我国海上风电市场将在未来十年内飞速发展，针对海上风电恶劣工况要求，风电主轴轴承需 要更高功率密度、可靠性和使用寿命 。本文主要 从轴承设计、材料、表面处理以及工艺等方面阐述了对风电主轴轴承技术的现状和未来发展方向 。

1、海上风电市场和大兆瓦机组发展趋势

全球风能理事会(GWEC）发布的《全球海上风电报告2020》预测： 到2030年，全球海上风电装机量将从现在的29.1GW升至234GW，亚太地区会成为最重要的市场 。2021年9月9日，在英国Shoreham港发布《2021全球海上风电报告》， 2020年全球海上风电新增装机6.1GW ，比2019年的6.24 GW略有降低，但GWEC预计2021年将是全球海上风电装机创纪录的一年。

报告预计，在现有风电政策的情况下，未来十年全球将新增海上风电装机235GW，这一增量相当于现有海上风电装机的七倍。相比于2020年报告，本次预测上调了15%。

中国在2020年实现了3GW以上的海上风电新增并网，连续第三年成为全球最大的海上风电市场。欧洲市场保持稳定增长，荷兰以近1.5 GW的新增装机排在全球第二位，比利时位列第三（706 MW）。

根据国际能源署（IEA）及国际可再生能源署（IRENA）的最新报告，如果希望把地球温度上升控制在1.5℃以内，全球海上风电装机需要在2050年达到2000GW，而现在的装机量还不到这一目标的2%，2030年的预测装机量也只是这一目标的13%。

2、海上风电轴承技术发展现状与技术

由于海上风力发电机的特殊工况，主轴轴承需要安装在离海面数十米高的高空中，轴承运输、安装和更换都极为不便，且费用高昂。于此同时，海上风电轴承所处的环境非常恶劣，包括台风、空气湿度大导致腐蚀等等，因此高性能、高可靠性以及长寿命是主轴轴承必须具备的品质。目前风电主轴轴承主要依赖进口，国际上著名风电主轴轴承厂商主要有瑞典SKF、德国Schaeffler、美国Timken等，在全球市场占据统治地位。 我国风电轴承与国外的仍有较大差距，其中主要在于材料、设计、表面处理、工艺水平和工艺装备。

2.1 海上风电主轴轴承设计

目前，风电机组中主轴轴承主要承受传动链中大部分来自于外部风作用产生的径向力、轴向力以及弯矩，将稳定的转矩传递给风电机组的高速端。因此，主轴轴承的承载能力、可靠性以及使用寿命是非常关键的指标，同时定位端主轴轴承在面对较大轴向力或轴向冲击时，其轴向刚度将决定了其在外力作用下的轴向位移，该轴向位移将对齿轮箱内部的受力稳定产生较大影响。

随着海上风电兆瓦级别的不断提高，无论是单点支撑还是双点支撑的方案布置中，在有限的空间内如何更大程度提高承载能力，提高可靠性和寿命成为很大的困难，与此同时伴随着单向偏载以及系统振动、润滑条件不足等阻碍。

目前已装机的风力发电机中，大多数采用主轴轴承支撑结构，其主轴轴承一般分为两点支撑和三点支撑的布置形式。

图1 主轴轴承具有代表性的布置形式

2.1.1 主轴用调心滚子轴承技术方案

采用定位端加浮动端调心滚子轴承轴承的两点支撑形式是最典型的一种布置形式 ，在其中定位端轴承扮演着重要角色，既要满足对径向、轴向载荷的主要承载需求，具有一定的调心性能（通常要求大于0.3°)，还要求在低成本的要求下能够稳定运行20年。已有技术方案如下:

1）内部结构优化

目前大尺寸调心滚子轴承已有结构如图2所示，根据中隔圈的结构形式可分为固定中隔圈，浮动中隔圈和无中隔圈设计。相对于浮动中隔圈和无中隔圈的设计，固定中隔圈可以有效增加轴向刚度，降低在轴向力影响下的轴向移动距离，从而有效减少轴向力对齿轮箱的影响。同时固定中隔圈可以有效限制滚动体在移动时的摆动角度。而无中隔圈的设计的优势在于可以更充分地利用内部空间从而设计更大的滚动体和接触角，增加其轴向承载能力。

图2 大型调心滚子轴承结构类型

2）进一步提高滚子轴承额定动载荷系数 b m值

根据ISO 281中定义 b m值为“ 当代常用材料与加工质量的额定动载荷系数 ”【2】，用于计算基本额定动载荷。对于 b m值，由于材料的冶炼方式和轴承制造水平的差异，通常不同厂家会在测试验证或经验的基础上提供出来。对于调心滚子轴承，在ISO 281中定义精炼钢（真空脱气钢)约为1.0-1.15，电渣重熔钢(高级精炼钢)约为1.2-1.5。

对于大尺寸轴承产品，随着材料冶炼方式和生产制造水平的提高，目前更高纯度的轴承钢以及套圈、滚动体的超精工艺的使用，很大程度提高了轴承各个零部件的表面和内部质量，改善了摩擦状态，使得 b m系数的提高成为可能，从而一定程度上增加了轴承整体承载能力和使用寿命。

3）压缩游隙控制区间

轴承游隙对轴承的寿命和可靠性都有较大影响。轴承游隙过大，会导致轴承在运行时承载的滚子总体数量减少，加剧滚子点蚀磨损；游隙过小，会导致轴承易产生摩擦发热，温度升高，油膜破坏，严重时甚至造成轴承卡死。

由于标准游隙组别控制游隙范围较大，尤其是对于风电用大型轴承，往往单个标准游隙组别会达到0.2 mm以上，而轴向游隙则1 mm以上，这对可靠性要求很高的风电应用来说范围太大，容易因为工作游隙不理想导致提前失效，同时游隙的范围大还会对调心滚子轴承的调心性能产生不利影响。

所以在风电主轴应用中，考虑到实际的加工经济性，往往推荐使用标准游隙的一半作为风电用游隙，或是根据实际应用数据选择特殊游隙。

图3 大型风电调心滚子轴承游隙建议表

4）通过对滚动体进行修形

调心滚子修形，通常对数曲线为常用的修形曲线，能有效避免边缘应力的产生，以优化接触应力均匀分布，以降低摩擦因子PV值，降低早期磨损的风险。

图4  滚动体修形与非修形PV值对比

5）非对称式轴承设计 【3】

通过设置两列滚动体的接触角不同来满足单向承载的需求。在与传统对称式结构相比，该设计能在相同外形尺寸下，有效提高轴承轴向承载能力和刚度，从而一定程度上有效避免了另外一列滚动体打滑的风险。对于风电应用来说，往往选择240系列轴承是因为可以设计更大的接触角以增大轴向承载能力，非对称设计可以充分利用风力的单向性，提高对齿轮箱侧的接触角增大可行性，可以使用230系列去替代240系列轴承，如图所示，以此来减小轴承的尺寸。

图5 非对称设计调心滚子轴承

非对称轴承设计对风机厂家在不改变现有主要结构的基础上拥有更高性能的轴承提供了新的方向，从而大大降低了新机型或现有机型升级的成本与难度。

6）球墨铸铁保持架

对于大型风电主轴用调心滚子轴承，机加工黄铜保持架由于其易加工成型、机械性能佳、可回收利用、且有一定自润滑性，被广泛应用。其中铅黄铜因其成本低、机加工性能好被大量使用在保持架上。但是铅黄铜零件在使用过程中存在着铅溶出问题，易造成环境污染，含铅黄铜保持架在不久的未来将面临无法继续使用的境遇，而无铅黄铜则面临着较大成本压力，寻求一种可替代现有黄铜保持架的材料势在必行。

目前舍弗勒已开发出适用于大型调心滚子轴承的球墨铸铁保持架，其拥有更佳的机械性能，以及相当的制造成本。

图6 球墨铸铁保持架

因其具有更大的材料疲劳强度，故在原有黄铜保持架设计基础上增加轴承一定数量的滚动体将成为可能，其在一定程度上可以增加轴承的承载能力和使用寿命。同时，由于以往黄铜保持架设计在风电中较多使用240/241系列轴承，由于其宽度较宽，其保持架往往因需要顺利经过轴承外圈最小直径处后，安装到轴承内部，保持架外径不能过大，否则无法顺利安装；同时无法过小，否则保持架强度较低，容易过早失效。球墨铸铁保持架在一定程度上可以降低外径减少后的强度问题产生的风险。

2.1.2 主轴用圆锥滚子轴承技术方案

对于海上风电更大兆瓦级别的风机来说，选择轴向定位更好以及承载更高的双圆锥滚子轴承也成为行业趋势。除了如调心滚子轴承已有技术方案，包括适当的滚动体修形以降低边缘应力的风险，进一步提高承载能力bm系数外，圆锥滚子轴承将面临更大的挑战，主要在于尺寸大型化后机加工难度大，加工精度难以保证，保持架结构复杂，热处理工艺复杂以及生产效率低。面对挑战，已有技术方案有：

1）保持架结构优化

已有大型圆锥滚子保持架结构如下图所示

图7 不同结构类型的圆锥滚子轴承

机加工钢保持架 ，其特点在于加工精度高，润滑空间大，轴承装配需要辅助加热装置热装，其整体成本较高。

穿销保持架 ，其最大特点在于能充分利用周向空间填充更多的滚动体，最大化承载，其润滑空间有限，尤其是销钉与滚动体内径面的常常润滑不良，易造成异常磨损。其次其加工过程复杂，加之滚动体需要通过氮碳共渗工艺处理，其整体成本同样很高。

分段保持架 ，其拥有易装配，生产难度低，效率高等特点，但目前由于各个分段之间通常不设置连接装置，往往仅能用于双列圆锥滚子轴承上使用。

2）热处理工艺选择

利用无缝感应淬火可以有效预防大尺寸轴承白色裂纹产生，其拥有工件变形小，尺寸稳定性能高，高生产效率等。表面淬火后的套圈其拥有较高的表面硬度和较高的芯部冲击韧性。目前最大的困难在于针对不同尺寸感应淬火头的参数无法准确预测，需要不断测试才能确定，开发周期长。

2.2 海上风电轴承材料

材料是直接影响轴承最终性能好坏的重要因素，由于海上风电的特殊可靠性需求，使用的轴承材料品质要求很高。已知影响轴承钢材质量的主要因素有钢材的含氧量、碳化物、偏析和夹杂物。

其中钢材中的夹杂物和含氧量密切相关，夹杂物随着含氧量的提高而增多，夹杂物的含量基本上决定了轴承钢的接触疲劳寿命。目前国际上以日本的SANYO以及瑞典的OVAKO为代表的钢材厂商对传统钢材含氧量控制已经达到5×10-6以下【4】，在此基础上两家经过超高纯冶炼工艺的改进，分别研发出超高纯轴承钢（EP钢）和各向同性轴承钢(IQ钢)，对钢材的含氧量控制甚至达到(2-3)×10-6以下。另外国外针对轴承的长寿命、高精密、耐高温及其他特殊性能的要求，也相继开发了特殊热处理轴承钢（SHX钢)、低密度轴承材料（60NiTi)、耐高温轴承钢CSS—42L及高耐蚀轴承钢Cronidur 30等新型轴承材料。

国内钢材厂未来需要缩短与国外差距，需要进一步 提高轴承钢的洁净度，减小钢中夹杂物的含量与尺寸 ；通过工艺优化进一 步提高碳化物的均匀性，降低和消除液析、网状和带状碳化物 ；进一步 提高基体组织的晶粒度，使轴承钢的晶粒尺寸进一步细化 ； 减少低倍组织缺陷 ；进一步 降低轴承钢中的中心疏松、中心缩孔与中心成分偏析，提高低倍组织的均匀性 。

2.3 海上风电轴承表面处理

表面涂覆技术包括：物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、射频溅射(RF)、离子喷涂(PSC)、化学镀等，可提高轴承零件的耐磨性、接触疲劳抗力，并降低表面摩擦因数。目前根据几大轴承厂家的技术趋势，其中主要应用在风电主轴轴承上的涂层有以下几种：

2.3.1 黑化涂层

发黑涂层处理后轴承将拥有更好的跑和性能，拥有轻微的防腐蚀以及抗磨损的性能，同时涂层在一定程度上增强了抵抗白色腐蚀裂纹(WEC)的能力。在以往陆上风电实际使用过程当中，往往选择在滚动体表面做黑化涂层处理，但风机从陆上转移到海上后，由于工况更加复杂和恶劣，建议套圈和滚动体均做黑化处理。

2.3.2 DLC涂层

DLC涂层是一种表面超硬的涂层，其具有和金刚石涂层非常相近的性能，即极高的硬度、电阻率、导热系数等【5】，该涂层可减少混合摩擦条件下的摩擦和磨损，使得轴承寿命和耐磨性大幅度提高，避免了滚子轴承因滚动接触面间的滑动引起的黏着磨损(涂抹)。

2.3.3 柱状硬铬涂层

该涂层主要附着在内圈内径面上，它能提供高的耐磨损能力（高硬度），尤其是容易发生微动腐蚀的配合表面。

2.3.4 磷化涂层

该涂层常用在浮动端轴承的外径面上，主要用于改善紧急润滑和磨损保护。例如防止微动腐蚀或摩擦腐蚀，通过钝化或涂油的相应的后处理可暂时提高防腐蚀性能。

2.4 国内海上风电轴承制造现状

国内风电轴承的制造水平与国外仍存在很大差距，尤其是大兆瓦级别的轴承受制于加工设备和工艺水平。随着外资企业高端产品的本地化需求日益迫切，主要轴承厂商也在不断加速本地化进程。如舍弗勒集团在南京已建成4号工厂，专用于大型风电轴承的生产，分别可加工外径800~2000 mm以及2000 mm以上的调心滚子轴承、圆柱滚子轴承以及圆锥滚子轴承，通过引进国外大型生产设备以及工艺技术，已实现多个型号轴承量产。

国内的生产水平的提高助力国内风电市场快速发展，在保证产品质量按照风电最高标准的情况下，实现快速交付和更低的成本，最大程度保证客户的利益。

3 结论

目前海上风电的特殊应用工况对轴承的承载能力、可靠性和使用寿命提出更高的要求。对于大尺寸海上风电用轴承未来可以从轴承设计、材料、表面处理以及工艺等诸多方面进行改善。对于轴承设计，需要进一步提高整体的承载能力，包括更优的结构特征，包括接触优化，对保持架的结构形式和材料选择，尤其对圆锥滚子轴承，需要考虑如何简化机加工过程和热处理方式等；对于材料，如何缩短与国外的差距，包括进一步提高轴承钢的洁净度，减小钢中夹杂物的含量与尺寸，提高碳化物的均匀性等；对于表面处理，开发更优的表面处理技术，包括如何解决边界摩擦以及外界污染物介入后的润滑问题等。

第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。美国和我国的第三代战机均采用300M钢（抗拉强度1950MPa）起落架制造技术。

应该指出的是，材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。如空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求。由此，新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。

飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。俄罗斯米格－1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。

国外还发展了超高强度齿轮（轴承）钢，如CSS-42L、GearmetC69等，并在发动机、直升机和宇航中试用。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。更多精彩内容欢迎关注“航空制造网”公号

《全球铁合金网》2011-3-25：自飞机诞生来，航空领域从来就是先进材料技术展现风采、争奇斗艳的大舞台。1903年莱特兄弟驾驶的第一架飞机是用木头和布做成的，但是，随着飞机需要承受的载荷越来越重，环境越来越严苛，金属材料开始成为机体航空材料的主流。典型的就是铝合金的使用，直到现在，铝合金仍然是民用航空器的主要材料。随着工业技术的快速进步，钛合金、复合材料越来越多地应用在航空飞行器上，从军用飞机到民用飞机，从小型直升机到大型固定翼飞机，从小零件到主结构部件无一例外。钛合金、复合材料俨然已经成为先进飞机的代名词。

材料与飞机在相互推动下不断发展，航空材料一直发挥着先导和基础作用。按照使用部位的不同，航空材料可分为机体材料和发动机材料。在现代材料科学与技术的发展历程中，机体材料不仅引领飞行器自身的发展，而且还带动了地面交通工具以及空间飞行器的进步。而发动机材料的发展则不断促进动力产业和能源行业的推陈出新。

“一代材料，一代飞机”是航空工业发展的生动写照。机体材料至今已经历了四个发展阶段，正在跨入第五阶段。第一阶段是从1903年到1919年，机体采用木、布结构第二阶段是1920年到1949年，产生了铝合金和钢的机身材料第三个阶段是从 1956年到1969年，飞机材料中增加了钛第四个阶段是1970年至今，其特点是增加了复合材料。

2006年2月9日，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，其第四章里确定了大型飞机等16个国家级重大专项。大飞机专项的关键技术包括发动机、材料和电子设备等三项，而事实上，发动机和电子设备的发展基础依然是材料，即高温合金材料和电子、微电子材料等，再次凸显航空材料在飞机、发动机发展中的关键作用。本文将以现代飞机和发动机中最重要的高温合金、铝合金、钛合金、超高强度钢、复合材料等5大类结构材料为例，浅谈这些材料的发展历程(代别)及其对航空装备的推动和支撑作用。

高温合金

高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3(Al、Ti)强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，同时，又相继发展了 Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。

在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。

我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K 系列的铸造高温合金，同时发结构材料为例，浅谈这些材料的发展历程(代别)及其对航空装备的推动和支撑作用。

高温合金

高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3(Al、Ti)强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，同时，又相继发展了 Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。

在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。

我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K 系列的铸造高温合金，同时发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。

70年代后，在高温合金的研制中，我国引进了欧美技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。尤其是 DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金的研究与发展，使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶。

近几年来，根据新型飞机的研制发展需求，我国高温合金研发又进入新阶段。通过新材料、新工艺的发展和应用，我国研制和生产了一系列高性能新合金。

铝合金

铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度较低，在同样的强度水平下可提供截面更厚的材料，在受压时的抗屈曲能力更佳，因此铝合金成了经典的飞机结构材料。

欧美国家航空铝合金的发展已经历了第一代静强度铝合金、第二代耐腐蚀铝合金和第三代高纯铝合金。

20世纪80年代末至90 年代中期，精密热处理技术及合金成分精确控制等关键技术取得突破，第四代耐损伤铝合金2524-T3和7150-T77研制成功，这是航空铝合金研究跨时代的进步。传统铝合金因此完成了向高性能铝合金的里程碑式大发展。

在第四代铝合金技术发展的同时，铝锂合金也被运用在先进的特大型民用飞机上。空客A380选用铝锂合金制造地板梁，空客A350选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量预计高达总结构重量的23%。

第四代铝合金技术研制成功之后，国际上正在进行低成本铝合金的研制开发工作。2003年美铝公司提出了“20-20计划”：20年内使飞机的制造成本降低20%，同时实现减重20%。

国内航空铝合金的发展已走过几个发展阶段。总的来说，我国铝合金的研制主要瞄准国际先进水平，但关键技术的突破以及品种、规格的系列化发展和工程应用水平距离国外还有较大差距，亟待建立第三、四代铝合金的完善材料体系。

钛合金

铝合金所能承受的温度载荷有限，20世纪70年代，航空材料进入钛合金时代。由于钛合金成形及切削加工非常困难、与某些化学品接触时性能会发生变化等特点，各飞机制造公司为钛合金材料的研制付出巨大努力。

1.飞机结构钛合金材料

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，因而在先进飞机及发动机上获得了广泛应用。当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一。钛合金占F-22战斗机机体结构重量的39%。钛合金在国外民用飞机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。

高损伤容限性能是新一代战斗机(包括高推比发动机)长寿命、高机动性、低成本和损伤容限设计需要的重要材料性能指标。美国率先把破损安全设计概念和损伤容限设计准则成功应用在先进战斗机上，F-22战斗机大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以满足高减重和长寿命的设计需求。

Ti-6Al-4V ELI在美国C-17军用运输机上的特大型锻件上得到重要应用，高强度钛合金Ti-6-22-22S也在C-17飞机上的水平尾翼接头(转轴)等关键部位上得到应用。这两种钛合金的使用，使大型运输机的寿命高达60000 飞行小时以上。在欧洲，空客A380是首架全钛挂架的飞机，未来的A350也将采用全钛挂架。

2.航空发动机用高温钛合金

高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件，这些零件要求材料在高温工作条件下(300~600℃)具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350℃提高到了600℃。

我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有 TC4和TC6，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片。500℃左右工作的高温钛合金有TC11、TA15和TA7合金，其中 TC11是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金。

单纯采用固溶强化的钛合金难以满足600℃以上温度环境对蠕变抗力和强度的要求。有序强化的钛-铝系金属间化合物因其高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，而成为600℃以上温度非常有使用潜力的候选材料，其中 Ti3Al基合金长期工作温度在650℃左右，而TiAl基合金工作温度可达760℃~800℃。

超高强度钢

超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。

第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。美国和我国的第三代战机均采用300M钢(抗拉强度1950MPa)起落架制造技术。

应该指出的是，材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。如空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求。由此，新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。

飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。俄罗斯米格-1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。

国外还发展了超高强度齿轮(轴承)钢，如CSS-42L、GearmetC69等，并在发动机、直升机和宇航中试用。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。

复合材料

在飞机、发动机结构材料家族中，复合材料是一位新成员。材料科学的发展造就了高强度、高模量、低比重的碳纤维，从而掀开了先进复合材料时代的序幕。日本于 1959年首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，并于20世纪60年代初将其投入工业化生产70年代中期以碳纤维为增强相的先进复合材料诞生。航空用的复合材料种类不少，其中的绝对主力就是树脂基碳纤维复合材料。因为碳纤维是目前已知的比强度、比刚度最好的材料。它比铝还要轻，比钢还要硬，其比重是铁的四分之一，比强度是铁的十倍而且化学组成非常稳定，还具有高抗腐蚀性，适用于航空和航天飞行器。

碳纤维增强复合材料通常以环氧树脂基复合材料为代表。对航空结构而言，这种复合材料的压缩强度(Compression Strength)和韧性(冲击后压缩强度，简称 CAI/Compression After Impact strength)已成为代别的主要指标，目前已发展到第三代，并已广泛进入军民机产品。

在航空复合材料应用的进程中，军机、民机、直升机、无人机各自走过相似的发展道路。军机上复合材料的应用大致可分为三个阶段。

第一阶段，复合材料主要用于舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等操纵面上，受力较小，制件尺寸较小，大约于20世纪70年代初即已实现

第二阶段，复合材料开始应用于垂尾、平尾等受力较大、尺寸较大的尾翼级部件，其中，美国F-14战斗机在1971年把硼纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，被称为复合材料史上的一个里程碑。自20世纪70年代初至今，国外军机尾翼级的部件均已用复合材料制造。

第三阶段，复合材料进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主要承力结构中。其中，美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。此后，国外军机群起仿效，几乎都采用了复合材料机翼。目前世界军机上复合材料用量约占全机结构重量的 20%～50%不等。

民机既强调安全性也强调经济性，同样对结构减重有迫切需求。以美国为例，复合材料在大型民机上的应用，大致走过了四个阶段，体现了循序渐进的原则。

第一阶段，复合材料主要应用在受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件，该阶段于上世纪70年代中期实现。

第二阶段，受力较小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等开始应用复合材料制造，该阶段约于80年代中期结束。我国ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大致在这个阶段。

第三阶段，复合材料应用在受力较大的部件，主要是垂尾、平尾等，如波音公司B777的复合材料垂尾、平尾。波音777共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。

第四阶段，复合材料应用于飞机最主要受力部件机翼、机身等，如波音公司的B787“梦想”飞机，代表了飞机结构复合材料化的发展趋势。波音787飞机共使用复合材料50%，超过了铝、钛、钢金属材料的总和，主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。

直升机包括军用、民用和轻型直升机三类，先进复合材料在各种直升机上的用量均很大。如V-22可垂直起落，倾转旋翼后又能高速巡航，该机结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克。美国武装直升机“科曼奇”(RAH- 66)共使用复合材料50%，欧洲最新的“虎”式武装直升机复合材料用量高达80%，接近全复合材料结构。我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由复合材料制成。

无人机包括无人作战机、无人侦察机和各种小型、微型、超微型无人机。军用无人机具有的低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程的技术特点，决定了其对减重的迫切需求，因此复合材料用量都很大，鲜明地体现了飞机结构复合材料化的趋势。美国波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机基本上为全复合材料飞机。

航空发动机应用复合材料可以大幅度提高其推重比，因此先进复合材料已成为未来发动机关键材料之一。发动机除使用树脂基复合材料外，因温度要求的关系，还会用到金属基、陶瓷基、碳/碳等复合材料。

结语

如引言所述，飞机材料的发展已经进入第五阶段，总趋势是复合材料和钛合金的用量不断增多，创历史新高。美国C-17大型军用运输机的钛用量占全机材料重量的 10.3%(钛零件总重6.8吨)，复合材料用量达8.1%空客A380的复合材料用量22%，钛合金用量10%波音787复合材料用量50%，钛用量15%空客A350的复合材料用量52%，钛合金用量9%。航空材料品种虽然没有发生大变化，但材料的性能、品质，特别是与前几阶段在飞机上的应用比例相比，却发生了极大的变化。在这些数据的背后，更多的是材料科学技术的跨越式发展和创新与进步。

我国航空材料工业从跟踪仿制开始，已经走过了数十年的发展历程，经历了好几个发展阶段和材料代别，但相对于国际航空材料技术的先进水平，我国航空材料技术还有相当大的差距。为此，国家提出“探索一代、预研一代、研制一代、生产一代”的划代发展思想，航空材料科学技术作为这“四个一代”发展的技术引领者和技术推动者，应该更加强化创新，超前部署，厚积薄发。中航工业北京航空材料研究院是国内唯一面向航空，从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究和工程化研究的综合性科研机构，志在“引领航空材料技术，打造高新材料产业”，成为航空材料的“领跑者”。可以相信，随着国民经济的进一步发展，我国航空材料科学技术一定会迎来一个蓬勃发展的春天。