航空航天钛合金研究实验论文

飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。航空航天材料科学是材料科学中富有开拓性的一个分支。飞行器的设计不断地向材料科学提出新的课题，推动航空航天材料科学向前发展；各种新材料的出现也给飞行器的设计提供新的可能性，极大地促进了航空航天技术的发展。 航空航天材料的进展取决于下列3个因素:①材料科学理论的新发现：例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展；高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。②材料加工工艺的进展：例如，古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术，从而使高性能的叶片材料得到实际应用；复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景；热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件，如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。③材料性能测试与无损检测技术的进步：现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构；材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息，为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据，为生产提供保证产品质量的检测手段。一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段，才有可能应用于飞行器上。因此，世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。中国在50年代就创建了北京航空材料研究所和北京航天材料工艺研究所，从事航空航天材料的应用研究。 简况18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、冶金工业、机器制造工业得到很大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代。1903年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机,当时使用的材料有木材(占47％),钢（占35％）和布（占18％）,飞机的飞行速度只有16公里/时。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可能。40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了600公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了3倍音速。40年代初期出现的德国 V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。60年代以来,航空航天材料性能的不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。 分类飞行器发展到80年代已成为机械加电子的高度一体化的产品。它要求使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等；按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。 材料应具备的条件用航空航天材料制造的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，有的则受到重量和容纳空间的限制，需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能，有的需要在大气层中或外层空间长期运行，不可能停机检查或更换零件，因而要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。 高的比强度和比刚度对飞行器材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数： 比强度＝/ 比刚度＝/式中[kg2][kg2]为材料的强度，为材料的弹性模量，为材料的比重。 飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。 优良的耐高低温性能飞行器所经受的高温环境是空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。航空器要长时间在空气中飞行，有的飞行速度高达3倍音速,所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。火箭发动机燃气温度可达3000[2oc]以上，喷射速度可达十余个马赫数，而且固体火箭燃气中还夹杂有固体粒子，弹道导弹头部在再入大气层时速度高达20个马赫数以上，温度高达上万摄氏度，有时还会受到粒子云的侵蚀，因此在航天技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷。在这种条件下需要利用材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温粘性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发冷却材料以满足高温环境的要求。太阳辐照会造成在外层空间运行的卫星和飞船表面温度的交变，一般采用温控涂层和隔热材料来解决。低温环境的形成来自大自然和低温推进剂。飞机在同温层以亚音速飞行时表面温度会降到-50[2oc]左右,极圈以内各地域的严冬会使机场环境温度下降到-40[2oc]以下。 在这种环境下要求金属构件或橡胶轮胎不产生脆化现象。液体火箭使用液氧(沸点为-183[2oc])和液氢(沸点为-253[2oc])作推进剂，这为材料提出了更严峻的环境条件。部分金属材料和绝大多数高分子材料在这种条件下都会变脆。通过发展或选择合适的材料，如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等，才能解决超低温下结构承受载荷的能力和密封等问题。 耐老化和耐腐蚀各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。 适应空间环境空间环境对材料的作用主要表现为高真空(×10[55-1]帕)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积而被污染，密封结构因老化而失效。航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的，以求适应于空间环境。 寿命和安全为了减轻飞行器的结构重量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验，确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。

颜鸣皋开创中国钛合金研究，组建中国第一个钛合金实验室，系统开展航空钛合金研究，建立中国航空用钛合金系列，领导参与高温合金、钛合金和一些新材料的应用基础研究，在微观结构分析、合金强化机理、金属超塑性理论等方面取得一系列创造性成果。在Ti3Al合金、Al－Li合金和Ni3Al合金研究中均取得突破性进展。主持航空材料的疲劳与断裂研究，在新的裂纹扩展物理模型、疲劳裂纹扩展机制、疲劳门槛值预测、三维裂纹应力分析、材料的超载效应以及变幅载荷下的寿命估算等方面取得系统性、独创性的成果，为飞机安全设计、合理选材提供了大量的试验数据和理论依据。 中国金属织构理论的先行者颜鸣皋长期致力于物理金属学和材料科学研究。早在1944年他在中央工业试验所就担负了筹建材料试验室的工作，并进行过结构钢试验及楠竹材料的力学性能研究。1947年，颜鸣皋在美国耶鲁大学研究生毕业时，提交的一篇题为 “ 金属加工织构研究 ” （Astudy of deformation textures in metals）的论文，发表在美国矿冶工程师学会的学报上。在这篇论文里，他提出了富有创见性的见解，采取理论分析方法，第一次同时对3种常用晶系的滑移系与加工织构作了推算，受到了不少国家冶金界学者的重视，并被英、美、德等国学者在织构专著中列为较完整和成功的织构形成理论之一，对金属加工织构的研究产生了一定的影响。1948年，颜鸣皋所进行的铝单晶横断弯曲试验研究工作取得新的进展，对晶体不均匀变形有了新的发现和认识，提出晶体塑性变形的显微弯曲新假说。 在美国切斯铜加工厂研究部进行纯铜加工与再结晶织构的研究时，颜鸣皋把X光掠射法应用于织构的测定，研究了微量杂质磷在固溶和化合物状态对再结晶织构的影响，提出了独到的见解，并应用于指导生产实践。 中国航空钛合金研究的创始人1949年，颜鸣皋获得工学博士学位后，接受美国纽约大学工学院邀请，负责钛合金实验室的筹建工作，在留学生钱定华的协助下，建成一台可熔炼钮扣锭的小型真空非自耗电弧炉，并根据美国国防部门的委托，开展过钛—碳、钛—氮平衡图和钛合金加工织构的研究。在研究报告中，他首次提出了关于钛合金的拉伸、压缩与轧制织构的晶格位向结果。在这方面的研究工作，当时国际上还没有开展，颜鸣皋进行的开拓性的研究结果被一些钛合金权威性著作引用。 1956年，第二机械工业部航空工业局建立航空材料研究所。考虑到钛合金是一种新型的、重要的航空材料，列为该所重点专业，由颜鸣皋率领一批青年技术人员，自行设计、制造设备，建立了非自耗电极真空电弧炉和公斤自耗电极真空电弧炉，成功地炼出了中国第一个重3公斤的钛合金锭。同时，在实践中培养出中国第一批技术素质较高的钛合金研究人员，成为该所钛合金研究的骨干力量。颜鸣皋是中国钛合金研究工作的开拓者。 中国航空高温合金应用基础研究的奠基者1962年，为加强应用基础理论研究，颜鸣皋出任金属物理研究室主任，指导与参加一些高温合金的应用基础研究。他与陈学印共同在《金属学报》上发表了“镍基合金的强化”的综合评述，并根据镍和其他元素的原子半径差、晶体结构和电子层构造，分析了各种合金元素在镍基合金中的存在状态及强化序列，评述了高温合金强化机理，对中国正在开展的高温合金研究工作起了促进作用。 在颜鸣皋指导下，航空材料研究所先后完成了材料在生产使用中的故障分析、材料产品定寿与延寿工作，如航空发动机火焰筒板材分层、发动机叶片榫槽裂纹与延寿、压气机盘断裂、歼-6飞机起落架修补、加力喷嘴折断等重大失效分析工作，逐一得出了准确的科学结论，提出了相应的措施，积累了对飞机、发动机零部件失效分析和延长使用寿命的经验，培养了人才，提高了故障分析水平。为此，中国机械学会失效分析委员会授予他优秀工作者光荣称号和金质奖章。 在航空工业由仿制走向自行设计的转变过程中，为解决航空材料为新机种设计和原有机种定寿、延寿服务的问题，颜鸣皋早在1978年就提出要实行两个“三结合”，即“设计、材料、使用”和“材料、工艺、测试”相结合。随后又根据多年来航空材料研究与发展中的正反两方面的经验，总结出设计、材料、工艺、测试、使用相互间的辩证关系，即设计是主导，材料是基础，工艺是手段，测试是保证，使用是检验。他还应邀在国家科学技术委员会召开的新材料会议上作了关于开展材料应用研究的报告。 中国航空金属材料疲劳与断裂研究的创立者20世纪70年代以来，由于断裂力学和新型检测技术的发展和应用，航空产品结构与部件的设计已由传统的强度设计、疲劳设计发展到断裂设计和损伤容限设计。为了保证新机种设计的需要，颜鸣皋组织和领导固体力学和材料物理两支队伍，采取宏观力学与微观分析相结合，开展金属材料疲劳与断裂方面的应用基础研究和应用研究，取得了一些重大研究成果。其中，他对第一、第二阶段裂纹扩展的物理模型，首次归纳为双滑移、裂尖钝化和再生核机制，得出了疲劳裂纹扩展的一般表达式，并阐明了组织结构、应力比、表面状态和环境介质等因素的影响规律，撰写了《金属疲劳断裂微观机制》一文。 颜鸣皋是国务院批准的首批博士生导师之一和第一、二届学位委员会冶金评议组成员。多次参加国际学术会议，先后担任10余次学术会议的国际委员或执行委员。1987年由他主持召开了第五届国际材料力学行为会议（ICM），并当选该会理事会主席。1988年，被推选为远东断裂力学组（FEFG）执行委员和国际断裂力学会议（ICF）联络委员会委员等。1991年为纪念中国航空工业创建40周年，航空航天工业部将该部最高荣誉 —— 航空金奖授予颜鸣皋，以表彰他对中国航空航天事业的卓越贡献。 颜鸣皋曾主编和翻译出版过《航空材料学》《镍基高温合金的强化》《金属的疲劳与断裂》《疲劳裂纹扩展速率手册》《材料的塑性变形与断裂》等专著和译著，先后发表各种科学论文200余篇。他还曾任《材料科学与测试技术》丛书副主编，主持编撰《中国航空材料手册（第一版、第二版）》《第五届国际材料力学行为会议论文集》等专业图书和多种力学性能手册，为生产、科研、教学等提供了有价值的数据、资料，为传播新技术、新材料作出了出色成绩。 基本情况如下：中文1、颜鸣皋.金属加工织构的研究.北京工业学院学报，1956，2（1）：1-152、颜鸣皋.金属织构的X射线衍射的测定.第一届全国x射线与电子显微技术的进展会议论文集.（上海），1963：163-1993、颜鸣皋，陈学印.镍基合金的强化，金属学报，1964，7（3）：307-3214、颜鸣皋，袁振明，纯铜织构对晶界内耗峰的影响.物理学报，1975，24（1）：51～625、颜鸣皋.金属疲劳裂纹扩展过程及其微观机制.第一届断裂力学与断裂物理会议论文集（武汉），1978：179-2236、颜鸣皋.疲劳裂纹初期扩展特征及其影响因素.航空学报，1983，4（2）：13-297、颜鸣皋，刘才穆（译）.金属的疲劳与断裂.上海：科学技术出版社，19838、颜鸣皋主编.航空材料学.上海：科学技术出版社，19859、颜鸣皋主编.航空金属材料疲劳裂纹扩展手册.北京：航空材料研究所科技资料，198510、颜鸣皋.结构材料疲劳裂纹扩展机制及其工程应用.航空学报，1985，6（3）：208-22211、颜鸣皋，王金友，马济民.钛合金在航空工业中的应用.第6届全国钛合金会议论文集,198712、颜鸣皋主编.中国航空材料手册.北京:中国标准出版社,1988外文1、Yan Minggao. A study of textures and earing behavior of cold rolled (87-89%)and annealed copper strips, . ,1949,185:59-662、Yan Minggao, W. R. Hibbard Jr. The transverse bending of single crystals of aluminium .Trans. AIME. ,1949,185:710 -7203、Yan Minggao. A propose microbending mechanism of plastic deformation. Trans. AIME. , 1949,185:1003-10044、Yan Minggao, Wang Zhongquang. Some microscopic features and mechanisms of fatigue behavior in metals. China-USA Bilateral Metall. Conf. (Beijing), 1981:345-3845、Yan Minggao, Gu Mingda. Investigations on the crack growth retardation behavior and fatigue life prediction in structural materials, Proc. ICF Intern. Symp. Fract. Mech.(Beijing), 1983:769-7776、Yan Minggao,Yu Chunghua, Notes on the prediction of △K for fatigue crack propagation. RES Mechanica, 1984, 10:153-1597、Yan Minggao,Zhang Souhua,Zheng Zemin. Proceedings of the Fifth International Conference on Mechanical Behavior of Materials. Pergamon Press (Oxford) ,19878、Yan Minggao, Quyand Jie, Zhang Shouqing. Microscopic studies on FCP and fracture characteristic near crack tip region in engineering alloys. Proc. of Far East Fract. Group Workshop. (Tokyo), 1988:167-1769、Yan Minggao, Zhang Shijie,Ouyang Jie,Fatigue crack propagation behavior under spectrum loading. Proc. CMRS Intern. '90,Symp. J. (Beijing) ,1990 颜鸣皋作为中国首批博士生导师之一，培养了40余名博士和硕士生及10余名博士后，为国家培养了一批研究生导师。

切削加工和刀具技术的现状与发展（3） -------------------------------------------------------------------------------- 关键词:刀具,切削加工 阅读：103次 4 新型刀具的开发与传统刀具的改进当前刀具结构的变革正朝着可转位、多功能、专用复合刀具和模块式工具系统的方向发展，各种精密、高效、优质的可转位刀具已应用于车削、铣削、钻削等领域，成为刀具结构发展的主流。 上海大众汽车有限公司、长春一汽集团公司和东风汽车集团公司已在生产中广泛使用各种新型刀具和数控机床模块式工具系统，如各种机夹可转位刀具、陶瓷刀具、PCD和PCBN等超硬刀具、金刚石和CBN铰刀、硬质合金球头铣刀和筒式拉刀等，对提高工效、保证产品质量起到了重要作用。SecoTools(上海)公司在“PCBN刀具材料的新进展及其在铣削中的应用”论文中介绍了他们开发的SECOMAX 新品种———CBN300，它是在CBN30基础上采用粗颗粒(22�0�8m)粉末和新的烧结工艺研制出的新牌号，具有很高的抗冲击性能，它的应用使PCBN刀具从传统的车削淬硬钢(>45HRC)和冷硬铸铁等硬材料、以车代磨等加工领域跨入到铣削加工领域。该刀具已在上海通用汽车公司(SGM)新建的发动机柔性生产线上使用，取得了良好效果。该刀具铣削发动机缸体平面时，切削速度高达2000m/min，刀具寿命为普通PCBN刀具的4倍。Seco Tools公司还推出了结构新颖、具有冷却通道、可更换硬质合金头部的钻头，其头部有三种不同几何形状，P型硬质合金刀头适用于切削钢，K型硬质合金刀头适于切削铸铁，而刀刃锐利的M型刀头适于钻削高强度钢和耐腐蚀钢。本次会议对传统刀具和高效刀具的设计、制造及使用也进行了技术交流。如广东韶关学院设计的径向错位量较大(为每转进给量的2～3倍)的单组阶梯式可转位面铣刀、燕山大学研制的可加工硬度55HRC以上大内齿轮(模数m=12mm，齿数z=97)的负前角刮削硬质合金球形滚刀、西安交通大学设计的前角可控的等螺旋角锥形立铣刀、山西太原理工大学设计的齿向开槽的新型插齿刀等，在结构上都有一定特点与创新，用于生产中均取得了较好效果。电镀金刚石铰刀加工出的孔具有尺寸分散度小、几何形状精度高(可达2�0�8m)、表面粗糙度值小(5 切削机理的研究与刀具CAD为促进高速切削、精密和超精密切削技术的发展，本次会议上交流了许多有关切削机理及其实验研究方面的论文。南京航空航天大学对高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料的高速切削进行了系统试验研究，发现切削变形为集中剪切滑移，且滑移区很窄，形成锯齿状不连续切屑，其变形机理完全不同于连续性切屑。为此，作者根据最小能量原理，利用集中剪切滑移的临界条件，推导出集中剪切滑移条件下的切削方程式，为进一步发展高速切削工艺技术建立了理论基础。山东大学探讨了高速切削时工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何参数、切削参数、振动和切削液等因素对已加工表面粗糙度的影响，为高速切削加工时切削参数的选择和表面质量的控制提供了依据。哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学等对PCBN刀具干切削不同硬度的GCr15轴承钢的切削力、切削温度、已加工表面完整性等进行了切削试验研究，发现存在区分普通切削与硬态切削的临界硬度，并得出GCr15轴承钢的临界硬度为50HRC。在临界硬度附近进行切削时，刀具磨损严重，加工表面质量最差。上海水产大学建立了“工程材料切削加工性的人工神经网络综合评判模型”，各评价指标的权值是从足够多的训练样本中提出的，避免了人为确定权值和隶属函数的主观性，使评价结果更具客观性和可比性。大连理工大学建立了球头铣刀铣削的计算机预报模型，并进行了数值仿真研究，对改进铣刀设计、优化切削用量和监控切削参数均有现实意义。等学者在会上介绍的“微型硬质合金铣刀切削时刀具寿命的预报模型”，等人介绍的“斜角切削时允许后刀面磨损的切削预报模型”等均与实验结果相吻合，为精密切削和微量切削提供了理论依据。CAD/CAM技术的应用可保证刀具设计和制造的高效率和高质量，本次会议上也有不少这方面的论文。例如，焦作工学院在AutoCAD2000平台上开发了一种“成形车刀CAD”软件，对成形车刀的智能设计、参数化绘图具有重要意义。此外，还有许多关于刀具几何参数、切削用量和工艺过程优化、切削液、切削数据库(如北京第一机床厂在CIMS环境下建立的网络数据库)、振动切削等内容的论文也在会上进行了交流。5 差距与建议虽然近十年来我国工具工业有了长足进步，切削技术迅速提高，但与国外先进水平相比仍有巨大差距。据专家分析，我国切削加工及刀具技术的水平与工业发达国家相比大致要落后15～20年。近年来国内轿车工业引进了几条具有国际20世纪90年代水平的生产线，但所用工具的国内供给率只能达到20%的低水平。为改变这种状况，我国工具行业需要加速进口刀具国产化的步伐，必须更新经营理念，从主要向用户“卖刀具”转到为用户“提供成套切削技术，解决具体加工问题”的经营方向上来。要根据自身产品的专业优势，精通相应的切削工艺，不断创新开发新产品。用户行业则应增大刀具费用的投入，充分利用刀具在提高效率、降低成本、缩短Intranet/Extranet，实现最大程度的资源(如切削数据库)共享。建议有关部门将产、学、研各部门的科研力量组织起来，集中优势，一方面积极引进国外先进刀具制造技术，提高刀具产品水平，加快刀具产品(尤其是数控刀具产品)的国产化步伐；另一方面应结合生产实际，系统地推广使用各种先进刀具和先进切削技术。我们相信，通过正确的政策引导和企业的有序竞争，完全有可能使我国的切削加工与刀具技术赶上国外先进水平，并做到有所发展与创新。上一页