試論航空用粉末冶金顆粒增強鋁基復合材料研制及應用

摘 要：航空工業對各類材料的性質提出了很高要求，其中常用的一種材料為顆粒增強鋁基負荷材料。基于對這種材料性質參數的研究，本文指出了這種材料的研制過程，并在此基礎上對應用方式進行了分析，讓該材料能夠在航空工業中發揮應有優勢。

關鍵詞：航空工業；粉末冶金顆粒增強鋁基復合材料；材料研制；材料應用

引言：航空工業中應用的復合材料需要有很高的強度，同時需要降低材料的密度，從這兩個角度考慮，鋁基復合材料在當前應用廣泛。而在鋁基復合材料的研制過程中，不但需要考慮各類材料本身的強度，還需要保證各類材料之間有很高的化學相容性，這對于材料的研制過程提出了嚴峻挑戰，需要采取合理措施對材料進行生產。

一、航空用粉末冶金顆粒增強鋁基復合材料的研制

在鋁基復合材料的應用研制過程中，當前已經提出了多種制備方法，這些方法存在不同的優點和缺點，當前常用的方法如下：

（一）粉末冶金法

這種方法的原理為，將增強體和基底的金屬粉末進行混合，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，對最終獲取的粉末進行冷壓成型，而在零件生產中，可以通過對成型后的復合材料進行加熱的方式進行零件鑄造。這種方法的應用優勢在于，生產過程中需求的溫度較低，并且基體和增強體之間的界面反應較小，另外由于增強體在復合材料中的分布情況較為均勻，所以在零件的生產過程中更不容易發生偏聚現象，在很大程度上提升了材料的質量。但是這種方法在應用過程中也存在一些缺陷，最常見的問題為生產出的零件大小、形狀上會受到較大限制，并且這種方式需要消耗較長的生產周期，在具體的生產過程中需要消耗更高的成本[1]。這種方法在應用過程中，常用的增強體為SiC和Al2O3，其中SiC的應用頻率更高。

（二）擠壓鑄造法

擠壓鑄造法的原理為，將增強體按照一定的方法將其處理成滿足零件制作要求的形狀，并將制成的預制件防止到零件的生產設備中，在完成這一操作后，向鑄造件中澆入熔融狀態的鋁合金，在向鋁合金施加壓力時，熔融狀態的鋁合金會在高壓的作用下滲透入制作完成的預制件中，冷卻后就形成了需要支撐的復合材料零件。在這種工藝的應用過程中，對零件的生產效率較高，并且能夠由于高溫狀態的鋁合金和增強體的接觸時間較短，能夠在很大程度上避免產生有害界面，在很大程度上提升復合材料的強度。但是這種方法在應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，并且對于整個生產過程來說，需要對施加的壓力進行控制，當向材料施加的壓力過高時，在零件的生產過程中很容易發生斷裂問題。

（三）噴射沉積工藝

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

二、航空用粉末冶金顆粒增強鋁基復合材料的應用

（一）飛機表面構件上的應用

由于該復合材料有很高的強度，所以在飛機的一些表面構件中能夠取得很好的應用效果，通過實驗發現，淬火后的這種材料的屈服強度能夠達到550MPa，此時的SiC的體積分數為50%，當體積分數下降時，屈服強度也會發生一定程度上的下降，但是從整體上來看，這種材料的屈服強度發生的變化不大，從飛機的實際生產角度分析，在這類材料的生產過程中，必然會應用最佳的材料配比進行零件生產。在上世紀的美國航空工業中，已經開始應用這種材料進行飛機裝配，并且已經取得了的很好的應用效果。本文認為在我國航空工業當前和今后的發展中，這種材料將在飛機的表面蒙皮、飛機表面的一些活動構件上取得很好的應用效果，在保證飛機表面強度的同時，也能夠大幅降低飛機的自身重量，以達到降低能耗的效果。需要注意的是，在這種材料的具體的應用中，需要選取最佳的零件生產方法，對于大型零件來說，可以應用噴射沉積工藝完成對相關零件的生產，原因在于這類零件通常需要很高的生產速度，并且對設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）飛機活動構件上的應用

在飛機的生產和裝配過程中，需要應用大量的活動構件，這類構件包括兩方面內容，一類為飛機表面的活動構件，包括襟翼等，這些活動構件在飛機的運動過程中，需要承受很高的氣動壓力，由于顆粒增強鋁基復合材料本身具有很高的屈服強度，所以這種材料可以用于生產飛機的這類活動構件。另一種活動構件為飛機內部的各類活動構件，包括傳動桿件等零件，這類構件對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，所以可以應用多種方法進行生產。在當前針對這種材料的實驗過程中，發現這種復合材料的斷裂韌性和SiC的體積分數有較大關聯，當體積分數為2%時，斷裂韌性為20MPa？m1/2，，當體積分數為10%時，斷裂韌性的數值下降到15MPa？m1/2，從中可以看出，當SiC的體積分數上升時，該材料的脆性提升，所以在這類材料的生產過程中，需要在一定程度上降低SiC的體積分數。本文認為在航空工業當前與今后的發展中，會提高對這種復合材料的研究力度，確定各類活動構件對性質和強度上的最佳要求，在材料的具體生產和設計中，按照SiC的最佳體積分數完成對相關零件的生產工作，保證整個飛機系統的正常穩定運行。

結論：綜上所述，在顆粒增強鋁基復合材料的研制過程中，當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過程中，需要根據這些鑄造方法的性質進行生產方式的合理選擇，保證生產的零件性質能夠滿足零件在強度上的相關要求。在航空工業當前和今后的發展中，這種材料會在飛機表面和各類活動構件中獲得更為廣泛的應用，并且工藝水平也會提升。

參考文獻：

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

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

作者簡介：

李君（1996-），男，山東煙臺人，本科在讀，湖南工業大學金屬材料工程學生.