Luchtvaartproductie is het meest geconcentreerde gebied van hightech en behoort tot geavanceerde productietechnologie. Bijvoorbeeld de F119-motor ontwikkeld door Pratt & Whitney uit de Verenigde Staten, de F120-motor van General Electric Company, de M88-2-motor van SNECMA Company uit Frankrijk en de EJ200-motor die gezamenlijk is ontwikkeld door het Verenigd Koninkrijk, Duitsland , Italië en Spanje. Het is vermeldenswaard dat deze vliegtuigmotoren, die 's werelds meest geavanceerde niveau vertegenwoordigen, als gemeenschappelijk kenmerk hebben dat ze nieuwe materialen, nieuwe processen en nieuwe technologieën gebruiken. De zeven nieuwe gebruikte materialen worden respectievelijk als volgt geïntroduceerd:
1
Koolstof/Koolstofcomposiet
Wat zijn koolstof/koolstofcomposieten? Het is een koolstofmatrixcomposietmateriaal versterkt door koolstofvezel en zijn stof, met een lage dichtheid (<2.0g/cm3), high strength, high specific modulus, high thermal conductivity, low expansion coefficient, good friction performance, and good thermal shock resistance , high dimensional stability, etc., especially the few candidate materials used above 1650 °C, the highest theoretical temperature is as high as 2600 °C, so it is considered to be one of the most promising high-temperature materials in the world.
Hoewel koolstof/koolstofcomposieten veel uitstekende eigenschappen bij hoge temperaturen hebben, ondergaan ze oxidatiereacties in een aerobe omgeving met een temperatuur hoger dan 400 graden, wat resulteert in een sterke achteruitgang van de eigenschappen van het materiaal. Daarom moeten bij de toepassing van koolstof/koolstofcomposieten in aerobe omgevingen met hoge temperaturen oxidatiebeschermingsmaatregelen worden getroffen. De oxidatiebescherming van koolstof/koolstofcomposieten gebeurt voornamelijk via de volgende twee manieren, dat wil zeggen, de matrixmodificatie en de passivering van oppervlakteactieve punten kunnen worden gebruikt om koolstof/koolstofcomposieten bij lagere temperaturen te beschermen; naarmate de temperatuur stijgt, moet de coatingmethode worden gebruikt om het koolstof / koolstofcomposietmateriaal te isoleren van direct contact met zuurstof, om het doel van oxidatiebescherming te bereiken. Op dit moment is de methode van coaten de meest gebruikte methode. Met de voortdurende vooruitgang van wetenschap en technologie wordt er steeds meer vertrouwd op de ultrahoge temperatuurprestaties van koolstof/koolstofcomposietmaterialen, en de enige haalbare oplossing voor oxidatiebescherming onder ultrahoge temperatuuromstandigheden kan alleen coatingbescherming zijn. .
Het is vermeldenswaard dat op C/C gebaseerde composietmaterialen een nieuw materiaal zijn met een hogere temperatuurbestendigheid dat de afgelopen jaren wereldwijd de meeste aandacht heeft gekregen. Omdat alleen C/C-composietmaterialen worden beschouwd als de enige opvolgermaterialen voor turbinerotorbladen met een stuwkracht-gewichtsverhouding van meer dan 20 en een motorinlaattemperatuur van 1930-2227 graden. Het hoogste strategische doel dat wordt nagestreefd door ontwikkelde industrielanden.
Het zogenaamde op C/C gebaseerde composietmateriaal is een koolstofvezelversterkt koolstofbasiscomposietmateriaal, dat de vuurvaste eigenschappen van koolstof combineert met de hoge sterkte en hoge stijfheid van koolstofvezel, waardoor het niet-bros wordt. Omdat op C/C gebaseerde composietmaterialen een laag gewicht, hoge sterkte, superieure thermische stabiliteit en uitstekende thermische geleidbaarheid hebben, zijn ze tegenwoordig de meest ideale materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen, vooral in omgevingen met hoge temperaturen van 1000-1300 graden C De kracht nam niet alleen niet af, maar kon ook toenemen. Vooral als het onder de 1650 graden is, behoudt het nog steeds de kracht en gratie bij kamertemperatuur. Daarom hebben op C/C gebaseerde composieten een groot ontwikkelingspotentieel in de lucht- en ruimtevaartproductie.
Het is vermeldenswaard dat een van de grootste problemen van C/C-gebaseerde composietmaterialen bij de toepassing van vliegtuigmotoren een slechte oxidatieweerstand is. Daarom hebben de Verenigde Staten de afgelopen jaren een reeks technologische maatregelen genomen om dit probleem op te lossen en geleidelijk toegepast op de nieuwe motor. Zo zijn het staartmondstuk van de naverbrander op de Amerikaanse F119-motor, het mondstuk en de verbrandingskamermondstuk van de F100-motor en sommige delen van de verbrandingskamer van de F120-verificatiemachine gemaakt van C/C-gebaseerde composietmaterialen. Een ander voorbeeld is de Franse M88-2-motor, en de brandstofinjectiestang, het hitteschild en het mondstuk van de naverbrander van de Mirage 2000-motor maken ook gebruik van op C/C gebaseerde composietmaterialen.
2
Nieuw materiaal van ultrasterk staal
Wat is ultrahogesterktestaal? Halverwege-1940 ontwikkelden de Verenigde Staten Cr-Mo-staal (AISI4130) en Cr-Ni-Mo-staal (AISI 4340). Na afschrikken en temperen bij lage temperatuur waren de treksterktes respectievelijk 170 en 190 kgf/mm2. In de vroege jaren 1950 werden Si en V toegevoegd aan AISI 4340 staal om 300M te maken met een treksterkte van 190~210kgf/mm2. In 1960 maakte de International Nickel Company maragingstaal met een treksterkte van ongeveer 180 kgf/mm2, breuktaaiheid tot 390 kgf/mm. In de jaren zeventig verlaagden de Verenigde Staten C en verhoogden Si op basis van 300M, verbeterde taaiheid en ontwikkelden zich tot HP310-staal; op basis van maragingstaal ontwikkelde het zich tot AF1410-staal, met een treksterkte van 170 kgf/mm2 en een breuktaaiheid van 400 kgf/mm2 mm.
afbeelding
Het is vermeldenswaard dat ultrasterk staal een hoge treksterkte moet hebben en voldoende taaiheid moet behouden. Het vereist ook een grote specifieke sterkte (verhouding van sterkte tot dichtheid) en een hoge opbrengstverhouding (σs/σb) om het gewicht van de component te verminderen, en moet goede lasbaarheid en vervormbaarheid en andere proceseigenschappen hebben. Ultrasterk staal stelt zeer hoge eisen aan de metallurgische kwaliteit en wordt vaak gesmolten door middel van een elektrische vlamboogoven en door elektroslak om te smelten. Staalsoorten die een hoge zuiverheid vereisen, worden meestal gesmolten in vacuüminductieovens of vacuümverbruikbare vlamboogovens. Bij middelhoge en laaggelegeerde ultrahogesterktestaalsoorten moet worden voorkomen dat ze tijdens de warmtebehandeling ontkolen; Maraging-staalsoorten en precipitatiehardende roestvaste staalsoorten kunnen met een vaste oplossing worden behandeld in gewone verwarmingsovens. Voor het lassen moet beschermgaslassen of argonwolfraambooglassen worden gebruikt. Sommige laaggelegeerde ultrasterke staalsoorten met een hoog koolstofgehalte (ongeveer 0,4 procent) moeten onmiddellijk na het lassen spanningsvrij worden gegloeid.
Het is vermeldenswaard dat ultrasterk staal wordt gebruikt als materiaal voor landingsgestellen in vliegtuigen. Zo is het landingsgestel dat in het vliegtuig van de tweede generatie wordt gebruikt, gemaakt van 30CrMnSiNi2A-staal met een treksterkte van 1700 MPa. Dit soort landingsgestel heeft een korte levensduur van ongeveer 2000 vlieguren.
Een ander voorbeeld is dat het ontwerp van de straaljager van de derde generatie een levensduur van het landingsgestel vereist van meer dan 5,{2}} vlieguren. Tegelijkertijd neemt, als gevolg van de toename van luchtlandingsapparatuur, de gewichtscoëfficiënt van de vliegtuigconstructie af en worden er hogere eisen gesteld aan de selectie van landingsgestelmaterialen en fabricagetechnologie. Zowel de VS als onze derde generatie gevechtsvliegtuigen gebruiken 300M staal (treksterkte 1950MPa) landingsgesteltechnologie.
In feite bevordert de verbetering van de materiaaltoepassingstechnologie de verdere verlenging van de levensduur van het landingsgestel en de uitbreiding van het aanpassingsvermogen. Het landingsgestel van het Europese Airbus A380-vliegtuig maakt bijvoorbeeld gebruik van supergrote integrale smeedsmeedtechnologie, nieuwe warmtebehandelingstechnologie voor atmosfeerbescherming en snelle vlamspuittechnologie, zodat de levensduur van het landingsgestel kan voldoen aan de ontwerpvereisten. Daarom zorgde de introductie van nieuwe materialen en fabricagetechnieken voor de vervanging van vliegtuigen.
afbeelding
Zoals we allemaal weten, stelt het duurzame ontwerp van vliegtuigen in een corrosiebestendige omgeving hogere eisen aan materialen. AerMet100-staal heeft bijvoorbeeld hetzelfde sterkteniveau als 300M-staal, maar de algemene corrosieweerstand en weerstand tegen spanningscorrosie zijn aanzienlijk beter dan die van 300M-staal. De bijpassende fabricagetechnologie voor landingsgestellen is toegepast op geavanceerde vliegtuigen zoals F/A-18E/F, F-22 en F-35. Hogere sterkte Aermet310-staal heeft een lagere breuktaaiheid en wordt voortdurend ontwikkeld en verbeterd. De scheurgroeisnelheid van het schadetolerante ultrahogesterktestaal AF1410 is extreem langzaam, dat kan worden gebruikt als de verbinding van de actuator van de vleugel van het B-1-vliegtuig, dat 10,6 procent lichter is dan Ti -6Al-4V, met 60 procent hogere verwerkingsprestaties en 30,3 procent lagere kosten . De hoeveelheid hoogwaardig roestvrij staal die wordt gebruikt in de Russische Smig-1.42 is bijvoorbeeld maar liefst 30 procent. PH13-8Mo is het enige zeer sterke martensitische precipitatiehardende roestvrij staal dat veel wordt gebruikt als corrosiebestendige componenten. Er zijn ook internationaal zeer sterke tandwiel (lager) staalsoorten ontwikkeld, zoals CSS-42L, Gearmet C69, enz., en deze zijn gebruikt in motoren, helikopters en ruimtevaart.
3
Legeringsmateriaal op hoge temperatuur
Wat zijn superlegeringen? Legeringen op hoge temperatuur zijn eigenlijk onderverdeeld in drie soorten materialen: 760 graden hoge temperatuur materialen, 1200 graden hoge temperatuur materialen en 1500 graden hoge temperatuur materialen, met een treksterkte van 800MPa. Met andere woorden, het verwijst naar metalen materialen op hoge temperatuur die lange tijd werken onder 760-1500 graden en bepaalde stressomstandigheden. Zijn belangrijke kenmerken: het heeft een uitstekende sterkte bij hoge temperaturen, goede weerstand tegen oxidatie en thermische corrosie, goede vermoeidheidsprestaties, breuktaaiheid en andere uitgebreide eigenschappen, en is een onvervangbaar sleutelmateriaal geworden voor de hot-end onderdelen van gasturbinemotoren voor militaire en civiele wereldwijd gebruiken.
760 graden hoge temperatuur materialen Sinds het einde van de jaren dertig begonnen Groot-Brittannië, Duitsland, de Verenigde Staten en andere landen superlegeringen te bestuderen. Om aan de behoeften van nieuwe vliegtuigmotoren te voldoen, ging tijdens de Tweede Wereldoorlog het onderzoek naar en het gebruik van superlegeringen een periode van snelle ontwikkeling in. Begin jaren 40 voegde het Verenigd Koninkrijk voor het eerst een kleine hoeveelheid aluminium en titanium toe aan de 80Ni-20Cr-legering om een 'fase (gammaprime) te vormen voor versterking, en ontwikkelde de eerste legering op nikkelbasis met een hoge -temperatuur sterkte. Om te voldoen aan de behoeften van de ontwikkeling van turbocompressoren voor zuigervliegtuigmotoren, begonnen de Verenigde Staten in deze periode Vitallium-kobaltlegeringen te gebruiken om bladen te maken.
afbeelding
Het is vermeldenswaard dat de Verenigde Staten ook Inconel-nikkellegeringen hebben ontwikkeld om verbrandingskamers voor straalmotoren te maken. Later, om de sterkte bij hoge temperaturen van de legering verder te verbeteren, voegden metallurgen elementen zoals wolfraam, molybdeen en kobalt toe aan de op nikkel gebaseerde legering om het gehalte aan aluminium en titanium te verhogen, en ontwikkelden ze een reeks legeringen, zoals als "Nimonic" in het Verenigd Koninkrijk en "Nimonic" in de Verenigde Staten. "Mar-M" en "IN", enz.; het toevoegen van nikkel, wolfraam en andere elementen aan de op kobalt gebaseerde legeringen om een verscheidenheid aan legeringen voor hoge temperaturen te ontwikkelen, zoals X-45, HA-188, FSX-414, enz. door het gebrek aan kobaltbronnen is de ontwikkeling van op kobalt gebaseerde superlegeringen beperkt.
In de jaren veertig werden ook op ijzer gebaseerde superlegeringen ontwikkeld. In de jaren vijftig verschenen kwaliteiten zoals A-286 en Incoloy901, maar vanwege de slechte stabiliteit bij hoge temperaturen verliep de ontwikkeling traag. De voormalige Sovjet-Unie begon in 1950 met de productie van op nikkel gebaseerde superlegeringen van het merk "ЭИ", en produceerde later "ЭП" -reeksen van vervormde superlegeringen en ЖС-reeksen van gegoten superlegeringen. In de jaren 1970 namen de Verenigde Staten ook een nieuw productieproces over om directionele kristallisatiebladen en poedermetallurgieturbineschijven te vervaardigen, en ontwikkelden ze legeringscomponenten voor hoge temperaturen, zoals monokristallijne bladen om te voldoen aan de behoeften van de voortdurende stijging van de inlaattemperatuur van aerodynamica. -motor turbines.
Superlegeringen zijn ontwikkeld om te voldoen aan de zeer veeleisende eisen van straalmotoren op het gebied van materialen, en zijn een onvervangbaar sleutelmateriaal geworden voor hot-endcomponenten van militaire en civiele gasturbinemotoren. In geavanceerde vliegtuigmotoren heeft het aandeel hogetemperatuurlegeringen meer dan 50 procent bereikt.
De ontwikkeling van legeringen voor hoge temperaturen hangt nauw samen met de technologische vooruitgang van vliegtuigmotoren, vooral de turbineschijf, het turbinebladmateriaal en het fabricageproces van de hot-end onderdelen van de motor zijn belangrijke symbolen van motorontwikkeling. Vanwege de hoge eisen aan de hoge temperatuurbestendigheid en het spanningsdragend vermogen van het materiaal, werd in de begintijd in het VK de met Ni3 (Al, Ti) versterkte Nimonic80-legering ontwikkeld, die werd gebruikt als materiaal voor het turbineblad van de turbojet motor. Bovendien werd de legering van de Nimonic-serie continu doorontwikkeld. De Verenigde Staten hebben dispersieversterkte legeringen op basis van nikkel ontwikkeld die aluminium en titanium bevatten, zoals de Inconel-, Mar-M- en Udmit-legeringen, ontwikkeld door respectievelijk de beroemde Pratt & Whitney Company, GE Company en Special Metals Company.
afbeelding
In het ontwikkelingsproces van superlegeringen speelt het fabricageproces een grote rol bij het bevorderen van de ontwikkeling van legeringen. Door de opkomst van vacuümsmelttechnologie heeft de verwijdering van schadelijke onzuiverheden en gassen in legeringen, met name de nauwkeurige regeling van de legeringssamenstelling, de prestaties van superlegeringen continu verbeterd. Met name het succesvolle onderzoek naar nieuwe technologieën zoals directionele stolling, monokristallijne groei, poedermetallurgie, mechanische legering, keramische kern, keramische filtratie en isotherm smeden heeft de snelle ontwikkeling van superlegeringen bevorderd. Onder hen is de directionele stollingstechnologie de meest prominente. De directionele en monokristallijne legering geproduceerd door het directionele stollingsproces heeft een gebruikstemperatuur die dicht bij 90 procent van het aanvankelijke smeltpunt ligt. Daarom gebruiken geavanceerde vliegtuigmotorschoepen over de hele wereld directionele monokristallijne legeringen om turbineschoepen te vervaardigen. Vanuit een mondiaal perspectief hebben gegoten superlegeringen op basis van nikkel gelijkassige kristallen, directioneel gestolde kolomvormige kristallen en monokristallijne legeringssystemen gevormd. Poedersuperlegeringen zijn ook ontwikkeld vanaf de eerste generatie van 650 graden tot 750 graden, 850 graden poederturbineschijven en dual-performance poederschijven voor die geavanceerde krachtige motoren.
4
keramische matrixcomposieten
Wat zijn keramische matrixcomposieten? Het is een soort composietmateriaal dat keramiek als matrix en verschillende vezels gebruikt. De keramische matrix kan structurele keramiek op hoge temperatuur zijn, zoals siliciumnitride en siliciumcarbide. Deze geavanceerde keramiek heeft uitstekende eigenschappen zoals weerstand tegen hoge temperaturen, hoge sterkte en stijfheid, relatief licht gewicht en corrosieweerstand. De fatale zwakte is dat ze broos zijn. Wanneer ze onder spanning staan, zullen ze barsten of zelfs breken om materiaalfalen te veroorzaken. Het gebruik van zeer sterke, zeer elastische vezel- en matrixcomposiet is een effectieve methode om de taaiheid en betrouwbaarheid van keramiek te verbeteren. Vezels kunnen voorkomen dat scheuren uitzetten, waardoor vezelversterkte keramische matrixcomposieten met een uitstekende taaiheid worden verkregen.
afbeelding
Keramische matrixcomposieten zijn gebruikt als spuitmonden voor vloeibare raketmotoren, raketradomes, neuskegels van spaceshuttles, remschijven voor vliegtuigen en hoogwaardige remschijven voor auto's, enz., En worden een belangrijke tak van hightech nieuwe materialen.
Omdat keramische materialen een uitstekende slijtvastheid, hoge hardheid en goede corrosieweerstand hebben, worden ze veel gebruikt. Het grootste nadeel van keramiek is echter dat het bros is en gevoelig voor scheuren en poriën. Sinds de jaren tachtig hebben keramische matrixcomposieten, verkregen door deeltjes, snorharen en vezels aan keramische materialen toe te voegen, de taaiheid van keramiek aanzienlijk verbeterd.
Keramische matrixcomposieten hebben een hoge sterkte, hoge modulus, lage dichtheid, hoge temperatuurbestendigheid, slijtvastheid en corrosieweerstand en goede taaiheid, en zijn gebruikt in snijgereedschappen met hoge snelheid en componenten voor verbrandingsmotoren. De ontwikkeling van dit type materiaal is echter relatief laat en het potentieel ervan moet nog verder worden ontwikkeld. De focus van het onderzoek is om het toe te passen op materialen voor hoge temperaturen en slijtvaste en corrosiebestendige materialen, zoals verbeterde turbines voor krachtige verbrandingsmotoren, thermische componenten voor ruimtevaartvoertuigen en voertuigmotoren in plaats van metalen, petrochemische containers , afvalverbrandingsinstallaties, enz.
Bij keramiek denken mensen natuurlijk aan de broosheid ervan. Als het meer dan tien jaar geleden als een dragend onderdeel in de techniek werd gebruikt, was het voor niemand mogelijk om het te accepteren. Tot nu toe, als het gaat om keramische composietmaterialen, zijn sommige mensen misschien niet duidelijk, omdat ze denken dat keramiek en metalen oorspronkelijk twee irrelevante materialen zijn. Sinds mensen echter op een slimme manier keramiek en metalen combineerden, heeft het concept van mensen van dit materiaal een fundamentele verandering ondergaan, namelijk keramische matrixcomposieten.
Keramisch matrixcomposietmateriaal is een veelbelovend nieuw structureel materiaal op het gebied van de luchtvaartindustrie, vooral bij de toepassing van de fabricage van vliegtuigmotoren, het toont steeds meer zijn uniekheid. Naast de voordelen van lichtgewicht en hoge hardheid, hebben keramische matrixcomposieten ook een uitstekende weerstand tegen hoge temperaturen en corrosieweerstand bij hoge temperaturen. Op dit moment hebben keramische matrixcomposieten metalen hittebestendige materialen overtroffen in termen van hoge temperatuurbestendigheid en hebben ze goede mechanische eigenschappen en chemische stabiliteit. Het zijn ideale en uitstekende materialen voor gebieden met hoge temperaturen van krachtige turbinemotoren.
afbeelding
Landen over de hele wereld richten zich op onderzoek naar met siliciumnitride en siliciumcarbide versterkt keramiek om te voldoen aan de materiaaleisen van de volgende generatie geavanceerde motoren
materialen, en heeft grote vooruitgang geboekt, vooral in moderne vliegtuigmotoren. Zo zijn de F120-motor van de Amerikaanse verificatiemachine, de hogedrukturbine-afdichtinrichting en sommige hoge-temperatuuronderdelen van de verbrandingskamer allemaal gemaakt van keramisch materiaal. Een ander voorbeeld: de verbrandingskamer en het mondstuk van de Franse M88-2-motor gebruiken ook keramische matrixcomposieten.
5
Nieuwe materialen van intermetallische verbindingen
Wat zijn intermetallische verbindingen? Verbindingen van metalen en metalen of metalen en metalloïden (zoals H, B, N, S, P, C, Si, enz.). De atomen van de twee metalen worden in een bepaalde verhouding gecombineerd om een legeringssamenstelling te vormen die verschilt van de originele twee kristalroosters. Intermetallische verbindingen zijn nieuwe soorten materialen die veel aandacht hebben gekregen.
afbeelding
In feite heeft de ontwikkeling van krachtige vliegtuigmotoren met een hoge stuwkracht-gewichtsverhouding de ontwikkeling en toepassing van intermetallische verbindingen bevorderd. Intermetallische verbindingen zijn over het algemeen verbindingen die zijn samengesteld uit binaire, ternaire of uit meerdere elementen bestaande metaalelementen. Intermetallische verbindingen hebben een groot potentieel in structurele toepassingen bij hoge temperaturen. Het heeft een hoge gebruikstemperatuur, specifieke sterkte, thermische geleidbaarheid en vooral bij hoge temperaturen heeft het ook een goede oxidatieweerstand, corrosieweerstand en hoge kruipsterkte. . Bovendien, omdat de intermetallische verbinding een nieuw materiaal is tussen de superlegering en het keramische materiaal, vult het de opening tussen de twee materialen, zodat het een van de ideale materialen wordt voor hoge-temperatuurcomponenten van vliegtuigmotoren.
In de wereldwijde vliegtuigmotorstructuur zijn onderzoek en ontwikkeling voornamelijk gericht op intermetallische verbindingen zoals titanium-aluminium en nikkel-aluminium. Deze titanium-aluminiumverbindingen hebben in principe dezelfde dichtheid als titanium, maar hebben een hogere gebruikstemperatuur. De bedrijfstemperaturen van TiAl zijn bijvoorbeeld respectievelijk 816 graden en 982 graden. De intermetallische verbinding heeft een sterke binding tussen atomen en een complexe kristalstructuur, waardoor het moeilijk te vervormen is, en het is hard en broos bij kamertemperatuur. Na jaren van experimenteel onderzoek is met succes een nieuw type legering met hoge temperatuursterkte, plasticiteit en taaiheid bij kamertemperatuur ontwikkeld en geïnstalleerd en gebruikt, en het effect is zeer goed. De krachtige F119-motor in de Verenigde Staten gebruikt bijvoorbeeld intermetallische verbindingen in de behuizing en turbineschijven, en de compressorbladen en -schijven van de F120-motor van de verificatiemachine gebruiken nieuwe titanium-aluminium intermetallische verbindingen.
6
hars matrix composieten
Wat zijn harsmatrixcomposieten? Het is een vezelversterkt materiaal op basis van een organisch polymeer, waarbij meestal gebruik wordt gemaakt van vezelversterkingen zoals glasvezel, koolstofvezel, basaltvezel of aramidevezel. Op hars gebaseerde composietmaterialen worden veel gebruikt in de luchtvaart-, auto- en scheepvaartindustrie.
afbeelding
De harsmatrix van composietmaterialen is voornamelijk thermohardende hars. Al in de jaren 40 werden met glasvezel versterkte kunststoffen gebruikt als radarkoepels op straaljagers en bommenwerpers. In de jaren zestig gebruikten de Verenigde Staten met boorvezels versterkte epoxyhars als roeren, horizontale stabilisatoren, achterranden van vleugels, roerdeuren, enz. Op militaire vliegtuigen zoals F-4 en F-111. In termen van raketproductie, eind jaren vijftig, gebruikte de behuizing van de vaste raketmotor van de tweede trap van de Amerikaanse onderzeese middellangeafstandsraket "Polaris A -2" glasvezelversterkte epoxyharswikkelonderdelen, die beter zijn dan stalen omhulsels. 27 procent lichter; later werd hoogwaardige glasvezel gebruikt in plaats van gewone glasvezel om "Polaris A-3" te maken, waardoor het schaalgewicht 50 procent lichter was dan dat van stalen schaal, zodat het bereik van "Polaris A{{ 12}}" raket werd gewijzigd van 2700 duizend meter verhoogd tot 4500 km. In de jaren 70 werd aramidevezel gebruikt in plaats van glasvezel om epoxyhars te versterken, en de sterkte werd sterk verbeterd, terwijl het gewicht werd verminderd. Met koolstofvezel versterkte epoxyharscomposieten worden veel gebruikt in vliegtuigen, raketten, satellieten en andere constructies.
Het onderzoek naar de toepassing van op hars gebaseerde composietmaterialen in turbofanmotoren voor de luchtvaart begon in de jaren vijftig. Na meer dan 60 jaar ontwikkeling hebben GE, PW, RR, MTU, SNECMA en andere bedrijven veel energie geïnvesteerd in onderzoek en ontwikkeling van op hars gebaseerde composietmaterialen, en er is grote vooruitgang geboekt en de engineering ervan heeft toegepast op turbofanmotoren voor actieve luchtvaart, en er is een tendens om de toepassing ervan verder uit te breiden.
De gebruikstemperatuur van harsmatrixcomposieten is over het algemeen niet hoger dan 350 graden. Daarom worden harsmatrixcomposieten voornamelijk gebruikt in het koude gedeelte van vliegtuigmotoren.
7
metaalmatrix composieten
Wat zijn metaalmatrixcomposieten? Het is een composietmateriaal dat kunstmatig wordt gecombineerd met metaal en zijn legering als matrix en een of meer metalen of niet-metalen versterkingen. De meeste van zijn versterkende materialen zijn anorganische niet-metalen, zoals keramiek, koolstof, grafiet en boor, enz., en metalen draden kunnen ook worden gebruikt. Samen met polymeermatrixcomposieten, keramische matrixcomposieten en koolstof/koolstofcomposieten vormt het een modern composietsysteem.
afbeelding
De kenmerken van metaalmatrixcomposietmaterialen: in termen van mechanica hebben ze een hoge dwars- en schuifsterkte, goede uitgebreide mechanische eigenschappen zoals taaiheid en vermoeidheid, en hebben ze ook thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid, slijtvastheid, kleine thermische uitzettingscoëfficiënt, goede demping , geen vochtopname en geen corrosieweerstand. Voordelen zoals veroudering en geen vervuiling. De specifieke sterkte van met koolstofvezel versterkte aluminium composietmaterialen is bijvoorbeeld 3 ~ 4 × 107 mm en de specifieke modulus is 6 ~ 8 × 109 mm. De specifieke modulus van met grafietvezel versterkt magnesium kan bijvoorbeeld 1,5 × 1010 mm bereiken en de thermische uitzettingscoëfficiënt is bijna nul.
Het is vermeldenswaard dat, in vergelijking met op hars gebaseerde composietmaterialen, op metaal gebaseerde composietmaterialen een goede taaiheid hebben, geen vocht opnemen en bestand zijn tegen relatief hoge temperaturen. De versterkende vezels van metaalmatrixcomposieten omvatten metaalvezels, zoals roestvrij staal, wolfraam, lood, nikkel-aluminium intermetallische verbindingen, enz.; keramische vezels, zoals aluminiumoxide, siliciumoxide, koolstof, boor, siliciumcarbide, enz.
De matrixmaterialen van metaalmatrixcomposieten omvatten aluminium, aluminiumlegering, magnesium, Chin en Chin-legeringen, hittebestendige legeringen, diamantlegeringen, enz. Onder hen zijn composietmaterialen op basis van aluminiumlegeringen, aluminiumlegeringen en ijzerlegeringen momenteel de belangrijkste keuzes . SiC-vezelversterkte Chin-legeringsmatrixcomposieten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om compressorschoepen te maken. Koolstofvezel- of aluminiumoxidevezelversterkte magnesium- of magnesiumlegeringmatrixcomposieten kunnen worden gebruikt om turbofanbladen te vervaardigen. Een ander voorbeeld is dat nikkel-chroom-aluminium-iridium vezelversterkte op nikkel gebaseerde legeringsmatrixcomposieten kunnen worden gebruikt om afdichtingselementen voor turbines en compressoren te vervaardigen.
Bovendien worden in het buitenland ventilatorhuizen, rotoren, compressorschijven en andere onderdelen allemaal gemaakt van metaalmatrixcomposieten. Maar een van de grootste problemen met dit soort composietmateriaal is dat het gemakkelijk is om te reageren tussen de versterkende vezel en het matrixmetaal om een brosse fase te produceren, wat de prestaties van het materiaal verslechtert. Vooral bij langdurig gebruik bij een hogere temperatuur is de reactie van de interface prominenter. De huidige oplossing is om geschikte coatings op het vezeloppervlak toe te voegen en het matrixmetaal te legeren volgens verschillende vezels en verschillende substraten, om de grensvlakreactie te vertragen en de betrouwbaarheid van de prestaties van het composietmateriaal te behouden.
afbeelding
Materialen die worden gebruikt in ventilatorbladen van motoren
Het ventilatorblad van de motor is het meest representatieve en zeer belangrijke onderdeel van de turbofanmotor en de prestaties van de turbofanmotor zijn nauw verwant aan de ontwikkeling ervan. Vergeleken met ventilatorbladen van titaniumlegering, hebben ventilatorbladen van harsmatrixcomposietmateriaal een zeer duidelijk voordeel bij het verminderen van het gewicht. Naast de voor de hand liggende voordelen van gewichtsvermindering, hebben de op hars gebaseerde composietventilatorbladen minder impact op de ventilatorbehuizing na impact, dus het is gunstig om de omsluiting van de ventilatorbehuizing te verbeteren.
De belangrijkste vertegenwoordigers van composiet ventilatorbladen voor commerciële toepassing in het buitenland zijn: motoren uit de GE90-serie voor B777, GEnx-motoren voor B787 en LEAP-X-motoren voor COMAC C919. Al in 1995 werd de GE90-94B-motor, uitgerust met ventilatorbladen van composietmateriaal op harsbasis, officieel in gebruik genomen, waarmee de technische toepassing van composietmaterialen op harsbasis in moderne hoogwaardige vliegtuigmotoren officieel werd gerealiseerd. . Op basis van een uitgebreide afweging van aerodynamica, vermoeidheidscycli met hoge en lage cycli en andere factoren, heeft GE een nieuw composiet ventilatorblad ontwikkeld voor de latere GE90-115B-motor.
In de 21e eeuw stimuleert de sterke vraag van vliegtuigmotoren naar composietmaterialen met een hoge schadetolerantie de verdere ontwikkeling van composietmateriaaltechnologie, en het is moeilijk om aan de eisen van materialen met een hoge schadetolerantie te voldoen door de taaiheid van koolstofvezel continu te verbeteren /epoxyhars prepregs. Als gevolg hiervan begonnen ventilatorbladen met een 3D geweven structuur composiet te verschijnen.
Materialen die worden gebruikt in de behuizing van de motorventilator
De behuizing van de motorventilator is het grootste stationaire onderdeel van een vliegtuigmotor en de gewichtsvermindering ervan heeft een directe invloed op de stuwkracht-gewichtsverhouding en de efficiëntie van een vliegtuigmotor. Daarom hebben buitenlandse OEM's van geavanceerde vliegtuigmotoren zich altijd ingezet voor gewichtsvermindering en structurele optimalisatie van de ventilatorbehuizing.
afbeelding
Materialen die worden gebruikt voor motorventilatorkappen
Omdat het een niet-hoofddragend onderdeel is, is de ventilatorkap een van de eerste onderdelen van composietmaterialen op een vliegtuigmotor. De ventilatorkap gemaakt van composietmaterialen kan zorgen voor een lichter gewicht, een vereenvoudigde anti-ijsstructuur, een betere corrosieweerstand en een betere weerstand tegen vermoeidheid. Zoals de RB211-motor van het beroemde RR-bedrijf, gebruiken de PW-bedrijf PW1000G en PW4000 op hars gebaseerde composietmaterialen om ventilatorkappen te maken.
Vergeleken met mainframes van vliegtuigmotoren hebben composietmaterialen op harsbasis een zeer brede toepassingsruimte in gondels van vliegtuigmotoren. Wereldwijde fabrikanten hebben op grote schaal op hars gebaseerde composietmaterialen gebruikt in gondelinlaten, stroomlijnkappen, stuwkrachtomkeerders en geluidsreducerende voeringen. Materiaal. Wat andere onderdelen betreft, worden op hars gebaseerde composietmaterialen in verschillende mate ook toegepast in ventilatorgeleidingsplaten van vliegtuigmotoren, lagerafdichtingsdeksels en afdekplaten.
