Letecká výroba je najkoncentrovanejšou oblasťou high-tech a patrí medzi pokročilé výrobné technológie. Napríklad motor F119 vyvinutý spoločnosťou Pratt & Whitney zo Spojených štátov, motor F120 spoločnosti General Electric Company, motor M88-2 spoločnosti SNECMA Company z Francúzska a motor EJ200 spoločne vyvinutý Spojeným kráľovstvom a Nemeckom , Taliansko a Španielsko. Za zmienku stojí, že tieto letecké motory predstavujúce najpokročilejšiu svetovú úroveň majú spoločnú črtu v používaní nových materiálov, nových procesov a nových technológií. Sedem nových použitých materiálov sa uvádza takto:
1
Karbón/karbónový kompozit
Čo sú uhlíkové/uhlíkové kompozity? Ide o kompozitný materiál s uhlíkovou matricou vystužený uhlíkovými vláknami a ich tkaninou s nízkou hustotou (<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.
Hoci kompozity uhlík/uhlík majú mnoho vynikajúcich vlastností pri vysokých teplotách, podliehajú oxidačným reakciám v aeróbnom prostredí s teplotou vyššou ako 400 stupňov, čo vedie k prudkému poklesu vlastností materiálu. Preto aplikácia uhlíkových/uhlíkových kompozitov vo vysokoteplotnom aeróbnom prostredí musí mať opatrenia na ochranu proti oxidácii. Oxidačná ochrana uhlíkových/uhlíkových kompozitov je hlavne prostredníctvom nasledujúcich dvoch spôsobov, to znamená, že modifikácia matrice a pasivácia povrchovo aktívnych bodov môžu byť použité na ochranu uhlík/uhlíkových kompozitov pri nižších teplotách; ako sa teplota zvyšuje, na izoláciu kompozitného materiálu uhlík/uhlík pred priamym kontaktom s kyslíkom, aby sa dosiahol účel ochrany proti oxidácii, sa musí použiť spôsob poťahovania. V súčasnosti je metóda náteru najpoužívanejšou metódou. S neustálym pokrokom vedy a techniky sa čoraz viac spolieha na výkon uhlíkových/uhlíkových kompozitných materiálov pri ultravysokých teplotách a jediným možným riešením ochrany proti oxidácii v podmienkach ultravysokých teplôt môže byť iba ochrana povlakom. .
Za zmienku stojí, že kompozitné materiály na báze C/C sú novým materiálom s vyššou teplotnou odolnosťou, ktorému sa vo svete v posledných rokoch venuje najväčšia pozornosť. Pretože iba C/C kompozitné materiály sa považujú za jediné nástupnícke materiály pre lopatky turbínového rotora s pomerom ťahu k hmotnosti viac ako 20 a vstupnou teplotou motora 1930-2227 stupňov. Najvyšší strategický cieľ, ktorý sledujú vyspelé priemyselné krajiny.
Takzvaný kompozitný materiál na báze C/C je základný uhlíkový kompozitný materiál vystužený uhlíkovými vláknami, ktorý kombinuje žiaruvzdorné vlastnosti uhlíka s vysokou pevnosťou a vysokou tuhosťou uhlíkových vlákien, vďaka čomu nie je krehký. Pretože kompozitné materiály na báze C/C majú nízku hmotnosť, vysokú pevnosť, vynikajúcu tepelnú stabilitu a vynikajúcu tepelnú vodivosť, sú dnes najideálnejšími materiálmi odolnými voči vysokým teplotám, najmä v prostrediach s vysokou teplotou 1000-1300 stupňa C Nielenže sa sila neznížila, ale dokázala sa zvýšiť. Najmä keď je pod 1650 stupňov, stále si zachováva pevnosť a pôvab pri izbovej teplote. Preto majú kompozity na báze C/C veľký rozvojový potenciál v leteckom priemysle.
Stojí za zmienku, že jedným z hlavných problémov kompozitných materiálov na báze C/C pri aplikácii leteckých motorov je slabá odolnosť voči oxidácii. Preto v posledných rokoch Spojené štáty prijali sériu technologických opatrení na vyriešenie tohto problému a postupne ich aplikovali na nový motor. Napríklad koncová dýza prídavného spaľovania na americkom motore F119, dýza a dýza spaľovacej komory motora F100 a niektoré časti spaľovacej komory overovacieho stroja F120 boli vyrobené z kompozitných materiálov na báze C/C. Ďalším príkladom je francúzsky motor M88-2 a vstrekovacia tyč paliva s prídavným spaľovaním, tepelný štít a tryska motora Mirage 2000 tiež používajú kompozitné materiály na báze C/C.
2
Nový materiál z ocele s ultra vysokou pevnosťou
Čo je ultra vysokopevnostná oceľ? V polovici{0}} rokov vyvinuli Spojené štáty Cr-Mo oceľ (AISI4130) a Cr-Ni-Mo oceľ (AISI 4340). Po kalení a nízkoteplotnom temperovaní boli pevnosti v ťahu 170 a 190 kgf/mm2. Začiatkom 50-tych rokov boli do ocele AISI 4340 pridané Si a V, aby sa vyrobila 300M s pevnosťou v ťahu 190~210kgf/mm2. V roku 1960 spoločnosť International Nickel Company vyrobila vysokopevnostnú oceľ s pevnosťou v ťahu asi 180 kgf/mm2, lomovou húževnatosťou až 390 kgf/mm. V 70. rokoch 20. storočia Spojené štáty znížili C a zvýšili Si na základe 300 M, zlepšili húževnatosť a vyvinuli oceľ HP310; na báze vysokopevnostnej ocele sa vyvinula na oceľ AF1410 s pevnosťou v ťahu 170 kgf/mm2 a lomovou húževnatosťou 400 kgf/mm2 mm.
obrázok
Stojí za zmienku, že ultravysokopevná oceľ musí mať vysokú pevnosť v ťahu a zachovať si dostatočnú húževnatosť. Vyžaduje tiež veľkú špecifickú pevnosť (pomer pevnosti k hustote) a vysoký pomer klzu (σs/σb) na zníženie hmotnosti komponentu a musí mať dobrú zvárateľnosť a tvárnosť a ďalšie procesné vlastnosti. Oceľ s ultra vysokou pevnosťou má veľmi vysoké požiadavky na metalurgickú kvalitu a často sa taví elektrickou oblúkovou pecou a elektrotroskovým pretavovaním. Typy ocele vyžadujúce vysokú čistotu sa väčšinou tavia vo vákuových indukčných peciach alebo vákuových spotrebných elektrických oblúkových peciach. Malo by sa zabrániť oduhličeniu stredne a nízkolegovaných ultravysokopevných ocelí počas tepelného spracovania; Martenzitické ocele a precipitačne kaliteľné nehrdzavejúce ocele môžu byť spracované v tuhom roztoku v bežných vykurovacích peciach. Na zváranie je potrebné použiť zváranie ochranným plynom alebo zváranie argónovým volfrámovým oblúkom. Niektoré nízkolegované ultravysokopevné ocele s vysokým obsahom uhlíka (približne 0,4 percenta) by mali byť ihneď po zváraní žíhané na odstránenie napätia.
Za zmienku stojí, že ako materiál podvozkov v lietadlách sa používa ultravysokopevná oceľ. Napríklad podvozok používaný v lietadle druhej generácie je vyrobený z ocele 30CrMnSiNi2A s pevnosťou v ťahu 1700 MPa. Tento druh podvozku má krátku životnosť asi 2000 letových hodín.
Ďalším príkladom je, že konštrukcia stíhačky tretej generácie vyžaduje, aby životnosť podvozku presiahla 5,000 letových hodín. Zároveň v dôsledku nárastu palubného vybavenia klesá koeficient hmotnosti konštrukcie lietadla a sú kladené vyššie požiadavky na výber materiálov podvozku a technológie výroby. USA aj naše stíhačky tretej generácie používajú technológiu výroby podvozkov z ocele 300M (pevnosť v ťahu 1950 MPa).
Zlepšenie technológie nanášania materiálov v skutočnosti podporuje ďalšie predĺženie životnosti podvozku a rozšírenie prispôsobivosti. Napríklad podvozok európskeho lietadla Airbus A380 využíva mimoriadne veľkú integrálnu technológiu kovania, novú technológiu tepelného spracovania na ochranu atmosféry a technológiu vysokorýchlostného striekania plameňom, takže životnosť podvozku môže spĺňať konštrukčné požiadavky. Preto zavedenie nových materiálov a výrobných techník zabezpečilo výmenu lietadiel.
obrázok
Ako všetci vieme, konštrukcia lietadiel s dlhou životnosťou v prostredí odolnom voči korózii kladie vyššie požiadavky na materiály. Napríklad oceľ AerMet100 má rovnakú úroveň pevnosti ako oceľ 300M, ale jej všeobecná odolnosť proti korózii a odolnosť proti korózii pod napätím sú výrazne lepšie ako u ocele 300M. Zodpovedajúca technológia výroby podvozku bola aplikovaná na pokročilé lietadlá, ako sú F/A-18E/F, F-22 a F-35. Oceľ Aermet310 s vyššou pevnosťou má nižšiu lomovú húževnatosť a neustále sa vyvíja a zdokonaľuje. Rýchlosť rastu trhlín na ultravysokopevnej oceli AF1410 odolnej voči poškodeniu je extrémne pomalá, čo sa dá použiť ako spoj pohonu krídla lietadla B-1, ktoré je o 10,6 percenta ľahšie ako Ti -6Al-4V so 60-percentným zvýšením výkonu spracovania a 30,3-percentným znížením nákladov . Napríklad množstvo vysoko pevnej nehrdzavejúcej ocele použitej v ruskom Smig-1.42 je až 30 percent . PH13-8Mo je jediná vysoko pevná martenzitická precipitátne kalená nehrdzavejúca oceľ široko používaná ako komponenty odolné voči korózii. Mimoriadne vysokopevnostné ozubené (ložiskové) ocele boli vyvinuté aj medzinárodne, ako napríklad CSS-42L, Gearmet C69 atď., a používajú sa v motoroch, vrtuľníkoch a leteckom priemysle.
3
Vysokoteplotný zliatinový materiál
Čo sú superzliatinové materiály? Vysokoteplotné zliatiny sú v skutočnosti rozdelené do troch typov materiálov: 760 stupňové vysokoteplotné materiály, 1200 stupňové vysokoteplotné materiály a 1500 stupňové vysokoteplotné materiály s pevnosťou v ťahu 800 MPa. Inými slovami, vzťahuje sa na vysokoteplotné kovové materiály, ktoré pracujú dlhú dobu pri 760-1500 stupňoch a určitých podmienkach namáhania. Jeho dôležité vlastnosti: má vynikajúcu pevnosť pri vysokých teplotách, dobrú odolnosť proti oxidácii a tepelnej korózii, dobrý únavový výkon, lomovú húževnatosť a ďalšie komplexné vlastnosti a stal sa nenahraditeľným kľúčovým materiálom pre horúce koncové časti motorov s plynovou turbínou pre vojenské a civilné účely. používať na celom svete.
760 stupňové vysokoteplotné materiály Od konca tridsiatych rokov minulého storočia začala Británia, Nemecko, Spojené štáty americké a ďalšie krajiny študovať superzliatiny. Počas druhej svetovej vojny, s cieľom uspokojiť potreby nových leteckých motorov, výskum a používanie superzliatin vstúpili do obdobia rýchleho rozvoja. Začiatkom štyridsiatych rokov Spojené kráľovstvo najprv pridalo malé množstvo hliníka a titánu do zliatiny 80Ni-20Cr, aby vytvorilo fázu (gama prime) na spevnenie, a vyvinulo prvú zliatinu na báze niklu s vysokým - teplotná pevnosť. V tomto období, aby sa vyhovelo potrebám vývoja turbodúchadiel pre piestové letecké motory, začali Spojené štáty americké používať zliatiny na báze kobaltu Vitallium na výrobu lopatiek.
obrázok
Za zmienku stojí, že Spojené štáty americké vyvinuli aj zliatiny na báze niklu Inconel na výrobu spaľovacích komôr pre prúdové motory. Neskôr, aby sa ďalej zlepšila pevnosť zliatiny pri vysokých teplotách, metalurgovia pridali do zliatiny na báze niklu prvky ako volfrám, molybdén a kobalt na zvýšenie obsahu hliníka a titánu a vyvinuli sériu zliatin, napr. ako "Nimonic" v Spojenom kráľovstve a "Nimonic" v Spojených štátoch. "Mar-M" a "IN" atď.; pridaním niklu, volfrámu a iných prvkov do zliatin na báze kobaltu sa vyvinuli rôzne vysokoteplotné zliatiny, ako napríklad X-45, HA-188, FSX-414 atď. nedostatok zdrojov kobaltu, vývoj superzliatin na báze kobaltu je obmedzený.
V 40. rokoch 20. storočia boli vyvinuté aj superzliatiny na báze železa. V 50-tych rokoch sa objavili triedy ako A-286 a Incoloy901, ale kvôli zlej stabilite pri vysokej teplote bol vývoj pomalý. Bývalý Sovietsky zväz začal vyrábať superzliatiny na báze niklu značky "ЭИ" v roku 1950 a neskôr vyrábal sériu deformovaných superzliatin "ЭП" a sériu odlievaných superzliatin ЖС. V 70-tych rokoch minulého storočia Spojené štáty tiež prijali nový výrobný proces na výrobu smerových kryštalizačných lopatiek a turbínových diskov práškovej metalurgie a vyvinuli komponenty z vysokoteplotnej zliatiny, ako sú lopatky z monokryštálov, aby vyhovovali potrebám neustáleho zvyšovania vstupnej teploty aerolínií. - motorové turbíny.
Superzliatiny sú vyvinuté tak, aby spĺňali veľmi náročné požiadavky prúdových motorov na materiály a stali sa nenahraditeľným kľúčovým materiálom pre komponenty horúceho konca vojenských a civilných motorov s plynovou turbínou. Vo vyspelých leteckých motoroch dosiahol podiel vysokoteplotných zliatin viac ako 50 percent.
Vývoj vysokoteplotných zliatin úzko súvisí s technologickým pokrokom leteckých motorov, najmä kotúč turbíny, materiál turbínových lopatiek a výrobný proces horúcich častí motora sú dôležitými symbolmi vývoja motora. Kvôli vysokým požiadavkám na odolnosť materiálu voči vysokej teplote a namáhavosti bola v počiatkoch v Spojenom kráľovstve vyvinutá zliatina Ni3 (Al, Ti) spevnená Nimonic80, ktorá sa používala ako materiál pre lopatku turbíny. prúdový motor. Okrem toho sa zliatina radu Nimonic neustále vyvíjala. Spojené štáty americké vyvinuli zliatiny na báze niklu spevnené disperziou obsahujúce hliník a titán, ako sú zliatiny radu Inconel, Mar-M a Udmit vyvinuté slávnou spoločnosťou Pratt & Whitney Company, GE Company a spoločnosťou Special Metals Company.
obrázok
V procese vývoja superzliatin hrá výrobný proces veľkú úlohu pri podpore vývoja zliatin. V dôsledku objavenia sa technológie vákuového tavenia, odstraňovanie škodlivých nečistôt a plynov v zliatinách, najmä presná kontrola zloženia zliatin, neustále zlepšovali výkon superzliatin. Najmä úspešný výskum nových technológií, ako je smerové tuhnutie, rast monokryštálov, prášková metalurgia, mechanické legovanie, keramické jadro, keramická filtrácia a izotermické kovanie, podporil rýchly vývoj superzliatin. Spomedzi nich je najvýraznejšia technológia smerového tuhnutia. Smerová a monokryštálová zliatina vyrobená procesom smerového tuhnutia má prevádzkovú teplotu blízku 90 percentám počiatočného bodu topenia. Preto pokročilé lopatky leteckých motorov na celom svete používajú na výrobu lopatiek turbíny smerové jednokryštálové zliatiny. Z globálneho hľadiska liate superzliatiny na báze niklu vytvorili rovnoosé kryštály, smerovo tuhnuté stĺpcové kryštály a systémy monokryštálových zliatin. Práškové superzliatiny boli tiež vyvinuté od prvej generácie 650-stupňových až 750-stupňových, 850-stupňových práškových turbínových kotúčov a dvojvýkonných práškových kotúčov pre tieto pokročilé vysokovýkonné motory.
4
kompozity s keramickou matricou
Čo sú keramické matricové kompozity? Ide o typ kompozitného materiálu, ktorý využíva keramiku ako matricu a rôzne vlákna. Keramickou matricou môže byť vysokoteplotná štruktúrna keramika, ako je nitrid kremíka a karbid kremíka. Táto pokročilá keramika má vynikajúce vlastnosti, ako je odolnosť voči vysokej teplote, vysoká pevnosť a tuhosť, relatívne nízka hmotnosť a odolnosť proti korózii. Osudnou slabosťou je, že sú krehké. Keď sú pod napätím, prasknú alebo sa dokonca zlomia, čo spôsobí zlyhanie materiálu. Použitie vysoko pevných, vysokoelastických vlákien a matricového kompozitu je efektívna metóda na zlepšenie húževnatosti a spoľahlivosti keramiky. Vlákna môžu zabrániť rozšíreniu trhlín, čím sa získajú vláknami vystužené kompozity s keramickou matricou s vynikajúcou húževnatosťou.
obrázok
Kompozity s keramickou matricou sa používajú ako trysky kvapalných raketových motorov, kryty rakiet, predné kužele raketoplánov, brzdové kotúče lietadiel a brzdové kotúče špičkových automobilov atď., čím sa stali dôležitým odvetvím nových špičkových materiálov.
Pretože keramické materiály majú vynikajúcu odolnosť proti opotrebeniu, vysokú tvrdosť a dobrú odolnosť proti korózii, boli široko používané. Najväčšou nevýhodou keramiky je však to, že je krehká a citlivá na praskliny a póry. Od 80. rokov 20. storočia kompozity s keramickou matricou získané pridaním častíc, fúzov a vlákien do keramických materiálov výrazne zlepšili húževnatosť keramiky.
Kompozity s keramickou matricou majú vysokú pevnosť, vysoký modul, nízku hustotu, odolnosť voči vysokej teplote, odolnosť proti opotrebovaniu a korózii a dobrú húževnatosť a používajú sa vo vysokorýchlostných rezných nástrojoch a komponentoch spaľovacích motorov. Vývoj tohto typu materiálu je však pomerne neskorý a jeho potenciál sa ešte musí ďalej rozvíjať. Ťažiskom výskumu je aplikovať ho na vysokoteplotné materiály a materiály odolné voči opotrebovaniu a korózii, ako sú zdokonalené turbíny pre vysokovýkonné spaľovacie motory, tepelné komponenty pre letecké dopravné prostriedky a motory vozidiel namiesto kovov, petrochemické kontajnery , zariadenia na spaľovanie odpadu a pod.
Keď sa povie keramika, ľudia prirodzene myslia na jej krehkosť. Ak sa pred viac ako desiatimi rokmi používal ako nosný diel v strojárskej oblasti, nemohol to nikto akceptovať. Až doteraz, pokiaľ ide o keramické kompozitné materiály, niektorí ľudia nemusia mať jasno, pretože si myslia, že keramika a kovy sú pôvodne dva nepodstatné materiály. Odkedy však ľudia šikovne skombinovali keramiku a kovy, ľudská koncepcia tohto materiálu prešla zásadnou zmenou, ktorou sú kompozity s keramickou matricou.
Kompozitný materiál s keramickou matricou je veľmi perspektívnym novým konštrukčným materiálom v oblasti leteckého priemyslu, najmä v aplikáciách výroby leteckých motorov čoraz viac ukazuje svoju jedinečnosť. Okrem výhod nízkej hmotnosti a vysokej tvrdosti majú kompozity s keramickou matricou tiež vynikajúcu odolnosť voči vysokým teplotám a odolnosť voči korózii pri vysokých teplotách. V súčasnosti kompozity s keramickou matricou prekonali kovové tepelne odolné materiály z hľadiska odolnosti voči vysokej teplote a majú dobré mechanické vlastnosti a chemickú stabilitu. Sú ideálnymi a vynikajúcimi materiálmi pre vysokoteplotné oblasti vysokovýkonných turbínových motorov.
obrázok
Krajiny po celom svete sa zameriavajú na výskum keramiky vystuženej nitridom kremíka a karbidom kremíka, aby splnili materiálové požiadavky ďalšej generácie pokročilých motorov.
materiálov a urobila veľký pokrok, najmä v moderných leteckých motoroch. Napríklad motor F120 amerického overovacieho stroja, jeho vysokotlakové tesniace zariadenie turbíny a niektoré vysokoteplotné časti spaľovacej komory sú vyrobené z keramických materiálov. Ďalší príklad, spaľovacia komora a tryska francúzskeho motora M88-2 tiež používajú kompozity s keramickou matricou.
5
Nové materiály intermetalických zlúčenín
Čo sú intermetalické zlúčeniny? Zlúčeniny kovov a kovov alebo kovov a metaloidov (ako H, B, N, S, P, C, Si atď.). Atómy týchto dvoch kovov sú v určitom pomere kombinované, aby vytvorili zliatinové zloženie, ktoré sa líši od pôvodných dvoch kryštálových mriežok. Intermetalické zlúčeniny sú nové typy materiálov, ktorým sa venuje široká pozornosť.
obrázok
V skutočnosti vývoj vysokovýkonných leteckých motorov s vysokým pomerom ťahu a hmotnosti podporil vývoj a aplikáciu intermetalických zlúčenín. Intermetalické zlúčeniny sú vo všeobecnosti zlúčeniny zložené z binárnych, ternárnych alebo viacprvkových kovových prvkov. Intermetalické zlúčeniny majú veľký potenciál vo vysokoteplotných štrukturálnych aplikáciách. Má vysokú prevádzkovú teplotu, špecifickú pevnosť, tepelnú vodivosť a najmä pri vysokej teplote má tiež dobrú odolnosť proti oxidácii, odolnosť proti korózii a vysokú pevnosť pri tečení. . Navyše, pretože intermetalická zmes je novým materiálom medzi superzliatinou a keramickým materiálom, vypĺňa medzeru medzi týmito dvoma materiálmi, takže sa stáva jedným z ideálnych materiálov pre vysokoteplotné komponenty leteckých motorov.
V globálnej štruktúre leteckých motorov sa výskum a vývoj sústreďuje najmä na intermetalické zlúčeniny, ako je titán-hliník a nikel-hliník. Tieto zlúčeniny titánu a hliníka majú v podstate rovnakú hustotu ako titán, ale majú vyššiu prevádzkovú teplotu. Napríklad prevádzkové teploty TiAl sú 816 stupňov a 982 stupňov. Intermetalická zlúčenina má silnú väzbu medzi atómami a zložitú kryštálovú štruktúru, čo sťažuje jej deformáciu a pri izbovej teplote je tvrdá a krehká. Po rokoch experimentálneho výskumu bol úspešne vyvinutý nový typ zliatiny s vysokou teplotnou pevnosťou, plasticitou a húževnatosťou pri izbovej teplote, ktorý bol inštalovaný a používaný a efekt je veľmi dobrý. Napríklad vysoko výkonný motor F119 v Spojených štátoch používa intermetalické zlúčeniny v skrini a kotúčoch turbíny a lopatky a kotúče kompresora motora overovacieho stroja F120 používajú nové intermetalické zlúčeniny titán-hliník.
6
kompozity so živicovou matricou
Čo sú kompozity so živicovou matricou? Ide o vláknom vystužený materiál na báze organického polyméru, zvyčajne využívajúci vláknité výstuže ako sklenené vlákno, uhlíkové vlákno, čadičové vlákno alebo aramidové vlákno. Kompozitné materiály na báze živice sú široko používané v leteckom, automobilovom a námornom priemysle.
obrázok
Živicová matrica kompozitných materiálov je hlavne termosetová živica. Už v 40. rokoch 20. storočia sa plasty vystužené sklenenými vláknami používali ako ochranné kryty na stíhačkách a bombardéroch. V 60. rokoch 20. storočia Spojené štáty používali epoxidovú živicu vystuženú bórovými vláknami ako kormidlá, horizontálne stabilizátory, zadné hrany krídel, dvere kormidla atď. na vojenských lietadlách, ako sú F-4 a F-111. Pokiaľ ide o výrobu rakiet, koncom 50-tych rokov sa v plášti druhého stupňa raketového motora na tuhé palivo americkej ponorkovej rakety stredného doletu „Polaris A-2“ používali časti vinutia z epoxidovej živice vystužené sklenenými vláknami, ktoré sú lepšie ako oceľové plášte. o 27 percent ľahší; neskôr sa na výrobu „Polaris A-3“ použilo vysokovýkonné sklenené vlákno namiesto obyčajného skleneného vlákna, vďaka čomu bola hmotnosť plášťa o 50 percent ľahšia ako hmotnosť oceľového plášťa, takže rad „Polaris A{{ 12}“ raketa bola zmenená z 2700 tisíc metrov zvýšená na 4500 km. V sedemdesiatych rokoch sa namiesto skleneného vlákna na vystuženie epoxidovej živice použilo aramidové vlákno a výrazne sa zlepšila pevnosť, pričom sa znížila hmotnosť. Kompozity z epoxidovej živice vystužené uhlíkovými vláknami sú široko používané v lietadlách, raketách, satelitoch a iných konštrukciách.
Výskum aplikácie kompozitných materiálov na báze živíc v leteckých turbodúchadlových motoroch sa začal v 50. rokoch minulého storočia. Po viac ako 60 rokoch vývoja investovali GE, PW, RR, MTU, SNECMA a ďalšie spoločnosti veľa energie do výskumu a vývoja kompozitných materiálov na báze živice a dosiahli veľký pokrok a jeho inžinierstvo bol aplikovaný v aktívnych leteckých turbodúchadlových motoroch a existuje tendencia jeho aplikácie ďalej rozširovať.
Prevádzková teplota kompozitov so živicovou matricou vo všeobecnosti nepresahuje 350 stupňov. Preto sa kompozity so živicovou matricou používajú hlavne v studených častiach leteckých motorov.
7
kompozity s kovovou matricou
Čo sú kompozity s kovovou matricou? Ide o kompozitný materiál, ktorý je umelo kombinovaný s kovom a jeho zliatinou ako matricou a jednou alebo viacerými kovovými alebo nekovovými výstužami. Väčšinu jej výstužných materiálov tvoria anorganické nekovy, ako je keramika, uhlík, grafit a bór atď., a možno použiť aj kovové drôty. Spolu s kompozitmi s polymérnou matricou, kompozitmi s keramickou matricou a kompozitmi uhlík/uhlík tvorí moderný kompozitný systém.
obrázok
Vlastnosti kompozitných materiálov s kovovou matricou: z hľadiska mechaniky majú vysokú priečnu a šmykovú pevnosť, dobré komplexné mechanické vlastnosti, ako je húževnatosť a únava, a tiež majú tepelnú vodivosť, elektrickú vodivosť, odolnosť proti opotrebovaniu, malý koeficient tepelnej rozťažnosti, dobré tlmenie , žiadna absorpcia vlhkosti a žiadna odolnosť proti korózii. Výhody ako starnutie a žiadne znečistenie. Napríklad špecifická pevnosť hliníkových kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami je 3 ~ 4 x 107 mm a špecifický modul je 6 ~ 8 x 109 mm. Napríklad špecifický modul horčíka vystuženého grafitovými vláknami môže dosiahnuť 1,5 × 1010 mm a jeho koeficient tepelnej rozťažnosti je takmer nulový.
Stojí za zmienku, že v porovnaní s kompozitnými materiálmi na báze živice majú kompozitné materiály na báze kovu dobrú húževnatosť, neabsorbujú vlhkosť a odolávajú relatívne vysokým teplotám. Výstužné vlákna kompozitov s kovovou matricou zahŕňajú kovové vlákna, ako je nehrdzavejúca oceľ, volfrám, olovo, intermetalické zlúčeniny niklu a hliníka atď.; keramické vlákna, ako je oxid hlinitý, oxid kremičitý, uhlík, bór, karbid kremíka atď.
Matricové materiály kompozitov s kovovou matricou zahŕňajú hliník, hliníkovú zliatinu, horčík, bradové a bradové zliatiny, žiaruvzdorné zliatiny, diamantové zliatiny atď. Spomedzi nich sú v súčasnosti hlavnou voľbou kompozitné materiály na báze hliníkových zliatin, hliníkových zliatin a zliatin železa. . Napríklad matricové kompozity zo zliatiny Chin vystužené SiC vláknami možno použiť na výrobu lopatiek kompresora. Na výrobu lopatiek turbodúchadla možno použiť matricové kompozity z horčíka alebo zliatiny horčíka vystužené uhlíkovými vláknami alebo aluminovými vláknami. Ďalším príkladom je, že matricové kompozity zliatiny na báze niklu vystužené niklom, chrómom, hliníkom a irídiom možno použiť na výrobu tesniacich prvkov pre turbíny a kompresory.
Okrem toho sú kryty ventilátorov, rotory, disky kompresorov a ďalšie diely v zahraničí vyrobené z kompozitov s kovovou matricou. Ale jedným z najväčších problémov tohto druhu kompozitného materiálu je, že je ľahké reagovať medzi výstužným vláknom a matricovým kovom za vzniku krehkej fázy, ktorá zhoršuje vlastnosti materiálu. Najmä pri dlhodobom používaní pri vyššej teplote je reakcia rozhrania výraznejšia. Súčasným riešením je pridať vhodné povlaky na povrch vlákna a legovať matricový kov podľa rôznych vlákien a rôznych substrátov, aby sa spomalila reakcia rozhrania a zachovala sa spoľahlivosť výkonu kompozitného materiálu.
obrázok
Materiály použité na lopatky ventilátora motora
Lopatka ventilátora motora je najreprezentatívnejšou a veľmi dôležitou súčasťou turboventilátorového motora a výkon turboventilátora úzko súvisí s jeho vývojom. V porovnaní s lopatkami ventilátora z titánovej zliatiny majú lopatky ventilátora z kompozitného materiálu so živicovou matricou veľmi zjavnú výhodu v znížení hmotnosti. Okrem zjavných výhod zníženia hmotnosti majú kompozitné lopatky ventilátora na báze živice menší vplyv na skriňu ventilátora po náraze, takže je výhodné zlepšiť uzavretie skrine ventilátora.
Hlavnými predstaviteľmi kompozitných lopatiek ventilátorov pre komerčné využitie v zahraničí sú: motory radu GE90 pre B777, motory GEnx pre B787 a motory LEAP-X pre COMAC C919. Už v roku 1995 bol oficiálne uvedený do komerčnej prevádzky motor GE90-94B vybavený lopatkami ventilátora z kompozitného materiálu na báze živice, čo znamená oficiálnu realizáciu inžinierskej aplikácie kompozitných materiálov na báze živice v moderných vysokovýkonných leteckých motoroch. . Na základe komplexného zváženia aerodynamiky, cyklov únavy pri vysokých a nízkych cykloch a ďalších faktorov spoločnosť GE vyvinula novú kompozitnú lopatku ventilátora pre nasledujúci motor GE90-115B.
V 21. storočí poháňa silný dopyt leteckých motorov po kompozitných materiáloch s vysokou odolnosťou voči poškodeniu ďalší vývoj technológie kompozitných materiálov a je ťažké splniť požiadavky materiálov s vysokou odolnosťou voči poškodeniu neustálym zlepšovaním húževnatosti uhlíkových vlákien. /predimpregnované epoxidové živice. V dôsledku toho sa začali objavovať lopatky ventilátora z kompozitu s 3D tkanou štruktúrou.
Materiály použité v skrini ventilátora motora
Skriňa ventilátora motora je najväčšou stacionárnou časťou leteckého motora a jeho zníženie hmotnosti priamo ovplyvní pomer ťahu k hmotnosti a účinnosť leteckého motora. Zahraniční pokročilí výrobcovia OEM leteckých motorov sa preto vždy zaviazali k zníženiu hmotnosti a štrukturálnej optimalizácii krytu ventilátora.
obrázok
Materiály použité na kryty ventilátorov motora
Pretože to nie je hlavný nosný komponent, kryt ventilátora je jedným z prvých dielov vyrobených z kompozitných materiálov na leteckom motore. Kryt ventilátora vyrobený z kompozitných materiálov môže poskytnúť nižšiu hmotnosť, zjednodušenú štruktúru proti námraze, lepšiu odolnosť proti korózii a lepšiu odolnosť proti únave. Napríklad motor RB211 slávnej spoločnosti RR, PW1000G a PW4000 spoločnosti PW používajú na prípravu uzáverov ventilátorov kompozitné materiály na báze živice.
V porovnaní s hlavnými rámami leteckých motorov majú kompozitné materiály na báze živice veľmi široký aplikačný priestor v gondolách leteckých motorov. Svetoví výrobcovia vo veľkej miere používajú kompozitné materiály na báze živice na vstupy do gondol, aerodynamické kryty, obraceče ťahu a obloženia na zníženie hluku. Materiál. Pokiaľ ide o ostatné časti, kompozitné materiály na báze živice sa v rôznej miere používajú aj v obežných doskách ventilátora leteckých motorov, tesniacich krytoch ložísk a krycích doskách.
