航空航天用先进材料

航空航天是我国当今的科技研发热点领域，也是衡量一个国家科技水平的标志之一。所谓“一代材料，一代飞机”。材料对于航空器和航天器的性能起决定性的影响。材料是新一代航空器和杭天琪的基础。本书详细介绍了铝合金、钛合金、高温合金以及复合材料等先进航空航天材料的设计、制造、性能以及失效分析等内容，对于相关材料和构件的研发有显著指导价值。 

《航空航天用先进材料》注重先进性与实用性，详细介绍了航空航天用的高性能铝合金、钛合金、高温合金和复合材料的设计、制造与性能，并对材料的成形、构件制造、性能表征和失效分析做了简要介绍。本书适宜从事航空航天的专业技术人士参考，也可作为航空航天和材料相关专业的本科教材。

李红英，1963年4月生，女，湖南湘乡人，工学博士，中南大学材料科学与工程学院二级教授，博士生导师，兼任中国有色金属学会材料科学与工程学术委员会副主任，曾在中南大学航空航天学院任职。长期致力于高性能铝合金材料的研究与开发、先进航空航天材料的研究与开发，主编教材5本，发表学术论文150余篇，主持完成50余项科研项目，授权国家发明专利17项，获得省部级科技进步奖9项，湖南省教学成果一等奖1项。

第1章航空航天材料概述1

1.1材料的分类1

1.1.1根据属性分类1

1.1.2根据结构分类2

1.1.3根据应用分类2

1.2材料的组成3

1.2.1金属材料的组成3

1.2.2无机材料的组成4

1.2.3聚合物材料的组成4

1.3材料的性能5

1.3.1热学性能5

1.3.2力学性能7

1.3.3耐久性能15

1.4航空航天材料的应用24

1.4.1航空航天材料的服役环境24

1.4.2航空航天材料的失效分析25

1.4.3航空航天材料的选择及应用41

参考文献45

第2章航空航天用铝及铝合金材料46

2.1航空航天铝合金概述46

2.1.1性质和特点46

2.1.2分类及牌号47

2.1.3状态及表示49

2.1.4铝合金的发展历程51

2.2主要合金及其航空航天应用52

2.2.1合金元素及微合金化53

2.2.2Al-Cu合金及典型应用56

2.2.3Al-Zn合金及典型应用62

2.2.4Al-Li合金及典型应用68

2.3铝合金锭坯的熔炼铸造及退火78

2.3.1熔炼及精炼78

2.3.2锭坯的铸造89

2.3.3坯料热处理101

2.4航空航天铝合金的成形及退火103

2.4.1型材的挤压103

2.4.2厚板的热轧106

2.4.3厚板的预拉伸108

2.4.4薄板的冷轧108

2.4.5回复再结晶退火109

2.5航空航天铝合金的强化热处理112

2.5.1固溶及残留相113

2.5.2淬火及脱溶114

2.5.3时效及沉淀120

2.6铝合金零件及构件成形126

2.6.1精密铸造126

2.6.2粉末冶金130

2.6.3喷射沉积131

2.6.4锻压成形132

2.6.5时效成形135

2.6.6超塑性成形137

2.6.7喷丸成形137

参考文献139

第3章航空航天用钛及钛合金材料141

3.1概述141

3.1.1钛的性质141

3.1.2钛的合金化143

3.1.3钛合金的分类146

3.1.4飞机用钛合金148

3.1.5航天用钛合金153

3.2钛合金的制备153

3.2.1生产流程154

3.2.2熔炼铸造155

3.2.3钛材成形158

3.2.4钛材热处理174

3.3不同组织的钛合金184

3.3.1钛合金的典型组织184

3.3.2α型钛合金的特点185

3.3.3α β型钛合金的特点186

3.3.4β型钛合金的特点188

3.4不同性能的钛合金189

3.4.1高温钛合金189

3.4.2低温钛合金195

3.4.3低强度钛合金196

3.4.4中强度钛合金197

3.4.5高强度钛合金199

3.4.6损伤容限型钛合金201

参考文献203

第4章航空航天用高温合金205

4.1概述205

4.1.1分类与牌号表示法205

4.1.2合金元素及析出相206

4.1.3高温合金在航空发动机中的应用216

4.1.4高温合金在火箭发动机中的应用219

4.1.5高温合金国内外发展概况220

4.2铸造高温合金221

4.2.1等轴晶铸造高温合金222

4.2.2定向凝固柱状晶高温合金223

4.2.3单晶高温合金225

4.3变形高温合金227

4.3.1铁基变形高温合金227

4.3.2镍基变形高温合金229

4.3.3钴基变形高温合金232

4.4粉末高温合金233

4.4.1普通粉末高温合金233

4.4.2氧化物弥散强化高温合金237

4.5新型高熵高温合金238

4.5.1高熵合金简介238

4.5.2高熵合金的制备方法239

4.5.3高熵合金力学性能242

参考文献246

第5章航空航天用复合材料248

5.1概述248

5.1.1复合材料的分类及命名248

5.1.2复合材料的优势及问题249

5.1.3复合材料在航空领域的应用251

5.1.4复合材料在航天领域的应用253

5.2复合材料的组成254

5.2.1基体255

5.2.2增强体258

5.2.3界面263

5.3聚合物基复合材料265

5.3.1聚合物基复合材料的特点265

5.3.2聚合物基复合材料的制备266

5.3.3主要聚合物基复合材料274

5.4金属基复合材料277

5.4.1金属基复合材料的概述278

5.4.2金属基复合材料的制备282

5.4.3主要金属基复合材料298

5.5陶瓷基复合材料311

5.5.1陶瓷基复合材料的基体和增强体311

5.5.2陶瓷基复合材料的增韧机理313

5.5.3陶瓷基复合材料的制备技术315

5.6碳/碳复合材料319

5.6.1碳/碳复合材料的特点319

5.6.2碳/碳复合材料的制备321

5.6.3碳/碳复合材料在航空航天领域的应用323

参考文献324

 

航空航天是21世纪最具影响的领域，航空航天活动的发展标志着人类进步的程度，广泛影响政治、经济、军事、科学技术、社会生活等各个方面。航空航天产业凝聚了大量科学研究和工程技术的最新成果，拥有优秀人才及先进装备和软件，其发达程度体现了一个国家的科学技术和国防建设的现代化水平。人类文明和社会进步与材料的发展密切相关，石器时代、青铜器时代、铁器时代等早期人类历史均打下了材料发展的烙印，当今，材料是国民经济建设和科学技术发展的先导。航空航天飞行器要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，除了靠优化结构设计外，更依赖于材料所具有的优异特性和功能，材料在航空航天领域有着极其重要的地位和作用。高性能材料是航空航天工程实现高可靠性、长寿命和低成本的保障，先进材料的出现促进了新型飞机、运载火箭、导弹、卫星、载人航天器的研制成功和投入使用。

本书共分5章，紧扣航空航天发展对材料的需求，系统对材料的组成与性能表征及失效分析、材料成形技术和飞行器构件制造方法进行了阐述。第1章为航空航天材料概述，主要对材料的分类、组成、性能表征、失效分析及航空航天应用进行了介绍。第2章为航空航天用铝及铝合金材料，概述了铝及铝合金的性质和特点、分类及牌号和状态、发展历程及航空航天应用，重点介绍了2系铝合金、7系铝合金和铝锂合金，系统介绍了航空航天用铝合金的熔炼铸造、材料成形及热处理、零件及构件成形。第3章为航空航天用钛及钛合金材料，概述了钛的性质、钛的合金化、钛合金的分类及航空航天应用，系统介绍了钛及钛合金的制备及组织特征、不同组织的钛合金、不同性能的钛合金。第4章为航空航天用高温合金，概述了高温合金的分类及牌号、合金元素及析出相、国内外发展及航空航天应用，系统介绍了铸造高温合金、变形高温合金、粉末高温合金、新型高熵高温合金。第5章为航空航天用复合材料，概述了复合材料的分类、优势、不足及航空航天应用，系统介绍了聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料。

本书注重先进性与实用性相结合，力求通俗易懂，并兼顾航空航天和材料科学与工程两个领域的技术人员的需求，既可作为型号设计、材料研发等技术人员参考书，也可作为航空航天类专业和材料类专业的教材。

本书第1～3章由李红英编写；第4章由汪冰峰编写，赵辉协助编写；第5章第1～3节由赵守鑫编写，第4节由李红英编写，第5节由靳东编写，第6节由刘蛟蛟编写。全书由李周和郑子樵教授主审。本书得到了中南大学、中国铝业集团公司、轻质高强结构材料国家级重点实验室、有色金属先进结构材料与制造协同创新中心的支持。中国铝业集团公司的王国军首席工程师参与了第2章的技术审校工作并提出了许多宝贵意见，中南大学的岳建岭参与了第1章和第2章的校核工作，王岩、刘会群参与了第3章的校核工作，岳建岭、陈卓、王国军参与了第5章的校核工作，研究生韩茂盛、尹浩、蒋浩帆、鲁晓超、苏雄杰、高兆和参与了部分章节的资料收集工作，赵辉承担了全书的绘图工作，在此一并表示衷心感谢。

由于航空航天材料日新月异，加之编著者水平所限，难免有不妥之处，恳请专家和读者批评指正。

最后，对本书编写过程中所参考和引用文献资料的作者致以诚挚的谢意。

李红英

2018年10月于长沙