航空航天材料是指飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。航空航天材料科学是材料科学中富有开拓性的一个分支。

当代飞行器设计层出不穷，材料科学也不断迎来新的挑战。各种新材料的出现也影响着未来飞行器的设计方向。材料学与飞行器设计相互影响发展，共同进步。

本文重点

1-航空航天材料的技术进展

2-航空航天材料的发展史

3-航空航天采用的几种主流结构材料

4-航空航天材料的发展的几大方向

01

航空航天材料的技术进展

材料科学理论的新发现

铝合金的时效强化理论导致硬铝的发展高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度高模量芳纶有机纤维的发展。

材料加工工艺的进展

古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻造技术，从而使得高性能的叶片材料得到实际应用。复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景。热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术成功创造出具有崭新性能的航空航天材料和制件，如热等静压技术制造的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。材料性能测试与无损检测技术的进步

现代电子光学仪器可以观察到材料的分子结构材料机械性能的测试装置可以模拟飞行器的载荷谱无损检测技术飞速进步

02

航空航天材料的发展史

工业革命1.0

机械制造时代

英国人瓦特改良蒸汽机之后，手工劳动向动力机器生产转变。一般认为，蒸汽机、煤、铁和钢是促成工业革命技术加速发展的四项主要因素。

18世纪60年代

19世纪初

工业革命2.0

年，美国莱特兄弟制造出人类历史上第一架飞机——“飞行者1号”。

这是一架装有活塞式航空发动机的飞机，当时使用的材料有木材(占47%)，钢（占35%）和布（占18%）,飞机的飞行速度只有16公里/时。

40年代全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。

50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高，最大飞行速度达到了3倍音速。

50年代以后材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。

19世纪中期

德国V-2火箭

19世纪后期

工业革命3.0

60年代后航空航天材料性能的不断提高，一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。

80年代飞行器已经发展为机械加电子的高度一体化的产品。使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。

03

航空航天采用的几种主流结构材料

目前，航空器上使用的材料主要有铝合金、镁合金、钛合金和高温合金，超高强度钢和复合材料，其中铝合金材料占飞机用料50%--70%左右，镁合金材料占飞机用料5%--10%左右，现代化的飞机，钛合金的用量比重越来越大，而高温合金则用于飞机发动机。

铝合金

优点：铝合金密度低、耐腐蚀性能好，且具有较高的比强度、比刚度，容易加工成型。

种类：

硬铝：铝镁铜合金。航空业应用较广泛的铝合金。常用、2A12、A，强度、韧性、抗疲劳性较好，塑性好。用来制造蒙皮、隔框、翼肋等。

超硬铝：铝锌镁铜合金。常用、7A09，强度极限和屈服强度高，承受载荷大，用来制造机翼上翼面蒙皮、大梁等。

防锈铝合金：常用铝镁合金5A02、5A06、5B05。具有较高的抗蚀性、抗疲劳性、良好的塑性、焊接性。用来制造油箱、油管等。

锻造铝合金，常用6A02，硬度高，具有良好的耐腐蚀性。制造发动机零件、接头等。

铸造铝合金，比重小，抗蚀性、耐热性高，制造发动机机匣等。航空航天铝材主要应用在翼面蒙皮、翼面长桁、翼梁上下缘条、腹板、机身长桁、座椅滑轨、龙骨梁、侧框、机身蒙皮、机身下部壁板、主地板桁条等部位。

铝合金及铝具有强度适中及密度小，易加工及抗腐性强，资源丰富可回收利用等诸多特性，铝是航空工业制造中重要的金属材料之一，铝合金与钢强度相似，密度低，在同样强度水平下提供截面更厚材料，抗弯曲及受压能力强，是飞机制造经典材料。

高强度铝合金材制成的挤压型材及板材占飞机总铝材用量的30%-35%。

据分析预测，全球航空客运量-年之间，年均增长率达4.7%，新增客货飞机将达架，低燃油客货飞机约架将要退役，由新飞机替代，全球新增宽体客货飞机市场需求约达架，按飞机数占同期新飞机总量30%。据我国航空工业集团公司的预测，到年，我国航空运输飞机拥有量将达架，其中，架大型客机。

据灵核网发布的《-年中国航空铝材行业现状分析及前景发展投资调研报告》数据显示，年我国航空铝材市场规模13.31万吨，同比增长4%，到年航空铝材市场规模达到了19.9万吨，同比增长了8.2%。

我国航空制造业进入高速发展期，目前私家飞机以及民用航空与大飞机生产逐年增多，航空铝材近几年市场规模将越来越大。

镁合金优点：镁合金是最轻的金属结构材料，镁合金具有高的比强度和比刚度、高阻尼、电磁屏蔽、良好的尺寸稳定性、导热导电性，以及优异的铸造、切削加工性能和易回收利用等优点

种类：

高强铸造镁合金：铸造镁合金具有优良的铸造性能和切削加工性能，常用于航空发动机、直升机传动系统等的机匣及壳体类零部件，能够很好地满足零件对材料的性能要求。这类镁合金主要是通过不同的液态成形方法铸造而成，包括Mg-Al系、Mg-Zn系和Mg-ＲE系等。高强变形镁合金：变形镁合金的强度和延伸率一般优于铸造镁合金，这是由于镁合金经热变形后，组织得到细化，成分更均匀，内部更致密。因此航空航天器特别是导弹、卫星以及航天飞机大量应用变形镁合金。该类合金成分同样包括Mg-Al系、Mg-Zn系和Mg-ＲE系等。高阻尼镁合金：高阻尼镁合金的开发和应用是防振减噪的有效措施之一。纯镁及其合金的阻尼机制属于缺陷阻尼的位错阻尼，其内耗可以分为阻尼共振型和静滞后型两类。工程上应用的高阻尼主要是利用与振幅有关，与频率无关的静滞后型。目前主要通过合金化、变形工艺改性、对现有高强镁合金进行改性等方法开发高强度阻尼镁合金。

高温镁合金：传统高温铸造镁合金主要发展了Mg-Al-Zn-Ca、Mg-Al-Si、Mg-AL-ＲE、Mg-Zn-Cu系合金及稀土镁合金，这些合金性能稳定，在高温时蠕变性能好。

镁合金在航空航天领域的应用具有重要意义。载荷质量每减轻1kg，整个运载火箭的起飞质量就可减轻50kg，地面设备的结构质量就可减轻kg;战斗机质量若减轻15%，则可缩短飞机滑跑距离15%，增加航程20%，提高有效载荷30%;喷气发动机结构减重1kg，飞机结构可减重4kg，升限高度可提高10m。

镁合金在潮湿空气中容易氧化和腐蚀，因此零件使用前，表面需要经过化学处理或涂漆。德国首先生产并在飞机上使用含铝的镁合金。镁合金具有较高的抗振能力，在受冲击载荷时能吸收较大的能量，还有良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定，适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管，又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、襟翼、舱门和舵面等活动零件。民用机和军用飞机、尤其是轰炸机广泛使用镁合金制品。例如，B-52轰炸机的机身部分就使用了镁合金板材公斤，挤压件90公斤，铸件超过公斤。镁合金也用于导弹和卫星上的一些部件，如中国“红旗”地空导弹的仪表舱、尾舱和发动机支架等都使用了镁合金。中国稀土资源丰富，已于70年代研制出加钇镁合金，提高了室温强度，能在°C下长期使用，已在航空航天工业中推广应用。

目前，镁合金材料在航空领域的应用主要包括：飞机框架、座椅、发动机机匣、齿轮箱等。年，美国联邦航空管理局针对用AZ31、WE43等制造的镁合金飞机座椅，开展了大量的整机可燃性试验，比较了这两种镁合金的可燃性、燃烧持续时间等性能。

轻量化势必成为航空航天制造业的主流，具有轻质高强的新型镁合金材料在航空航天领域的应用将越来越广泛。

钛合金

优点：钛及钛合金材料密度低、比强度高（目前金属材料中最高）、耐腐蚀、耐高温、无磁、组织性能和稳定性好，可以与复合材料结构直接连接，而且两者之间的热膨胀系数相近，不易产生电化学腐蚀，具有优良的综合性能。

种类：

α钛合金：它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在℃～℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。β钛合金：它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达～MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。α+β钛合金：它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～%；高温强度高，可在℃～℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

目前，航空工业的钛材用量占世界钛材市场总量一半以上，是实至名归的航空材料。

20世纪50年代以来，随着航空航天工业的快速发展，钛合金材料及其应用得到了极大发展。年首飞的道格拉斯DC-7飞机，首次将钛合金应用在发动机舱和隔热板的设计中。年，首个“全钛”高空高速战略侦察机SR-71“黑鸟”首飞，钛合金用量达到了飞机结构总重量的93%。

钛合金的用量常被当作衡量飞机选材先进程度和航空工业发展水平的指标，与飞机作战能力密切相关。美国F-15飞机结构钛合金重量占比约26%，第四代战斗机F-22飞机结构钛合金重量占比则高达38.8%。F15飞机配备的F-PW涡轮风扇发动机钛用量为25%～30%，F-22的V2发动机钛用量提高到了31%。

钛合金在航空工业上的应用分为飞机结构钛合金和发动机结构钛合金。航天方面，钛合金主要作为火箭、导弹及宇宙飞船等的结构、容器制造材料。飞机结构钛合金使用温度要求一般为℃以下，要求具有高的比强度、良好的韧性、优异的抗疲劳性能、良好的焊接工艺性能等。发动机用钛合金要求具有高的比强度、热稳定性好、抗氧化、抗蠕变等性能。航天飞行器除航空用钛合金的性能需求外，还要求能够耐高温、抗辐射等。

飞机钛合金结构件主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。俄罗斯的伊尔-76飞机采用高强度BT22钛合金制造起落架和承力梁等关键部件。波音主起落架传动横梁材料为Ti-6Al-4V，锻件长6.20米、宽0.95米，质量达千克。高强高韧Ti-S钛合金被用在C-17飞机水平安定面转轴关键部位。F-22飞机发动机所处的后机身区域及机尾隔热罩设计为钛合金薄壁结构，具备良好的耐温性能。

航空发动机方面，钛合金材料的应用领域有压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。现代涡轮发动机结构重量的30%左右为采用钛合金材料制造，钛合金的应用降低了压缩机叶片和风扇叶片的质量，同时还延长了零部件的寿命与检查间隔。波音-8GENX发动机风扇叶片的前缘与尖部，采用了钛合金防护套，在10年的服役期内仅做过3次更换。

未来航空飞行器对钛合金的需求应该是兼具更高强度、更高韧性、更高损伤性能、更高耐高温性能等。钛合金材料应用发展方向将是：新型高超强度结构钛合金、高性能的损伤容限型钛合金、低成本抗疲劳钛合金、新型高温结构钛合金、先进TiAl基材料、钛基复合材料等方面。

高温合金

优点：具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。

按基体元素种类：

铁基高温合金：又可称作耐热合金钢。它的基体是Fe元素，加入少量的Ni、Cr等合金元素，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。镍基高温合金：镍基高温合金的含镍量在一半以上，适用于0℃以上的工作条件，采用固溶、时效的加工过程，可以使抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升。钴基高温合金：钴基高温合金是以钴为基体，钴含量大约占60%，同时需要加入Cr、Ni等元素来提升高温合金的耐热性能，虽然这种高温合金耐热性能较好，但由于各个国家钴资源产量比较少，加工比较困难，因此用量不多。通常用于高温条件(～0℃)和较长时间受极限复杂应力高温零部件，例如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室热端部件和航天发动机等。为了获得更优良的耐热性能，一般条件下要在制备时添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保证其优越的抗热抗疲劳性。

高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

高温合金主要应用在航空发动机方面，高温合金材料的用量占发动机总重量的40%-60%，主要分布在：燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘。而航空航天产业属于国家战略性先导产业。高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。

目前，全球航空航天市场总额已高达数千亿美元，并且正以每年10%左右的速度稳步增长。我国航空发动机的制造成本占整机制造的25%左右，航空发动机中原材料成本占比约为50%，高温合金为原材料主要构成，约占原材料成本的36%。

根据中国机械工业联合会数据显示，年我国高温合金材料年生产量约3.52万吨左右，消费量达5.93万吨，市场容量超过亿元。目前我国高温合金生产企业数量有限，生产能力与需求之间存在较大缺口。

超高强度钢

优点：超高强度钢在强度、刚性、韧性以及价格等方面具有很多优势，且拥有在承受极高载荷条件下保持高寿命和高可靠性的特点，在航空领域得到广泛使用。

种类：

低合金钢：是由调质结构钢发展起来的，含碳量一般在0.3～0.5%，合金元素总含量小于5%，其作用是保证钢的淬透性，提高马氏体的抗回火稳定性和抑制奥氏体晶粒长大，细化钢的显微组织。常用元素有镍、铬、硅、锰、钼、钒等。通常在淬火和低温回火状态下使用，显微组织为回火板条马氏体，具有较高的强度和韧性。如采用等温淬火工艺，可获得下贝氏体组织或下贝氏体与马氏体的混合组织，也可改善韧性。这类钢合金元素含量低，成本低，生产工艺简单，广泛用于制造飞机大梁、起落架构件、发动机轴、高强度螺栓、固体火箭发动机壳体和化工高压容器等。中合金钢：热作模具钢的改型钢，典型钢种有4Cr5MoSiV钢。这类钢的含碳量约0.4%，合金元素总含量约8%，具有较高的淬透性，一般零件经高温奥氏体化后，空冷即可获得马氏体组织，～℃回火时，由于碳化物沉淀产生二次硬化效应，而达到较高的强度。这类钢的特点是回火稳定性高，在℃左右条件下使用，仍有较高的强度，一般用于制造飞机发动机零件。马氏体时效钢：典型钢种有18Ni马氏体时效钢，含碳小于0.03%，镍约18%，钴8%。根据钼和钛含量不同，钢的屈服强度分别可达到、和kgf/mm2。从～℃固溶处理冷却到室温时，转变成微碳Fe-Ni马氏体组织，其韧性较Fe-C马氏体为高，通过～℃时效，析出部分共格金属间化合物相（Ni3Ti、Ni3Mo），达到较高的强度。镍可使钢在高温下得到单相奥氏体，并在冷却到室温时转变为单相马氏体，而具有较高的塑性。同时镍也是时效强化元素。钴能使钢的马氏体开始转变温度升高，避免形成大量残留奥氏体。这类钢的特点是强度高，韧性高，屈强比高，焊接性和成形性良好；加工硬化系数小，热处理工艺简单，尺寸稳定性好，常用于制造航空器、航天器构件和冷挤、冷冲模具等。Ni-4Co型钢：含9%镍使钢固溶强化和提高韧性，加4%钴的作用在于尽量减少钢中残留奥氏体量，钼和铬是为了产生沉淀硬化效应。含碳0.20～0.30%时，抗拉强度可达～kgf/mm2，断裂韧度达kgf/mm帮以上。综合性能好，抗应力腐蚀性高，具有良好的工艺性能，常用于航空、航天工业。沉淀硬化钢：简称PH不锈钢，是在不锈钢的基础上发展起来的具有抗腐蚀性能的超高强度钢。合金元素总含量约为22～25%。按高温固溶处理后冷至室温时显微组织的不同，可分为奥氏体型、半奥氏体型和马氏体型三类。典型钢种有0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al，抗拉强度约为kgf/mm2。这类钢有良好的耐蚀性、抗氧化性。这类钢主要用于制造高应力耐腐蚀的化工设备零件、航空器结构件和高压容器等。

超高强度钢是当前强度最高的金属结构材料，航空超高强度钢代表一个国家的冶金最高水平。航空超高强度钢主要用作起落架、传动齿轮、主轴承和对接螺栓等关键构件。人人都明白起落架对飞机和乘员安全的保障作用，高性能传动齿轮是直升机传动系统的核心构件，主轴承决定着航空发动机的服役寿命和可靠性，对接螺栓直接关系飞机安全。

航空超高强度钢的研究发展难度很大，但却是航空发达国家的竞争热点。其中，起落架用钢代表了一个国家超高强度钢的最高水平。美国于上世纪50年代研制出M超高强度钢，60年代开始用于飞机起落架，90年代研制出Aermet超高强度钢，直到21世纪初才研制出适用于航母舰载机起落架用S53超高强度不锈钢。上世纪50年代，美国用了10年时间将客机用涡轮喷气发动机主轴承寿命提高到00小时，支持了发动机定寿，但齿轮轴承钢仍不能满足使用要求。对接螺栓的强度虽已达到MPa以上，但却尚无一个较理想的超高强度钢。

目前，世界上只有极少数国家掌握航空发动机传动部件超高强度钢的制造技术，例如国外发展了超高强度齿轮（轴承）钢，如CSS-42L、GearmetC69等，已在发动机、直升机和宇航应用中试用。

先进复合材料

优点：具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。

种类：

聚合物复合材料：(polymer

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