科普丨航天的金屬材料

進入二十一世紀以來，我國航天事業得到的發展，所有這些，依賴的是高效的機體結構、強勁的發動機、強壯的起落架、*的系統等，而構成這一切零部件基礎的主要是金屬材料。

下面小編帶領大家來了解一下金屬材料在航天領域的應用。航天領域的產品耗資巨大，即使是很小的減重也能對總成本產生巨大影響，因此材料的輕量化在航天領域至關重要。鋁合金、鎂合金、鈦合金和鎳鉬鎢合金等合金材料以其低密度、高使用壽命、優異的耐腐蝕及耐高溫等綜合性能，在飛行器及航天領域被廣泛應用。

其中鋁合金材料占飛機用料50%--70%左右，鎂合金材料占飛機用料5%--10%左右，現代化的飛機，鈦合金的用量比重越來越大，而鎳鎢鉬合金則用于飛機發動機。

鋁合金

鋁（面心立方結構）是一種輕金屬，密度小（ρ=2.7g/cm3），大約是鐵的 1/3，熔點低（660℃），具有很高的塑性（δ：32~40%，ψ：70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好；但是純鋁的強度很低，退火狀態 σb 值約為8kgf/mm2，故不宜作結構材料。通過長期的生產實踐和科學實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。

鋁合金密度低，強度較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，被廣泛用于機械制造、運輸機械、動力機械及工業等方面，飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結構重量可減輕50%以上。

鎂合金

在實用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，比重2.1--2.3左右，熔點300度左右。具有高強度、高剛性。主要用來制造不承重的部件、殼體。例如各種活門殼體，油泵殼體等。

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點是：密度小（1.8g/cm3鎂合金左右），比強度高，比彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航天、運輸、化工、火箭等工業部門，用來制造低承力的零件。

鎂合金在潮濕空氣中容易氧化和腐蝕，因此零件使用前，表面需要經過化學處理或涂漆。鎂合金具有較高的抗振能力，在受沖擊載荷時能吸收較大的能量，還有良好的吸熱性能，因而是制造飛機輪轂的理想材料。鎂合金在汽油、煤油和潤滑油中很穩定，適于制造發動機齒輪機匣、油泵和油管，又因在旋轉和往復運動中產生的慣性力較小而被用來制造搖臂、襟翼、艙門和舵面等活動零件。

鈦合金

鈦也是一種輕金屬，比重4.5左右，比鋁重，但是強度很高，很耐高溫，熔點1660多度，是造飛機的理想材料，飛機發動機，強化部位，加固部位，燃燒室，渦輪軸，渦輪盤，噴口等，大多數是用鈦合金材料制造的。

鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并得到了實際應用。20世紀50～60年代，主要是發展發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金，70年代開發出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展鈦合金主要用于制作飛機發動機、壓氣機部件，其次為火箭和高速飛機的結構件。

鎳鉬鎢合金

是造發動機的理想材料。飛機發動機的溫度高達2000多度，一般的材料是不行的，只有鎳鎢鉬合金才能勝任。

高強鋼

高強鋼通常使用在要求有高剛度、高比強度、高疲勞壽命，以及具有良好中溫強度、耐腐蝕性和一系列其它參數的結構件中。無論是在半成品生產中，還是在復雜結構件的構造中，尤其是在以焊接作為最終工序的焊接結構件生產中，鋼材都是不可替代的材料。

長期以來，飛機制造業使用最多的鋼材，是強度水平為1600-1850MPa、斷裂韌性約為77.5-91MPa每平方米的中合金化高強鋼。目前，在保持同樣斷裂韌性指標的條件下，已將鋼材的強度水平提高到了1950Mpa。還開發出了新型經濟合金化的高抗裂性、高強度焊接結構鋼，開發強度性能水平為2100-2200Mpa的高可靠性結構鋼；高強度耐蝕鋼強度水平與中合金結構鋼相近，可靠性參數大大超過中合金結構鋼。

隨著高分子材料被應用在制作飛機的材料上，使得飛機的性能越來越好。在工業中，腐蝕與防腐是個重要的問題，可是一般的金屬防腐蝕的效果很差，由于高分子材料耐酸，堿，鹽介質的腐蝕性優于金屬和其他的合金材料，故被應用在飛機的制作上。另外，高分子材料具有密度小，強度大的優點，這對減輕飛機本身的質量和減少能源的消耗都有重要的意義。