助力“民參軍”聚焦軍民兩用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化

飛機材料一定程度上決定了飛機機體結構的制造成本。由于中國航空裝備早期以引進(jìn)為主，因此在材料選用上主要沿用國外的材料體系，近些年來(lái)，我國開(kāi)始大力發(fā)展新材料技術(shù)，各項新材料技術(shù)取得不斷突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成績(jì)。但是目前航空新材料產(chǎn)業(yè)的整體水平與國際先進(jìn)水平相比仍存在不小的差距。?

（一）鈦合金：性質(zhì)優(yōu)良的“*金屬”

鈦金屬具有低比重和高比強度的特性，其合金在航空航天領(lǐng)域對于提升飛行器推重比有重要意義，近年來(lái)受到廣泛使用。除軍工、航空航天領(lǐng)域之外，鈦合金還較多應用于化工、冶金、醫療、體育休閑等領(lǐng)域。

˙國外航空用鈦合金材料的發(fā)展現狀

1）高溫鈦合金：高溫鈦合金主要用在飛機襟翼滑軌、軸承殼體、支架、發(fā)動(dòng)機罩、壓氣機盤(pán)和葉片、機匣等結構框架件。這些構件要求材料在300～600℃的高溫條件下具有較高的比強度、疲勞強度、蠕變抗力及組織穩定性。目前代表國際先進(jìn)水平的高溫鈦合*號主要有美國的Ti-6242S、Ti-1100，英國的IMI834，俄羅斯的BT36等。

2）高強度鈦合金：高強度鈦合金通常是指抗拉強度大于1000MPa的鈦合金，主要用來(lái)替代飛機結構中常用的高強度結構鋼，可實(shí)現重量減重10%。目前，應用于飛機上的高強度鈦合金主要以β型鈦合金為主，具有代表性的主要有Ti-1023，BT22，Ti-153，β-21S等。

3）阻燃鈦合金：目前，比較典型的阻燃鈦合金有美國的Alloy C、俄羅斯的BTT-1。美國研制的Alloy C（Ti-35V-15Cr）合金是一種β型鈦合金，該合金具有良好的高溫強度和抗氧化能力，已被應用于Fl19發(fā)動(dòng)機的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管。俄羅斯研制的Ti-Cu-Al系BTT-1阻燃鈦合金具有良好的熱加工性，已被用于發(fā)動(dòng)機壓氣機機匣和葉片。

˙國內航空用鈦合金材料的發(fā)展現狀

1）高溫鈦合金：Ti-60合金是我國自主研制的一種600℃高溫鈦合金。該合金是在TAl?（Ti-55）合金的基礎上添加了適當含量的Al，Sn，Si元素，從而進(jìn)一步提高了合金的熱穩定性、高溫蠕變性能和高溫抗氧化性。

2）高強度結構鈦合金：我國在20世紀70～90年代自主研發(fā)了一批高強度結構鈦合金。這些鈦合金的強度均可以達到1100-1300MPa的水平。21世紀初研發(fā)的代表β鈦合金有2種：①近β鈦合金Ti-B18，抗拉強度可達1150～1350MPa；②亞穩定β鈦合金Ti-B20，抗拉強度可達1200～1600MPa。

3）阻燃鈦合金：多年來(lái)，我國在阻燃鈦合金方面進(jìn)行了深入的研究，參照AlloyC合金，分別設計了Ti-V-Cr-Al，Ti-Mo-Cr-Al，Ti-Mo-V-Cr-Al3個(gè)系列的阻燃鈦合金，并利用計算機模擬手段進(jìn)行了抗燃燒機理的研究。此外，在系 統地分析了美國、英國、俄羅斯3個(gè)國家不同體系的阻燃鈦合金之后，分別設計了TF1(Ti-V-Cr-C系)和 TF2（Ti-Cu系）阻燃鈦合金。Ti-40（Ti-V-Cr-Si）合金是我國自主研發(fā)的β型阻燃鈦合金，與常規鈦合金相比，Ti-40合金具有優(yōu)異的阻燃性能和力學(xué)性能。目前，該合金研究已由實(shí)驗室規模發(fā)展到半工業(yè)化規模，已經(jīng)能夠制備Ti40噸級鑄錠、大規格棒材和環(huán)鍛件。

由于國內航空制造業(yè)起步較晚，鈦及鈦合金材料在我國航空領(lǐng)域的用量并不大，用于航空領(lǐng)域的鈦材占比不到20%，遠低于50%左右的國際平均水平，與鈦工業(yè)發(fā)達國家相比仍存在不小差距：一是高端鈦合金產(chǎn)品仍以仿制為主，材料研制水平較低，應用范圍較窄，高綜合性能低成本鈦合金的研制也大多處于實(shí)驗室階段；二是冶金質(zhì)量不穩定，品種較少，規格不全；三是相關(guān)配套技術(shù)的研究進(jìn)展緩慢，自主研發(fā)的鈦合金材料體系有待完善。

（二）高溫合金：重點(diǎn)關(guān)注軍用發(fā)動(dòng)機需求

˙高溫合金，為高溫而生

傳統鋼鐵在300攝氏度以上會(huì )軟化，無(wú)法適應高溫環(huán)境。為了追求更高的能量轉化效率，熱機動(dòng)力領(lǐng)域需要的工作溫度越來(lái)越高。高溫合金因此孕育而生，在600攝氏度以上的高溫環(huán)境中還可以穩定工作，并且技術(shù)不斷進(jìn)步。

高溫合金按合金的主要元素分為鐵基高溫合金、鎳基。根據智研咨詢(xún)，2018年以產(chǎn)品工藝區分，鎳基高溫合金產(chǎn)量占比為80%，鐵基高溫合金產(chǎn)量占比14.3%，鈷基高溫合金產(chǎn)量占比5.7%。

高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵材料。高溫合金從誕生起就用于航空發(fā)動(dòng)機，是制造航空航天發(fā)動(dòng)機的重要材料。發(fā)動(dòng)機的性能水平在很大程度上取決于高溫合金材料的性能水平。在現代航空發(fā)動(dòng)機中，高溫合金材料的用量占發(fā)動(dòng)機總重量的40%～60%，主要用于四大熱端部件：燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤(pán)，此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

我國高溫合金產(chǎn)業(yè)目前處于成長(cháng)期，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)未來(lái)發(fā)展空間廣闊。我國高溫合金生產(chǎn)企業(yè)數量有限，生產(chǎn)水平與美國、俄羅斯等國有較大差距，但近些年在產(chǎn)能與產(chǎn)值上皆有明顯提升，煉石航空、西部超導等多家公司高溫合金產(chǎn)能項目在建設投產(chǎn)中。

˙航空發(fā)動(dòng)機用高溫合金性能不斷發(fā)展

1）鐵基高溫合金：我國高溫合金體系的一大特色。

由于我國資源缺鎳少鈷，鐵基高溫合金的研制、生產(chǎn)和應用成為六七十年代的一道絢麗的風(fēng)景線(xiàn)。

鐵基高溫合金使用溫度較低（600~850℃），一般用于發(fā)動(dòng)機中工作溫度較低的部位，如渦輪盤(pán)、機匣和軸等零件。但鐵基高溫合金中溫力學(xué)性能良好，與同類(lèi)鎳基合金相當或更優(yōu)，加之價(jià)格便宜，熱加工變形容易，所以鐵基合金至今仍作為渦輪盤(pán)和渦輪葉片等材料在中溫領(lǐng)域廣泛使用。

2）鎳基高溫合金：變形/鑄造/新型合金逐代升級。

鎳基高溫合金一般在600℃以上承受一定應力的條件下工作，它不但有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕能力，而且有較高的高溫強度、蠕變強度和持久強度，以及良好的抗疲勞性能。主要用于航天航空領(lǐng)域高溫條件下工作的結構部件，如航空發(fā)動(dòng)機的工作葉片、渦輪盤(pán)、燃燒室等。鎳基高溫合金按制造工藝，可分為變合金、鑄造高溫合金、新型高溫合金。鎳基鑄造高溫合金在發(fā)動(dòng)機中主要用于渦輪導向葉片，工作溫度可達1100°C以上，也可用于渦輪葉片，其所承溫度低于相應導向葉片50-100°C。

隨著(zhù)耐熱合金工作溫度越來(lái)越高，合金中的強化元素也越來(lái)越多，成分也越復雜，導致一些合金只能在鑄態(tài)上使用，不能夠熱加工變形。并且合金元素的增多使鎳基合金凝固后成分偏析也嚴重，造成組織和性能的不均勻。采用粉末冶金工藝生產(chǎn)高溫合金，就能解決上述問(wèn)題。因為粉末顆粒小，制粉時(shí)冷卻速度快，消除了偏析，改善了熱加工性，把本來(lái)只能鑄造的合金變成可熱加工的形變高溫合金，屈服強度和疲勞性能都有提高，粉末高溫合金為生產(chǎn)更高強度的合金產(chǎn)生了新的途徑。粉末高溫合金主要用于制造高推比先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機的渦輪盤(pán)，也用于生產(chǎn)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機的壓氣機盤(pán)，渦輪軸和渦輪擋板等高溫熱端零部件。

3）鈷基高溫合金：抗腐蝕等特殊領(lǐng)域前景廣闊。

鈷基高溫合金的抗氧化性能較差,但其抗熱腐蝕能力比鎳好；鈷基高溫合金的高溫強度、抗熱腐蝕性能、熱疲勞性能和抗蠕變性能也比鎳基高溫合金更強，適用于制造燃氣輪機導向葉片、噴嘴等。

我國由于資源限制，目前研制了K40、GH188和L605等鈷基合金，使用范圍有限。2001年以后，通用電氣在鈷基高溫合金方面的研究主要集中在將鈷基合金作為制備燃氣渦輪機的基材材料，并在合金表面制備涂層如熱障涂層以提高耐侵蝕性能。

由于材料方面的限制，鈷元素在地球上儲量較少，價(jià)格較為昂貴。目前鈷基研究的熱度有所下降，很多科研研究也停留在數字建模試驗等理論階段。

一代軍機一代合金，發(fā)動(dòng)機用高溫合金或進(jìn)入快速放量期

發(fā)動(dòng)機對溫度的要求不斷提升。高推重比需要更高的噴口溫度，需要工作溫度更高的材料支撐。在世界高溫合金的發(fā)展歷程中，發(fā)動(dòng)機葉片和盤(pán)件材料分別經(jīng)歷了變形、鑄造、定向、單晶四個(gè)階段。適應溫度從600°C逐步提升至1100°以上。

軍機的換代伴隨著(zhù)高溫合金的升級。*代渦噴發(fā)動(dòng)機的核心材料是變形高溫合金，核心材料工作溫度650°C，到第四代的渦扇發(fā)動(dòng)機，核心材料工作溫度已經(jīng)達到了1200°C，采用了單晶高溫合金。歷代軍機的換代一直伴隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機核心材料——高溫合金的升級。高溫合金的升級需要研發(fā)的支持。在航空工業(yè)的發(fā)展需求牽引下，中國高溫合金先后研制出了變形、鑄造、等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。上述高溫合金的相繼問(wèn)世，不斷地推動(dòng)航空工業(yè)向前發(fā)展。據前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的研究數據，發(fā)動(dòng)機占軍用飛機成本的25%，材料成本占發(fā)動(dòng)機成本的50%，而高溫合金占材料成本約35%。

（三）碳纖維：制造全環(huán)節技術(shù)壁壘

˙高航空航天核心材料，技術(shù)壁壘較高

碳纖維具有強度高、比模量高（強度為鋼鐵的10倍，質(zhì)量?jì)H有鋁材的一半）、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數小、耐高低溫等優(yōu)越性能，是軍民用重要基礎材料，應用于航空航天、體育、汽車(chē)、建筑及其結構補強等領(lǐng)域。相比傳統金屬材料，樹(shù)脂基碳纖維模量高于鈦合金等傳統工業(yè)材料，強度通過(guò)設計可達到高強鋼水平、明顯高于鈦合金，在性能和輕量化兩方面優(yōu)勢都非常明顯。然而碳纖維成本也相對較高，雖然目前在航空航天等高精尖領(lǐng)域已部分取代傳統材料，但對力學(xué)性能要求相對不高的傳統行業(yè)則更看重經(jīng)濟效益，傳統材料依然為主力軍。

現代碳纖維材料始于軍用，目前航空航天為重要應用領(lǐng)域�，F代的碳纖維是一種含碳量在90%以上的無(wú)機高分子纖維，具有良好的柔軟性，且縱軸方向的強度很高，具有超強的抗拉力，屬于新一代增強纖維，且碳纖維化學(xué)性質(zhì)穩定，對高溫耐受能力強，不易被腐蝕，是大型整體化結構的理想材料。與常規材料相比，碳纖維復合材料可使飛機減重，并有能力克服金屬材料容易出現疲勞和被腐蝕的缺點(diǎn)。我國軍用碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)主要有中航高科、光威復材、中簡(jiǎn)科技等，其中中航高科偏下游，主要為航空復材產(chǎn)品；光威復材實(shí)現全產(chǎn)業(yè)鏈布局，為碳纖維產(chǎn)業(yè)龍頭；中簡(jiǎn)科技布局偏上游，產(chǎn)品技術(shù)含量相對更高。

碳纖維技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)歷三代變遷，同時(shí)實(shí)現高的拉伸強度和彈性模量是目前碳纖維研制過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)。近年來(lái)日美從兩條不同技術(shù)路徑在第三代碳纖維上取得技術(shù)突破，并有望在未來(lái)5-10年內實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)，對于提高戰機、武器的作戰能力意義重大。東麗利用傳統的PAN溶液紡絲技術(shù)使得碳纖維強度和彈性模量都得到大幅提升，通過(guò)精細控制碳化過(guò)程，在納米尺度上改善碳纖維的微結構，對碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進(jìn)行控制。以當前東麗較為先進(jìn)的碳纖維制品T1100G為例，T1100G的拉伸強度和彈性模量分別為6.6GPa和324GPa，比T800提高12%以及10%，正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。美國佐治亞理工學(xué)院從原絲制備工藝入手，利用創(chuàng )新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術(shù)，通過(guò)凝膠把聚合物聯(lián)結在一起，產(chǎn)生強勁的鏈內力和微晶取向的定向性，保證在高彈性模量所需的較大微晶尺寸情況下，仍具備高強度，從而將碳纖維拉伸強度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達354～375GPa。

˙軍用需求空間廣闊，下游市場(chǎng)以CFRP為主

碳纖維復合材料是指至少有一種增強材料是碳纖維的復合材料，其中*常見(jiàn)的是樹(shù)脂基碳纖維復合材料（CFRP）。由于CFRP比強度、比彈性模量等機械性能，以及耐疲勞性、穩定性等相比傳統材料有明顯優(yōu)勢，因此在很多領(lǐng)域內對金屬材料，尤其是輕質(zhì)金屬材料形成競爭取代的局面。CFRP應用場(chǎng)景廣泛，在航空航天和體育休閑領(lǐng)域率先形成大規模市場(chǎng)，而隨著(zhù)21世紀以來(lái)碳纖維及其復合材料制造成本不斷下降，在汽車(chē)制造、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域應用比例在不斷提高。

˙碳碳復合材料：新型剎車(chē)材料，軍用市場(chǎng)前景明朗

碳/碳復合材料是以碳纖維為增強體，以化學(xué)氣相沉積炭或樹(shù)脂炭為基體的復合材料，主要用作剎車(chē)盤(pán)。剎車(chē)盤(pán)是以摩擦材料設計技術(shù)和制備技術(shù)為核心的剎車(chē)制動(dòng)類(lèi)產(chǎn)品，用于飛機、坦克裝甲車(chē)輛和高速列車(chē)的剎車(chē)制動(dòng)。

在“*嚴酷著(zhù)陸停止”實(shí)驗中，即考慮其他剎車(chē)系統都損壞的情況下，飛機機輪剎車(chē)可吸收超300兆焦耳能量，溫度短時(shí)間內快速上市至千度以上，因此飛機對剎車(chē)盤(pán)材料耐高溫性及穩定性、減少變形等方面都有嚴格的要求。與鋼剎車(chē)盤(pán)相比，碳剎車(chē)盤(pán)的突出優(yōu)點(diǎn)是:

1）減輕了剎車(chē)裝置的重量

2）提高了剎車(chē)盤(pán)的使用壽命

3）工作溫度高

4）剎車(chē)平穩

由于碳/碳復合材料具有密度低、耐高溫、抗腐蝕、摩擦磨損性能優(yōu)異、抗熱振性好及不易發(fā)生突發(fā)災難性破壞等一系列優(yōu)點(diǎn)，現已成為航空制動(dòng)裝置的*剎車(chē)材料�，F代的高性能民用客機，如波音747、波音757、波音767、空客系列、麥道系列等都采用碳/碳復合制動(dòng)材料剎車(chē)裝置。隨著(zhù)我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和經(jīng)濟全球化的深入，整個(gè)航空業(yè)呈現出快速發(fā)展的趨勢，國內營(yíng)運機隊數量及規模的不斷擴大，給民航產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展帶來(lái)了巨大的機遇。而飛機剎車(chē)盤(pán)作為耗材，每次在磨損到標后都需要進(jìn)行更換，市場(chǎng)需求量很大，目前主要依賴(lài)于進(jìn)口。

為了進(jìn)一步提高碳剎車(chē)盤(pán)的力學(xué)性能，以提升剎車(chē)材料及飛機的安全性，以北摩高科、西安制動(dòng)為代表的國內公司采用整體針刺氈聯(lián)合化學(xué)氣相沉積工藝制備碳剎車(chē)盤(pán)，*終實(shí)現碳剎車(chē)盤(pán)國產(chǎn)化。