航空航天用先進材料

第1章航空航太材料概述1
1.1材料的分類1
1.1.1根據屬性分類1
1.1.2根據結構分類2
1.1.3根據應用分類2
1.2材料的組成3
1.2.1金屬材料的組成3
1.2.2無機材料的組成4
1.2.3聚合物材料的組成4
1.3材料的性能5
1.3.1熱學性能5
1.3.2力學性能7
1.3.3耐久性能15
1.4航空航太材料的應用24
1.4.1航空航太材料的服役環境24
1.4.2航空航太材料的失效分析25
1.4.3航空航太材料的選擇及應用41
參考文獻45

第2章航空航太用鋁及鋁合金材料46
2.1航空航太鋁合金概述46
2.1.1性質和特點46
2.1.2分類及牌號47
2.1.3狀態及表示49
2.1.4鋁合金的發展歷程51
2.2主要合金及其航空航太應用52
2.2.1合金元素及微合金化53
2.2.2Al-Cu合金及典型應用56
2.2.3Al-Zn合金及典型應用62
2.2.4Al-Li合金及典型應用68
2.3鋁合金錠坯的熔煉鑄造及退火78
2.3.1熔煉及精煉78
2.3.2錠坯的鑄造89
2.3.3坯料熱處理101
2.4航空航太鋁合金的成形及退火103
2.4.1型材的擠壓103
2.4.2厚板的熱軋106
2.4.3厚板的預拉伸108
2.4.4薄板的冷軋108
2.4.5回復再結晶退火109
2.5航空航太鋁合金的強化熱處理112
2.5.1固溶及殘留相113
2.5.2淬火及脫溶114
2.5.3時效及沉澱120
2.6鋁合金零件及構件成形126
2.6.1精密鑄造126
2.6.2粉末冶金130
2.6.3噴射沉積131
2.6.4鍛壓成形132
2.6.5時效成形135
2.6.6超塑性成形137
2.6.7噴丸成形137
參考文獻139

第3章航空航太用鈦及鈦合金材料141
3.1概述141
3.1.1鈦的性質141
3.1.2鈦的合金化143
3.1.3鈦合金的分類146
3.1.4飛機用鈦合金148
3.1.5航太用鈦合金153
3.2鈦合金的製備153
3.2.1生產流程154
3.2.2熔煉鑄造155
3.2.3鈦材成形158
3.2.4鈦材熱處理174
3.3不同組織的鈦合金184
3.3.1鈦合金的典型組織184
3.3.2α型鈦合金的特點185
3.3.3α+β型鈦合金的特點186
3.3.4β型鈦合金的特點188
3.4不同性能的鈦合金189
3.4.1高溫鈦合金189
3.4.2低溫鈦合金195
3.4.3低強度鈦合金196
3.4.4中強度鈦合金197
3.4.5高強度鈦合金199
3.4.6損傷容限型鈦合金201
參考文獻203

第4章航空航太用高溫合金205
4.1概述205
4.1.1分類與牌號標記法205
4.1.2合金元素及析出相206
4.1.3高溫合金在航空發動機中的應用216
4.1.4高溫合金在火箭發動機中的應用219
4.1.5高溫合金國內外發展概況220
4.2鑄造高溫合金221
4.2.1等軸晶鑄造高溫合金222
4.2.2定向凝固柱狀晶高溫合金223
4.2.3單晶高溫合金225
4.3變形高溫合金227
4.3.1鐵基變形高溫合金227
4.3.2鎳基變形高溫合金229
4.3.3鈷基變形高溫合金232
4.4粉末高溫合金233
4.4.1普通粉末高溫合金233
4.4.2氧化物彌散強化高溫合金237
4.5新型高熵高溫合金238
4.5.1高熵合金簡介238
4.5.2高熵合金的製備方法239
4.5.3高熵合金力學性能242
參考文獻246

第5章航空航太用複合材料248
5.1概述248
5.1.1複合材料的分類及命名248
5.1.2複合材料的優勢及問題249
5.1.3複合材料在航空領域的應用251
5.1.4複合材料在航太領域的應用253
5.2複合材料的組成254
5.2.1基體255
5.2.2增強體258
5.2.3介面263
5.3聚合物基複合材料265
5.3.1聚合物基複合材料的特點265
5.3.2聚合物基複合材料的製備266
5.3.3主要聚合物基複合材料274
5.4金屬基複合材料277
5.4.1金屬基複合材料的概述278
5.4.2金屬基複合材料的製備282
5.4.3主要金屬基複合材料298
5.5陶瓷基複合材料311
5.5.1陶瓷基複合材料的基體和增強體311
5.5.2陶瓷基複合材料的增韌機理313
5.5.3陶瓷基複合材料的製備技術315
5.6碳/碳複合材料319
5.6.1碳/碳複合材料的特點319
5.6.2碳/碳複合材料的製備321
5.6.3碳/碳複合材料在航空航太領域的應用323
參考文獻324

航空航太是21世紀最具影響的領域，航空航太活動的發展標誌著人類進步的程度，廣泛影響政治、經濟、軍事、科學技術、社會生活等各個方面。航空航太產業凝聚了大量科學研究和工程技術的最新成果，擁有優秀人才及先進裝備和軟體，其發達程度體現了一個國家的科學技術和國防建設的現代化水準。人類文明和社會進步與材料的發展密切相關，石器時代、青銅器時代、鐵器時代等早期人類歷史均打下了材料發展的烙印，當今，材料是國民經濟建設和科學技術發展的先導。航空航太飛行器要在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作，除了靠優化結構設計外，更依賴於材料所具有的優異特性和功能，材料在航空航太領域有著極其重要的地位和作用。高性能材料是航空航太工程實現高可靠性、長壽命和低成本的保障，先進材料的出現促進了新型飛機、運載火箭、導彈、衛星、載人航天器的研製成功和投入使用。

本書共分5章，緊扣航空航太發展對材料的需求，系統對材料的組成與性能表徵及失效分析、材料成形技術和飛行器構件製造方法進行了闡述。第1章為航空航太材料概述，主要對材料的分類、組成、性能表徵、失效分析及航空航太應用進行了介紹。第2章為航空航太用鋁及鋁合金材料，概述了鋁及鋁合金的性質和特點、分類及牌號和狀態、發展歷程及航空航太應用，重點介紹了2系鋁合金、7系鋁合金和鋁鋰合金，系統介紹了航空航太用鋁合金的熔煉鑄造、材料成形及熱處理、零件及構件成形。第3章為航空航太用鈦及鈦合金材料，概述了鈦的性質、鈦的合金化、鈦合金的分類及航空航太應用，系統介紹了鈦及鈦合金的製備及組織特徵、不同組織的鈦合金、不同性能的鈦合金。第4章為航空航太用高溫合金，概述了高溫合金的分類及牌號、合金元素及析出相、國內外發展及航空航太應用，系統介紹了鑄造高溫合金、變形高溫合金、粉末高溫合金、新型高熵高溫合金。第5章為航空航太用複合材料，概述了複合材料的分類、優勢、不足及航空航太應用，系統介紹了聚合物基複合材料、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、碳/碳複合材料。

本書注重先進性與實用性相結合，力求通俗易懂，並兼顧航空航太和材料科學與工程兩個領域的技術人員的需求，既可作為型號設計、材料研發等技術人員參考書，也可作為航空航太類專業和材料類專業的教材。

本書第1～3章由李紅英編寫；第4章由汪冰峰編寫，趙輝協助編寫；第5章第1～3節由趙守鑫編寫，第4節由李紅英編寫，第5節由靳東編寫，第6節由劉蛟蛟編寫。全書由李周和鄭子樵教授主審。本書得到了中南大學、中國鋁業集團公司、輕質高強結構材料國家級重點實驗室、有色金屬先進結構材料與製造協同創新中心的支援。中國鋁業集團公司的王國軍首席工程師參與了第2章的技術審校工作並提出了許多寶貴意見，中南大學的嶽建嶺參與了第1章和第2章的校核工作，王岩、劉會群參與了第3章的校核工作，嶽建嶺、陳卓、王國軍參與了第5章的校核工作，研究生韓茂盛、尹浩、蔣浩帆、魯曉超、蘇雄傑、高兆和參與了部分章節的資料收集工作，趙輝承擔了全書的繪圖工作，在此一併表示衷心感謝。

由於航空航太材料日新月異，加之編著者水準所限，難免有不妥之處，懇請專家和讀者批評指正。

最後，對本書編寫過程中所參考和引用文獻資料的作者致以誠摯的謝意。

李紅英
2018年10月于長沙