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鎳基合號(hào)：

C276，C-276，Hasloy C276，N10276，C-22，C22，Hasloy C22，Monel 400，N04400，

400，Monel K500，Inconel 600，600，N06600，Inconel 601，601，N06601，625，Inconel

625，N06625，Inconel 718，718，N07718，Inconel X750，X750，N07750，Incoloy 800，

800H，800，Incoloy 800H，N08800，N08810，Incoloy 825，825，N08825，NS143，NS142，

GH4169，GH4145，GH2132，GH3030，GH3039，GH3128，GH3044，GH2132，254SMO，

S31254，17-4ph，630，17-7ph，Ni6，2205，F(xiàn)55，F(xiàn)60，0Cr18Ni9，00Cr19Ni10，

0Cr17Ni12Mo2，00Cr17Ni14Mo2，0Cr18Ni12Mo2Ti，1Cr18Ni9Ti，1Cr19Ni11Nb，

0Cr23Ni13，0Cr25Ni20，00Cr20Ni25Mo4.5Cu，304，304L，316，316L，316Ti，321，

TP347H，309S，310S，904L，2520，N08904

一、

空間站在空間運(yùn)行達(dá)10年之久。因此，在設(shè)計(jì)、選用材料時(shí)，應(yīng)視其不同的要求和具體使用部位而定。天飛機(jī)以超過的速度入軌，頭錐及前緣達(dá)1370℃；再入時(shí)以7500m/s從高空重返大氣層，軌道器表面熱流量達(dá)251kJ/m2·s，頭錐及前緣溫度超過1650℃。歐洲開發(fā) Hermes天飛機(jī)計(jì)算從78km高空以馬赫數(shù)Ma=29、成28.5°返回，頭錐達(dá)1860℃，前緣。因此，為保持設(shè)計(jì)對(duì)不同部位的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)、人員安全等的要求，必須采用熱防護(hù)系統(tǒng)，選用不同耐溫段的材料。例如，*C/C復(fù)合材料可在-121℃ ～1648℃用作機(jī)翼前緣和頭錐材料，外層涂覆SiC涂層；在648℃ ～1260℃可使用陶瓷隔熱瓦、纖維增強(qiáng)難熔金屬?gòu)?fù)合材料、SiC/SiC復(fù)合材料。應(yīng)當(dāng)指出，升降副翼在再入時(shí)可達(dá)1815℃，只能采用每次飛行更換的燒蝕材料，如用酚醛蜂窩與酚醛樹脂制成后，覆蓋聚氨基甲酸酯漆防止正焦化而揮發(fā)，“阿波羅”號(hào)宇宙飛船燒蝕率達(dá)103.4kg，正在研制輕質(zhì)燒蝕材料或采用C/C復(fù)合材料。據(jù)計(jì)算，如將高溫復(fù)合材料用于升降副翼、機(jī)身襟翼、垂尾，可使天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)減

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魯志強(qiáng)-（1）（5）（3）（5）（8）（0）（0）（9）（2）（2）（0）

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二、

重30%，分別減重達(dá)385kg、153kg、121kg，每千克可降低發(fā)射費(fèi)美元；一架天飛機(jī)采用陶瓷防熱瓦達(dá)30000塊以上，總重占軌道器結(jié)構(gòu)重量的1/5，其強(qiáng)度低、性脆、吸收性強(qiáng)、壽命短，正在研制可重復(fù)使用100次的材料。各種C/C復(fù)合材料的使用溫度和比強(qiáng)度比較如圖1.3所示，*C/C復(fù)合材料研究目標(biāo)達(dá)（5000°F）。天飛機(jī)材料在短時(shí)使用其耐溫限度如表1.2所示。機(jī)身側(cè)面和垂尾400℃ ～650℃，占20% ～30%表面積；機(jī)頭、機(jī)身下表面650℃ ～1260℃，占40% ～50%面積；飛機(jī)頭錐、機(jī)身下部、機(jī)翼前緣1260℃以上區(qū)域占表面3% ～5%，C/C復(fù)合材料在高溫下經(jīng)防護(hù)有重復(fù)使用性，高溫合金受限于耐溫性、難重復(fù)使用，經(jīng)抗氧化涂層防護(hù)的Ta、Nb基合金可多次使用；機(jī)身上表面溫度低于400℃，占表面積30%左右，石墨、聚酰亞胺復(fù)合材料在425℃ ～435℃下可用作軌道器結(jié)構(gòu)件，比金屬減重25%?！　。?）發(fā)掘高溫合金潛力，改善與提高使用性能。通過改進(jìn)傳統(tǒng)合金的性能，采用*工藝技術(shù)、新結(jié)構(gòu)等，提高使用溫度、減輕重量、降低成本，大限度發(fā)揮用量占50%高溫合金的使用效果。

　　例如采用單晶發(fā)散和鑄造冷卻可使DS-M002葉片工作溫度由提高至更高溫度。采用Rene88DT粉末盤與In718相比，蠕變性能提高110℃，。

　?。?）開發(fā)高溫、高比強(qiáng)度新型結(jié)構(gòu)材料。目標(biāo)是開發(fā)在更高溫度適應(yīng)、天工況下服役的結(jié)構(gòu)材料的新體系，制造重要熱結(jié)構(gòu)件如無(wú)盤轉(zhuǎn)子、葉盤整體渦輪、多孔層板、陶瓷和C/C復(fù)合材料構(gòu)件等。美國(guó)NASA提出高溫發(fā)動(dòng)機(jī)材料計(jì)劃（HTTEMP）如圖1.4看出：*復(fù)合材料具有高耐溫性和高比強(qiáng)度兼優(yōu)的突出特點(diǎn)。

　?。?）重視材料制備與成形工藝的作用，不亞于成分設(shè)計(jì)，對(duì)組織結(jié)構(gòu)與使用性能有重要影響。定向凝固、超塑成形、超純?nèi)蹮?、噴射成形、鑄冷（Castcool）技術(shù)、擴(kuò)散焊、熱障涂層等，均對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

　?。?）加強(qiáng)應(yīng)用性能研究，深化材料的科學(xué)設(shè)計(jì)。將材料在服役或開發(fā)過程中出現(xiàn)的組織、性能變化與材料設(shè)計(jì)相結(jié)合，與改進(jìn)零部件結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提高結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度、比剛度水平。

　　高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展目標(biāo)英國(guó)R.R公司對(duì)當(dāng)前和未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展趨勢(shì)提出預(yù)測(cè)如圖1.5所示，鋼用量日趨減少；鎳基高溫合金和鈦合金是用量多的兩種材料；碳纖維復(fù)合材料日趨發(fā)展，用量呈上升趨勢(shì)；鈦　　鋁化合物（Ti3Al、TiAl）、金屬基（Al、Ti）復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料呈發(fā)展態(tài)勢(shì)，用量不多，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，提高使用溫度、減輕重量、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本。高溫結(jié)構(gòu)材料是*發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪熱端部件的發(fā)展基礎(chǔ)，熱端部件主要有渦輪靜子和轉(zhuǎn)子葉片、渦輪盤、燃燒室、尾噴管，所用材料各具特點(diǎn)，均各呈系列發(fā)展。*發(fā)動(dòng)11

　　機(jī)渦輪葉片按應(yīng)用年份、材料表面溫度相對(duì)應(yīng)，如圖1.6所示，新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝相結(jié)合，得到了成功的發(fā)展和應(yīng)用，展示出未來(lái)發(fā)展新材料的趨勢(shì)。其中 PWA1484單晶葉片 +MCrAlY含Y2O3的ZrO2隔熱涂層得到應(yīng)用；MA6000渦輪葉片，其850℃ ～持久強(qiáng)度高于PWA1480；美國(guó)纖維材料公司發(fā)展的低成本C/C復(fù)合材料，制成380mm整體渦輪，重3.4kg、密度1.8g/cm3，是鎳基合金的1/4，如圖1.7所示已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，待解決抗氧化等關(guān)鍵技術(shù)使其實(shí)用化。

三、

發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)的發(fā)展目標(biāo)在推重比10發(fā)動(dòng)機(jī)服役之后，美國(guó)相繼提出發(fā)展推重比15～20發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，相應(yīng)提出擬研制的關(guān)鍵材料項(xiàng)目及使用溫度范圍如表1.3所示。此渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)擬裝備Ma=3～4飛機(jī)，高度21000m，作戰(zhàn)半徑1850km，推重比20發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到2000℃ ～2200℃，必須采用TiAl復(fù)合材料鼓筒無(wú)盤結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，減重70%；采用陶瓷基復(fù)合材料代替高溫合金制造出口溫度均勻、變流量結(jié)構(gòu)火焰筒；用鈦合金基復(fù)合材料制造燃燒室機(jī)匣；采用陶瓷基復(fù)合材料或C/C復(fù)合材料制造葉片盤整體結(jié)構(gòu)渦輪，減重30%；在提高飛行速度時(shí)短時(shí)應(yīng)用的加力燃燒室襯筒用C/C復(fù)合材料制造。總之，必須采用新材料、新結(jié)構(gòu)相結(jié)合才能滿足其設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

　天用高溫結(jié)構(gòu)材料主要用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及天飛機(jī)防熱系統(tǒng)等的熱結(jié)構(gòu)和防熱材料?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展需求如表1.4所示。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室、渦輪泵、燃?xì)獍l(fā)生器、起動(dòng)器、噴管；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等，不僅需要提供新型高溫結(jié)構(gòu)材料，而且需要采用*工藝技術(shù)。例如，采用難熔金屬與合金加抗氧化涂層；采用*C/C復(fù)合材料加抗氧化涂層；還要掌握多向編織預(yù)制增強(qiáng)體的編織技術(shù)、前驅(qū)體（如芳基乙炔PAA高殘?zhí)紭渲?/p>

　　快速致密化（RDT）工藝、抗氧化涂層技術(shù)等。

　　熱防熱設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，取名為熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按此設(shè)計(jì)可對(duì)減輕重量、擴(kuò)大選材品種、更新傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、采用新工藝技術(shù)進(jìn)行整體和創(chuàng)新。例如，選用抗氧化C/C復(fù)合材料、鈦合金、高溫合金多層蜂窩壁板材料與結(jié)構(gòu)等，終實(shí)現(xiàn)地球與空間或空間站之間天地往返的運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)載工具，即可重復(fù)飛行（100次）的空天飛機(jī)的實(shí)用化，提高費(fèi)效比。值得指出的是俄羅斯優(yōu)先發(fā)展的是一次使用的載人飛船，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、費(fèi)效比高。目前上述兩種途徑仍在探索之中，采用方案取決于所在國(guó)型號(hào)設(shè)計(jì)、工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平、經(jīng)濟(jì)承受能力、材料工藝條件。目前采用的冷結(jié)構(gòu)外部加防熱系統(tǒng)的思想、選用的防熱材料，代表20世紀(jì)70年代材料發(fā)展的水平，實(shí)現(xiàn)了30多次成功飛行。已實(shí)用的材料有頭錐帽、機(jī)翼前緣用抗氧化C/C（>1260℃）；機(jī)身、機(jī)翼下表面用陶瓷隔熱瓦（650℃ ～1200℃）；機(jī)身、機(jī)翼上表面用柔性陶瓷隔熱氈（370℃ ～650℃）等材料。飛船用結(jié)構(gòu)材料則類同于返回式衛(wèi)星、空間站，主要材料為可焊鋁合金、鍛鋁、高強(qiáng)度鋁合金（鉚接結(jié)構(gòu)）；燒蝕材料采用*低密度燒蝕材料，玻璃鋼蜂窩中填充硅橡膠材料；重點(diǎn)需要耐高溫輕質(zhì)鋁合金、鈦合金?！　℃V合金是工程結(jié)構(gòu)金屬材料中密度?。?.75g/cm3～），約為鋁合金的2/3，鈦合金的1/3，鋼的1/4。雖說性模量比鋁合金、鋼低，其比性模量則與鋁合金、合金鋼大致相當(dāng)。性模量低可使其制作的構(gòu)件避免高的應(yīng)力集中，性應(yīng)變功與性模量成反比，在性范圍內(nèi)受沖擊載荷時(shí)，吸收能量則比鋁合金大一半。因此，鎂合金適宜于制造高剛性、整體構(gòu)件和受沖擊的構(gòu)件，具有高的振動(dòng)阻尼性能，制造儀器殼體、基座，在傳遞振動(dòng)時(shí)具有阻尼減振降噪作用，提高儀器的靈敏度和穩(wěn)定性。

　　高溫鎂合金在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)，具有變形和鑄造鎂合金兩類。鎂稀土合金成為發(fā)展耐熱鎂合金的主要系列，使用溫度150℃以上稱為高溫鎂合金，通常在200℃ ～250℃具有良好的抗蠕變性能。鎂與稀土元素可以形成的MgxREy相是一種耐熱強(qiáng)化相，在晶粒內(nèi)形成適當(dāng)排列的亞顯微沉淀，起耐熱強(qiáng)化作用。

　　根據(jù)稀土元素（RE）的不同，鎂合金中添加有Th、Y、Ce、Nd等元素，可制出Mg-Th-Zn-Zr、Mg-Y-Zn-Zr、91　　r、Mg-RE-Ag-Zn-Zr等系列耐熱鎂合金。稀土元素添加在鎂合金中，其固溶度隨原子系數(shù)增大而增大，固溶沉淀強(qiáng)化效果隨之提高，在晶粒內(nèi)形成MgxREy耐熱相，可以綜合提高鎂合金的室溫和高溫拉伸、蠕變、持久性能。通常，經(jīng)熱處理后，在250℃下蠕變極限（σ0.2/100h）可達(dá)25MPa～50MPa，可在200℃ ～250℃下長(zhǎng)期使用，有的合金持久性能100h可達(dá)35MPa。

　　俄羅斯研制的МЛ19（Mg-Y-Nd-Zn-Zr）合金已發(fā)展成為可在300℃使用的熱強(qiáng)合金。英國(guó)研制出WE54（）合金，Y以 75%Y+25%RE混合稀土加入，經(jīng)固溶處理后在鹽水或聚合物中淬火，在經(jīng)250℃/16h時(shí)效處理，其拉伸性能 σb≥262MPa，σ0.2≥186MPa，δ≥2%，其持久性能優(yōu)于現(xiàn)有鑄造鎂合金，超過RR350鋁合金。

　　WE54合金耐蝕性接近A356和A357鋁合金，與高純Mg-Al合金相當(dāng)，鑄造性能遠(yuǎn)優(yōu)于 RR350合金，優(yōu)于含銀的稀土鎂合金?！?/p>

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