研究背景
飞机性能的提高与材料的进步密切相关。诸如与轻质沉淀硬化铝合金、可热处理的钛合金以及最近的纤维增强聚合物（FRP）复合材料的发展有关的突破，使飞机的结构重量大大降低。这使飞机能够飞得更远更快，并通过允许更大的飞机和降低燃料消耗，使商业飞行更加经济。更轻、更硬、更强、对疲劳不敏感、更耐破坏和/或更耐热的材料的出现预计将继续在下一代飞机的开发中发挥重要作用，包括在机身和发动机的开发方面。
例如，基于对高强度钛合金和金属材料的预期使用，21世纪初的飞机预计将减轻40-60%的重量。具有定向连续纤维增强的基质复合材料（MMCs）。
此外，在发动机及其附属结构中引入FRPs、MMCs和陶瓷基质复合材料（CMCs），预计发动机性能将增长50%以上，而低密度钛铝化物有可能在某些应用中实现50%的减重。减少飞机结构重量的最有效方法是降低结构材料的密度。
相比之下，增加极限抗拉强度、弹性模量或耐损性能的效果要差3-5倍，而增加断裂性能是最不有效的选择。这使得FRP在飞机上的应用特别有吸引力，因为低密度、高刚度和合理的高强度的良好组合是这一类材料的特点。在过去的三十年中，FRP在飞机结构中的使用量越来越大，取代了许多次级结构中的金属，以及在少数孤立的情况下，作为初级结构的材料。
加拿大设计的第一架使用聚合物复合材料作为主要结构的飞机将是名为“全球快车”的新型远程商务飞机。这架飞机将由加拿大庞巴迪公司制造，并将广泛使用增韧石墨环氧树脂（TGE），它将被用于水平稳定器、方向舵、升降副翼、襟翼、耳环等。与加拿大航空公司在1970年代中期设计的CL600挑战者公务机相比，全球快车将包含更多的环氧树脂复合材料。将CL600的结构材料与预计用于全球快车的材料进行比较是很有意思的。
从表1中可以看出，全球快车的机身外皮和机翼盖仍将使用铝合金；全球快车的一个明显变化是建议使用新的2000系列铝合金C188-T3制造机身外皮。这种由美国铝业公司开发的新合金利用专有的加工工艺，在不损失强度或耐腐蚀性的情况下，比现有的2024-T3大大提高了断裂韧性和疲劳裂纹增长率。为“全球快车”指定的大多数其他铝合金都是在传统的回火条件下的传统合金。6013-T6合金被用于机翼前缘的裸露抛光状态，因为它具有非常好的耐腐蚀性。
最近，一些新的金属产品和材料加工技术也被开发出来，使金属结构具有高度的竞争力。新的轻型金属材料包括低密度铝合金，其中一些材料的使用温度远远超过了聚合物材料的能力，铝基复合材料（AMC）和用于空气框架的混合聚合物-金属复合材料，以及用于发动机的钛铝化物和钛基金属基复合材料（TMCs）。新的先进的合成和加工技术也正在开发中，以便以具有成本效益的方式生产这些新型高性能合金和复合材料。这些技术包括先进的熔炼方法、机械合金化、金属粉末加工、喷涂成型和气相沉积等等。
铝合金的突破口
几十年来，铝合金一直是飞机上最广泛使用的结构材料。三种类型的合金构成了现代飞机中发现的大部分铝。它们是2000系列（Al-Cu-Mg），6000系列（AlSi-Mg）和7000系列合金（Al-Zn-Mg-Cu）。所有这些都是可沉淀硬化的合金，依靠细小的相干沉淀物和分散体的沉淀进行强化，其形态和分布决定了材料的机械性能和环境反应。它们的微观结构是由热处理控制的，它们可以在各种微观结构条件下生产，或称回火，这样可以满足特殊的设计要求。新的合金和工程材料正在出现，它们有可能取代传统的2000、6000和7000系列。它们是低密度的铝锂合金，粉末冶金加工的7000系列合金，铝基MMCs，以及金属聚合物混合复合材料。
传统的2000、6000和7000系列合金
2000系列中最常用的合金是2024-T3，它利用了自然时效的冷加工的优势。该合金具有中等的屈服强度，但具有良好的耐损性（良好的抗疲劳裂纹增长和良好的断裂韧性）。然而，在厚板的形式下，它很容易受到剥落腐蚀。该合金主要用于机身表皮，通常包覆一层纯铝以防止腐蚀，在过去30年里，大多数商业和军事运输飞机都有这种合金。强度来自于晶粒内部的沉淀物相的高体积裂纹的形成，以及Al-Cu-Mn分散体的存在。当与铁和镍合金化时，2000系列具有相当高的蠕变强度，如英法超音速飞机中使用的2618合金就是典型。
铜的加入提供了良好的强度和延展性的组合以及良好的可焊性，如M19合金（用于NASA航天飞机的外部燃料箱和航天飞机的遥控操纵系统）。6000系列合金比2000系列合金具有更好的耐腐蚀性。6000系列的最新合金是6013，在T6回火时比2024-T3的铝包层有12%的强度优势，具有相当的韧性和抗疲劳裂纹增长的能力，而且还有一个额外的优势，就是它可以裸用，也就是没有包层。6000系列合金也具有良好的可制造性。
然而，它们并不像其他合金那样被飞机工业广泛使用，因为它们在整体性能平衡方面不尽如人意。7000系列合金，其中7075是最广泛使用的，到目前为止具有最高的强度。这些合金被生产为板材、板件、锻件或延伸件。它们被用于机身表皮、弦杆和舱壁，以及机翼表皮、面板和盖板。
它们的强度来自于晶粒内部的q相和p相的析出。(非相干的MgZn2)沿晶界。在传统的峰龄(高强度）条件下（T6），7000系列合金的厚板、锻件和挤压件极易发生应力腐蚀开裂（SCC），特别是当通过厚度受力时，这一缺点在7075-T6上已得到充分证实。许多理论已经被开发出来以解释对SCC的敏感性。其中许多认为氢脆是一个重要的因素，晶界沉淀物的大小也可能是重要的。
多年来，为了解决7000系列合金中的SCC问题，人们付出了相当大的努力，而且还在继续。这些努力首先导致了合金7075的超龄T73回火的发展。在T73回火下，7075的SCC阈值应力增加了6倍，其代价是相对于T6条件，屈服强度损失15%。中间温度（T74和T76）已经被开发出来，以提供强度和抗SCC能力之间的权衡。大约在同一时间，一种被称为倒退和再时效（RRA）的技术也被开发出来，用于降低7000系列合金对SCC的敏感性，同时保持T6条件的高强度。该技术包括通过多级热处理来操纵最初处于T6状态的材料的晶界沉淀物大小。它首先应用于合金7075，并且从70年代末到80年代中期在NRC进行了广泛的研究。
今天，人们对使用RRA热处理来实现抗腐蚀温度重新产生了兴趣，特别是对可以追溯到完全制造和暴露于服务的部件的处理。对更高强度的要求，加上具有良好的断裂韧性和抗SCC的能力，导致了一些新的7075衍生合金和其他合金的发展。这一进展主要是由于对杂质含量的严格控制，也是由于热力学和热处理方法的改进，如T74、T76和T77温度。
表2显示了硅、铁和锰含量的减少如何导致7049-T7351合金的屈服强度、抗拉强度和断裂韧性的显著提高，这实际上转化为适用于7049、7149和7249合金的化学极限。
新的7000系列合金研究及测试
最近，对更高强度合金的追求，同时又不失SCC抗性或断裂韧性，导致美国铝业公司进一步开发合金（7150，7055），并在铝业协会注册为T77的新专利回火。从专利中可以看出，该工艺是一个三步时效处理，可能涉及到高、低时效温度的组合，与RRA加工的组合不一样，可能还有一个中间的机械加工步骤。
表3比较了两种新合金在T77条件下的机械性能和7075-T6的性能。在专利的T77回火中，合金7055提供了在锻件中，它的强度是所有商业上可用的7000系列合金中最高的，并具有出色的SCC和断裂韧性组合能力。该合金也有T74和T76回火。T76回火提供了与7175-T74相当的抗SCC性和断裂韧性，并且强度至少高出10%。在T74回火中，该合金的断裂韧性与7050-T74相当，而强度优势至少为6%。最后，美国铝业公司迄今获得的疲劳性能数据表明，所有三种温度下的合金7055至少与早期的高强度7000系列合金相当。新的7000系列合金正被用于新的和未来的飞机，以及替代现有飞机中的7075-T6部件。
随着商业和军用飞机机队的老化，广泛使用的铝合金7075-T6对SCC的敏感性已成为用户、制造商和监管机构日益关注的问题，因为仍有大量的设备在使用中含有这种合金。经验表明，用7075-T6制造的飞机部件往往会迅速腐蚀，尤其是在海洋环境中运行的飞机。出于明显的安全原因，过度腐蚀的部件必须被替换，而且替换的费用很高。在更换容易发生SCC的飞机部件以延长部件寿命并最大限度地降低运营成本方面，有许多选择。
抗腐蚀的7075-T73可以代替7075-T6。另外，一种具有更好的耐腐蚀性和类似于或优于7075-T6的机械性能的合金，例如，7050-T74或7050-T7651，可以替代7075-T6。洛克希德公司已经考虑过这两种选择，在某些情况下已经实施，例如，在CC130大力士转运机上。第三种可能更有成本效益的方法是对7075-T6部件进行收费制（RRA）。这种处理方法可以应用于现有的替换零件库存中的新零件，或者作为一种补充程序，应用于那些还没有严重腐蚀到需要更换而值得抢救的零件。
RRA处理，作为一个适用于T6条件下的7075的工艺，以实现相当于T73回火的抗应力腐蚀能力，同时保持T6条件下的高强度特性。Cina工艺包括短时间的高温暴露，通常在200℃-280℃范围内1-100秒（倒退），然后使用原始的T6老化处理进行再老化（120℃下16-24小时）。
在回退过程中，硬度或屈服强度下降到最低点，然后再增加到第二高峰，而继续处理会导致强度的进一步下降，同时，抗应力腐蚀能力增加，如图所示。
通过电导率测量和使用螺栓加载的双悬臂梁试样的SCC测试，测样从最初的最小值开始重新老化、即在第一阶段结束时，恢复强度和硬度，超过原来的T6状态。同时，在回退过程中，导电性和抗应力腐蚀能力继续向T73值增加。由于恢复时间非常短，只有几十秒，所以最初制定的方案中，工艺实际上只限于非常薄的部分，通常是l到6毫米厚。工作表明，较低的温度和较长的回退时间可以用来在较厚的部分产生更有效的强度和抗应力腐蚀的组合。所使用的回退时间通常是在220OC下几分钟或在180°C下2小时。
重新老化后，对于25mm(线)的板材，实现了与7075-T651性能相当的拉伸性能和与超龄7075-T73类似的SCC增长率。这项工作随后被扩展到从63mm7475板材材料上切割的25mm厚的试样。RRA加工的抗拉强度与7475-T6相当，腐蚀性能比T6好得多，几乎与7475-T7351一样好。在其他工作中，表明7075的RRA加工对疲劳或腐蚀-疲劳裂纹的增长速度没有什么影响。
然而，T6RRA或T7351温度的材料在腐蚀溶液中的低频率下，似乎对阈值区域的疲劳裂纹增长有轻微的再抵抗性。这表明了良好的抗腐蚀-疲劳性能。表4比较了合金7475挤压件在各种热处理条件下的屈服强度、电导率和SCC裂纹增长率（CGR）。每种RRA条件（180°C下3小时，220°C下5分钟）都会产生比T651更高的屈服应力。RRA加工对7075-T6微观结构的影响已经通过透射电子显微镜进行了研究。这些研究的结果表明，RRA加工主要是对晶界沉淀物的粗化处理。
通过阶段I和II，倒退导致较细的沉淀物（MgZn2）全部或部分溶解，而较粗的沉淀物的尺寸和体积分数略有增加。同时，倒退导致晶界沉淀物的快速粗化。从第二阶段开始，或稍稍超过第二阶段的终点。
图中比较了7075板材在T6RRA、T651和T7351条件下的微观结构，显示RRA加工产生的微观结构由细小的基体析出物（MgZn）组成，是T651回火的特征，粗大的晶界析出物q代表T7351回火。这些特征被认为是T6RRA条件下高强度和抗SCC的组合原因。有人认为，粗大的晶界沉淀物，其特点是提示。
原子氢被认为是通过沿晶界形成弱的氢-金属键而导致脆性，因此，氢气凝结成分子气泡会减少这种键的数量。在7075-T6RRA的透射电子显微镜薄片中，已经报道了氢气气泡附着在晶界沉淀物上的金属学证据。RRA型处理对7000系列合金的抗SCC和剥落的有利影响已经在许多研究中得到证实。正如刚才所指出的，该技术特别适合于处理薄板零件。在厚截面零件中，只有表面的结构会被加工改变，深度可达25mm，取决于几何形状。这可能足以在最需要的地方提高抗SCC的能力，也就是靠近表面的地方，而零件的大部分将保持在高强度的T6状态。
铝锂合金研究
在新的飞机材料中，铝锂合金特别有吸引力，因为它有减轻重量的潜力。当铝与锂合金化时，每增加1%的锂，合金的密度就会减少3%，硬度增加约6%。2090、2091的商业合金是典型的、8090和8091含有1.9-2.7%的锂。因此，它们比2000和7000系列合金具有高达109%的密度优势。它们还具有相应的更高的刚度，并提供25%的比刚度优势。使用铝锂合金，在飞机结构中，对强度要求高的结构可以减轻10%的重量，对刚度要求高的结构可以减轻18%。
除了重量轻和刚度高之外，这些合金还具有强度高、耐破坏和耐腐蚀的特点。然而，它们的性能对生产条件非常敏感，因此，产品质量比传统合金更难控制。其他不足之处包括未结晶产品的高各向异性，这是由加工过程中形成的强烈的晶体纹理造成的，厚板的短跨度性能低，一些产品缺乏热稳定性，制造要求方面的经验有限，以及设计数据数量有限。
由于这些限制，再加上材料的成本很高，以及废品回收的额外费用，铝锂合金对飞机工业的影响没有达到最初的预期。
新型铝合金研究
在过去的10年里，新的加工技术已经导致了新的铝合金的出现，其性能比传统加工的冶金产品有了很大的提高。这些技术包括与快速凝固或机械合金化相结合的粉末冶金（P/M）加工、喷涂成型、蒸镀。铝与少数几种元素的合金化能力有限，这极大地扩展了固溶、沉淀或分散硬化的可能性。从RS得到的其他好处是更细的晶粒尺寸和更均匀的微观结构。机械合金化是RS加工的一种替代方法，用于扩展溶解度极限，细化微观结构，并产生非平衡相。
通过RS或MBA获得的粉末通过挤压（或热等静压）整合成可用的产品，然后可能通过轧制或锻造，根据所需的产品来决定。P/M-US和P/M-MA都被试着作为7000系列合金的替代加工路线，以及生产低密度的Al-Li合金和具有低温性能的新合金。
从传统的7000系列合金衍生出来的第一代锻造P/M合金是美国铝业公司的7090和7091，它们是在80年代初推出的。此后，美国铝业公司开发了一种新的高强度P/M合金，命名为X7093（原CW67），其断裂韧性比早期的P/M合金有明显改善。合金X7093在商业上可以提供挤压件和锻件，其抗SCC能力相当于7075-T73，而且它正在被推广为7075-T6模锻件的替代品。关于这种新材料的特性的详细信息，包括标准化的特性，目前正在开发中。由于RS对固体溶解度限制的影响，粉末生产中的锂含量可以增加到3.6%的锂。其结果是降低了密度，提高了耐腐蚀性，机械性能与传统加工的7075产品相比更胜一筹。机械合金化通过以下方式增加了分散强化的好处氧化物。存在于铝粉原料上的表面氧化膜被打碎，并以细小的分散体形式融入到MA粉末的内部。
根据实验结果，实验性MAAl-Li合金的腐蚀性能远远优于7075-T73材料的腐蚀性能。这是通过与过渡金属（如Fe、Mo或V）和稀土元素（如Ce）的合金化实现的。用这些元素进行合金化在传统的IM中是不可能的，因为这些元素倾向于在铸锭浸渍过程中形成粗大的脆性金属间相。P/M-RS促进这些相的高容量部分形成均匀分布的亚微米级形态，在高温下保持稳定，并赋予材料优良的高温机械性能。
研究总结
如本文所述，在过去几年中出现了相当多的新材料和制造概念，它们为进一步降低飞机重量或进一步提高发动机性能提供了机会。虽然这些新材料中的一些材料和处理概念已经发展到可以在结构中进行评估的地步，但许多材料和概念还处于非常早期的发展阶段。许多工作将在对结构进行全面测试之前，必须对其进行研究。一些最具创新性的概念是为机身和发动机的应用重新开发金属矩阵复合材料。
研究表明，钛金属矩阵复合材料可以取代钢的机身起落架部件和传统钛合金的发动机。然而，鉴定新材料的成本可能非常高，这取决于应用的重要性。随着各地国防开支的减少，这可能被证明是商业应用的一个障碍。新材料是否能以可承受的成本生产和鉴定，将在很大程度上决定其引入的速度。