新材料在机械装备减量化中的促进作用

高技术新材料是高新技术推动下发展起来的一类新材料，具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能。目前，复合材料、轻金属、高温合金等新型材料应用和研究重点开始从航空航天、国防军工等领域扩展到汽车等行业。装备零部件的减量化发展需求促进了高技术新材料的开发应用，在提高新一代飞机和航空发动机性能的工作中，新材料结构的贡献率为50%～70%；在减少飞机和发动机重量工作中，制造技术和材料的贡献率占70%～80%。美国波音公司于2007年7月初正式推出了“绿色”喷气客机787Dreamliner，并于2008年在日本的全日空航线上投入商业服务。787Dreamliner绝大部分使用高科技塑料复合材料代替铝材质。飞机主要结构的50%左右，包括机身和机翼，均采用复合材料如碳纤维制成。机身整体采用复合材料制造，无需使用1500块铝板材和40000～50000个紧固件。与传统材料相比，复合材料更为强固和轻巧，因此提高了燃油利用效率。这种中型客机长途飞行所耗用燃料可节约高达20%，同时减少温室气体排放。

在汽车等交通行业，对于一辆成品汽车而言，整体重量减少10%，燃油经济性会改善6%～8%，同时减少CO₂的排放量，对节能环保意义重大。而轻量化基本依赖于新材料在汽车上的应用。目前，汽车上有60多种零件可采用镁合金生产，如离合器外壳、变速器外壳、方向盘、座椅支架、仪表盘框架等。北美正在使用和研制中的镁合金汽车零部件已多达100多种。BMW公司将其Z22车型的水冷发动机曲轴箱的设计以铸铝材料来接触曲柄轴承，外层用镁合金材料包覆，该设计使得曲轴箱箱体重量比原设计轻10kg左右，较同尺寸铝制品减轻25%。美国福特汽车公司单车采用30个镁合金压铸件，通用公司采用45个镁合金压铸件，克莱斯勒公司采用20个镁合金铸件，单车用镁合金重量为20～40kg。通用汽车公司采用奥贝球铁代替淬火钢生产汽车后桥螺旋伞齿轮，节约能耗50%，成本降低40%。美国Smith铸造厂生产的ADI驱动轮铸件，由原先需要84件钢零件装配而成，目前设计为1件整体铸造而成，重量减轻15%，成本降低55%。磁悬浮列车上底盘部分主要结构部件均为铝合金铸件，每列列车共有十几种200多件，铸件基本壁厚为6～8mm，铸件中最大尺寸达2000mm以上，最小壁厚2mm。而超高强度钢板可以通过减小壁厚或截面积尺寸减轻车重，在实现轻量化方面优势明显，其强度高达1500MPa以上，是铝合金的5倍，而密度只有铝合金的3倍，成本比铝质车身减少30%，性价比出众。

钛合金材料由于具有比强度高和耐蚀性好等特点，目前得到越来越广泛的应用。其精铸件越来越向着大尺寸、薄壁复杂的方向发展，如载人航天系列飞船和登月工程空间相机的基座、机身，大型武器装备的仓体、进气道，化工、船舶的泵、阀，鼓风机叶轮等。上述钛合金铸件最大尺寸均在1000mm以上，有的尺寸达1500～2000mm。(www.xing528.com)

为了满足超临界汽轮机组高参数设计要求，制造超纯净钢汽轮机低压转子锻件，国外已用超纯净3.5%NiCrMoV钢取代传统3.5%NiCrMoV低压转子钢，避免了其回火脆性。由于这种超纯净钢要求将引起回火脆性的Mn、Si、P、Sn、Sb、As等元素控制在极低的含量以下，生产时必须采用电炉初炼、精炼炉精炼，并进行真空浇注，以保证化学成分的严格要求和成分均匀性。由于低压转子所用的钢锭重量大，一般都在230t以上，而对于60万kW机组，如采用单根低压转子，其钢锭重量则要超过360t。因此，这种超纯净钢汽轮机低压转子锻件的生产，对冶炼和铸锭的技术及装备提出更高要求。

自20世纪80年代末开始，美国能源部同时资助了桑地亚国家实验室、洛斯·阿拉莫斯国家实验室和密歇根大学三家机构进行基于激光沉积的快速制造研究。到了21世纪初，各种基于激光沉积的快速制造技术得到深入研究和快速发展。除激光沉积形成表面涂层之外，激光沉积近型、激光沉积快速成形等技术也先后问世。激光沉积首次应用于发动机制造是劳斯莱斯汽车公司对RB211涡轮发动机壳体结合部件进行硬面沉积。随后在西欧以及美、日等国，激光沉积技术被陆续用于发动机缸套、曲轴、活塞环、换向器等零部件的表面处理或直接成形。众多生产厂商采用激光沉积技术应用于生产，发展了一系列沉积层/基材的组合：不锈钢/低碳钢、镍/低碳钢、青铜/低碳钢等等。有数据表明：汽车发动机排气阀密封面激光沉积硬面合金的耐磨性比基体材料提高5倍以上。为提高轻金属镁合金的耐磨损和耐腐蚀性能，对镁合金进行了多种材料的激光沉积。在复合镁合金表面沉积Al-Cu合金以提高耐腐蚀性能；在镁合金表面沉积铝硅合金及碳化物混合粉末以提高耐磨损性能等。铝合金零件表面沉积一层特种耐磨合金也走向工业应用，采用大功率CO₂激光同步送粉沉积技术在铸造铝合金基体上沉积过共晶铝硅合金，沉积层的平均硬度较基体提高了一倍。而采用AlSiCuNi合金粉末激光沉积，沉积层平均硬度较过共晶铝硅合金沉积层的硬度又提高了一倍。利用激光沉积技术，不但可以恢复零部件由于磨损、腐蚀、开裂等造成的尺寸超差，还可以通过沉积材料的合理选择提升和赋予其更高更新的性能和功能。