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鋁作為一種理想的輕質(zhì)材料，潛在優(yōu)勢變得越來越明顯。因此，近年來，鋁在航空航天領(lǐng)域的使用也越來越多。
質(zhì)輕、經(jīng)濟(jì) 助鋁材“飛天”
據(jù)統(tǒng)計，進(jìn)入空間軌道的航天運(yùn)載器重量每減輕1kg，其發(fā)射費(fèi)用將節(jié)省約2萬美元，因此結(jié)構(gòu)減重在航天領(lǐng)域可謂“克克計較”。戰(zhàn)斗機(jī)重量若減輕15%，則可縮短飛機(jī)滑跑距離15%，增加航程20%，提高有效載荷30%。因此，世界各國十分重視研制和開發(fā)航空航天用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鋁因其自身的輕量化、高強(qiáng)度、加工方便和價格經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，受到特別的關(guān)注。
目前，在進(jìn)行飛行器的設(shè)計時，設(shè)計師大多會選擇具有高比強(qiáng)度和比剛度的結(jié)構(gòu)材料，以減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，改善飛行性能，增加經(jīng)濟(jì)效益。同時，該結(jié)構(gòu)材料還應(yīng)具有良好的可加工性，便于制成所需要的零件。目前，各種飛機(jī)都以鋁合金作為主要結(jié)構(gòu)材料。飛機(jī)上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金制造。飛機(jī)依用途的不同，鋁的用量也不一樣。著重于經(jīng)濟(jì)效益的民用機(jī)型大量采用鋁合金，部分原因就是鋁合金價格便宜。如波音767客機(jī)采用的鋁合金約占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量81%。軍用飛機(jī)因要求有良好的作戰(zhàn)性能而相對地減少鋁的用量，如F-15高性能戰(zhàn)斗機(jī)僅使用35.5%鋁合金。
部分鋁合金因其具有良好的低溫性能，可在液氫和液氧環(huán)境下工作，它與濃硝酸和偏二甲肼不起化學(xué)反應(yīng),具有良好的焊接性能,因而是制造液體火箭的好材料。發(fā)射“阿波羅”號飛船的“土星”5號運(yùn)載火箭各級的燃料箱、氧化劑箱、箱間段、級間段、尾段和儀器艙都用鋁合金制造。航天飛機(jī)的乘員艙、前機(jī)身、中機(jī)身、后機(jī)身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用鋁合金制做的。各種人造地球衛(wèi)星和空間探測器的主要結(jié)構(gòu)材料也都是鋁合金。從中我們可以看出，鋁合金在航空航天領(lǐng)域所起到的作用至關(guān)重要。
鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域
鋁合金在航天航空中的應(yīng)用開發(fā)可分為幾個階段：20世紀(jì)50年代主要目標(biāo)是減重和提高合金比剛度、比強(qiáng)度；60-70年代主要目標(biāo)是提高合金耐久性和損傷容限，開發(fā)出7XXX系合金T73和T76熱處理制度、7050合金和高純合金；80年代由于燃油價格上漲而要求進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量；90年代至今，鋁合金的發(fā)展目標(biāo)是進(jìn)一步減重，并進(jìn)一步提高合金的耐久性和損傷容限。例如開發(fā)出高強(qiáng)、高韌、高抗腐蝕性能的新型鋁合金，大量采用厚板加工成復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)部件代替以前用很多零件裝配的部件，不但能減輕結(jié)構(gòu)重量，而且可保證性能的穩(wěn)定。
目前，應(yīng)用在航空航天的鋁合金主要分為：鋁合金鑄件、鋁合金大型擠壓型材、鋁合金厚板和鋁-鋰合金等。
鋁合金鑄件：在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，利用了1500-2000種鋁鑄件，根據(jù)飛機(jī)不同的使用條件和部位，主要用了3種基本的鋁合金：即高強(qiáng)鋁合金、耐熱鋁合金、耐蝕鋁合金。高強(qiáng)鋁合金主要用于飛機(jī)機(jī)身部件、發(fā)動機(jī)艙、座椅、操縱系統(tǒng)等。耐熱鋁合金零件主要用于靠近電動機(jī)的機(jī)艙、空氣交換系統(tǒng)等。耐蝕鋁合金具有足夠高的性能指標(biāo)，其強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、疲勞性能和可焊性都很好，更主要的是其具有耐蝕性，這樣就可用于水上飛機(jī)。
鋁合金大型擠壓型材：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋁合金型材正向著大型化、整體化、薄壁扁寬化、尺寸高精化、形狀復(fù)雜化方向發(fā)展，應(yīng)用范圍已由民用型材料推廣到航天航空用型材，大型型材的主要特點(diǎn)有：大型化和整體化、薄壁化和輕量化、斷面尺寸和形位公精密化、組織性能的均勻化與優(yōu)質(zhì)化。航天航空用大型擠壓型材主要有：整體帶筋壁板、工字大梁、機(jī)翼大梁、梳狀型材、空心大梁型材等，主要用作飛機(jī)、宇宙飛船等航天航空器的受力結(jié)構(gòu)部件以及直升飛機(jī)異形空心旋翼大梁和飛機(jī)跑道等。
鋁合金厚板：鋁合金厚板是現(xiàn)代航天航空工業(yè)重要的結(jié)構(gòu)材料，目前發(fā)達(dá)國家鋁工業(yè)界不斷開發(fā)出性能優(yōu)異的新型鋁合金厚板，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)框架、整體壁板、起落架、蒙皮等。它們具有高強(qiáng)度、良好的韌性、抗應(yīng)力性能和抗剝落腐蝕性能，而且斷裂韌性較好，抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)，鋁合金厚板作為航天航空用材料具有很好的綜合性能。
鋁鋰合金：鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個領(lǐng)域。鋰是世界上最輕的元素，把金屬鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入金屬鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時仍然保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因?yàn)檫@些特性，這種新型合金受到了航空航天業(yè)的廣泛關(guān)注。據(jù)推算，如果采用先進(jìn)鋁鋰合金取代傳統(tǒng)鋁合金制造波音飛機(jī)，重量可以減輕14.6%，燃料節(jié)省5.4%，飛機(jī)成本將下降2.1%，每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用將降低2.2%。因此，鋁鋰合金被認(rèn)為是航空航天最理想的結(jié)構(gòu)材料。20世紀(jì)80年代，在全世界范圍內(nèi)掀起了鋁鋰合金研究的高潮。但由于鋁鋰合金的特殊應(yīng)用背景，鋁鋰合金研究中的關(guān)鍵技術(shù)各國高度保密。
在我國，鋁合金已大量應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，促進(jìn)了我國航空航天工業(yè)的發(fā)展。同時，我國已跨入了世界上僅美國、俄羅斯、英國等少數(shù)幾個能生產(chǎn)和應(yīng)用鋁鋰合金這一先進(jìn)新型材料的國家行列，并且，我國在鋁合金的開發(fā)應(yīng)用上，科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)一同聯(lián)手，將理論研究成果應(yīng)用于實(shí)際，推動了鋁合金從實(shí)驗(yàn)室研究走向工業(yè)化生產(chǎn)并在我國航空航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
鋁合金，在我國的航空航天領(lǐng)域中起著不可替代的作用，為我國航空航天事業(yè)不斷書寫新輝煌做出了重要貢獻(xiàn)。
