助力“民參軍”聚焦軍民兩用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化

飛機(jī)材料一定程度上決定了飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)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，我國開始大力發(fā)展新材料技術(shù)，各項(xiàng)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。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(qiáng)度的特性，其合金在航空航天領(lǐng)域?qū)τ谔嵘�飛行器推重比有重要意義，近年來受到廣泛使用。除軍工、航空航天領(lǐng)域之外，鈦合金還較多應(yīng)用于化工、冶金、醫(yī)療、體育休閑等領(lǐng)域。

˙國外航空用鈦合金材料的發(fā)展現(xiàn)狀

1）高溫鈦合金：高溫鈦合金主要用在飛機(jī)襟翼滑軌、軸承殼體、支架、發(fā)動機(jī)罩、壓氣機(jī)盤和葉片、機(jī)匣等結(jié)構(gòu)框架件。這些構(gòu)件要求材料在300～600℃的高溫條件下具有較高的比強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、蠕變抗力及組織穩(wěn)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(qiáng)度鈦合金：高強(qiáng)度鈦合金通常是指抗拉強(qiáng)度大于1000MPa的鈦合金，主要用來替代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，可實(shí)現(xiàn)重量減重10%。目前，應(yīng)用于飛機(jī)上的高強(qiáng)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(qiáng)度和抗氧化能力，已被應(yīng)用于Fl19發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)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)動機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣和葉片。

˙國內(nèi)航空用鈦合金材料的發(fā)展現(xiàn)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(chǔ)上添加了適當(dāng)含量的Al，Sn，Si元素，從而進(jìn)一步提高了合金的熱穩(wěn)定性、高溫蠕變性能和高溫抗氧化性。

2）高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金：我國在20世紀(jì)70～90年代自主研發(fā)了一批高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金。這些鈦合金的強(qiáng)度均可以達(dá)到1100-1300MPa的水平。21世紀(jì)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(qiáng)度可達(dá)1150～1350MPa；②亞穩(wěn)定β鈦合金Ti-B20，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1200～1600MPa。

3）阻燃鈦合金：多年來，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(shè)計(jì)了Ti-V-Cr-Al，Ti-Mo-Cr-Al，Ti-Mo-V-Cr-Al3個系列的阻燃鈦合金，并利用計(jì)算機(jī)模擬手段進(jìn)行了抗燃燒機(jī)理的研究。此外，在系 統(tǒng)地分析了美國、英國、俄羅斯3個國家不同體系的阻燃鈦合金之后，分別設(shè)計(jì)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(guī)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(yàn)室規(guī)模發(fā)展到半工業(yè)化規(guī)模，已經(jīng)能夠制備Ti40噸級鑄錠、大規(guī)格棒材和環(huán)鍛件。

由于國內(nèi)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(yuǎn)低于50%左右的國際平均水平，與鈦工業(yè)發(fā)達(dá)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(yīng)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(yàn)室階段；二是冶金質(zhì)量不穩(wěn)定，品種較少，規(guī)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)動機(jī)需求

˙高溫合金，為高溫而生

傳統(tǒng)鋼鐵在300攝氏度以上會軟化，無法適應(yīng)高溫環(huán)境。為了追求更高的能量轉(zhuǎn)化效率，熱機(jī)動力領(lǐng)域需要的工作溫度越來越高。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(wěn)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(jù)智研咨詢，2018年以產(chǎn)品工藝區(qū)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)動機(jī)的關(guān)鍵材料。高溫合金從誕生起就用于航空發(fā)動機(jī)，是制造航空航天發(fā)動機(jī)的重要材料。發(fā)動機(jī)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(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)中，高溫合金材料的用量占發(fā)動機(jī)總重量的40%～60%，主要用于四大熱端部件：燃燒室、導(dǎo)向器、渦輪葉片和渦輪盤，此外，還用于機(jī)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)目前處于成長期，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)未來發(fā)展空間廣闊。我國高溫合金生產(chǎn)企業(yè)數(shù)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(dǎo)等多家公司高溫合金產(chǎn)能項(xiàng)目在建設(shè)投產(chǎn)中。

˙航空發(fā)動機(jī)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(yīng)用成為六七十年代的一道絢麗的風(fēng)景線。

鐵基高溫合金使用溫度較低（600~850℃），一般用于發(fā)動機(jī)中工作溫度較低的部位，如渦輪盤、機(jī)匣和軸等零件。但鐵基高溫合金中溫力學(xué)性能良好，與同類鎳基合金相當(dāng)或更優(yōu)，加之價格便宜，熱加工變形容易，所以鐵基合金至今仍作為渦輪盤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(yīng)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(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)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(jié)構(gòu)部件，如航空發(fā)動機(jī)的工作葉片、渦輪盤、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)動機(jī)中主要用于渦輪導(dǎo)向葉片，工作溫度可達(dá)1100°C以上，也可用于渦輪葉片，其所承溫度低于相應(yīng)導(dǎo)向葉片50-100°C。

隨著耐熱合金工作溫度越來越高，合金中的強(qiáng)化元素也越來越多，成分也越復(fù)雜，導(dǎo)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(yán)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，就能解決上述問題。因?yàn)榉勰╊w粒小，制粉時冷卻速度快，消除了偏析，改善了熱加工性，把本來只能鑄造的合金變成可熱加工的形變高溫合金，屈服強(qiáng)度和疲勞性能都有提高，粉末高溫合金為生產(chǎn)更高強(qiáng)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)動機(jī)的渦輪盤，也用于生產(chǎn)先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤，渦輪軸和渦輪擋板等高溫?zé)岫肆悴考��?

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(qiáng)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(qiáng)，適用于制造燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)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?xì)鉁u輪機(jī)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(shù)字建模試驗(yàn)等理論階段。

一代軍機(jī)一代合金，發(fā)動機(jī)用高溫合金或進(jìn)入快速放量期

發(fā)動機(jī)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)動機(jī)葉片和盤件材料分別經(jīng)歷了變形、鑄造、定向、單晶四個階段。適應(yīng)溫度從600°C逐步提升至1100°以上。

軍機(jī)的換代伴隨著高溫合金的升級。*代渦噴發(fā)動機(jī)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)動機(jī)，核心材料工作溫度已經(jīng)達(dá)到了1200°C，采用了單晶高溫合金。歷代軍機(jī)的換代一直伴隨著發(fā)動機(jī)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世，不斷地推動航空工業(yè)向前發(fā)展。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的研究數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)占軍用飛機(jī)成本的25%，材料成本占發(fā)動機(jī)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(jié)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(qiáng)度高、比模量高（強(qiáng)度為鋼鐵的10倍，質(zhì)量僅有鋁材的一半）、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、耐高低溫等優(yōu)越性能，是軍民用重要基礎(chǔ)材料，應(yīng)用于航空航天、體育、汽車、建筑及其結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)金屬材料，樹脂基碳纖維模量高于鈦合金等傳統(tǒng)工業(yè)材料，強(qiáng)度通過設(shè)計(jì)可達(dá)到高強(qiáng)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(tǒng)材料，但對力學(xué)性能要求相對不高的傳統(tǒng)行業(yè)則更看重經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)材料依然為主力軍。

現(xiàn)代碳纖維材料始于軍用，目前航空航天為重要應(yīng)用領(lǐng)域�，F(xiàn)代的碳纖維是一種含碳量在90%以上的無機(jī)高分子纖維，具有良好的柔軟性，且縱軸方向的強(qiáng)度很高，具有超強(qiáng)的抗拉力，屬于新一代增強(qiáng)纖維，且碳纖維化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對高溫耐受能力強(qiáng)，不易被腐蝕，是大型整體化結(jié)構(gòu)的理想材料。與常規(guī)材料相比，碳纖維復(fù)合材料可使飛機(jī)減重，并有能力克服金屬材料容易出現(xiàn)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(fù)材、中簡科技等，其中中航高科偏下游，主要為航空復(fù)材產(chǎn)品；光威復(fù)材實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈布局，為碳纖維產(chǎn)業(yè)龍頭；中簡科技布局偏上游，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，同時實(shí)現(xiàn)高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量是目前碳纖維研制過程中的技術(shù)難點(diǎn)。近年來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5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，對于提高戰(zhàn)機(jī)、武器的作戰(zhàn)能力意義重大。東麗利用傳統(tǒng)的PAN溶液紡絲技術(shù)使得碳纖維強(qiáng)度和彈性模量都得到大幅提升，通過精細(xì)控制碳化過程，在納米尺度上改善碳纖維的微結(jié)構(gòu)，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(dāng)前東麗較為先進(jìn)的碳纖維制品T1100G為例，T1100G的拉伸強(qiáng)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)，通過凝膠把聚合物聯(lián)結(jié)在一起，產(chǎn)生強(qiáng)勁的鏈內(nèi)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(qiáng)度，從而將碳纖維拉伸強(qiáng)度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達(dá)354～375GPa。

˙軍用需求空間廣闊，下游市場以CFRP為主

碳纖維復(fù)合材料是指至少有一種增強(qiáng)材料是碳纖維的復(fù)合材料，其中*常見的是樹脂基碳纖維復(fù)合材料（CFRP）。由于CFRP比強(qiáng)度、比彈性模量等機(jī)械性能，以及耐疲勞性、穩(wěn)定性等相比傳統(tǒng)材料有明顯優(yōu)勢，因此在很多領(lǐng)域內(nèi)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(yīng)用場景廣泛，在航空航天和體育休閑領(lǐng)域率先形成大規(guī)模市場，而隨著21世紀(jì)以來碳纖維及其復(fù)合材料制造成本不斷下降，在汽車制造、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域應(yīng)用比例在不斷提高。

˙碳碳復(fù)合材料：新型剎車材料，軍用市場前景明朗

碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)體，以化學(xué)氣相沉積炭或樹脂炭為基體的復(fù)合材料，主要用作剎車盤。剎車盤是以摩擦材料設(shè)計(jì)技術(shù)和制備技術(shù)為核心的剎車制動類產(chǎn)品，用于飛機(jī)、坦克裝甲車輛和高速列車的剎車制動。

在“*嚴(yán)酷著陸停止”實(shí)驗(yàn)中，即考慮其他剎車系統(tǒng)都損壞的情況下，飛機(jī)機(jī)輪剎車可吸收超300兆焦耳能量，溫度短時間內(nèi)快速上市至千度以上，因此飛機(jī)對剎車盤材料耐高溫性及穩(wěn)定性、減少變形等方面都有嚴(yán)格的要求。與鋼剎車盤相比，碳剎車盤的突出優(yōu)點(diǎn)是:

1）減輕了剎車裝置的重量

2）提高了剎車盤的使用壽命

3）工作溫度高

4）剎車平穩(wěn)

由于碳/碳復(fù)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(zāi)難性破壞等一系列優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為航空制動裝置的*剎車材料�，F(xiàn)代的高性能民用客機(jī)，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(fù)合制動材料剎車裝置。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化的深入，整個航空業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢，國內(nèi)營運(yùn)機(jī)隊(duì)數(shù)量及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，給民航產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇。而飛機(jī)剎車盤作為耗材，每次在磨損到標(biāo)后都需要進(jìn)行更換，市場需求量很大，目前主要依賴于進(jìn)口。

為了進(jìn)一步提高碳剎車盤的力學(xué)性能，以提升剎車材料及飛機(jī)的安全性，以北摩高科、西安制動為代表的國內(nèi)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盤，*終實(shí)現(xiàn)碳剎車盤國產(chǎn)化。