強(qiáng)烈的減重要求,另外,欽合金、樹脂基復(fù)合材料逐漸興起,鋁合金面臨極大的挑戰(zhàn),這些都大大激發(fā)了非傳統(tǒng)鋁合金的研制及傳統(tǒng)鋁合金的挖潛工作。那么對鋁合金的研制工作來講就比較困難,要滿足飛機(jī)性能的需求,需要從比強(qiáng)度這一方面入手,著重研究。




Alcoa首先研制成功了7150合金的T77熱處理狀態(tài),該狀態(tài)第一次在鋁合金中實現(xiàn)了在滿足腐蝕性能的同時不犧牲合金強(qiáng)度的目標(biāo)。隨后Alcoa又研制成功了超高強(qiáng)度的7055-T77合金及具有優(yōu)良疲勞性能的2524一T3合金。這些高性能鋁合金的出現(xiàn)極大地推動了航空鋁合金的應(yīng)用與發(fā)展。


降低制造成本的需求階段


從90年代初到現(xiàn)在,因為冷戰(zhàn)結(jié)束了,無論是軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)都需要降低成本。最初始的目標(biāo)是在不改變現(xiàn)有飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,減少結(jié)構(gòu)成本25%,為達(dá)到這個目標(biāo),西方國家開展的主要工作有:以整體機(jī)加工件代替鍛件或多零件裝配而成的結(jié)構(gòu)部件、開展機(jī)翼的高溫時效成形和高強(qiáng)鋁合金的快速超塑成形、開展可焊接鋁合金和鋁合金焊接技術(shù)的研究、用優(yōu)質(zhì)鑄件制造復(fù)雜構(gòu)件以減輕結(jié)構(gòu)重量和降低制造成本、開展低成本高性能鋁銼合金研究以及開展鋁基復(fù)合材料的研究等。



回過頭來看看我國的航空鋁合金研制明顯是比國外落后很多的,我們再50年代到70年代,開始對結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)行研究;70年代末至80年代中期,開始對抗腐蝕性能進(jìn)行研究;80年底中期至90年代中期,我們開始追求鋁合金的綜合性能并尋求與國外之間的差距;90年代中期到現(xiàn)在,我們一直在研究高純鋁合金。

落后是有原因的,總結(jié)一下原理是:


(1)起步比較晚


(2)材料研究的基礎(chǔ),合金研制缺乏創(chuàng)新


新中國早期的直升機(jī)


(3)從研究到應(yīng)用的轉(zhuǎn)型比較緩慢


(4)航空鋁合金的材料體系不完備,材料標(biāo)準(zhǔn)不完善


重慶鋁合金疲勞腐蝕實驗室


不過未來還是要發(fā)展的,我們不能老是止步于我們落后的狀態(tài)。飛機(jī)的發(fā)展趨勢是高速、長壽、安全可靠、低的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)、低成本和綜合隱身。飛機(jī)速度的提高必然使飛機(jī)的氣動加熱問題和過載問題變得突出。F/A一22在馬赫數(shù)2.O飛行時的駐點溫度達(dá)到121攝氏度,而當(dāng)飛機(jī)俯沖、機(jī)動時可達(dá)M2.5,那時駐點溫度超過150攝氏度,這個溫度對目前使用的鋁合金蒙皮來說是極限溫度,存在不安全隱患。



在鋁合金低成本制造技術(shù)方面,目前開展的主要工作有: 首先鋁合金的時效成形和超塑成形。時效成形,又稱蠕變成形或蠕變時效成形,是為大幅度降低飛機(jī)的制造成本而開發(fā)的技術(shù)。其次合金的連接,鋁合金的焊接性能總體說來不佳,因此在飛機(jī)上大量采用鉚接結(jié)構(gòu)。最后開發(fā)新型焊接方法,如攪動摩擦焊技術(shù)等。



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