La fabricació d'aviació és el camp més concentrat d'alta tecnologia i pertany a la tecnologia de fabricació avançada. Per exemple, el motor F119 desenvolupat per Pratt & Whitney dels Estats Units, el motor F120 de General Electric Company, el motor M88-2 de SNECMA Company of France i el motor EJ200 desenvolupat conjuntament pel Regne Unit i Alemanya , Itàlia i Espanya. Val a dir que aquests aeromotors que representen el nivell més avançat del món tenen una característica comuna d'utilitzar nous materials, nous processos i noves tecnologies. Els set nous materials utilitzats s'introdueixen respectivament de la següent manera:
1
Compost de carboni/carboni
Què són els compostos carboni/carboni? És un material compost de matriu de carboni reforçat per fibra de carboni i el seu teixit, amb baixa densitat (<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.
Tot i que els compostos de carboni/carboni tenen moltes excel·lents propietats a alta temperatura, experimenten reaccions d'oxidació en un entorn aeròbic amb una temperatura superior a 400 graus, donant lloc a una forta disminució de les propietats del material. Per tant, l'aplicació de compostos de carboni/carboni en ambients aeròbics d'alta temperatura ha de tenir mesures de protecció contra l'oxidació. La protecció contra l'oxidació dels compostos de carboni/carboni es fa principalment a través de les dues maneres següents, és a dir, la modificació de la matriu i la passivació dels punts actius de superfície es poden utilitzar per protegir els compostos de carboni/carboni a temperatures més baixes; A mesura que augmenta la temperatura, s'ha d'utilitzar el mètode de recobriment per aïllar el material compost de carboni/carboni del contacte directe amb l'oxigen, per tal d'aconseguir el propòsit de protecció contra l'oxidació. Actualment, el mètode de recobriment és el més utilitzat. Amb l'avenç continu de la ciència i la tecnologia, hi ha cada vegada més confiança en el rendiment a temperatura ultraalta dels materials compostos de carboni/carboni, i l'única solució de protecció contra l'oxidació factible en condicions de temperatura ultraalta només pot ser la protecció del recobriment. .
Val la pena esmentar que els materials compostos basats en C/C són un nou material amb major resistència a la temperatura que ha rebut més atenció al món en els darrers anys. Perquè només els materials compostos C/C es consideren els únics materials successors per a les pales del rotor de la turbina amb una relació empenta/pes de més de 20 i una temperatura d'entrada del motor de 1930-2227 graus. El màxim objectiu estratègic perseguit pels països industrials avançats.
L'anomenat material compost basat en C/C és un material compost bàsic de carboni reforçat amb fibra de carboni, que combina les propietats refractàries del carboni amb l'alta resistència i alta rigidesa de la fibra de carboni, fent-la no trencadissa. Com que els materials compostos basats en C/C tenen un pes lleuger, una alta resistència, una estabilitat tèrmica superior i una excel·lent conductivitat tèrmica, són els materials més resistents a les altes temperatures actuals, especialment en entorns d'alta temperatura de 1000-1300 grau C. No només la força no va disminuir, sinó que va poder augmentar. Especialment quan està per sota dels 1650 graus, encara manté la força i la gràcia a temperatura ambient. Per tant, els compostos basats en C/C tenen un gran potencial de desenvolupament en la fabricació aeroespacial.
Val la pena esmentar que un dels principals problemes dels materials compostos basats en C/C en l'aplicació de motors aeris és la poca resistència a l'oxidació. Per tant, en els últims anys, els Estats Units han adoptat una sèrie de mesures tecnològiques per resoldre aquest problema, i s'han aplicat gradualment al nou motor. Per exemple, el broquet de la cua de la postcombustió del motor americà F119, el broquet i la cambra de combustió del motor F100 i algunes parts de la cambra de combustió de la màquina de verificació F120 s'han fet amb materials compostos basats en C/C. Un altre exemple és el motor francès M88-2, i la barra d'injecció de combustible de postcombustió, l'escut tèrmic i el broquet del motor Mirage 2000 també utilitzen materials compostos basats en C/C.
2
Nou material d'acer d'alta resistència
Què és l'acer d'ultra alta resistència? A mitjans-1940, els Estats Units van desenvolupar acer Cr-Mo (AISI4130) i acer Cr-Ni-Mo (AISI 4340). Després de l'extinció i el tremp a baixa temperatura, les forces de tracció eren de 170 i 190 kgf/mm2 respectivament. A principis de la dècada de 1950, es van afegir Si i V a l'acer AISI 4340 per fer 300M amb una resistència a la tracció de 190 ~ 210 kgf/mm2. L'any 1960, la International Nickel Company va fabricar acer maraging amb una resistència a la tracció d'uns 180 kgf/mm2, tenacitat a la fractura de fins a 390 kgf/mm. A la dècada de 1970, els Estats Units van reduir el C i van augmentar el Si sobre la base de 300M, van millorar la tenacitat i es van convertir en acer HP310; sobre la base de l'acer maraging, es va convertir en acer AF1410, amb una resistència a la tracció de 170kgf/mm2 i una tenacitat a la fractura de 400kgf/mm2 mm.
imatge
Val la pena assenyalar que l'acer d'ultra-alta resistència ha de tenir una alta resistència a la tracció i mantenir una tenacitat suficient. També requereix una gran resistència específica (proporció de resistència a densitat) i una alta relació de rendiment (σs/σb) per reduir el pes del component, i ha de tenir una bona soldabilitat i conformabilitat i altres propietats del procés. L'acer d'alta resistència té uns requisits molt alts de qualitat metal·lúrgica i sovint es fon amb forn d'arc elèctric i refusió d'electroescòries. Els tipus d'acer que requereixen una gran puresa es fonen principalment en forns d'inducció al buit o forns d'arc elèctric consumibles al buit. Els acers d'ultra-alta resistència de mitjana i baixa aliatge s'han d'evitar la descarburació durant el tractament tèrmic; Els acers maraging i els acers inoxidables endurits per precipitació es poden tractar en solució sòlida en forns de calefacció normals. Per a la soldadura s'ha d'utilitzar soldadura amb gas de protecció o soldadura per arc de tungstè d'argó. Alguns acers d'ultra-alta resistència de baix aliatge amb un alt contingut de carboni (aproximadament un 0,4 per cent) s'han d'alleugerir immediatament després de la soldadura.
Val la pena esmentar que l'acer d'alta resistència s'utilitza com a material per al tren d'aterratge dels avions. Per exemple, el tren d'aterratge utilitzat a l'avió de segona generació està fet d'acer 30CrMnSiNi2A amb una resistència a la tracció de 1700MPa. Aquest tipus de tren d'aterratge té una vida útil curta d'unes 2000 hores de vol.
Un altre exemple és que el disseny de l'avió de caça de tercera generació requereix que la vida útil del tren d'aterratge superi les 5,000 hores de vol. Al mateix temps, a causa de l'augment dels equips aerotransportats, el coeficient de pes de l'estructura de l'aeronau disminueix i es fan requisits més alts en la selecció de materials del tren d'aterratge i la tecnologia de fabricació. Tant els Estats Units com els nostres caces de tercera generació utilitzen tecnologia de fabricació de trens d'aterratge d'acer 300M (resistència a la tracció 1950MPa).
De fet, la millora de la tecnologia d'aplicació de materials està afavorint una major extensió de la vida útil del tren d'aterratge i l'expansió de l'adaptabilitat. Per exemple, el tren d'aterratge de l'avió europeu Airbus A380 adopta una tecnologia de forja integral super gran, una nova tecnologia de tractament tèrmic de protecció de l'atmosfera i una tecnologia de polvorització de flama d'alta velocitat, de manera que la vida útil del tren d'aterratge pot complir els requisits de disseny. Per tant, la introducció de nous materials i tècniques de fabricació va assegurar la substitució de les aeronaus.
imatge
Com tots sabem, el disseny de llarga vida útil de les aeronaus en un entorn resistent a la corrosió planteja requisits més alts per als materials. Per exemple, l'acer AerMet100 té el mateix nivell de resistència que l'acer 300M, però la seva resistència general a la corrosió i la resistència a la corrosió per estrès són significativament millors que l'acer 300M. La tecnologia de fabricació del tren d'aterratge coincident s'ha aplicat a avions avançats com ara F/A-18E/F, F-22 i F-35. L'acer Aermet310 de major resistència té una resistència a la fractura més baixa i s'està desenvolupant i millorant contínuament. La taxa de creixement d'esquerdes de l'acer d'ultra-alta resistència tolerant als danys AF1410 és extremadament lenta, que es pot utilitzar com a articulació de l'actuador de l'ala de l'avió B-1, que és un 10,6 per cent més lleuger que Ti -6Al-4V, amb un augment del 60% del rendiment de processament i una reducció del 30,3% del cost . Per exemple, la quantitat d'acer inoxidable d'alta resistència que s'utilitza al Smig-1.42 de Rússia arriba al 30 per cent . PH13-8Mo és l'únic acer inoxidable d'enduriment per precipitació martensític d'alta resistència àmpliament utilitzat com a components resistents a la corrosió. També s'han desenvolupat acers d'engranatges (coixinets) de gran resistència a nivell internacional, com ara CSS-42L, Gearmet C69, etc., i s'han utilitzat en motors, helicòpters i aeroespacial.
3
Material d'aliatge d'alta temperatura
Què són els materials de superaliatge? Els aliatges d'alta temperatura es divideixen en tres tipus de materials: materials d'alta temperatura de 760 graus, materials d'alta temperatura de 1200 graus i materials d'alta temperatura de 1500 graus, amb una resistència a la tracció de 800MPa. En altres paraules, es refereix a materials metàl·lics d'alta temperatura que funcionen durant molt de temps sota 760-1500 graus i determinades condicions d'estrès. Les seves característiques importants: té una excel·lent resistència a les altes temperatures, bona resistència a l'oxidació i resistència a la corrosió tèrmica, bon rendiment a la fatiga, resistència a la fractura i altres propietats completes, i s'ha convertit en un material clau insubstituïble per a les parts calentes dels motors de turbina de gas per a militars i civils. utilitzar a tot el món.
Materials d'alta temperatura de 760 graus Des de finals de la dècada de 1930, Gran Bretanya, Alemanya, Estats Units i altres països van començar a estudiar superaliatges. Durant la Segona Guerra Mundial, per tal de satisfer les necessitats dels nous motors aeris, la recerca i l'ús de superaliatges van entrar en un període de ràpid desenvolupament. A principis de la dècada de 1940, el Regne Unit va afegir per primera vegada una petita quantitat d'alumini i titani a l'aliatge 80Ni-20Cr per formar una fase ' (gamma primer) per a l'enfortiment, i va desenvolupar el primer aliatge a base de níquel amb alt nivell. -Força de la temperatura. Durant aquest període, per tal de satisfer les necessitats del desenvolupament de turbocompressors per a motors d'aeronàutica de pistons, els Estats Units van començar a utilitzar aliatges a base de cobalt Vitallium per fabricar pales.
imatge
Val la pena esmentar que els Estats Units també han desenvolupat aliatges Inconel a base de níquel per fer cambres de combustió per a motors a reacció. Més tard, per tal de millorar encara més la resistència a alta temperatura de l'aliatge, els metal·lúrgics van afegir elements com ara el tungstè, el molibdè i el cobalt a l'aliatge a base de níquel per augmentar el contingut d'alumini i titani, i van desenvolupar una sèrie d'aliatges, com ara com "Nimonic" al Regne Unit, i "Nimonic" als Estats Units. "Mar-M" i "IN", etc.; afegint níquel, tungstè i altres elements als aliatges a base de cobalt per desenvolupar una varietat d'aliatges d'alta temperatura, com ara X-45, HA-188, FSX-414, etc. A causa de la manca de recursos de cobalt, el desenvolupament de superaliatges a base de cobalt és limitat.
A la dècada de 1940 també es van desenvolupar superaliatges a base de ferro. A la dècada de 1950, van aparèixer graus com A-286 i Incoloy901, però a causa de la poca estabilitat a les altes temperatures, el desenvolupament va ser lent. L'antiga Unió Soviètica va començar a produir superaliatges a base de níquel de la marca "ЭИ" l'any 1950, i més tard va produir la sèrie "ЭП" de superaliatges deformats i la sèrie ЖС de superaliatges fosos. A la dècada de 1970, els Estats Units també van adoptar un nou procés de producció per fabricar pales de cristal·lització direccionals i discos de turbina de metal·lúrgia en pols, i van desenvolupar components d'aliatge d'alta temperatura, com ara pales de cristall únic per satisfer les necessitats de l'augment continu de la temperatura d'entrada de l'aero - turbines de motor.
Els superaliatges es desenvolupen per satisfer els requisits molt exigents dels motors a reacció en materials i s'han convertit en un material clau insubstituïble per als components de motor de turbina de gas civils i militars. En els motors aerodinàmics avançats, la proporció d'aliatges d'alta temperatura ha arribat a més del 50 per cent.
El desenvolupament d'aliatges d'alta temperatura està estretament relacionat amb el progrés tecnològic dels motors aerodinàmics, especialment el disc de la turbina, el material de les pales de la turbina i el procés de fabricació de les parts calentes del motor són símbols importants del desenvolupament del motor. A causa dels alts requisits per a la resistència a alta temperatura i la capacitat de suport de l'estrès del material, l'aliatge Nimonic80 reforçat amb Ni3 (Al, Ti) es va desenvolupar en els primers dies al Regne Unit, que es va utilitzar com a material per a la pala de la turbina del motor turborreactor. A més, l'aliatge de la sèrie Nimonic es va desenvolupar contínuament. Els Estats Units han desenvolupat aliatges basats en níquel reforçats amb dispersió que contenen alumini i titani, com les sèries d'aliatges Inconel, Mar-M i Udmit desenvolupades per la famosa Pratt & Whitney Company, GE Company i Special Metals Company respectivament.
imatge
En el procés de desenvolupament de superaliatges, el procés de fabricació té un paper important en la promoció del desenvolupament d'aliatges. A causa de l'aparició de la tecnologia de fusió al buit, l'eliminació d'impureses i gasos nocius dels aliatges, especialment el control precís de la composició de l'aliatge, ha millorat contínuament el rendiment dels superaliatges. En particular, la recerca reeixida de noves tecnologies com la solidificació direccional, el creixement d'un cristall únic, la metal·lúrgia de pols, l'aliatge mecànic, el nucli ceràmic, la filtració ceràmica i la forja isotèrmica ha promogut el ràpid desenvolupament de superaliatges. Entre ells, la tecnologia de solidificació direccional és la més destacada. L'aliatge direccional i monocristal produït pel procés de solidificació direccional té una temperatura de servei propera al 90 per cent del punt de fusió inicial. Per tant, les pales avançades de motors aerodinàmics a tot el món utilitzen aliatges direccionals d'un sol cristall per fabricar pales de turbina. Des d'una perspectiva global, els superaliatges de fosa basats en níquel han format cristalls equiaxials, cristalls columnars solidificats direccionalment i sistemes d'aliatge d'un sol cristall. Els superaliatges en pols també s'han desenvolupat a partir de la primera generació de discos de turbina de pols de 650 a 750 graus, 850 graus i discos de pols de doble rendiment per a aquells motors avançats d'alt rendiment.
4
Composites de matriu ceràmica
Què són els compostos de matriu ceràmica? És un tipus de material compost que utilitza ceràmica com a matriu i diverses fibres. La matriu ceràmica pot ser ceràmica estructural d'alta temperatura com el nitrur de silici i el carbur de silici. Aquestes ceràmiques avançades tenen excel·lents propietats, com ara resistència a alta temperatura, alta resistència i rigidesa, pes relativament lleuger i resistència a la corrosió. La debilitat fatal és que són fràgils. Quan estan sota estrès, s'esquerdaran o fins i tot es trencaran per provocar una fallada del material. L'ús de compostos de matriu i fibra d'alta resistència i alta elasticitat és un mètode eficaç per millorar la duresa i la fiabilitat de la ceràmica. Les fibres poden evitar l'expansió de les esquerdes, obtenint així composites de matriu ceràmica reforçades amb fibra amb una duresa excel·lent.
imatge
Els compostos de matriu ceràmica s'han utilitzat com a broquets de motor de coets líquids, radomes de míssils, cons de nas de transbordador espacial, discos de fre d'avions i discos de fre d'automòbils de gamma alta, etc., convertint-se en una branca important de nous materials d'alta tecnologia.
Com que els materials ceràmics tenen una excel·lent resistència al desgast, una alta duresa i una bona resistència a la corrosió, s'han utilitzat àmpliament. Tanmateix, el major desavantatge de la ceràmica és que són fràgils i sensibles a les esquerdes i els porus. Des de la dècada de 1980, els compostos de matriu ceràmica obtinguts afegint partícules, bigotis i fibres als materials ceràmics han millorat molt la duresa de la ceràmica.
Els compostos de matriu ceràmica tenen una alta resistència, mòdul elevat, baixa densitat, resistència a alta temperatura, resistència al desgast i resistència a la corrosió, i una bona tenacitat, i s'han utilitzat en eines de tall d'alta velocitat i components de motor de combustió interna. No obstant això, el desenvolupament d'aquest tipus de material és relativament tardà, i el seu potencial encara no s'ha desenvolupat més. L'objectiu de la investigació és aplicar-lo a materials d'alta temperatura i materials resistents al desgast i a la corrosió, com ara turbines millorades per a motors de combustió interna d'alta potència, components tèrmics per a vehicles aeroespacials i motors de vehicles en lloc de metalls, contenidors petroquímics. , equips d'incineració de residus, etc.
Quan es tracta de ceràmica, la gent pensa naturalment en la seva fragilitat. Fa més de deu anys, si s'utilitzava com a peça de càrrega en l'àmbit de l'enginyeria, era impossible que ningú ho acceptés. Fins ara, quan es tracta de materials compostos ceràmics, algunes persones potser no ho tenen clar, pensant que la ceràmica i els metalls són originalment dos materials irrellevants. Tanmateix, atès que la gent va combinar hàbilment ceràmica i metalls, el concepte de la gent d'aquest material ha sofert un canvi fonamental, que són els compostos de matriu ceràmica.
El material compost de matriu ceràmica és un nou material estructural molt prometedor en el camp de la indústria de l'aviació, especialment en l'aplicació de la fabricació de motors aeris, cada cop està mostrant més la seva singularitat. A més dels avantatges de pes lleuger i alta duresa, els compostos de matriu ceràmica també tenen una excel·lent resistència a les altes temperatures i una resistència a la corrosió a alta temperatura. Actualment, els compostos de matriu ceràmica han superat els materials metàl·lics resistents a la calor en termes de resistència a altes temperatures i tenen bones propietats mecàniques i estabilitat química. Són materials ideals i excel·lents per a zones d'alta temperatura de motors de turbina d'alt rendiment.
imatge
Països de tot el món s'estan centrant en la investigació sobre ceràmica reforçada amb nitrur de silici i carbur de silici per satisfer els requisits de materials de la propera generació de motors avançats
materials, i ha avançat molt, especialment en els motors aeris moderns. Per exemple, el motor F120 de la màquina de verificació nord-americana, el seu dispositiu de segellat de turbina d'alta pressió i algunes peces d'alta temperatura de la cambra de combustió estan fetes de materials ceràmics. Per a un altre exemple, la cambra de combustió i el broquet del motor francès M88-2 també utilitzen compostos de matriu ceràmica.
5
Nous materials de compostos intermetàl·lics
Què són els compostos intermetàl·lics? Compostos de metalls i metalls o metalls i metaloides (com H, B, N, S, P, C, Si, etc.). Els àtoms dels dos metalls es combinen en una certa proporció per formar una composició d'aliatge que és diferent de les dues xarxes cristal·lines originals. Els compostos intermetàl·lics són nous tipus de materials que han rebut una atenció àmplia.
imatge
De fet, el desenvolupament de motors aerodinàmics d'alt rendiment i una relació d'empenta/pes elevat ha promogut el desenvolupament i l'aplicació de compostos intermetàl·lics. Els compostos intermetàl·lics són generalment compostos composts per elements metàl·lics binaris, ternaris o multielements. Els compostos intermetàl·lics tenen un gran potencial en aplicacions estructurals d'alta temperatura. Té una alta temperatura de servei, força específica, conductivitat tèrmica i, sobretot, a alta temperatura, també té una bona resistència a l'oxidació, resistència a la corrosió i alta resistència a la fluència. . A més, com que el compost intermetàl·lic és un material nou entre el superaliatge i el material ceràmic, omple el buit entre els dos materials, de manera que es converteix en un dels materials ideals per a components d'alta temperatura de motors aerodinàmics.
A l'estructura global de motors aeris, la investigació i el desenvolupament se centren principalment en compostos intermetàl·lics com ara el titani-alumini i el níquel-alumini. Aquests compostos de titani alumini tenen bàsicament la mateixa densitat que el titani, però tenen una temperatura de servei més alta. Per exemple, les temperatures de funcionament de TiAl són de 816 graus i 982 graus respectivament. El compost intermetàl·lic té un fort enllaç entre els àtoms i una estructura cristal·lina complexa, que dificulta la seva deformació, i és dur i fràgil a temperatura ambient. Després d'anys d'investigació experimental, s'ha desenvolupat amb èxit un nou tipus d'aliatge amb resistència a alta temperatura, plasticitat i duresa a temperatura ambient, i s'ha instal·lat i utilitzat, i l'efecte és molt bo. Per exemple, el motor F119 d'alt rendiment als Estats Units utilitza compostos intermetàl·lics a la carcassa i els discos de la turbina, i les pales i discos del compressor del motor F120 de la màquina de verificació utilitzen nous compostos intermetàl·lics de titani-alumini.
6
compostos de matriu de resina
Què són els compostos de matriu de resina? És un material reforçat amb fibra a base d'un polímer orgànic, normalment utilitzant reforços de fibra com ara fibra de vidre, fibra de carboni, fibra de basalt o fibra d'aramida. Els materials compostos a base de resina s'utilitzen àmpliament a les indústries de l'aviació, l'automòbil i la marina.
imatge
La matriu de resina dels materials compostos és principalment resina termoestables. Ja a la dècada de 1940, els plàstics reforçats amb fibra de vidre s'utilitzaven com a radomes en avions de caça i bombarders. A la dècada de 1960, els Estats Units van utilitzar resina epoxi reforçada amb fibra de bor com a timons, estabilitzadors horitzontals, vores posteriors de les ales, portes de timó, etc. en avions militars com ara F-4 i F-111. Pel que fa a la fabricació de míssils, a finals de la dècada de 1950, la carcassa del motor de coet sòlid de segona etapa del míssil submarí de abast mitjà nord-americà "Polaris A-2" va utilitzar peces de bobinat de resina epoxi reforçades amb fibra de vidre, que són millors. que carcassa d'acer. 27 per cent més lleuger; més tard, es va utilitzar fibra de vidre d'alt rendiment en comptes de la fibra de vidre ordinària per fer "Polaris A-3", que va fer que el pes de la closca fos un 50 per cent més lleuger que el de la carcassa d'acer, de manera que la gamma de "Polaris A{{{ El míssil 12}} es va canviar de 2700 mil metres augmentat a 4500 km. A la dècada de 1970, es va utilitzar fibra d'aramida en comptes de fibra de vidre per reforçar la resina epoxi, i la resistència es va millorar molt, mentre que es va reduir el pes. Els compostos de resina epoxi reforçats amb fibra de carboni s'utilitzen àmpliament en avions, míssils, satèl·lits i altres estructures.
La investigació sobre l'aplicació de materials compostos a base de resina en motors turbofan d'aviació va començar als anys 50. Després de més de 60 anys de desenvolupament, GE, PW, RR, MTU, SNECMA i altres empreses han invertit molta energia en la investigació i desenvolupament de materials compostos a base de resina i han aconseguit un gran progrés i la seva enginyeria ha aconseguit s'ha aplicat als motors turbofan d'aviació actius, i hi ha una tendència a ampliar encara més la seva aplicació.
La temperatura de servei dels compostos de matriu de resina generalment no supera els 350 graus. Per tant, els compostos de matriu de resina s'utilitzen principalment en l'extrem fred dels motors aeris.
7
compostos de matriu metàl·lica
Què són els compostos de matriu metàl·lica? És un material compost que es combina artificialment amb metall i el seu aliatge com a matriu i un o diversos reforços metàl·lics o no metàl·lics. La majoria dels seus materials de reforç són no metalls inorgànics, com ara ceràmica, carboni, grafit i bor, etc., i també es poden utilitzar filferros metàl·lics. Juntament amb els compostos de matriu polimèrica, els compostos de matriu ceràmica i els compostos de carboni/carboni, forma un sistema compost modern.
imatge
Les característiques dels materials compostos de matriu metàl·lica: pel que fa a la mecànica, tenen una alta resistència transversal i al tall, bones propietats mecàniques completes, com ara la duresa i la fatiga, i també tenen conductivitat tèrmica, conductivitat elèctrica, resistència al desgast, petit coeficient d'expansió tèrmica, bon amortiment. , sense absorció d'humitat i sense resistència a la corrosió. Avantatges com l'envelliment i la no contaminació. Per exemple, la força específica dels materials compostos d'alumini reforçat amb fibra de carboni és de 3 ~ 4 × 107 mm i el mòdul específic és de 6 ~ 8 × 109 mm. Per exemple, el mòdul específic del magnesi reforçat amb fibra de grafit pot arribar a 1,5 × 1010 mm i el seu coeficient d'expansió tèrmica és gairebé zero.
Val la pena esmentar que, en comparació amb els materials compostos a base de resina, els materials compostos a base de metalls tenen una bona duresa, no absorbeixen la humitat i poden suportar temperatures relativament altes. Les fibres de reforç dels compostos de matriu metàl·lica inclouen fibres metàl·liques, com ara acer inoxidable, tungstè, plom, compostos intermetàl·lics de níquel-alumini, etc.; fibres ceràmiques, com ara alúmina, òxid de silici, carboni, bor, carbur de silici, etc.
Els materials de matriu dels compostos de matriu metàl·lica inclouen alumini, aliatges d'alumini, magnesi, aliatges Chin i Chin, aliatges resistents a la calor, aliatges de diamant, etc. Entre ells, els materials compostos basats en aliatges d'alumini, aliatges d'alumini i aliatges de ferro són actualment les principals opcions. . Per exemple, els compostos de matriu d'aliatge de barbeta reforçats amb fibra de SiC es poden utilitzar per fer pales de compressor. Es poden utilitzar composites de matriu de magnesi o aliatge de magnesi reforçats amb fibra de carboni o alúmina per fabricar pales de turbofan. Un altre exemple és que els compostos de matriu d'aliatge a base de níquel reforçats amb fibra de níquel-crom-alumini-iridi es poden utilitzar per fabricar elements de segellat per a turbines i compressors.
A més, les carcasses del ventilador, els rotors, els discos del compressor i altres peces estan fetes de compostos de matriu metàl·lica a l'estranger. Però un dels majors problemes d'aquest tipus de material compost és que és fàcil reaccionar entre la fibra de reforç i el metall de la matriu per produir una fase trencadissa, que deteriora el rendiment del material. Especialment quan s'utilitza durant molt de temps a una temperatura més alta, la reacció de la interfície és més destacada. La solució actual és afegir recobriments adequats a la superfície de la fibra i aliar el metall de la matriu segons diferents fibres i diferents substrats, per tal de frenar la reacció de la interfície i mantenir la fiabilitat del rendiment del material compost.
imatge
Materials utilitzats en les pales del ventilador del motor
La pala del ventilador del motor és la part més representativa i molt important del motor turbofan, i el rendiment del motor turbofan està estretament relacionat amb el seu desenvolupament. En comparació amb les pales del ventilador d'aliatge de titani, les pales del ventilador de material compost de matriu de resina tenen un avantatge molt evident en la reducció de pes. A més dels avantatges evidents de la reducció de pes, les pales del ventilador compostes a base de resina tenen menys impacte en la caixa del ventilador després de l'impacte, per la qual cosa és beneficiós millorar la contenció de la caixa del ventilador.
Els principals representants de les pales de ventilador compostos per a aplicació comercial a l'estranger són: motors de la sèrie GE90 per a B777, motors GEnx per a B787 i motors LEAP-X per COMAC C919. Ja l'any 1995, el motor GE90-94B equipat amb pales de ventilador de material compost a base de resina es va posar oficialment en funcionament comercial, marcant la realització oficial de l'aplicació d'enginyeria de materials compostos a base de resina en motors d'aeronaus moderns d'alt rendiment. . A partir d'una consideració exhaustiva de l'aerodinàmica, els cicles de fatiga de cicle alt i baix i altres factors, GE ha desenvolupat una nova pala de ventilador composta per al motor GE90-115B posterior.
Al segle XXI, la forta demanda de motors aerodinàmics per a materials compostos d'alta tolerància a danys impulsa el desenvolupament posterior de la tecnologia de materials compostos, i és difícil complir els requisits dels materials d'alta tolerancia a danys millorant contínuament la duresa de la fibra de carboni. /preimpregnats de resina epoxi. Com a resultat, van començar a aparèixer les pales del ventilador d'estructura teixida en 3D.
Materials utilitzats a la caixa del ventilador del motor
La carcassa del ventilador del motor és la part estacionària més gran d'un motor aeri, i la seva reducció de pes afectarà directament la relació empenta-pes i l'eficiència d'un motor aeri. Per tant, els fabricants estrangers de motors aeris avançats sempre s'han compromès amb la reducció de pes i l'optimització estructural de la carcassa del ventilador.
imatge
Materials utilitzats per a les carenes del ventilador del motor
Com que no és un component de càrrega principal, la coberta del ventilador és una de les primeres peces fetes de materials compostos en un motor aerodinàmic. La caputxa del ventilador feta de materials compostos pot proporcionar un pes més lleuger, una estructura antigel simplificada, una millor resistència a la corrosió i una millor resistència a la fatiga. Com ara el motor RB211 de la famosa empresa RR, el PW1000G de l'empresa PW i el PW4000 utilitzen materials compostos a base de resina per preparar taps de ventilador.
En comparació amb els bastidors principals de motors aeris, els materials compostos basats en resina tenen un espai d'aplicació molt ampli a les góndoles de motors aeronaus. Els fabricants mundials han utilitzat materials compostos a base de resina a gran escala en entrades de góndoles, carenats, inversors d'empenta i revestiments de reducció de soroll. Material. Pel que fa a altres peces, els materials compostos a base de resina també s'apliquen en diferents graus a les plaques del corredor del ventilador de motors aeri, les cobertes de segellat de coixinets i les plaques de coberta.
