試論航空用粉末冶金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研制及應(yīng)用

摘 要：航空工業(yè)對(duì)各類材料的性質(zhì)提出了很高要求，其中常用的一種材料為顆粒增強(qiáng)鋁基負(fù)荷材料?；趯?duì)這種材料性質(zhì)參數(shù)的研究，本文指出了這種材料的研制過程，并在此基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)用方式進(jìn)行了分析，讓該材料能夠在航空工業(yè)中發(fā)揮應(yīng)有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：航空工業(yè)；粉末冶金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；材料研制；材料應(yīng)用

引言：航空工業(yè)中應(yīng)用的復(fù)合材料需要有很高的強(qiáng)度，同時(shí)需要降低材料的密度，從這兩個(gè)角度考慮，鋁基復(fù)合材料在當(dāng)前應(yīng)用廣泛。而在鋁基復(fù)合材料的研制過程中，不但需要考慮各類材料本身的強(qiáng)度，還需要保證各類材料之間有很高的化學(xué)相容性，這對(duì)于材料的研制過程提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要采取合理措施對(duì)材料進(jìn)行生產(chǎn)。

一、航空用粉末冶金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研制

在鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用研制過程中，當(dāng)前已經(jīng)提出了多種制備方法，這些方法存在不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，當(dāng)前常用的方法如下：

（一）粉末冶金法

這種方法的原理為，將增強(qiáng)體和基底的金屬粉末進(jìn)行混合，并在攪拌的作用下讓這兩種粉末能夠全面融合，在融合完成后，對(duì)最終獲取的粉末進(jìn)行冷壓成型，而在零件生產(chǎn)中，可以通過對(duì)成型后的復(fù)合材料進(jìn)行加熱的方式進(jìn)行零件鑄造。這種方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于，生產(chǎn)過程中需求的溫度較低，并且基體和增強(qiáng)體之間的界面反應(yīng)較小，另外由于增強(qiáng)體在復(fù)合材料中的分布情況較為均勻，所以在零件的生產(chǎn)過程中更不容易發(fā)生偏聚現(xiàn)象，在很大程度上提升了材料的質(zhì)量。但是這種方法在應(yīng)用過程中也存在一些缺陷，最常見的問題為生產(chǎn)出的零件大小、形狀上會(huì)受到較大限制，并且這種方式需要消耗較長的生產(chǎn)周期，在具體的生產(chǎn)過程中需要消耗更高的成本[1]。這種方法在應(yīng)用過程中，常用的增強(qiáng)體為SiC和Al2O3，其中SiC的應(yīng)用頻率更高。

（二）擠壓鑄造法

擠壓鑄造法的原理為，將增強(qiáng)體按照一定的方法將其處理成滿足零件制作要求的形狀，并將制成的預(yù)制件防止到零件的生產(chǎn)設(shè)備中，在完成這一操作后，向鑄造件中澆入熔融狀態(tài)的鋁合金，在向鋁合金施加壓力時(shí)，熔融狀態(tài)的鋁合金會(huì)在高壓的作用下滲透入制作完成的預(yù)制件中，冷卻后就形成了需要支撐的復(fù)合材料零件。在這種工藝的應(yīng)用過程中，對(duì)零件的生產(chǎn)效率較高，并且能夠由于高溫狀態(tài)的鋁合金和增強(qiáng)體的接觸時(shí)間較短，能夠在很大程度上避免產(chǎn)生有害界面，在很大程度上提升復(fù)合材料的強(qiáng)度。但是這種方法在應(yīng)用過程中也存在一定問題，最重要的問題為需要向材料施加壓力，并且對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過程來說，需要對(duì)施加的壓力進(jìn)行控制，當(dāng)向材料施加的壓力過高時(shí)，在零件的生產(chǎn)過程中很容易發(fā)生斷裂問題。

（三）噴射沉積工藝

噴射沉積工藝的原理為將復(fù)合材料的混合和凝固過程進(jìn)行結(jié)合的工藝，在具體的生產(chǎn)過程中，應(yīng)用高壓惰性氣體流對(duì)熔融狀態(tài)下的金屬進(jìn)行處理，在處理完成后，熔融狀態(tài)的金屬會(huì)形成霧化的材料[2]。在復(fù)合材料的生產(chǎn)過程中，也會(huì)向高溫噴射的金屬中噴入增強(qiáng)體顆粒，最終實(shí)現(xiàn)這兩種材料的融。這種方式從應(yīng)用方式和效果上來看，能夠在很大程度上提升對(duì)復(fù)合材料的生產(chǎn)效率，并且由于基體和增強(qiáng)體的接觸時(shí)間較短，防止在生成的復(fù)合材料中形成有害界面，提升了材料的性能。但是這種方法在應(yīng)用過程中也存在一定問題，即需要應(yīng)用成本較高的專業(yè)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，另外由于采用氣體的方式讓基體和增強(qiáng)體進(jìn)行融合，導(dǎo)致最終生產(chǎn)的材料致密性較低，這導(dǎo)致在符合材料的具體生產(chǎn)中，需要對(duì)這種方式生產(chǎn)材料的有效性進(jìn)行論證。

二、航空用粉末冶金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用

（一）飛機(jī)表面構(gòu)件上的應(yīng)用

由于該復(fù)合材料有很高的強(qiáng)度，所以在飛機(jī)的一些表面構(gòu)件中能夠取得很好的應(yīng)用效果，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，淬火后的這種材料的屈服強(qiáng)度能夠達(dá)到550MPa，此時(shí)的SiC的體積分?jǐn)?shù)為50%，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)下降時(shí)，屈服強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生一定程度上的下降，但是從整體上來看，這種材料的屈服強(qiáng)度發(fā)生的變化不大，從飛機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)角度分析，在這類材料的生產(chǎn)過程中，必然會(huì)應(yīng)用最佳的材料配比進(jìn)行零件生產(chǎn)。在上世紀(jì)的美國航空工業(yè)中，已經(jīng)開始應(yīng)用這種材料進(jìn)行飛機(jī)裝配，并且已經(jīng)取得了的很好的應(yīng)用效果。本文認(rèn)為在我國航空工業(yè)當(dāng)前和今后的發(fā)展中，這種材料將在飛機(jī)的表面蒙皮、飛機(jī)表面的一些活動(dòng)構(gòu)件上取得很好的應(yīng)用效果，在保證飛機(jī)表面強(qiáng)度的同時(shí)，也能夠大幅降低飛機(jī)的自身重量，以達(dá)到降低能耗的效果。需要注意的是，在這種材料的具體的應(yīng)用中，需要選取最佳的零件生產(chǎn)方法，對(duì)于大型零件來說，可以應(yīng)用噴射沉積工藝完成對(duì)相關(guān)零件的生產(chǎn)，原因在于這類零件通常需要很高的生產(chǎn)速度，并且對(duì)設(shè)備的體積提出了很高要求，另外兩種方法很難滿足這一要求。

（二）飛機(jī)活動(dòng)構(gòu)件上的應(yīng)用

在飛機(jī)的生產(chǎn)和裝配過程中，需要應(yīng)用大量的活動(dòng)構(gòu)件，這類構(gòu)件包括兩方面內(nèi)容，一類為飛機(jī)表面的活動(dòng)構(gòu)件，包括襟翼等，這些活動(dòng)構(gòu)件在飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程中，需要承受很高的氣動(dòng)壓力，由于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料本身具有很高的屈服強(qiáng)度，所以這種材料可以用于生產(chǎn)飛機(jī)的這類活動(dòng)構(gòu)件。另一種活動(dòng)構(gòu)件為飛機(jī)內(nèi)部的各類活動(dòng)構(gòu)件，包括傳動(dòng)桿件等零件，這類構(gòu)件對(duì)斷裂韌性提出了很高的要求，并且這類零件通常情況下長度和體積較小，所以可以應(yīng)用多種方法進(jìn)行生產(chǎn)。在當(dāng)前針對(duì)這種材料的實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合材料的斷裂韌性和SiC的體積分?jǐn)?shù)有較大關(guān)聯(lián)，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，斷裂韌性為20MPa？m1/2，，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，斷裂韌性的數(shù)值下降到15MPa？m1/2，從中可以看出，當(dāng)SiC的體積分?jǐn)?shù)上升時(shí)，該材料的脆性提升，所以在這類材料的生產(chǎn)過程中，需要在一定程度上降低SiC的體積分?jǐn)?shù)。本文認(rèn)為在航空工業(yè)當(dāng)前與今后的發(fā)展中，會(huì)提高對(duì)這種復(fù)合材料的研究力度，確定各類活動(dòng)構(gòu)件對(duì)性質(zhì)和強(qiáng)度上的最佳要求，在材料的具體生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中，按照SiC的最佳體積分?jǐn)?shù)完成對(duì)相關(guān)零件的生產(chǎn)工作，保證整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)論：綜上所述，在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研制過程中，當(dāng)前常用的方法包括粉末冶金法、擠壓鑄造法和噴射沉淀工藝，在這種材料零件的具體生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)這些鑄造方法的性質(zhì)進(jìn)行生產(chǎn)方式的合理選擇，保證生產(chǎn)的零件性質(zhì)能夠滿足零件在強(qiáng)度上的相關(guān)要求。在航空工業(yè)當(dāng)前和今后的發(fā)展中，這種材料會(huì)在飛機(jī)表面和各類活動(dòng)構(gòu)件中獲得更為廣泛的應(yīng)用，并且工藝水平也會(huì)提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]聶俊輝，樊建中，魏少華，劉彥強(qiáng).航空用粉末冶金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研制及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2017（16）：26-36.

[2]馮科.鋁基復(fù)合材料的制備工藝及性能研究[D].河南科技大學(xué)，2012.

作者簡介：

李君（1996-），男，山東煙臺(tái)人，本科在讀，湖南工業(yè)大學(xué)金屬材料工程學(xué)生.