Produkcja lotnicza jest najbardziej skoncentrowaną dziedziną zaawansowanych technologii i należy do zaawansowanych technologii produkcji. Na przykład silnik F119 opracowany przez firmę Pratt & Whitney ze Stanów Zjednoczonych, silnik F120 firmy General Electric Company, silnik M{3}} firmy SNECMA z Francji oraz silnik EJ200 opracowany wspólnie przez Wielką Brytanię, Niemcy , Włoch i Hiszpanii. Warto wspomnieć, że te silniki lotnicze reprezentujące najbardziej zaawansowany światowy poziom mają wspólną cechę polegającą na stosowaniu nowych materiałów, nowych procesów i nowych technologii. Siedem nowych zastosowanych materiałów zostało wprowadzonych odpowiednio w następujący sposób:
1
Węgiel/kompozyt węglowy
Co to są kompozyty węgiel/węgiel? Jest to materiał kompozytowy z matrycą węglową wzmocniony włóknem węglowym i jego tkaniną, o niskiej gęstości (<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.
Chociaż kompozyty węgiel/węgiel mają wiele doskonałych właściwości wysokotemperaturowych, ulegają one reakcjom utleniania w środowisku tlenowym o temperaturze wyższej niż 400 stopni, co powoduje gwałtowny spadek właściwości materiału. Dlatego zastosowanie kompozytów węgiel/węgiel w środowiskach tlenowych o wysokiej temperaturze musi obejmować środki ochrony przed utlenianiem. Ochrona przed utlenianiem kompozytów węgiel/węgiel odbywa się głównie na dwa następujące sposoby, to znaczy modyfikację osnowy i pasywację punktów powierzchniowo czynnych można zastosować do ochrony kompozytów węgiel/węgiel w niższych temperaturach; wraz ze wzrostem temperatury należy zastosować metodę powlekania, aby odizolować materiał kompozytowy węgiel / węgiel od bezpośredniego kontaktu z tlenem, aby osiągnąć cel ochrony przed utlenianiem. Obecnie najczęściej stosowaną metodą jest metoda powlekania. Wraz z ciągłym rozwojem nauki i technologii w coraz większym stopniu polega się na działaniu materiałów kompozytowych węgiel/węgiel w bardzo wysokich temperaturach, a jedynym wykonalnym rozwiązaniem ochrony przed utlenianiem w warunkach bardzo wysokich temperatur może być jedynie ochrona powłokowa. .
Warto wspomnieć, że materiały kompozytowe na bazie C/C to nowy materiał o podwyższonej odporności na temperaturę, któremu w ostatnich latach poświęcono najwięcej uwagi na świecie. Ponieważ tylko materiały kompozytowe C/C są uważane za jedyne następcze materiały na łopaty wirnika turbiny o stosunku ciągu do masy większym niż 20 i temperaturze na wlocie do silnika 1930-2227 stopni. Najwyższy cel strategiczny, do którego dążą rozwinięte kraje uprzemysłowione.
Tak zwany materiał kompozytowy na bazie C/C to bazowy materiał kompozytowy wzmocniony włóknem węglowym, który łączy ogniotrwałe właściwości węgla z wysoką wytrzymałością i dużą sztywnością włókna węglowego, dzięki czemu jest niełamliwy. Ponieważ materiały kompozytowe na bazie C/C mają niewielką wagę, wysoką wytrzymałość, doskonałą stabilność termiczną i doskonałe przewodnictwo cieplne, są obecnie najbardziej idealnymi materiałami odpornymi na wysokie temperatury, zwłaszcza w środowiskach o wysokiej temperaturze 1000-1300 stopni C Siła nie tylko nie zmalała, ale mogła wzrosnąć. Zwłaszcza gdy jest poniżej 1650 stopni, nadal zachowuje siłę i wdzięk w temperaturze pokojowej. Dlatego kompozyty na bazie C/C mają ogromny potencjał rozwojowy w produkcji lotniczej.
Warto wspomnieć, że jednym z głównych problemów materiałów kompozytowych na bazie C/C w zastosowaniach silników lotniczych jest słaba odporność na utlenianie. Dlatego w ostatnich latach Stany Zjednoczone przyjęły szereg środków technologicznych w celu rozwiązania tego problemu i stopniowo zastosowały nowy silnik. Na przykład dysza ogonowa dopalacza w amerykańskim silniku F119, dysza i dysza komory spalania silnika F100 oraz niektóre części komory spalania maszyny weryfikacyjnej F120 zostały wykonane z materiałów kompozytowych na bazie C/C. Innym przykładem jest francuski silnik M88-2, a pręt wtrysku paliwa dopalacza, osłona termiczna i dysza silnika Mirage 2000 również wykorzystują materiały kompozytowe na bazie C/C.
2
Nowy materiał ze stali o ultra wysokiej wytrzymałości
Co to jest stal o ultra wysokiej wytrzymałości? W połowie-1940 wieku Stany Zjednoczone opracowały stal Cr-Mo (AISI4130) i stal Cr-Ni-Mo (AISI 4340). Po hartowaniu i odpuszczaniu w niskiej temperaturze wytrzymałość na rozciąganie wynosiła odpowiednio 170 i 190 kgf/mm2. We wczesnych latach pięćdziesiątych Si i V dodawano do stali AISI 4340, aby uzyskać 300M o wytrzymałości na rozciąganie 190~210kgf/mm2. W 1960 roku firma International Nickel Company wyprodukowała stal maraging o wytrzymałości na rozciąganie około 180 kgf/mm2 i odporności na pękanie do 390 kgf/mm. W latach siedemdziesiątych Stany Zjednoczone obniżyły C i zwiększyły Si na podstawie 300M, poprawiły wytrzymałość i rozwinęły się w stal HP310; na bazie stali maraging rozwinęła się w stal AF1410 o wytrzymałości na rozciąganie 170kgf/mm2 i odporności na pękanie 400kgf/mm2mm.
zdjęcie
Warto zauważyć, że stal ultra-wysokiej wytrzymałości musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością na rozciąganie i zachowywać wystarczającą udarność. Wymaga również dużej wytrzymałości właściwej (stosunek wytrzymałości do gęstości) i wysokiego współczynnika plastyczności (σs/σb) w celu zmniejszenia ciężaru elementu i musi mieć dobrą spawalność i odkształcalność oraz inne właściwości procesowe. Stal o bardzo wysokiej wytrzymałości ma bardzo wysokie wymagania dotyczące jakości metalurgicznej i często jest wytapiana w elektrycznym piecu łukowym i przetapianiu elektrożużlowym. Gatunki stali wymagające wysokiej czystości są najczęściej wytapiane w próżniowych piecach indukcyjnych lub próżniowych topliwych elektrycznych piecach łukowych. Należy zapobiegać odwęgleniu stali średnio- i niskostopowych o ultra wysokiej wytrzymałości podczas obróbki cieplnej; stale maraging i stale nierdzewne utwardzane wydzieleniowo można poddawać obróbce w roztworze stałym w zwykłych piecach grzewczych. Do spawania należy stosować spawanie w osłonie gazów ochronnych lub spawanie łukiem wolframowym w argonie. Niektóre niskostopowe stale o bardzo wysokiej wytrzymałości i wysokiej zawartości węgla (około 0,4 procent ) należy wyżarzać odprężająco natychmiast po spawaniu.
Warto wspomnieć, że stal o ultrawysokiej wytrzymałości stosowana jest jako materiał na podwozia samolotów. Przykładowo podwozie stosowane w samolotach drugiej generacji jest wykonane ze stali 30CrMnSiNi2A o wytrzymałości na rozciąganie 1700 MPa. Ten rodzaj podwozia ma krótką żywotność około 2000 godzin lotu.
Innym przykładem jest to, że projekt myśliwca trzeciej generacji wymaga, aby żywotność podwozia przekraczała 5,{2}} godzin lotu. Jednocześnie, w związku ze wzrostem wyposażenia pokładowego, maleje współczynnik masy konstrukcji statku powietrznego, a także stawiane są większe wymagania co do doboru materiałów podwozia i technologii wykonania. Zarówno amerykańskie, jak i nasze myśliwce trzeciej generacji wykorzystują technologię produkcji podwozia ze stali 300M (wytrzymałość na rozciąganie 1950 MPa).
W rzeczywistości doskonalenie technologii nakładania materiałów sprzyja dalszemu przedłużaniu żywotności podwozia i zwiększaniu zdolności adaptacyjnych. Na przykład podwozie europejskiego samolotu Airbus A380 przyjmuje bardzo dużą integralną technologię kucia kucia, nową technologię obróbki cieplnej chroniącej atmosferę i technologię szybkiego natryskiwania płomieniowego, dzięki czemu żywotność podwozia może spełniać wymagania projektowe. Dlatego wprowadzenie nowych materiałów i technik wytwarzania zapewniło wymianę samolotów.
zdjęcie
Jak wszyscy wiemy, projekt samolotu o długiej żywotności w środowisku odpornym na korozję stawia wyższe wymagania materiałowe. Na przykład stal AerMet100 ma taki sam poziom wytrzymałości jak stal 300M, ale jej ogólna odporność na korozję i odporność na korozję naprężeniową są znacznie lepsze niż stal 300M. Odpowiednia technologia produkcji podwozia została zastosowana w zaawansowanych samolotach, takich jak F/A-18E/F, F-22 i F-35. Stal Aermet310 o wyższej wytrzymałości ma niższą odporność na pękanie i jest stale rozwijana i ulepszana. Tempo wzrostu pęknięć odpornej na uszkodzenia ultra-wysokiej wytrzymałości stali AF1410 jest bardzo wolne, co może być wykorzystane jako przegub siłownika skrzydła samolotu B-1, który jest o 10,6 procent lżejszy niż Ti -6Al-4V, z 60-procentowym wzrostem wydajności przetwarzania i 30,3-procentową redukcją kosztów . Na przykład ilość wysokowytrzymałej stali nierdzewnej użytej w rosyjskim Smigu-1.42 wynosi aż 30 procent . PH{25}}Mo to jedyna martenzytyczna stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo o wysokiej wytrzymałości, szeroko stosowana jako elementy odporne na korozję. Stale przekładniowe (łożyskowe) o ultrawysokiej wytrzymałości zostały również opracowane na całym świecie, takie jak CSS{31}}L, Gearmet C69 itp., i są stosowane w silnikach, helikopterach i przemyśle lotniczym.
3
Materiał ze stopu o wysokiej temperaturze
Co to są materiały nadstopowe? Stopy wysokotemperaturowe są faktycznie podzielone na trzy rodzaje materiałów: materiały wysokotemperaturowe 760 stopni, materiały wysokotemperaturowe 1200 stopni i materiały wysokotemperaturowe 1500 stopni, o wytrzymałości na rozciąganie 800 MPa. Innymi słowy, odnosi się do wysokotemperaturowych materiałów metalowych, które działają przez długi czas w temperaturze 760-1500 stopnia i w określonych warunkach naprężeń. Jego ważne cechy: ma doskonałą wytrzymałość na wysokie temperatury, dobrą odporność na utlenianie i korozję termiczną, dobrą odporność na zmęczenie, odporność na pękanie i inne wszechstronne właściwości, i stał się niezastąpionym kluczowym materiałem na gorące części silników turbin gazowych dla wojska i cywilów używać na całym świecie.
Materiały wysokotemperaturowe o temperaturze 760 stopni Od późnych lat 30. Wielka Brytania, Niemcy, Stany Zjednoczone i inne kraje zaczęły badać nadstopy. W czasie II wojny światowej, aby sprostać potrzebom nowych silników lotniczych, badania i zastosowanie nadstopów weszły w okres szybkiego rozwoju. Na początku lat czterdziestych Wielka Brytania po raz pierwszy dodała niewielką ilość aluminium i tytanu do stopu 80Ni{6}}Cr, aby utworzyć fazę ' (gamma prime) do wzmocnienia, i opracowała pierwszy stop na bazie niklu o wysokiej - wytrzymałość temperaturowa. W tym okresie, aby sprostać potrzebom rozwoju turbosprężarek do tłokowych silników lotniczych, Stany Zjednoczone zaczęły wykorzystywać do produkcji łopat stopy Vitallium na bazie kobaltu.
zdjęcie
Warto wspomnieć, że Stany Zjednoczone opracowały również stopy na bazie niklu Inconel do wykonania komór spalania silników odrzutowych. Później, w celu dalszej poprawy wytrzymałości stopu w wysokich temperaturach, metalurdzy dodali do stopu na bazie niklu takie pierwiastki, jak wolfram, molibden i kobalt, aby zwiększyć zawartość aluminium i tytanu, i opracowali serię stopów, takich jak jako „Nimonic” w Wielkiej Brytanii i „Nimonic” w Stanach Zjednoczonych. „Mar-M” i „IN” itp.; dodawanie niklu, wolframu i innych pierwiastków do stopów na bazie kobaltu w celu uzyskania różnorodnych stopów żaroodpornych, takich jak X-45, HA-188, FSX-414 itp. brak zasobów kobaltu ogranicza rozwój nadstopów na bazie kobaltu.
W latach czterdziestych XX wieku opracowano również nadstopy na bazie żelaza. W latach pięćdziesiątych XX wieku pojawiły się gatunki takie jak A{3}} i Incoloy901, ale ze względu na słabą stabilność w wysokich temperaturach rozwój był powolny. Były Związek Radziecki zaczął produkować superstopy na bazie niklu marki „ЭИ” w 1950 r., A później wyprodukował serię zdeformowanych superstopów „ЭП” i serię odlewanych superstopów ЖС. W latach siedemdziesiątych Stany Zjednoczone przyjęły również nowy proces produkcyjny do produkcji łopatek do krystalizacji kierunkowej i tarcz turbin z metalurgii proszków oraz opracowały komponenty ze stopów wysokotemperaturowych, takie jak ostrza monokrystaliczne, aby sprostać potrzebom ciągłego wzrostu temperatury wlotowej aero -turbiny silnikowe.
Nadstopy są opracowywane, aby sprostać bardzo wysokim wymaganiom silników odrzutowych w zakresie materiałów i stały się niezastąpionym kluczowym materiałem do wojskowych i cywilnych części gorących końcówek silników turbin gazowych. W zaawansowanych silnikach lotniczych udział stopów żaroodpornych osiągnął ponad 50 procent.
Rozwój stopów żaroodpornych jest ściśle powiązany z postępem technologicznym silników lotniczych, zwłaszcza tarcza turbiny, materiał łopatek turbiny oraz proces wytwarzania gorących części silnika są ważnymi symbolami rozwoju silnika. Ze względu na wysokie wymagania dotyczące odporności na wysokie temperatury i obciążalności materiału, na początku w Wielkiej Brytanii opracowano wzmocniony Ni3 (Al, Ti) stop Nimonic80, który był stosowany jako materiał na łopatki turbiny silnik turboodrzutowy. Ponadto stale rozwijano stop serii Nimonic. Stany Zjednoczone opracowały wzmocnione dyspersyjnie stopy na bazie niklu zawierające aluminium i tytan, takie jak serie stopów Inconel, Mar-M i Udmit, opracowane odpowiednio przez słynną firmę Pratt & Whitney Company, GE Company i Special Metals Company.
zdjęcie
W procesie rozwoju nadstopów proces produkcyjny odgrywa wielką rolę w promowaniu rozwoju stopów. Dzięki pojawieniu się technologii topienia próżniowego, usuwanie szkodliwych zanieczyszczeń i gazów ze stopów, a zwłaszcza precyzyjna kontrola składu stopu, stale poprawia właściwości nadstopów. W szczególności udane badania nowych technologii, takich jak kierunkowe krzepnięcie, wzrost monokryształów, metalurgia proszków, mechaniczne stapianie, rdzeń ceramiczny, filtracja ceramiczna i kucie izotermiczne, przyczyniły się do szybkiego rozwoju nadstopów. Wśród nich najbardziej widoczna jest technologia kierunkowego krzepnięcia. Stop kierunkowy i monokrystaliczny wytwarzany w procesie kierunkowego krzepnięcia ma temperaturę użytkową bliską 90 procent początkowej temperatury topnienia. Dlatego zaawansowane łopaty silników lotniczych na całym świecie wykorzystują kierunkowe stopy monokrystaliczne do produkcji łopatek turbin. Z perspektywy globalnej odlewane nadstopy na bazie niklu utworzyły kryształy równoosiowe, kierunkowo zestalone kryształy kolumnowe i układy stopów monokrystalicznych. Nadstopy proszkowe zostały również opracowane z pierwszej generacji 650 stopni do 750 stopni, 850 stopni tarcz turbiny proszkowej i tarcz proszkowych o podwójnej wydajności dla tych zaawansowanych silników o wysokiej wydajności.
4
kompozyty na osnowie ceramicznej
Czym są kompozyty na osnowie ceramicznej? Jest to rodzaj materiału kompozytowego, który wykorzystuje ceramikę jako matrycę i różne włókna. Matrycą ceramiczną może być wysokotemperaturowa strukturalna ceramika, taka jak azotek krzemu i węglik krzemu. Ta zaawansowana ceramika ma doskonałe właściwości, takie jak odporność na wysoką temperaturę, wysoką wytrzymałość i sztywność, stosunkowo niewielką wagę i odporność na korozję. Fatalną słabością jest to, że są kruche. Kiedy są pod wpływem stresu, pękają, a nawet pękają, powodując uszkodzenie materiału. Zastosowanie wysokowytrzymałych, wysokoelastycznych włókien i kompozytów osnowych jest skuteczną metodą poprawy wytrzymałości i niezawodności ceramiki. Włókna mogą zapobiegać rozszerzaniu się pęknięć, uzyskując w ten sposób kompozyty z osnową ceramiczną wzmocnione włóknami o doskonałej wytrzymałości.
zdjęcie
Kompozyty z osnową ceramiczną były stosowane jako dysze silników rakietowych na paliwo ciekłe, osłony rakiet, stożki dziobowe promów kosmicznych, tarcze hamulcowe do samolotów i wysokiej klasy tarcze hamulcowe do samochodów itp., Stając się ważną gałęzią zaawansowanych technologicznie nowych materiałów.
Ponieważ materiały ceramiczne mają doskonałą odporność na zużycie, wysoką twardość i dobrą odporność na korozję, były szeroko stosowane. Jednak największą wadą ceramiki jest to, że jest krucha i wrażliwa na pęknięcia i pory. Od lat 80. XX wieku kompozyty z osnową ceramiczną otrzymywane przez dodawanie cząstek, wąsów i włókien do materiałów ceramicznych znacznie poprawiły wytrzymałość ceramiki.
Kompozyty z osnową ceramiczną mają wysoką wytrzymałość, wysoki moduł, niską gęstość, odporność na wysoką temperaturę, odporność na zużycie i korozję oraz dobrą ciągliwość i były stosowane w szybkich narzędziach skrawających i elementach silników spalinowych. Jednak rozwój tego rodzaju materiału jest stosunkowo późny, a jego potencjał nie został jeszcze rozwinięty. Badania koncentrują się na zastosowaniu go do materiałów odpornych na wysokie temperatury oraz materiałów odpornych na zużycie i korozję, takich jak ulepszone turbiny do silników spalinowych dużej mocy, elementy termiczne do pojazdów lotniczych i silniki pojazdów zamiast metali, pojemniki petrochemiczne , sprzęt do spalania odpadów itp.
Jeśli chodzi o ceramikę, ludzie naturalnie myślą o jej kruchości. Ponad dziesięć lat temu, jeśli był używany jako element nośny w dziedzinie inżynierii, nikt nie mógł go zaakceptować. Do tej pory, jeśli chodzi o ceramiczne materiały kompozytowe, niektórzy ludzie mogą nie mieć jasności, myśląc, że ceramika i metale to pierwotnie dwa nieistotne materiały. Jednak odkąd ludzie umiejętnie połączyli ceramikę i metale, ludzkie wyobrażenie o tym materiale uległo fundamentalnej zmianie, jaką są kompozyty na osnowie ceramicznej.
Materiał kompozytowy z osnową ceramiczną jest bardzo obiecującym nowym materiałem konstrukcyjnym w dziedzinie przemysłu lotniczego, zwłaszcza w zastosowaniach do produkcji silników lotniczych, coraz częściej wykazuje swoją wyjątkowość. Oprócz zalet związanych z niewielką wagą i wysoką twardością, kompozyty z osnową ceramiczną mają również doskonałą odporność na wysoką temperaturę i korozję w wysokiej temperaturze. Obecnie kompozyty z osnową ceramiczną przewyższają metalowe materiały żaroodporne pod względem odporności na wysoką temperaturę, mają dobre właściwości mechaniczne i stabilność chemiczną. Są idealnymi i doskonałymi materiałami na obszary o wysokiej temperaturze wysokowydajnych silników turbinowych.
zdjęcie
Kraje na całym świecie koncentrują się na badaniach nad ceramiką wzmocnioną azotkiem krzemu i węglikiem krzemu, aby sprostać wymaganiom materiałowym następnej generacji zaawansowanych silników
materiałów i poczynił ogromne postępy, zwłaszcza w nowoczesnych silnikach lotniczych. Na przykład silnik F120 amerykańskiej maszyny weryfikacyjnej, jej wysokociśnieniowe urządzenie uszczelniające turbinę i niektóre wysokotemperaturowe części komory spalania są wykonane z materiałów ceramicznych. Na przykład komora spalania i dysza francuskiego silnika M88-2 również wykorzystują kompozyty z osnową ceramiczną.
5
Nowe materiały związków międzymetalicznych
Co to są związki międzymetaliczne? Związki metali i metali lub metali i metaloidów (takie jak H, B, N, S, P, C, Si itp.). Atomy dwóch metali są połączone w określonej proporcji, tworząc skład stopu, który różni się od oryginalnych dwóch sieci krystalicznych. Związki międzymetaliczne to nowe rodzaje materiałów, które zyskały powszechną uwagę.
zdjęcie
W rzeczywistości rozwój wysokowydajnych silników lotniczych o wysokim stosunku ciągu do masy przyczynił się do rozwoju i zastosowania związków międzymetalicznych. Związki międzymetaliczne to na ogół związki złożone z dwu-, trójskładnikowych lub wielopierwiastkowych pierwiastków metalowych. Związki międzymetaliczne mają ogromny potencjał w zastosowaniach konstrukcyjnych w wysokich temperaturach. Ma wysoką temperaturę pracy, wytrzymałość właściwą, przewodność cieplną, a zwłaszcza w wysokiej temperaturze, ma również dobrą odporność na utlenianie, odporność na korozję i wysoką wytrzymałość na pełzanie. . Ponadto, ponieważ związek międzymetaliczny jest nowym materiałem między nadstopem a materiałem ceramicznym, wypełnia lukę między tymi dwoma materiałami, dzięki czemu staje się jednym z idealnych materiałów na wysokotemperaturowe elementy silników lotniczych.
W globalnej konstrukcji silników lotniczych badania i rozwój koncentrują się głównie na związkach międzymetalicznych, takich jak tytan-aluminium i nikiel-aluminium. Te związki tytanu i glinu mają zasadniczo taką samą gęstość jak tytan, ale mają wyższą temperaturę pracy. Na przykład temperatury robocze TiAl wynoszą odpowiednio 816 stopni i 982 stopni. Związek międzymetaliczny ma silne wiązanie między atomami i złożoną strukturę krystaliczną, przez co trudno się odkształca, aw temperaturze pokojowej jest twardy i kruchy. Po latach badań eksperymentalnych z powodzeniem opracowano nowy rodzaj stopu o wysokiej wytrzymałości temperaturowej, plastyczności i wytrzymałości w temperaturze pokojowej, który został zainstalowany i użyty, a efekt jest bardzo dobry. Na przykład wysokowydajny silnik F119 w Stanach Zjednoczonych wykorzystuje związki międzymetaliczne w obudowie i tarczach turbiny, a łopatki i tarcze sprężarki silnika F120 weryfikatora wykorzystują nowe związki międzymetaliczne tytan-aluminium.
6
kompozyty z matrycą żywiczną
Czym są kompozyty z matrycą żywiczną? Jest to materiał wzmocniony włóknem na bazie polimeru organicznego, zwykle przy użyciu wzmocnień włóknistych, takich jak włókno szklane, włókno węglowe, włókno bazaltowe lub włókno aramidowe. Materiały kompozytowe na bazie żywic są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, samochodowym i morskim.
zdjęcie
Matryca żywiczna materiałów kompozytowych to głównie żywica termoutwardzalna. Już w latach czterdziestych XX wieku tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym były używane jako osłony radarów w myśliwcach i bombowcach. W latach sześćdziesiątych Stany Zjednoczone używały żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem boru jako sterów, stabilizatorów poziomych, krawędzi spływu skrzydeł, drzwi sterowych itp. W samolotach wojskowych, takich jak F-4 i F{3}}. Jeśli chodzi o produkcję rakiet, pod koniec lat 50. w obudowie drugiego stopnia silnika rakietowego na paliwo stałe amerykańskiego okrętu podwodnego średniego zasięgu „Polaris A-2” zastosowano części uzwojenia z żywicy epoksydowej wzmocnione włóknem szklanym, które są lepsze niż obudowy stalowe. 27 procent lżejszy; później do wyprodukowania „Polaris A-3” zamiast zwykłego włókna szklanego użyto wysokowydajnego włókna szklanego, co sprawiło, że skorupa była o 50 procent lżejsza niż stalowa, dzięki czemu zasięg „Polaris A{{ 12}}" pocisk został zmieniony z 2700 tys. metrów na 4500 km. W latach 70. do wzmocnienia żywicy epoksydowej zastosowano włókno aramidowe zamiast włókna szklanego, co znacznie poprawiło wytrzymałość i zmniejszyło wagę. Kompozyty z żywicy epoksydowej wzmocnione włóknem węglowym są szeroko stosowane w samolotach, pociskach rakietowych, satelitach i innych konstrukcjach.
Badania nad zastosowaniem żywicznych materiałów kompozytowych w lotniczych silnikach turbowentylatorowych rozpoczęto w latach pięćdziesiątych XX wieku. Po ponad 60 latach rozwoju GE, PW, RR, MTU, SNECMA i inne firmy zainwestowały dużo energii w badania i rozwój materiałów kompozytowych na bazie żywicy i osiągnęły ogromny postęp, a jego inżynieria został zastosowany w aktywnych lotniczych silnikach turbowentylatorowych i istnieje tendencja do dalszego rozszerzania jego zastosowania.
Temperatura pracy kompozytów z matrycą żywiczną na ogół nie przekracza 350 stopni. Dlatego kompozyty z osnową żywiczną są stosowane głównie w zimnym końcu silników lotniczych.
7
kompozyty z osnową metaliczną
Co to są kompozyty z osnową metaliczną? Jest to materiał kompozytowy sztucznie połączony z metalem i jego stopem jako osnową oraz jednym lub kilkoma wzmocnieniami metalowymi lub niemetalowymi. Większość materiałów wzmacniających to nieorganiczne niemetale, takie jak ceramika, węgiel, grafit i bor itp. Można również użyć drutów metalowych. Wraz z kompozytami na osnowie polimerowej, kompozytami na osnowie ceramicznej oraz kompozytami węgiel/węgiel tworzy nowoczesny system kompozytowy.
zdjęcie
Charakterystyka materiałów kompozytowych z osnową metaliczną: pod względem mechanicznym mają wysoką wytrzymałość poprzeczną i ścinającą, dobre kompleksowe właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość i zmęczenie, a także przewodnictwo cieplne, przewodnictwo elektryczne, odporność na zużycie, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobre tłumienie , brak wchłaniania wilgoci i brak odporności na korozję. Zalety takie jak starzenie się i brak zanieczyszczeń. Na przykład wytrzymałość właściwa aluminiowych materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym wynosi 3 ~ 4 × 107 mm, a moduł właściwy wynosi 6 ~ 8 × 109 mm. Na przykład moduł właściwy magnezu wzmocnionego włóknem grafitowym może osiągnąć 1,5 × 1010 mm, a jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest prawie zerowy.
Warto wspomnieć, że w porównaniu z materiałami kompozytowymi na bazie żywic, materiały kompozytowe na bazie metali charakteryzują się dobrą ciągliwością, nie chłoną wilgoci i wytrzymują stosunkowo wysokie temperatury. Włókna wzmacniające kompozytów z osnową metaliczną obejmują włókna metalowe, takie jak stal nierdzewna, wolfram, ołów, międzymetaliczne związki niklowo-glinowe itp.; włókna ceramiczne, takie jak tlenek glinu, tlenek krzemu, węgiel, bor, węglik krzemu itp.
Materiały osnowy kompozytów z osnową metaliczną obejmują aluminium, stop aluminium, magnez, stopy Chin i Chin, stopy żaroodporne, stopy diamentu itp. Wśród nich materiały kompozytowe na bazie stopów aluminium, stopów aluminium i stopów żelaza są obecnie głównym wyborem . Na przykład kompozyty ze stopu Chin wzmocnione włóknem SiC można wykorzystać do wykonania łopatek sprężarki. Do wytwarzania łopatek turbowentylatorowych można stosować kompozyty z osnową z magnezu lub stopu magnezu wzmocnione włóknem węglowym lub tlenkiem glinu. Innym przykładem jest to, że kompozyty stopowe na bazie niklu, wzmocnione włóknem niklowo-chromowo-aluminiowo-irydowym, mogą być stosowane do produkcji elementów uszczelniających do turbin i sprężarek.
Ponadto obudowy wentylatorów, wirniki, tarcze sprężarek i inne części są wykonywane za granicą z kompozytów z metalową osnową. Jednak jednym z największych problemów z tego rodzaju materiałem kompozytowym jest to, że łatwo wchodzi w reakcję między włóknem wzmacniającym a metalem osnowy, tworząc kruchą fazę, która pogarsza właściwości materiału. Zwłaszcza gdy jest używany przez długi czas w wyższej temperaturze, reakcja interfejsu jest bardziej widoczna. Obecnym rozwiązaniem jest dodanie odpowiednich powłok na powierzchni włókna i stopienie metalu osnowy zgodnie z różnymi włóknami i różnymi podłożami, tak aby spowolnić reakcję międzyfazową i zachować niezawodność działania materiału kompozytowego.
zdjęcie
Materiały stosowane w łopatkach wentylatora silnika
Łopatka wentylatora silnika jest najbardziej reprezentatywną i bardzo ważną częścią silnika turbowentylatorowego, a osiągi silnika turbowentylatorowego są ściśle związane z jego rozwojem. W porównaniu z łopatkami wentylatora ze stopu tytanu, łopatki wentylatora z kompozytu z matrycą żywiczną mają oczywistą przewagę w redukcji masy. Oprócz oczywistych zalet redukcji masy, kompozytowe łopatki wentylatora na bazie żywicy mają mniejszy wpływ na obudowę wentylatora po uderzeniu, dlatego korzystne jest poprawienie obudowy wentylatora.
Głównymi przedstawicielami kompozytowych łopatek wentylatorów do zastosowań komercyjnych za granicą są: silniki serii GE90 do B777, silniki GEnx do B787 oraz silniki LEAP-X do COMAC C919. Już w 1995 roku silnik GE90-94B wyposażony w łopatki wentylatora z materiału kompozytowego na bazie żywicy został oficjalnie oddany do użytku komercyjnego, co oznaczało oficjalną realizację inżynieryjnego zastosowania materiałów kompozytowych na bazie żywicy w nowoczesnych, wysokowydajnych silnikach lotniczych . Na podstawie wszechstronnej analizy aerodynamiki, cykli zmęczenia w wysokich i niskich cyklach oraz innych czynników firma GE opracowała nową kompozytową łopatkę wentylatora do kolejnego silnika GE{10}}B.
W XXI wieku duże zapotrzebowanie silników lotniczych na materiały kompozytowe o wysokiej odporności na uszkodzenia napędza dalszy rozwój technologii materiałów kompozytowych i trudno jest sprostać wymaganiom materiałów o wysokiej odporności na uszkodzenia poprzez ciągłe doskonalenie wytrzymałości włókien węglowych /prepregi z żywicy epoksydowej. W rezultacie zaczęły pojawiać się kompozytowe łopatki wentylatora o tkanej strukturze 3D.
Materiały użyte w obudowie wentylatora silnika
Obudowa wentylatora silnika jest największą nieruchomą częścią silnika lotniczego, a jej zmniejszenie masy bezpośrednio wpłynie na stosunek ciągu do masy i wydajność silnika lotniczego. Dlatego zagraniczni producenci OEM zaawansowanych silników lotniczych zawsze angażowali się w redukcję masy i optymalizację konstrukcyjną obudowy wentylatora.
zdjęcie
Materiały stosowane na osłony wentylatorów silnika
Ponieważ nie jest to główny element nośny, osłona wentylatora jest jedną z pierwszych części wykonanych z materiałów kompozytowych w silniku lotniczym. Osłona wentylatora wykonana z materiałów kompozytowych może zapewnić mniejszą wagę, uproszczoną strukturę przeciwoblodzeniową, lepszą odporność na korozję i lepszą odporność na zmęczenie. Na przykład silnik RB211 słynnej firmy RR, PW1000G i PW4000 firmy PW wykorzystują materiały kompozytowe na bazie żywicy do przygotowania nakładek wentylatorów.
W porównaniu z głównymi ramami silników lotniczych, materiały kompozytowe na bazie żywic mają bardzo szerokie zastosowanie w gondolach silników lotniczych. Światowi producenci stosowali na dużą skalę materiały kompozytowe na bazie żywicy we wlotach gondoli, owiewkach, odwracaczach ciągu i okładzinach redukujących hałas. Materiał. Jeśli chodzi o inne części, materiały kompozytowe na bazie żywic są również stosowane w różnym stopniu w płytach prowadnic wentylatorów silników lotniczych, pokrywach uszczelniających łożysk i płytach pokryw.
