（北京有色金屬研究總院國(guó)家有色金屬?gòu)?fù)合材料工程技術(shù)研究中心，北京 100088）

金屬基復(fù)合材料具有低密度、高比剛度和比強(qiáng)度、良好的高溫和耐磨損性能，近年來(lái)在汽車、電子通訊、航空航天、體育用品等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-5]。為了獲得性能優(yōu)異的金屬基復(fù)合材料，除了需要考慮基體和增強(qiáng)相各自的性能外，還要確保制備過(guò)程中增強(qiáng)相與基體之間具有良好的化學(xué)相容性，以獲得理想界面結(jié)合的復(fù)合材料。由于鋁合金密度低，有析出強(qiáng)化、良好的耐腐蝕性、高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，以及優(yōu)異的阻尼性能等綜合性能優(yōu)勢(shì)，使其在眾多材料中（Cu、Ti、Fe、Mg等）成為最常用的基體材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)（圖1）[4]，世界上各大公司生產(chǎn)的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品中，鋁基復(fù)合材料的占有量達(dá)到金屬基復(fù)合材料總產(chǎn)量的一半左右，使用量最大。在增強(qiáng)相中，由于SiCp具有低密度、高剛度和硬度、良好的高溫性能、耐磨性、高熱導(dǎo)率以及低廉的制備成本，同時(shí)與鋁合金等基體材料具有良好的化學(xué)相容性等綜合性能，使其在金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品中最常被使用（圖 2）[4]。

從顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能來(lái)看，鋁基復(fù)合材料在力學(xué)和熱學(xué)性能方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。圖3為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料的性能對(duì)比[6]，從圖3可以看出，鋁基復(fù)合材料具有更高的比剛度和比強(qiáng)度，可以較好地滿足航空結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵部件對(duì)材料高強(qiáng)度和模量的要求；同時(shí)鋁基復(fù)合材料具有低密度、高導(dǎo)熱以及低膨脹的優(yōu)點(diǎn)，可有效克服鋼鐵、鈦合金等材料密度大、導(dǎo)熱差，以及鋁合金材料熱膨脹系數(shù)高的不足，在雷達(dá)、電子通訊等方面具有廣泛的應(yīng)用。此外，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可以根據(jù)性能要求對(duì)增強(qiáng)相與基體進(jìn)行組元靈活配比，獲得達(dá)到預(yù)計(jì)性能要求的新型材料，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。

然而，雖然顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料使用量大、應(yīng)用面廣，但仍需要解決好材料在制備、加工以及構(gòu)件檢測(cè)過(guò)程中面臨的系列工藝技術(shù)難題，才能制備出達(dá)到預(yù)期性能要求的零件，并最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。本文將從顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組元配比設(shè)計(jì)、材料組織性能、工程化制備、實(shí)際應(yīng)用等方面展開(kāi)介紹，力求通過(guò)研制技術(shù)與應(yīng)用層面的梳理、改進(jìn)，促進(jìn)我國(guó)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在航空等高技術(shù)領(lǐng)域獲得更快、更好的發(fā)展。

圖1 金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品中各基體材料的使用率Fig.1 Usage of matrix materials in metal matrix composites

圖2 金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品中各增強(qiáng)相的使用率Fig.2 Usage of particulate in metal matrix composites

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組元配比設(shè)計(jì)

材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是以滿足特定應(yīng)用需求為前提的。以航空結(jié)構(gòu)件為例，要求材料耐疲勞、耐磨損，同時(shí)具有高比強(qiáng)度和比剛度，以滿足航空結(jié)構(gòu)件苛刻的力學(xué)承載要求。然而鋁基復(fù)合材料在強(qiáng)度和剛度提高的同時(shí)往往會(huì)降低塑性與韌性，導(dǎo)致二次加工成型性差，材料在服役過(guò)程中容易發(fā)生構(gòu)件斷裂，存在較大的應(yīng)用安全隱患。因此，需要優(yōu)選鋁基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體組元，通過(guò)組元之間的合理優(yōu)化配比，使材料兼具良好的強(qiáng)度和塑性綜合性能，進(jìn)而滿足航空承力結(jié)構(gòu)件的使用要求。本文選取了3種鋁基體、3種增強(qiáng)相顆粒，對(duì)其進(jìn)行組元配比制備鋁基復(fù)合材料，探究材料組元配比對(duì)強(qiáng)度和塑性的影響。前期獲得的部分研究結(jié)果見(jiàn)圖4，大致規(guī)律如下：

（1）就特定強(qiáng)度的鋁基體，增強(qiáng)顆粒的強(qiáng)化能力隨顆粒剛度和強(qiáng)度的增加而增大（顆粒剛度和強(qiáng)度大小順序?yàn)?Si＜Al2O3＜SiC）；就特定剛度和強(qiáng)度的增強(qiáng)顆粒，顆粒的強(qiáng)化作用隨基體強(qiáng)度的增加而減小（基體強(qiáng)度大小順序?yàn)锳l＜6061Al＜2009Al）。

（2）增強(qiáng)顆粒種類中，高模量和強(qiáng)度的SiCp強(qiáng)化作用最大，最適合作增強(qiáng)體；基體種類中，純Al基體中顆粒的強(qiáng)化作用最大，但不適用于航空結(jié)構(gòu)件的高強(qiáng)度要求。2009Al強(qiáng)度高、加工硬化率較大，具有較高的承擔(dān)、傳遞應(yīng)力能力，比較適合做基體。

（3）就特定剛度和強(qiáng)度的增強(qiáng)顆粒，隨著基體強(qiáng)度的增加，復(fù)合材料與基體材料的延伸率比降低；就特定強(qiáng)度的基體，SiCp顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料延伸率大于Si顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，SiCp適合做增強(qiáng)顆粒。

此外，復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性也受增強(qiáng)相粒徑大小的影響。本研究前期開(kāi)展了不同粒徑（3.5～13μm）的SiCp對(duì)航空承力結(jié)構(gòu)件用15%SiCp/2009Al復(fù)合材料的斷裂韌性影響規(guī)律研究（圖 5（a）），發(fā)現(xiàn) SiCp粒徑在7μm時(shí)，復(fù)合材料才能獲得最佳的斷裂韌性值，增加或降低顆粒尺寸，斷裂韌性均降低[7]。國(guó)外的研究也得到了相似的結(jié)果（圖 5（b）），發(fā)現(xiàn)在不同粒徑Al2O3顆粒增強(qiáng)的Al-4.5Cu復(fù)合材料中，當(dāng)復(fù)合材料基體狀態(tài)一定時(shí)，50%Al2O3/Al-4.5Cu的斷裂韌性均隨增強(qiáng)相尺寸的增大而呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，只有合適尺寸的Al2O3顆粒才能使復(fù)合材料獲得最佳的斷裂韌性值[8]。

上述研究結(jié)果表明，鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能與基體和增強(qiáng)體之間的匹配性密切相關(guān)，復(fù)合材料組元匹配設(shè)計(jì)非常重要。通過(guò)合理的對(duì)基體和增強(qiáng)體進(jìn)行組元配比，可以獲得力學(xué)綜合性能最佳的復(fù)合材料，滿足航空等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織與性能

圖3 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料的性能對(duì)比Fig.3 Performance comparison between Al matrix composites and traditional metal materials

圖4 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與基體力學(xué)性能比較Fig.4 Mechanical property comparison between Al matrix composites and matrix alloys

鋁基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體組元確定后，需要借助制備工藝才能獲得致密化的復(fù)合材料坯錠。目前較成熟的顆粒鋁基復(fù)合材料的制備方法包括粉末冶金、攪拌鑄造、噴射沉積和浸滲工藝等[9-10]。不同制備工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，但最終目標(biāo)均是為了獲得組織性能優(yōu)異的復(fù)合材料。材料制備過(guò)程中各工藝均需要解決以下問(wèn)題：

（1）陶瓷增強(qiáng)相的均勻分散。通過(guò)強(qiáng)力攪拌、氣流/化學(xué)分散、高效球磨混粉等分散技術(shù)，減少增強(qiáng)顆粒的團(tuán)聚或偏聚，實(shí)現(xiàn)均勻分布。

（2）復(fù)合材料的全致密化。通過(guò)固化或燒結(jié)技術(shù)，消除坯料內(nèi)部的孔隙，避免裂紋萌生。

（3）基體-增強(qiáng)體界面的良好結(jié)合。對(duì)增強(qiáng)相進(jìn)行預(yù)處理，促進(jìn)基體-增強(qiáng)相潤(rùn)濕性、相容性；降低制備溫度，避免脆性界面產(chǎn)物生成。

由于粉末冶金工藝的可靠性和穩(wěn)定性，可較好解決以上制備技術(shù)難題，目前已證明是最適于制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料航空部件的制備工藝。例如美國(guó)DWA公司、英國(guó)的AMC公司、美國(guó)Talon公司均是采用粉末冶金制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，材料獲得了優(yōu)異的綜合性能（表1），研制的構(gòu)件已經(jīng)大量供貨美國(guó)和歐洲的軍用飛機(jī)、武裝直升機(jī)和巡航導(dǎo)彈等武器。

圖5 顆粒尺寸對(duì)鋁基復(fù)合材料斷裂韌性的影響Fig.5 Influence of particle size on fracture toughness of Al matrix composites

表1 國(guó)外粉末冶金工藝制備的鋁基復(fù)合材料性能

北京有色金屬研究總院是國(guó)內(nèi)采用粉末冶金工藝制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的代表性單位之一。首先通過(guò)氣霧化工藝制備超細(xì)低氧含量的航空用鋁合金粉末；然后進(jìn)行粉末冶金均勻化混粉、冷等靜壓、熱壓或熱等靜壓成型復(fù)合材料坯錠；再經(jīng)過(guò)擠壓、軋制或鍛造等二次加工成型不同規(guī)格的鋁基復(fù)合材料坯件，并進(jìn)一步促進(jìn)顆粒的均勻分布與坯料致密化，工藝路線見(jiàn)圖6。表2為北京有色金屬研究總院采用粉末冶金工藝制備的鋁基復(fù)合材料的性能，其中15%～25%SiCp/Al復(fù)合材料由于具有較高的強(qiáng)度和耐疲勞性能，同時(shí)保持良好的斷裂韌性與延伸率，被用于航空主承力結(jié)構(gòu)件；而中高體積分?jǐn)?shù)40%～70% SiCp/Al復(fù)合材料除了具有較高的模量外，還具有低的熱膨脹系數(shù)和高的熱導(dǎo)率，尺寸精度和熱穩(wěn)定性強(qiáng)，用于無(wú)人機(jī)和巡航導(dǎo)彈等高精度導(dǎo)航器件；研制的B4C與AlN增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料由于性能優(yōu)異在航空高精度儀表零部件中也獲得了應(yīng)用。圖7為粉末冶金工藝研制的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的微觀組織，顯示材料內(nèi)部無(wú)孔洞等缺陷，增強(qiáng)相顆粒分布較均勻。

圖6 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料粉末冶金制備工藝Fig.6 Powder metallurgy process for fabricating particle reinforced Al matrix composites

表2 國(guó)產(chǎn)粉末冶金工藝制備的鋁基復(fù)合材料性能

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工程化制備

1 粉末冶金鋁基復(fù)合材料坯錠制備與塑性加工

鋁基復(fù)合材料坯錠與構(gòu)件工程化研制方面，國(guó)外已經(jīng)形成了成套的工程化制備技術(shù)，解決了包括坯錠制備、熱擠壓、鍛造、軋制、焊接、熱處理等一系列工藝問(wèn)題。如美國(guó)的DWA公司可研制出單重幾百kg的粉末冶金坯錠（年產(chǎn)量100t以上）；英國(guó)Adtek Intenational Ltd 和法國(guó)Creuzet Aeronautique 完成了復(fù)合材料模鍛、熱擠壓與軋制工藝研究；法國(guó)Forges de Bologne開(kāi)展大尺寸、復(fù)雜形狀15%SiCp/2009Al復(fù)合材料鍛件精密等溫鍛造工藝研究，生產(chǎn)直升機(jī)復(fù)合材料旋翼連接件、動(dòng)環(huán)與不動(dòng)環(huán)、導(dǎo)彈用零部件。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)“十一五”、“十二五”階段的技術(shù)發(fā)展，大型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備工藝技術(shù)也已十分成熟。北京有色金屬研究總院采用粉末冶金工藝可制備出單錠從幾十kg至噸級(jí)重量的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯錠，實(shí)現(xiàn)了扁圓形、方形、薄板、梯形等不同形狀、不同尺寸粉末冶金坯料的制備和近終成型；突破了大尺寸難變形顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的擠壓、軋制、環(huán)軋、自由鍛、等溫鍛造等各種塑性變形工藝技術(shù)，縮小了與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)之間的差距。圖8與圖9為北京有色金屬研究總院采用粉末冶金工藝制備的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯錠和塑性加工后的棒材、鍛餅和軋制件實(shí)物，可滿足不同用戶的應(yīng)用需求。

圖7 粉末冶金工藝制備的SiC/Al復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructures of powder metallurgy fabricated composites

圖8 粉末冶金鋁基復(fù)合材料坯錠Fig.8 Powder metallurgy fabricated Al matrix composite billets

2 粉末冶金鋁基復(fù)合材料表面加工與處理

粉末冶金坯錠與塑性加工后的構(gòu)件表面質(zhì)量一般還無(wú)法滿足航空零部件的高質(zhì)量要求，需要進(jìn)一步的精密加工才能獲得高精度的零部件。由于鋁合金中添加了高硬度、耐磨的陶瓷相顆粒，導(dǎo)致材料的機(jī)械加工難度增大、加工效率低下。合適的加工工藝和加工刀具對(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料高效與高精度加工尤為關(guān)鍵，如采用金剛石鋸片和銑刀的加工效率和精度要遠(yuǎn)高于普通硬質(zhì)合金工具；而盡量降低加工速率和減少單次切削量可以增加構(gòu)件的加工精度，也有利于減少刀具的發(fā)熱與磨損。圖10為北京有色金屬研究總院研制的20%～60% SiC/Al復(fù)合材料薄片經(jīng)機(jī)械加工后的表面情況（尺寸1.0mm×75.0mm×130.0mm），可以看出厚度為1mm的復(fù)合材料材料薄板試樣表面加工質(zhì)量良好，未出現(xiàn)翹曲、蹦邊等情況，這也為精密構(gòu)件的機(jī)加工提供了保障。

圖9 粉末冶金鋁基復(fù)合材料塑性加工構(gòu)件Fig.9 Powder metallurgy fabricated Al matrix composites plastic forming components

圖10 機(jī)械加工后SiC/Al基復(fù)合材料薄片F(xiàn)ig.10 Surface states of SiC/Al composites after machining

此外，有時(shí)根據(jù)顆粒鋁基復(fù)合材料的特殊應(yīng)用要求，需要對(duì)材料進(jìn)行拋光、噴丸等表面處理，以使表面狀態(tài)達(dá)到零部件的技術(shù)要求。圖11為經(jīng)過(guò)機(jī)械加工、拋光、噴丸處理的15% SiCp/Al復(fù)合材料表面微觀組織圖片，顯示不同技術(shù)處理后的材料表面形貌存在明顯差異。圖12為表面經(jīng)過(guò)機(jī)械加工和噴丸處理后材料的疲勞性能，機(jī)械加工和噴丸處理的材料得到了不同的疲勞性能結(jié)果，表明表面狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響的重要性。通過(guò)進(jìn)一步與歐洲宇航研制的15% SiCp/Al復(fù)合材料、2024Al合金的疲勞性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本研究表面加工處理后的15% SiCp/Al復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度更優(yōu)，這可能是由于適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砉に噷?duì)復(fù)合材料疲勞性能起到了提升作用，但該觀點(diǎn)還需更系統(tǒng)全面的后續(xù)研究進(jìn)行確定。

圖11 15% SiCp/Al復(fù)合材料鍛件表面處理形貌Fig.11 Surface morphologies of 15% SiCp/Al composites after surface treatments

復(fù)合材料在服役過(guò)程中如遇到周圍環(huán)境中的氧、光、水蒸氣、微生物等多種因素作用時(shí)，可能導(dǎo)致材料遭受腐蝕破壞甚至喪失使用價(jià)值，因此材料在服役過(guò)程中的防腐就顯得十分必要。工程化上最常用的方法是在構(gòu)件表面生成或涂覆一層耐腐蝕性保護(hù)層以隔絕構(gòu)件與腐蝕環(huán)境的接觸，從而減小或避免腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，提高服役壽命。北京有色金屬研究總院前期對(duì)航空用的15%SiCp/2009Al復(fù)合材料表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化和沸水封孔表面處理，并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行了防腐蝕效果檢測(cè)。圖13為陽(yáng)極氧化前后SiCp/2009Al復(fù)合材料在3.5% NaCl溶液中浸泡0.5h的阻抗譜圖，陽(yáng)極氧化后的復(fù)合材料在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為純電容特征，說(shuō)明氧化膜的阻抗相當(dāng)大，陽(yáng)極氧化膜有效地阻擋了水和腐蝕性陰離子的侵入，表現(xiàn)出相當(dāng)優(yōu)異的耐蝕能力，大大提高了鋁基復(fù)合材料的耐蝕性能[11]。

3 鋁基復(fù)合材料質(zhì)量檢測(cè)

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在制備過(guò)程中會(huì)面臨著顆粒分布微觀不均勻、致密度差、坯錠各部位組織性能不均勻等缺陷產(chǎn)生，所以采用無(wú)損檢測(cè)方法檢驗(yàn)坯錠質(zhì)量及一致性是保證后續(xù)研究工作開(kāi)展的關(guān)鍵工序。此外，對(duì)于構(gòu)件而言，高穩(wěn)定和高可靠性是復(fù)合材料作為航空領(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵指標(biāo)，而無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是檢驗(yàn)該技術(shù)指標(biāo)的重要手段之一。目前國(guó)內(nèi)外多選用超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)對(duì)金屬基復(fù)合材料及構(gòu)件進(jìn)行缺陷評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。如法宇航、ACMC公司、Arco公司、美國(guó)西屋研究與發(fā)展中心均開(kāi)展了金屬基復(fù)合材料超聲波無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)工作。美國(guó)西屋研究與發(fā)展中心研究了SiC/Al復(fù)合材料鍛件試樣的超聲衰減與材料斷裂韌性的關(guān)系，根據(jù)試件背面反射回波反射次數(shù)的多少對(duì)材料確定了優(yōu)、良、差3個(gè)等級(jí)（表3）[12]；Arco化學(xué)公司則利用測(cè)量SiC/Al復(fù)合材料的聲速來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)、改進(jìn)工藝。

國(guó)內(nèi)少數(shù)單位，如北京航空材料研究研院、航天材料及工藝研究所、北京有色金屬研究總院等單位也開(kāi)展了金屬基復(fù)合材料及構(gòu)件的超聲波檢測(cè)工作。其中，北京有色金屬研究總院在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲波探傷方面具有10多年的研究與實(shí)際檢測(cè)基礎(chǔ)，具備研制不同類型高精度超聲探傷對(duì)比試塊的能力，可對(duì)不同形狀、不同大?。◣譳g級(jí)至噸級(jí)）金屬基復(fù)合材料坯錠與構(gòu)件進(jìn)行超聲無(wú)損探傷檢測(cè)，有效評(píng)定坯錠與構(gòu)件質(zhì)量等級(jí)，為構(gòu)件實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)保障。圖14為北京有色金屬研究總院對(duì)航空用15% SiCp/2009Al復(fù)合材料進(jìn)行超聲波檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)的SiCp偏聚缺陷以及對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)；圖15（a）為對(duì)幾十個(gè)15%SiCp/2009Al復(fù)合材料坯錠進(jìn)行超聲波檢測(cè)后獲得的聲速結(jié)果，復(fù)合材料聲速偏差控制在±3‰的范圍，檢測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的穩(wěn)定性；圖15（b）顯示超聲波聲速與SiCp/Al復(fù)合材料彈性模量之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)聲速的大小可間接獲得材料的彈性模量大小?？傊?，通過(guò)建立復(fù)合材料超聲波信息、組織缺陷、材料性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可有效對(duì)復(fù)合材料的缺陷進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)，確保復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量得到保障。

圖12 15% SiCp/Al復(fù)合材料的軸向疲勞性能Fig.12 Fatigue property of 15% SiCp/Al composites

圖13 陽(yáng)極氧化SiCp/2009Al在3.5% NaCl溶液中浸泡0.5h的阻抗Fig.13 Impedance spectrum of anodic oxidation treated SiCp/2009Al immersed in 3.5% NaCl solution for 0.5h

表3 SiC/Al復(fù)合材料鍛件斷裂韌性與超聲衰減

粉末冶金鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展

由于優(yōu)異的組織和力學(xué)性能，以及大型、高精密構(gòu)件的工程化技術(shù)保障，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已經(jīng)在汽車、電子通訊、核屏蔽、體育用品、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。特別是近年來(lái)隨著世界范圍內(nèi)航空技術(shù)的迅猛發(fā)展，顆粒鋁基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了十分矚目的成就。如美國(guó)DWA公司生產(chǎn)的AA6092/17.5SiCp復(fù)合材料由于具有高的比強(qiáng)度、比剛度和長(zhǎng)的疲勞壽命，已經(jīng)取代鋁合金材料，用于F-16戰(zhàn)機(jī)上的腹鰭（圖16（a）），并且復(fù)合材料零部件的使用壽命提高了4倍，大大節(jié)省了飛機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)成本。此外，在F-16戰(zhàn)機(jī)上，采用AA6092/17.5SiCp復(fù)合材料取代了鋁合金材料用于制備26個(gè)可活動(dòng)的燃油入口蓋（圖 16（b）），承載能力提高了28%，平均翻修壽命高于8000h，裂紋檢查期延長(zhǎng)為2～3年[13]。

圖14 粉末冶金SiC/Al復(fù)合材料微觀組織超聲波信號(hào)之間的關(guān)系Fig.14 Relationship between composite microstructure and ultrasonic spectre imformation

圖15 粉末冶金SiCp/Al復(fù)合材料的超聲波聲速與材料性能的關(guān)系Fig.15 Relationship between ultrasonic sound velocity and composite performance of powder metallurgy SiCp/Al composite

圖16 F-16軍用飛機(jī)的AA6092/SiC/17.5p復(fù)合材料Fig.16 AA6092/SiC/17.5p composites used in ventral fins and fuel access doors of F-16 fighting Falcon

法國(guó)Eurocopter 公司采用15%SiCp/2009Al 復(fù)合材料鍛件應(yīng)用于EC-120直升機(jī)旋翼連接件（圖17（a））和NH90的動(dòng)環(huán)與不動(dòng)環(huán)（圖 17（b）），該應(yīng)用成果實(shí)現(xiàn)首次在航空一級(jí)運(yùn)動(dòng)零件上的使用，并且構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度比鋁合金提高50%～70%，彈性模量提高40%，構(gòu)件重量比鈦合金獲得大幅降低。美國(guó)Boing Military Aircraft and Missile Systems則將鋁基復(fù)合材料替代石墨/聚合物復(fù)合材料，用于Boing 777商用飛機(jī)Pratt and Whitney 4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片（圖 17（c）），提高了零件抵抗飛鳥(niǎo)等外來(lái)物沖擊破壞的能力[14]。

鋁基復(fù)合材料還可作為戰(zhàn)斗機(jī)的液壓傳動(dòng)缸、飛機(jī)儀器支架、運(yùn)輸機(jī)側(cè)翼、地板支撐桿和飛機(jī)防撞機(jī)組座椅支柱等，充分發(fā)揮了鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度和耐磨損優(yōu)勢(shì)[15]。如歐洲空客將顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料取代纖維強(qiáng)化的聚合物用于機(jī)身支柱，以便降低構(gòu)件的制備成本和提高損傷容限。此外，美國(guó)在20世紀(jì)80年代將SiCp/Al復(fù)合材料替代鈹，用于某型號(hào)慣性環(huán)形光釬陀螺制導(dǎo)系統(tǒng)，并且已經(jīng)形成美國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)（MIL-M-46196）。作為第三代航空慣性器件材料，SiCp/Al還成功用于三叉戟導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)向球及其慣性測(cè)量單元的檢查口蓋。ARCO公司也開(kāi)始批量化生產(chǎn)SiCp/Al復(fù)合材料用于制造慣性測(cè)量元件，取得比鈹材的成本低2/3的效果。在導(dǎo)彈部件的應(yīng)用上，由于傳統(tǒng)的鋁合金無(wú)法滿足高強(qiáng)度和耐高溫要求，而顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和低密度，并且能承受導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的短時(shí)高溫（發(fā)射時(shí)間短），被考慮用來(lái)制備導(dǎo)彈的彈翼和側(cè)鰭[2]。

在需求牽引下，我國(guó)也開(kāi)展了顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用工作。經(jīng)過(guò)“十一五”和“十二五”技術(shù)攻關(guān)，目前我國(guó)基本掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備工藝，性能已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)領(lǐng)先水平，構(gòu)件也實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用，部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。例如，北京有色金屬研究總院采用粉末冶金技術(shù)研制了SiCp/Al系列鋁基復(fù)合材料，部分構(gòu)件已經(jīng)成功用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件（圖18），研制的15% SiCp/Al航空鍛件的疲勞性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，順利經(jīng)過(guò)了疲勞臺(tái)架考核，目前已經(jīng)在XX型號(hào)飛機(jī)上獲得了應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)了該構(gòu)件的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所采用55%～57% SiCp/Al復(fù)合材料制備航空機(jī)載光電穩(wěn)定平臺(tái)的主承力框架，得益于該材料優(yōu)異的結(jié)構(gòu)承載功能及卓越的熱控功能，材料獲得較高的系統(tǒng)穩(wěn)定精度，全部通過(guò)考核定型試飛，后續(xù)材料還計(jì)劃用于航空光電平臺(tái)升降盤、安裝盤、主承力框架、基板等關(guān)鍵構(gòu)件[16]。此外，隨著服役過(guò)程溫度的提高，如導(dǎo)彈發(fā)射產(chǎn)生的彈身部件瞬間高溫、飛機(jī)高速飛行機(jī)身的升溫，均對(duì)所用材料的高溫性能提出了要求，而能夠承受更高溫度（300℃以上）的耐熱型鋁基復(fù)合材料有望實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，目前我國(guó)相關(guān)研究單位在這方面正開(kāi)展部分研究工作。另一方面，隨著未來(lái)無(wú)人化戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展趨勢(shì)，采用無(wú)人飛行器平臺(tái)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)戰(zhàn)區(qū)實(shí)現(xiàn)近距離精確偵查和作戰(zhàn)打擊將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，高性能鋁基復(fù)合材料有望在無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵部件上獲得廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)前景良好。

圖17 SiCp/Al復(fù)合材料制備的歐洲直升機(jī)連接件、主螺旋槳轉(zhuǎn)向架、發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片F(xiàn)ig.17 SiCp/Al composites used in rotor blade sleeve,rotor bogie in European helicopters and fan exit guide vane in turbines

圖18 SiCp/Al復(fù)合材料制備的戰(zhàn)斗機(jī)液壓傳動(dòng)缸、飛機(jī)儀器支架、運(yùn)輸機(jī)側(cè)翼支撐桿Fig.18 SiCp/Al composites used in hydraulic cylinder for fighter,frame for aircraft instrument and transverse wing support struts for a transport aircraft

結(jié)束語(yǔ)

在顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體組元優(yōu)化匹配、大尺寸復(fù)合材料坯錠工程化制備與塑性加工、表面處理、無(wú)損檢測(cè)等成套研制技術(shù)的保障下，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能優(yōu)勢(shì)在航空領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。面向未來(lái)，為促進(jìn)鋁基復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用，并縮小與世界先進(jìn)水平之間的差距，可從以下方面開(kāi)展工作，促進(jìn)我國(guó)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展：（1）形成體系化的工程化制備技術(shù)。建立起完善、系統(tǒng)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料工程化制備技術(shù)體系，確保鋁基復(fù)合材料研制數(shù)據(jù)歸檔齊全、研制步驟記錄翔實(shí)、研制過(guò)程具有可追溯性，確保材料質(zhì)量穩(wěn)定可靠。（2）復(fù)合材料構(gòu)件的低成本高效制備。借鑒材料基因工程設(shè)計(jì)的思想，通過(guò)高通量“設(shè)計(jì)-表征-制備-應(yīng)用”的全鏈條設(shè)計(jì)，“短、平、快”地研制出面向特定應(yīng)用目標(biāo)的新型鋁基復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)材料研制周期與成本雙減半。（3）復(fù)合材料研制與應(yīng)用對(duì)接。加強(qiáng)研制單位與應(yīng)用單位之間相互交流、溝通，通過(guò)應(yīng)用需求牽引，促進(jìn)材料研制技術(shù)發(fā)展，更好地為應(yīng)用服務(wù)，以良性發(fā)展促進(jìn)整個(gè)鋁基復(fù)合材料行業(yè)的進(jìn)步。

參 考 文 獻(xiàn)

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