航空航天結(jié)構(gòu)材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)不可或缺的支柱材料，是支撐高端裝備和重大工程需求的核心材料，在航空航天、武器裝備等戰(zhàn)略領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。在國(guó)家各類計(jì)劃的支持下，我國(guó)已初步建成航空航天結(jié)構(gòu)材料研發(fā)和生產(chǎn)體系，金屬、非金屬及其復(fù)合材料等產(chǎn)品不斷優(yōu)化，部分研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，材料的性能、可靠性、批次穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面都有較大幅度的提升。例如，T300級(jí)～T800級(jí)的國(guó)產(chǎn)碳纖維實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，有力支撐了重大航空航天裝備的研制和批產(chǎn)；研制發(fā)展了四代單晶高溫合金和粉末高溫合金，單晶高溫合金的承溫能力從第二代單晶的1050℃提高到第四代單晶的1100℃，國(guó)產(chǎn)粉末高溫合金渦輪盤、擋板等關(guān)鍵部件也用于多個(gè)在研在役軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)；7085鋁合金厚大截面材料和Ti-6Al-4V鈦合金鍛件國(guó)產(chǎn)化，解決了大飛機(jī)關(guān)鍵材料的若干問(wèn)題；自主研發(fā)的抗氧化Cf/C、SiCf/SiC高溫結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料有力保障了若干重大裝備的研制和生產(chǎn)。以上典型研究進(jìn)展有力支撐和促進(jìn)了我國(guó)航空航天裝備的快速發(fā)展。

本文綜述航空航天先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料近年的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)明確該領(lǐng)域亟待突破的困境。面對(duì)當(dāng)前航空航天材料技術(shù)在輕質(zhì)高強(qiáng)、耐溫耐蝕、低成本、復(fù)合化、多功能等方向的新一輪發(fā)展機(jī)遇，我國(guó)亟需打破國(guó)外技術(shù)封鎖和市場(chǎng)壟斷，形成體系化自主研制和保障能力，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)、重載火箭、國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)等航空航天重大裝備對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料的需求。

01

航空航天先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料戰(zhàn)略意義

“一代材料，一代裝備”是對(duì)航空航天技術(shù)發(fā)展與其關(guān)鍵材料間相輔相成關(guān)系的真實(shí)寫照。一方面，國(guó)家戰(zhàn)略需求加速航空航天新品種材料不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)材料性能持續(xù)提高、研究方法不斷創(chuàng)新、制造技術(shù)不斷進(jìn)步；另一方面，航空航天材料領(lǐng)域理論、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的縱深發(fā)展也推動(dòng)其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，加速下游高端裝備的不斷進(jìn)步。因此，航空航天材料的研發(fā)，既牽引國(guó)家新材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，又推動(dòng)高端裝備更新?lián)Q代，對(duì)整個(gè)社會(huì)的技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有顯著的輻射帶動(dòng)作用。

高性能高分子材料、高性能纖維與復(fù)合材料是高端裝備制造、航空航天等領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。目前，我國(guó)高性能高分子及其復(fù)合材料進(jìn)口依賴度較高，部分關(guān)鍵核心技術(shù)依賴進(jìn)口，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展造成極大隱患。加強(qiáng)高性能高分子及其復(fù)合材料的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題研究，建立完善的工程驗(yàn)證和產(chǎn)業(yè)體系，對(duì)于推動(dòng)國(guó)內(nèi)大循環(huán)健康有序發(fā)展、提高我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的科技水平和國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力具有戰(zhàn)略意義。

高溫與特種金屬結(jié)構(gòu)材料是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)、超超臨界火電機(jī)組、重大科學(xué)裝置等高端裝備中不可或缺的關(guān)鍵材料。目前，我國(guó)在高溫與特種金屬結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用方面與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距，存在部分關(guān)鍵材料和特種型材依賴進(jìn)口、質(zhì)量穩(wěn)定性差、技術(shù)成熟度低、成本高等問(wèn)題，亟待發(fā)展一批高服役性高溫與特種結(jié)構(gòu)材料，突破我國(guó)重點(diǎn)型號(hào)及高端裝備用高溫與特種結(jié)構(gòu)材料技術(shù)和應(yīng)用瓶頸，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控和安全高效，為航空航天強(qiáng)國(guó)、能源強(qiáng)國(guó)建設(shè)提供關(guān)鍵材料支撐。

輕質(zhì)高強(qiáng)金屬及其復(fù)合材料具有密度低、高強(qiáng)高韌、耐溫耐蝕、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、易加工成型、綜合應(yīng)用成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，是航空航天、軍事裝備、電子信息等眾多領(lǐng)域主結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵系統(tǒng)所需的關(guān)鍵材料，歷來(lái)受到各國(guó)政府和軍方的高度重視。輕質(zhì)高強(qiáng)金屬及其復(fù)合材料性能水平和應(yīng)用狀況已成為衡量大飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、重載火箭、高超聲速飛行器等國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域先進(jìn)性的重要指標(biāo)。在當(dāng)前新的國(guó)際形勢(shì)下，加速發(fā)展我國(guó)自主輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料技術(shù)體系勢(shì)在必行。

先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料是高端裝備的核心材料和部件，在航空航天、信息技術(shù)、先進(jìn)制造和國(guó)防軍工等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。近年來(lái)，我國(guó)在結(jié)構(gòu)陶瓷與陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域的科技創(chuàng)新能力不斷提升，但關(guān)鍵材料仍然“受制于人”，瓶頸技術(shù)亟待突破。高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料、無(wú)機(jī)纖維及其復(fù)合材料、超高溫陶瓷復(fù)合材料、極端環(huán)境特殊結(jié)構(gòu)陶瓷及復(fù)合材料、新型無(wú)機(jī)非金屬結(jié)構(gòu)材料等高端材料和產(chǎn)品在諸多重大應(yīng)用與裝備領(lǐng)域均受到“卡脖子”制約，供應(yīng)鏈安全受國(guó)際關(guān)系影響巨大。亟需解決關(guān)鍵核心材料與部件配套及產(chǎn)業(yè)鏈整合兩大問(wèn)題，為國(guó)家相關(guān)領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

02

航空航天結(jié)構(gòu)材料技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在役的航空航天結(jié)構(gòu)材料中，金屬結(jié)構(gòu)材料仍為主導(dǎo)。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在研究、制造、評(píng)價(jià)、應(yīng)用等方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位，通過(guò)材料計(jì)算和性能預(yù)測(cè)、數(shù)字模擬和應(yīng)用評(píng)價(jià)、組織性能與多場(chǎng)耦合環(huán)境壽命評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)的成熟應(yīng)用，已形成了完善的材料技術(shù)體系，擁有龐大系統(tǒng)性數(shù)據(jù)庫(kù)。

為滿足未來(lái)航空航天器輕量化的戰(zhàn)略需求，輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展迅速，其工藝的提升對(duì)提高飛行器性能、降低研制生產(chǎn)成本、提高服役可靠性具有極為關(guān)鍵的作用。圖1展示了空客與波音公司重點(diǎn)機(jī)型機(jī)身各類材料占機(jī)體結(jié)構(gòu)總量的變化，復(fù)合材料的用量明顯大幅度增加。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在復(fù)合材料研發(fā)、工程化水平、批產(chǎn)能力、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用等方面一直引領(lǐng)著世界發(fā)展方向，甚至部分高端產(chǎn)品仍居于壟斷地位。

2.1高性能高分子材料及其復(fù)合材料

以航空航天為應(yīng)用背景的高性能高分子材料及其復(fù)合材料通常是高性能纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，其原材料主要包括增強(qiáng)纖維和樹脂基體，樹脂基體中也常常會(huì)添加一些提高復(fù)合材料綜合力學(xué)性能或賦予復(fù)合材料特殊功能的添加劑材料，如增韌劑、阻燃劑、電磁波吸收劑和導(dǎo)熱導(dǎo)電填料等。由波音、空客和GE等航空企業(yè)引領(lǐng)，樹脂基復(fù)材已經(jīng)走過(guò)了由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用的跨越，軍機(jī)應(yīng)用達(dá)到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的30%～40%，民機(jī)用量達(dá)到50%以上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用量達(dá)15%。相比之下，我國(guó)C919用量?jī)H約12%，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用量也很有限。

熱固性樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系中，高性能環(huán)氧樹脂基、雙馬來(lái)酰亞胺樹脂基和聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料是其核心三大體系，也是其他高性能結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合材料的基礎(chǔ)。環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在濕熱環(huán)境下的最高長(zhǎng)期使用溫度通常為130～150℃,主要應(yīng)用于亞音速或低超音速飛行器的機(jī)身機(jī)翼、彈體彈翼結(jié)構(gòu)；雙馬來(lái)酰亞胺樹脂基復(fù)合材料在濕熱環(huán)境下的最高長(zhǎng)期使用溫度為150～180℃,主要應(yīng)用于超音速飛行器的機(jī)身機(jī)翼或彈體彈翼結(jié)構(gòu)；聚酰亞胺復(fù)合材料長(zhǎng)期使用溫度大于250℃,甚至達(dá)到500℃以上，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷端結(jié)構(gòu)、飛機(jī)臨近發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)或高超音速飛行器機(jī)身機(jī)翼等。

與熱固性樹脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有抗沖擊性能好、可循環(huán)使用、可修補(bǔ)、可焊接、預(yù)浸料可無(wú)限期室溫儲(chǔ)存等特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于各類艙門和機(jī)翼前緣等需要抗頻繁沖擊風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)，并逐步推廣應(yīng)用到飛機(jī)整流罩、升降舵、平尾、公務(wù)機(jī)機(jī)翼、垂尾等大型結(jié)構(gòu)制件上。目前在航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用的熱塑性復(fù)合材料主要以聚醚醚酮和聚苯硫醚系列為主，表1列出了其主要應(yīng)用機(jī)型。

碳纖維是樹脂基復(fù)合材料核心原材料之一，是先進(jìn)碳纖維增強(qiáng)樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基礎(chǔ)。通過(guò)長(zhǎng)期自主攻關(guān)和發(fā)展，我國(guó)第一代碳纖維已產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，例如航空航天用國(guó)產(chǎn)T300級(jí)碳纖維在“十一五”期間已實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定供貨；T800級(jí)系列碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)成熟，直接推動(dòng)了M40J級(jí)和M50J級(jí)碳纖維的技術(shù)突破和批量生產(chǎn)，基本形成了第二代碳纖維技術(shù)體系，也為第三代碳纖維制備關(guān)鍵技術(shù)的突破奠定了基礎(chǔ)。國(guó)外預(yù)浸料和蜂窩等中間材料與纖維同步發(fā)展，目前主要由日本Toray、美國(guó)Hexcel和美國(guó)Cytec等公司引領(lǐng)和壟斷，占據(jù)國(guó)際航空航天領(lǐng)域的巨大份額。

2.2金屬結(jié)構(gòu)材料

美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在金屬結(jié)構(gòu)材料研究、制造、評(píng)價(jià)、應(yīng)用等方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位，已形成了完整的材料體系和完善的選材技術(shù)體系，擁有龐大的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。相比之下，我國(guó)金屬結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)業(yè)正處在上升期，迫切需要品種創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。

2.2.1高溫合金

我國(guó)變形高溫合金從引進(jìn)吸收逐步形成體系化和規(guī)模化，目前已基本實(shí)現(xiàn)材料的自主可控，圖2展示了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)盤鍛件用變形高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)。650℃以下使用的GH4169合金冶金質(zhì)量和用量持續(xù)提升，成為“一材多用”的典范，支撐了三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備的批產(chǎn)應(yīng)用；承溫700～750℃的GH4169D、GH4065A、GH4096等新一代合金研制成功并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，支撐了四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制；GH4720Li、GH7438等合金在多種中小型發(fā)動(dòng)機(jī)中得到批量應(yīng)用；艦用燃汽輪機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與應(yīng)用帶動(dòng)了GH4698、GH4742、GH4202等牌號(hào)的發(fā)展；為了滿足更高代次發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需求，近期正在研制承溫能力800℃以上的GH4151、GH4975等合金，形成服役溫度在600～900℃之間較完整的時(shí)效強(qiáng)化型變形高溫合金體系。

隨著制造工藝的創(chuàng)新，鑄造高溫合金由等軸晶、定向鑄晶發(fā)展到單晶，通過(guò)一步步消除晶界使鑄造高溫合金承溫能力逐漸提高。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的主要材料，鑄造高溫合金的發(fā)展也成就了航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高，表2列出了各代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片選用材料的發(fā)展歷程。隨著對(duì)高溫合金性能要求的不斷提高，合金的成分設(shè)計(jì)空間變得越來(lái)越小，基于材料計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段開展合金成分設(shè)計(jì)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)模擬仿真優(yōu)化工藝參數(shù)已經(jīng)逐漸成為通用的高溫合金零部件生產(chǎn)制備方法。

粉末高溫合金在軍、民用先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤中得到了廣泛應(yīng)用。綜合來(lái)看，鎳基粉末高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)具有“三高一低”的特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高工作溫度、高組織穩(wěn)定性和低疲勞裂紋擴(kuò)展速率。歐美國(guó)家率先研制成功第一代650℃高強(qiáng)型粉末高溫合金，如René95等；第二代750℃損傷容限型粉末高溫合金，如René88DT等，以及第三代高強(qiáng)損傷容限型粉末高溫合金，如ME3等。第四代粉末高溫合金是在第三代的基礎(chǔ)上，通過(guò)成分調(diào)整和工藝優(yōu)化來(lái)獲得更高的工作溫度，使其具有高強(qiáng)度、高損傷容限和高工作溫度的特點(diǎn)，如ME501等。我國(guó)目前已研制出以FGH4095為代表的第一代、FGH4096為代表的第二代粉末高溫合金，第三代及第四代仍在研制探索中。

近年來(lái)，我國(guó)高溫合金體系以需求牽引為主、技術(shù)推動(dòng)為輔，在研制與應(yīng)用領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。然而，高溫合金涉及學(xué)科眾多，部件制造要求高，容錯(cuò)空間小，其成熟應(yīng)用是建立在對(duì)研發(fā)和制造體系全面深入理解和長(zhǎng)期積累的基礎(chǔ)之上，因此未來(lái)需持續(xù)加強(qiáng)。

2.2.2超高強(qiáng)度鋼

超高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度超過(guò)1380MPa的高比強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，在航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色，航天航空領(lǐng)域的主要應(yīng)用場(chǎng)景有飛機(jī)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)軸、齒輪軸承、框、梁、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等。飛機(jī)起落架典型材料主要有300M和Aermet100鋼，兩者均具有1930MPa以上的超高強(qiáng)度。300M為低合金超高強(qiáng)度鋼，廣泛應(yīng)用于客機(jī)、大型軍用運(yùn)輸機(jī)和殲擊機(jī)起落架；AerMet100鋼為已成熟應(yīng)用的強(qiáng)韌性匹配最佳的超高強(qiáng)度鋼，因其兼具優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞抗力，已應(yīng)用于F22、F18E/F等軍機(jī)起落架。此外，F(xiàn)e-Ni基馬氏體時(shí)效鋼，因在時(shí)效過(guò)程中析出納米級(jí)金屬間化合物而擁有優(yōu)越的強(qiáng)韌性能，其典型鋼種為18Ni型C250和C300鋼，多應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)主軸和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等部件。裝備性能提升和高承載、低成本、減重設(shè)計(jì)的要求，將飛機(jī)起落架和主軸材料推向2200MPa以上強(qiáng)度水平，GE和Leep發(fā)動(dòng)機(jī)主軸采用2100～2300MPa的GE1014和ML340鋼，國(guó)內(nèi)開發(fā)出強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到2400MPa的GC-24鋼。航空軸承齒輪鋼代表高強(qiáng)度滲碳不銹鋼CSS-42L，最高使用溫度達(dá)430℃。在研的超強(qiáng)耐熱滲碳鋼CH2000屬第四代航空軸承齒輪鋼，滲碳及熱處理后表層硬度達(dá)65～68HRC，心部抗拉強(qiáng)度在2000MPa以上，使用溫度可達(dá)450℃,適用于新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和直升機(jī)高功率密度傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪、軸承和傳動(dòng)軸等傳動(dòng)構(gòu)件。

超高強(qiáng)度鋼的抗應(yīng)力腐蝕性能也是各國(guó)研究關(guān)注的重點(diǎn)。美國(guó)QuesTek公司通過(guò)材料基因工程研發(fā)出新型二次硬化超高強(qiáng)度不銹鋼FerriumS53，該鋼兼具良好的斷裂韌度，已成功應(yīng)用于美國(guó)空軍A-10攻擊機(jī)的起落架部件。我國(guó)自主研發(fā)的10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE超高強(qiáng)度不銹鋼，已成功應(yīng)用在直升機(jī)起落架結(jié)構(gòu)件，該鋼的強(qiáng)度、韌性均優(yōu)于FerriumS53鋼，為現(xiàn)今強(qiáng)度級(jí)別最高的超高強(qiáng)度不銹鋼，在航空航天裝備制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

低密度高強(qiáng)度鋼是近年來(lái)提出的新概念，其成分設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是高Al含量，同時(shí)添加奧氏體化元素，使其具有良好的塑性，例如最常見的Fe-Mn-Al-C四元體系。為了達(dá)到飛行器減重增程的目標(biāo)并兼顧經(jīng)濟(jì)性，我國(guó)研發(fā)了DT510低密度鋼，在降低材料密度的同時(shí)具有良好的強(qiáng)韌性，與傳統(tǒng)超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A相比，DT510密度降低13.4%，屈服強(qiáng)度提高19.3%。

2.3輕質(zhì)高強(qiáng)金屬及其復(fù)合材料

輕質(zhì)高強(qiáng)金屬及其復(fù)合材料總體上處于并跑或跟跑階段，部分高端產(chǎn)品仍然存在“依賴進(jìn)口、受制于人”的局面。美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家在輕質(zhì)高強(qiáng)金屬及其復(fù)合材料研發(fā)、工程化水平、批產(chǎn)能力、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用領(lǐng)域等方面一直引領(lǐng)著世界發(fā)展方向，部分高端產(chǎn)品居于壟斷地位。在國(guó)家各類計(jì)劃的支持下，國(guó)內(nèi)輕質(zhì)高強(qiáng)金屬及其復(fù)合材料取得了眾多的科技成果，部分研究成果達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，材料的性能、可靠性、批次穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面都有較大幅度的提升。

2.3.1鋁合金

航空方面，鋁合金主要用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼的主承力框、梁、壁板、接頭及蒙皮等部位，圖3展示了鋁合金在飛機(jī)上各部件的應(yīng)用情況；航天方面，大型運(yùn)載火箭貯箱、艙段主結(jié)構(gòu)、連接及過(guò)渡環(huán)等主承力部位采用了大量的先進(jìn)鋁合金。隨著計(jì)算材料學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，第一性原理、熱力學(xué)計(jì)算、動(dòng)力學(xué)計(jì)算等方法逐漸應(yīng)用到航空鋁合金的成分設(shè)計(jì)中，并逐漸轉(zhuǎn)向采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法預(yù)測(cè)組織演變規(guī)律、相穩(wěn)定性及綜合性能等。例如，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，我國(guó)成功研發(fā)出800MPa級(jí)超高強(qiáng)鋁合金。

依托國(guó)家大飛機(jī)等項(xiàng)目的支撐，國(guó)內(nèi)在高質(zhì)量大規(guī)格鋁合金鑄錠成型控制方面取得了很大的進(jìn)步，相繼開展了鑄造工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)和迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備升級(jí)換代和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，特別在高純凈化熔體的凈化處理與均質(zhì)低應(yīng)力鑄造成型控制兩個(gè)方面，開發(fā)出分級(jí)間歇停頓式起鑄方法等新工藝，為高性能鋁合金板材、鍛件、型材的制備提供了保障。面對(duì)鋁合金鍛件、厚板淬火內(nèi)應(yīng)力的棘手難題，國(guó)內(nèi)基本突破了鋁合金厚大截面厚板/自由鍛件殘余應(yīng)力控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)格自由鍛件均勻變形，有效消除殘余應(yīng)力。

隨著航空航天裝備向更快、更高、更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，對(duì)鋁合金耐熱性能及高強(qiáng)高韌綜合性能提出了更高的要求，迫切需要開展第四代航空鋁合金的研究工作。此外，隨著航空航天器對(duì)低成本、高可靠性的需求日益迫切，大型構(gòu)件的整體制造已經(jīng)成為航空航天制造領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。時(shí)效成形技術(shù)已成為歐美等國(guó)制造機(jī)翼翼面等重要部件的新型制造技術(shù)，例如空客A380選用的7449-T7951厚板，即通過(guò)時(shí)效成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體機(jī)翼壁板制造，大幅縮短生產(chǎn)周期。國(guó)內(nèi)針對(duì)超大規(guī)格鋁合金構(gòu)件一體化成形技術(shù)的研究仍處于起步階段，未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，這是未來(lái)先進(jìn)鋁合金發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2.3.2鈦合金

以美國(guó)的Ti-62222S和Ti-6Al-4VELI為代表的損傷容限鈦合金，已成功應(yīng)用于其四代戰(zhàn)機(jī)F22，我國(guó)的TC21、TC4-DT已在航空新型飛機(jī)上作為關(guān)鍵承力部件獲得應(yīng)用。在高強(qiáng)鈦合金領(lǐng)域，我國(guó)已開發(fā)出了抗拉強(qiáng)度≥1500MPa、伸長(zhǎng)率≥5%、斷裂韌度≥45MPa·m1/2的超高強(qiáng)鈦合金，以及在1200MPa級(jí)強(qiáng)度水平下斷裂韌度優(yōu)于80MPa·m1/2的新型高強(qiáng)鈦合金Ti-5321。

高溫鈦合金在500～600℃區(qū)間具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性和疲勞性能，是目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的關(guān)鍵材料之一。阻燃鈦合金是高溫鈦合金中為了預(yù)防鈦火而研制的一類結(jié)構(gòu)功能一體化材料。美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、中國(guó)相繼都開展了阻燃鈦合金研究：美國(guó)研制的Ti-V-Cr系A(chǔ)lloyC合金已在F119和F135發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得應(yīng)用；俄羅斯與我國(guó)已研制出Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金，但由于使用溫度偏低尚未獲得工程應(yīng)用；我國(guó)以Ti-V-Cr系為基礎(chǔ)，研制的500℃TB12合金已經(jīng)接近工程化應(yīng)用。低溫鈦合金主要用于航天工程中，我國(guó)仿制的低溫鈦合金主要有Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-1.5Mn、Ti-3Al-2.5V等，創(chuàng)新研制的有CT20。

2.3.3金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料由金屬基體、增強(qiáng)相和基體/增強(qiáng)相界面三個(gè)重要部分組成，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)合金的特點(diǎn)和復(fù)合材料的用途對(duì)基體材料進(jìn)行選擇。例如，航空航天領(lǐng)域的飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等殼體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求材料質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高，因此多選擇鎂合金和鋁合金等輕合金作為基體；在同時(shí)要求輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱的條件下，則選擇鈦合金和金屬間化合物作為基體。

我國(guó)在中小尺寸規(guī)格鋁基復(fù)材構(gòu)件制備、成形、加工方面已經(jīng)趨于成熟，但隨著新一代航天裝備精密構(gòu)件向大型化、輕量化、產(chǎn)品系列化方向不斷發(fā)展，亟須開發(fā)大尺寸輕質(zhì)高模量及超高模量系列的鋁基復(fù)合材料。目前，我國(guó)采用無(wú)壓浸滲技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大尺寸鑄錠穩(wěn)定生產(chǎn)，利用等溫自由鍛技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高模量(≥110GPa）鋁基復(fù)材塑性成形。然而現(xiàn)有高模量及超高模量鋁基復(fù)材仍存在品種單一，綜合性能偏低，鑄錠的尺寸規(guī)格、組織均勻性及制備工藝不穩(wěn)定，大規(guī)格構(gòu)件塑性成形過(guò)程中形性控制難以兼顧等問(wèn)題。

非連續(xù)纖維/顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有可加工、各向同性和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈零部件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零部件和衛(wèi)星、載人航天器、空間站等航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。原位自生的TiB晶須（TiBw）和TiC顆粒（TiCp）被認(rèn)為是非連續(xù)纖維/顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)材中最為優(yōu)異的增強(qiáng)相，在國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，美國(guó)Dynamet公司采用TiCp/TC4復(fù)合材料制造半球形火箭殼、導(dǎo)彈尾翼和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件；我國(guó)已研制出了TiBw/TC4系列薄壁管材和螺絲緊固件、TiBw/TA15系列氣動(dòng)格柵和空氣舵構(gòu)件。

航空航天器等精密儀器系統(tǒng)對(duì)具有可設(shè)計(jì)性、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化的金屬基復(fù)合材料的需求日益迫切，但其產(chǎn)業(yè)鏈在我國(guó)尚處于雛形階段，產(chǎn)品系列化及大型化尚未真正實(shí)現(xiàn)。

2.4先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料

先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料正向著高性能、大尺寸、長(zhǎng)壽命、超精密、集成化等方向發(fā)展。國(guó)外先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料發(fā)展較早，因此在原材料處理、組分與性能調(diào)控、制備與加工技術(shù)等方面均有較大優(yōu)勢(shì)。近年，國(guó)外結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料主要向航空航天、集成電路、精密機(jī)械、核能等高端應(yīng)用發(fā)展。

賽峰、羅羅、普惠、GE等多家歐美公司均開展了針對(duì)SiCf/SiC的應(yīng)用研究工作。法國(guó)賽峰是最早開展陶瓷基復(fù)合材料研究的航空公司之一，最早在M88發(fā)動(dòng)機(jī)噴管外調(diào)節(jié)片設(shè)計(jì)應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料，并于2015年開展SiCf/SiC復(fù)合材料混氣錐飛行驗(yàn)證。羅羅和普惠公司在SiCf/SiC復(fù)合材料方面以少量試車工作為主，尚未達(dá)到批產(chǎn)水平。GE公司是迄今為止真正實(shí)現(xiàn)SiCf/SiC復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上商業(yè)化應(yīng)用的公司，這與其選擇了具有短周期、低成本、產(chǎn)業(yè)化適用性好等特點(diǎn)的預(yù)浸料-熔滲工藝路線密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)目前在眾多航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不同部位進(jìn)行了SiCf/SiC復(fù)合材料構(gòu)件的考核驗(yàn)證，完成渦輪外環(huán)試驗(yàn)件1000次高溫燃?xì)饪剐詫?shí)驗(yàn)，通過(guò)了導(dǎo)向葉片、火焰筒單頭部等構(gòu)件的考核，驗(yàn)證了SiCf/SiC構(gòu)件在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的可行性。

其次，在氧化物陶瓷（Ox/Ox）復(fù)合材料構(gòu)件方面，國(guó)外已完成在多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用或驗(yàn)證考核，主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴部位。GE公司在Passport20發(fā)動(dòng)機(jī)上采用Ox/Ox整流罩、排氣混合器及中心錐，減少8%的單位燃油消耗量；在軍機(jī)F414發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管安裝Ox/Ox復(fù)合材料封嚴(yán)片，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管高溫部件的耐久性。羅羅公司針對(duì)Trent1000發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研制了Ox/Ox復(fù)合材料排氣噴嘴及中心錐，并在波音787客機(jī)上成功完成飛行測(cè)試，是迄今為止通過(guò)驗(yàn)證的尺寸最大的Ox/Ox復(fù)合材料構(gòu)件。美國(guó)軍方在阿帕奇輕型直升機(jī)的排氣部件上驗(yàn)證了Ox/Ox復(fù)合材料尾噴部件，成本節(jié)約45%以上。

近年來(lái)，我國(guó)在先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料的性能研究與應(yīng)用驗(yàn)證方面取得重要進(jìn)展，但在材料體系建設(shè)、制備加工技術(shù)等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距，與重大裝備典型應(yīng)用領(lǐng)域的銜接仍不夠暢通，產(chǎn)業(yè)本身仍然面臨關(guān)鍵原材料不足、制造水平落后、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。

03

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)航空航天領(lǐng)域正處在快速發(fā)展期，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的需求將更加旺盛，迫切需要品種創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)幾年材料領(lǐng)域?qū)⒅﹂_展“產(chǎn)-學(xué)-研-用”創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，以期大幅提升我國(guó)航空航天結(jié)構(gòu)材料科技和應(yīng)用水平。

航空航天結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，應(yīng)以國(guó)家重大需求為導(dǎo)向，以解決材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)調(diào)控的重大科學(xué)問(wèn)題、突破結(jié)構(gòu)材料制備與應(yīng)用技術(shù)瓶頸、獲取自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和工程應(yīng)用為目標(biāo)，提高先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力，完善關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)、制備、制造、應(yīng)用、評(píng)價(jià)及全壽命維護(hù)的完整技術(shù)體系，建立“產(chǎn)-學(xué)-研-用”緊密結(jié)合的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空航天及高端裝備領(lǐng)域關(guān)鍵核心材料的創(chuàng)新研制和自主保障。