Letalska proizvodnja je najbolj koncentrirano področje visoke tehnologije in spada med napredne proizvodne tehnologije. Na primer, motor F119, ki ga je razvil Pratt & Whitney iz Združenih držav, motor F120 podjetja General Electric Company, motor M88-2 podjetja SNECMA iz Francije in motor EJ200, ki sta ga skupaj razvila Združeno kraljestvo, Nemčija , Italija in Španija. Omeniti velja, da imajo ti letalski motorji, ki predstavljajo najnaprednejšo raven na svetu, skupno značilnost uporabe novih materialov, novih procesov in novih tehnologij. Sedem novih uporabljenih materialov je predstavljenih na naslednji način:
1
Karbon/karbonski kompozit
Kaj so ogljik/ogljikovi kompoziti? Je kompozitni material z ogljikovo matriko, ojačan z ogljikovimi vlakni in njegovo tkanino, z nizko gostoto (<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.
Čeprav imajo kompoziti ogljik/ogljik veliko odličnih visokotemperaturnih lastnosti, so podvrženi oksidacijskim reakcijam v aerobnem okolju s temperaturo, višjo od 400 stopinj, kar povzroči močno poslabšanje lastnosti materiala. Zato mora uporaba kompozitov ogljik/ogljik v visokotemperaturnih aerobnih okoljih imeti ukrepe za zaščito pred oksidacijo. Zaščita kompozitov ogljik/ogljik pred oksidacijo je v glavnem na naslednja dva načina, to je, da se lahko za zaščito kompozitov ogljik/ogljik pri nižjih temperaturah uporabi modifikacija matrice in pasivacija površinsko aktivnih točk; ko se temperatura dvigne, je treba uporabiti metodo prevleke za izolacijo kompozitnega materiala ogljik/ogljik od neposrednega stika s kisikom, da se doseže namen zaščite pred oksidacijo. Trenutno je najbolj uporabljena metoda premazovanja. Z nenehnim napredkom znanosti in tehnologije se vedno bolj zanašamo na delovanje kompozitnih materialov ogljik/ogljik pri ultravisokih temperaturah in edina izvedljiva rešitev za zaščito pred oksidacijo v pogojih ultravisokih temperatur je lahko samo zaščita prevleke. .
Omeniti velja, da so kompozitni materiali na osnovi C/C nov material z višjo temperaturno obstojnostjo, ki je v zadnjih letih deležen največ pozornosti v svetu. Ker samo kompozitni materiali C/C veljajo za edine nadomestne materiale za lopatice turbinskega rotorja z razmerjem med potiskom in težo več kot 20 in vstopno temperaturo motorja 1930-2227 stopinj. Najvišji strateški cilj, ki mu sledijo razvite industrijske države.
Tako imenovani kompozitni material na osnovi C/C je ogljikov osnovni kompozitni material, ojačan z ogljikovimi vlakni, ki združuje ognjevzdržne lastnosti ogljika z visoko trdnostjo in visoko togostjo ogljikovih vlaken, zaradi česar ni krhek. Ker imajo kompozitni materiali na osnovi C/C majhno težo, visoko trdnost, vrhunsko toplotno stabilnost in odlično toplotno prevodnost, so danes najbolj idealni materiali, odporni na visoke temperature, zlasti v okoljih z visoko temperaturo 1000-1300 stopinj C Ne samo, da se moč ni zmanjšala, ampak se je lahko povečala. Še posebej, ko je pod 1650 stopinjami, še vedno ohranja moč in milost pri sobni temperaturi. Zato imajo kompoziti na osnovi C/C velik razvojni potencial v letalski in vesoljski industriji.
Omeniti velja, da je ena glavnih težav kompozitnih materialov na osnovi C/C pri uporabi letalskih motorjev slaba odpornost proti oksidaciji. Zato so ZDA v zadnjih letih sprejele vrsto tehnoloških ukrepov za rešitev tega problema in jih postopoma uporabile za nov motor. Na primer, repna šoba naknadnega zgorevanja pri ameriškem motorju F119, šoba in šoba zgorevalne komore motorja F100 ter nekateri deli zgorevalne komore stroja za preverjanje F120 so bili izdelani iz kompozitnih materialov na osnovi C/C. Drug primer je francoski motor M88-2, palica za vbrizgavanje goriva z naknadnim zgorevanjem, toplotni ščit in šoba motorja Mirage 2000 prav tako uporabljajo kompozitne materiale na osnovi C/C.
2
Nov material iz jekla ultra visoke trdnosti
Kaj je jeklo ultra visoke trdnosti? Sredi-1940 prejšnjega stoletja so Združene države razvile Cr-Mo jeklo (AISI4130) in Cr-Ni-Mo jeklo (AISI 4340). Po kaljenju in popuščanju pri nizkih temperaturah je bila natezna trdnost 170 oziroma 190 kgf/mm2. V zgodnjih 1950-ih sta bila jeklu AISI 4340 dodana Si in V, da bi naredili 300M z natezno trdnostjo 190~210 kgf/mm2. Leta 1960 je International Nickel Company izdelala maraging jeklo z natezno trdnostjo približno 180 kgf/mm2, lomno žilavostjo do 390 kgf/mm. V 1970-ih so Združene države znižale C in povečale Si na podlagi 300M, izboljšale žilavost in razvile v jeklo HP310; na osnovi martenzitnega jekla se je razvilo v jeklo AF1410 z natezno trdnostjo 170 kgf/mm2 in lomno žilavostjo 400 kgf/mm2 mm.
slika
Omeniti velja, da mora imeti jeklo ultra visoke trdnosti visoko natezno trdnost in vzdrževati zadostno žilavost. Zahteva tudi veliko specifično trdnost (razmerje med trdnostjo in gostoto) in visoko razmerje izkoristka (σs/σb), da se zmanjša teža komponente, ter mora imeti dobro varljivost in sposobnost oblikovanja ter druge procesne lastnosti. Jeklo z izjemno visoko trdnostjo ima zelo visoke zahteve glede metalurške kakovosti in se pogosto tali z elektroobločno pečjo in pretaljevanjem z elektro žlindro. Vrste jekel, ki zahtevajo visoko čistost, se večinoma talijo v vakuumskih indukcijskih pečeh ali vakuumskih potrošnih elektroobločnih pečeh. Srednje- in nizkolegirana jekla ultra visoke trdnosti je treba preprečiti razogljičenje med toplotno obdelavo; martenzitna jekla in nerjavna jekla, utrjena z izločanjem, je mogoče obdelati s trdno raztopino v običajnih grelnih pečeh. Za varjenje je treba uporabiti varjenje v zaščitnem plinu ali obločno argonsko volframovo varjenje. Nekatera nizkolegirana jekla z visoko trdnostjo z visoko vsebnostjo ogljika (približno 0,4 odstotka) je treba takoj po varjenju žariti brez napetosti.
Omeniti velja, da se kot material za podvozje na letalih uporablja jeklo ultra visoke trdnosti. Na primer, podvozje, ki se uporablja v letalu druge generacije, je izdelano iz jekla 30CrMnSiNi2A z natezno trdnostjo 1700MPa. Tovrstno podvozje ima kratko življenjsko dobo okoli 2000 ur letenja.
Drug primer je, da zasnova bojnega letala tretje generacije zahteva, da življenjska doba podvozja presega 5000 ur letenja. Hkrati se zaradi povečanja letalske opreme zmanjša koeficient teže konstrukcije letala, povečajo se zahteve glede izbire materialov podvozja in tehnologije izdelave. Tako ameriški kot naši lovci tretje generacije uporabljajo tehnologijo izdelave podvozja iz jekla 300M (natezna trdnost 1950 MPa).
Pravzaprav izboljšanje tehnologije uporabe materialov spodbuja nadaljnje podaljšanje življenjske dobe podvozja in razširitev prilagodljivosti. Na primer, pristajalno podvozje evropskega letala Airbus A380 uporablja tehnologijo izredno velikega integralnega kovanja, novo tehnologijo toplotne obdelave za zaščito atmosfere in tehnologijo hitrega plamenskega brizganja, tako da lahko življenjska doba podvozja izpolnjuje konstrukcijske zahteve. Zato je uvedba novih materialov in proizvodnih tehnik zagotovila zamenjavo letal.
slika
Kot vsi vemo, zasnova letal z dolgo življenjsko dobo v okolju, odpornem proti koroziji, postavlja višje zahteve glede materialov. Na primer, jeklo AerMet100 ima enako stopnjo trdnosti kot jeklo 300M, vendar sta njegova splošna odpornost proti koroziji in odpornost proti koroziji bistveno boljši od jekla 300M. Ustrezna tehnologija izdelave podvozja je bila uporabljena pri naprednih letalih, kot so F/A-18E/F, F-22 in F-35. Jeklo Aermet310 z večjo trdnostjo ima nižjo lomno žilavost in se nenehno razvija in izboljšuje. Hitrost rasti razpok ultra-visokotrdnega jekla AF1410, odpornega na poškodbe, je izjemno počasna, kar se lahko uporablja kot spoj aktuatorja krila letala B-1, ki je za 10,6 odstotka lažji od Ti -6Al-4V, s 60-odstotnim povečanjem zmogljivosti obdelave in 30,3-odstotnim znižanjem stroškov. Na primer, količina nerjavečega jekla visoke trdnosti, uporabljenega v ruskem Smig-1.42, znaša kar 30 odstotkov. PH13-8Mo je edino martenzitno nerjavno jeklo z visoko trdnostjo, ki se pogosto uporablja kot komponente, odporne proti koroziji. Jekla za zobnike (ležaje) z izjemno visoko trdnostjo so bila razvita tudi mednarodno, kot je CSS-42L, Gearmet C69 itd., in so bila uporabljena v motorjih, helikopterjih in letalstvu.
3
Material iz visokotemperaturne zlitine
Kaj so superzlitine? Visokotemperaturne zlitine so dejansko razdeljene na tri vrste materialov: visokotemperaturni materiali 760 stopinj, visokotemperaturni materiali 1200 stopinj in visokotemperaturni materiali 1500 stopinj, z natezno trdnostjo 800 MPa. Z drugimi besedami, nanaša se na visokotemperaturne kovinske materiale, ki delujejo dolgo časa pod 760-1500 stopinjami in določenimi pogoji napetosti. Njegove pomembne lastnosti: ima odlično visokotemperaturno trdnost, dobro odpornost proti oksidaciji in toplotno korozijo, dobro odpornost proti utrujenosti, lomno žilavost in druge celovite lastnosti ter je postal nenadomestljiv ključni material za vroče konce plinskoturbinskih motorjev za vojaške in civilne namene. uporabo po vsem svetu.
760-stopinjski visokotemperaturni materiali Od poznih tridesetih let prejšnjega stoletja so Velika Britanija, Nemčija, Združene države in druge države začele preučevati superzlitine. Med drugo svetovno vojno so raziskave in uporaba superzlitin vstopile v obdobje hitrega razvoja, da bi zadovoljili potrebe novih letalskih motorjev. V zgodnjih štiridesetih letih 20. stoletja je Združeno kraljestvo zlitini 80Ni-20Cr najprej dodalo majhno količino aluminija in titana, da je nastala 'faza (gama prime) za ojačitev, in razvilo prvo zlitino na osnovi niklja z visoko visoko - temperaturna trdnost. V tem obdobju so Združene države začele uporabljati zlitine Vitallium na osnovi kobalta za izdelavo lopatic, da bi zadostile potrebam razvoja turbopolnilnikov za batne letalske motorje.
slika
Omeniti velja, da so ZDA razvile tudi zlitine na osnovi niklja Inconel za izdelavo zgorevalnih komor za reaktivne motorje. Kasneje, da bi še izboljšali visokotemperaturno trdnost zlitine, so metalurgi zlitini na osnovi niklja dodali elemente, kot so volfram, molibden in kobalt, da bi povečali vsebnost aluminija in titana, ter razvili vrsto zlitin, npr. kot "Nimonic" v Združenem kraljestvu in "Nimonic" v Združenih državah Amerike. "Mar-M" in "IN" itd.; dodajanje niklja, volframa in drugih elementov zlitinam na osnovi kobalta za razvoj različnih visokotemperaturnih zlitin, kot so X-45, HA-188, FSX-414 itd. Zaradi zaradi pomanjkanja virov kobalta je razvoj superzlitin na osnovi kobalta omejen.
V štiridesetih letih prejšnjega stoletja so razvili tudi superzlitine na osnovi železa. V petdesetih letih 20. stoletja so se pojavile stopnje, kot sta A-286 in Incoloy901, vendar je bil zaradi slabe visoke temperaturne stabilnosti razvoj počasen. Nekdanja Sovjetska zveza je leta 1950 začela proizvajati superzlitine na osnovi niklja blagovne znamke "ЭИ", kasneje pa je izdelala serijo deformiranih superzlitin "ЭП" in serijo litih superzlitin ŽS. V sedemdesetih letih 20. stoletja so Združene države prav tako sprejele nov proizvodni postopek za izdelavo usmerjenih kristalizacijskih lopatic in turbinskih diskov praškaste metalurgije ter razvile komponente iz visokotemperaturnih zlitin, kot so enokristalne lopatice, da bi zadostile potrebam po nenehnem povečevanju vstopne temperature zraka. - turbine motorja.
Superzlitine so razvite za izpolnjevanje zelo zahtevnih zahtev reaktivnih motorjev glede materialov in so postale nenadomestljiv ključni material za vroče komponente vojaških in civilnih plinskoturbinskih motorjev. V naprednih letalskih motorjih je delež visokotemperaturnih zlitin dosegel več kot 50 odstotkov.
Razvoj visokotemperaturnih zlitin je tesno povezan s tehnološkim napredkom letalskih motorjev, zlasti turbinski disk, material lopatic turbine in proizvodni proces vročih delov motorja so pomembni simboli razvoja motorja. Zaradi visokih zahtev glede odpornosti na visoke temperature in nosilnosti materiala je bila v zgodnjih dneh v Združenem kraljestvu razvita Ni3 (Al, Ti) ojačana zlitina Nimonic80, ki je bila uporabljena kot material za turbinsko lopatico turboreaktivni motor. Poleg tega se je zlitina serije Nimonic nenehno razvijala. Združene države so razvile disperzijsko utrjene zlitine na osnovi niklja, ki vsebujejo aluminij in titan, kot so serije zlitin Inconel, Mar-M in Udmit, ki so jih razvili slavni Pratt & Whitney Company, GE Company oziroma Special Metals Company.
slika
V procesu razvoja superzlitin ima proizvodni proces veliko vlogo pri spodbujanju razvoja zlitin. Zaradi pojava tehnologije vakuumskega taljenja je odstranjevanje škodljivih primesi in plinov v zlitinah, zlasti natančna kontrola sestave zlitin, stalno izboljševala zmogljivost superzlitin. Zlasti uspešne raziskave novih tehnologij, kot so usmerjeno strjevanje, rast monokristalov, prašna metalurgija, mehansko legiranje, keramično jedro, keramična filtracija in izotermično kovanje, so spodbudile hiter razvoj superzlitin. Med njimi najbolj izstopa tehnologija usmerjenega strjevanja. Usmerjena in monokristalna zlitina, proizvedena s postopkom usmerjenega strjevanja, ima delovno temperaturo blizu 90 odstotkov začetnega tališča. Zato napredne lopatice letalskih motorjev po vsem svetu uporabljajo usmerjene enokristalne zlitine za izdelavo turbinskih lopatic. Z globalnega vidika so lite superzlitine na osnovi niklja oblikovale enakoosne kristale, usmerjeno strjene stebričaste kristale in sisteme enokristalnih zlitin. Praškaste superzlitine so bile razvite tudi iz prve generacije 650-stopinjskih do 750-stopinjskih, 850-stopinjskih prašnih turbinskih diskov in dvojno zmogljivih prašnih diskov za te napredne visoko zmogljive motorje.
4
kompoziti s keramično matriko
Kaj so keramični matrični kompoziti? Je vrsta kompozitnega materiala, ki uporablja keramiko kot matrico in različna vlakna. Keramična matrica je lahko visokotemperaturna strukturna keramika, kot sta silicijev nitrid in silicijev karbid. Ta napredna keramika ima odlične lastnosti, kot so odpornost na visoke temperature, visoka trdnost in togost, relativno majhna teža in odpornost proti koroziji. Usodna slabost je, da so krhki. Ko so pod obremenitvijo, počijo ali se celo zlomijo, kar povzroči okvaro materiala. Uporaba visoko trdnih, visokoelastičnih vlaken in matričnega kompozita je učinkovita metoda za izboljšanje žilavosti in zanesljivosti keramike. Vlakna lahko preprečijo širjenje razpok in tako pridobijo z vlakni ojačene keramične matrične kompozite z odlično žilavostjo.
slika
Kompoziti s keramično matriko so bili uporabljeni kot šobe za raketne motorje na tekoče-kapljevitost, ohišja projektilov, nosni stožci raketoplana, letalski zavorni koluti in avtomobilski zavorni koluti višjega cenovnega razreda itd., s čimer so postali pomembna veja visokotehnoloških novih materialov.
Ker imajo keramični materiali odlično odpornost proti obrabi, visoko trdoto in dobro odpornost proti koroziji, se pogosto uporabljajo. Največja slabost keramike pa je, da je krhka in občutljiva na razpoke in pore. Od osemdesetih let prejšnjega stoletja so keramični matrični kompoziti, pridobljeni z dodajanjem delcev, laskov in vlaken keramičnim materialom, močno izboljšali žilavost keramike.
Kompoziti s keramično matriko imajo visoko trdnost, visok modul, nizko gostoto, visoko temperaturno odpornost, odpornost proti obrabi in korozijo ter dobro žilavost in so bili uporabljeni v visokohitrostnih rezalnih orodjih in komponentah motorjev z notranjim zgorevanjem. Vendar je razvoj tovrstnega materiala razmeroma pozen, njegov potencial pa je treba šele razvijati. Poudarek raziskav je, da se uporabi za visokotemperaturne materiale ter materiale, odporne proti obrabi in koroziji, kot so izboljšane turbine za visokozmogljive motorje z notranjim zgorevanjem, toplotne komponente za vesoljska vozila in motorji vozil namesto kovin, petrokemične posode , oprema za sežiganje odpadkov itd.
Ko gre za keramiko, ljudje seveda pomislimo na njeno krhkost. Pred več kot desetimi leti, če so ga uporabljali kot nosilni del na inženirskem področju, je bilo nemogoče, da bi ga kdo sprejel. Do sedaj, ko gre za keramične kompozitne materiale, nekateri ljudje morda niso bili jasni, saj so mislili, da sta keramika in kovina prvotno nepomembna materiala. Ker pa so ljudje pametno združili keramiko in kovine, se je koncept ljudi o tem materialu bistveno spremenil, to so kompoziti s keramično matriko.
Kompozitni material s keramično matriko je zelo obetaven nov strukturni material na področju letalske industrije, zlasti pri uporabi proizvodnje letalskih motorjev, vse bolj kaže svojo edinstvenost. Poleg prednosti majhne teže in visoke trdote imajo kompoziti s keramično matriko tudi odlično odpornost na visoke temperature in visoko temperaturno odpornost proti koroziji. Trenutno so kompoziti s keramično matriko presegli kovinske materiale, odporne na toploto, glede odpornosti na visoke temperature in imajo dobre mehanske lastnosti in kemično stabilnost. So idealni in odlični materiali za visokotemperaturna področja visokozmogljivih turbinskih motorjev.
slika
Države po vsem svetu se osredotočajo na raziskave keramike, ojačane s silicijevim nitridom in silicijevim karbidom, da bi izpolnile zahteve glede materialov naslednje generacije naprednih motorjev
materialov in je močno napredovala, zlasti pri sodobnih letalskih motorjih. Na primer, motor F120 ameriškega stroja za preverjanje, njegova visokotlačna naprava za tesnjenje turbine in nekateri visokotemperaturni deli zgorevalne komore so vsi izdelani iz keramičnih materialov. Drugi primer, zgorevalna komora in šoba francoskega motorja M88-2 prav tako uporabljata kompozite s keramično matriko.
5
Novi materiali intermetalnih spojin
Kaj so intermetalne spojine? Spojine kovin in kovin ali kovin in metaloidov (kot so H, B, N, S, P, C, Si itd.). Atoma obeh kovin sta združena v določenem razmerju, da tvorita sestavo zlitine, ki se razlikuje od prvotnih dveh kristalnih mrež. Intermetalne spojine so nove vrste materialov, ki so prejeli široko pozornost.
slika
Pravzaprav je razvoj visoko zmogljivih letalskih motorjev z visokim razmerjem med potiskom in težo spodbudil razvoj in uporabo intermetalnih spojin. Intermetalne spojine so na splošno spojine, sestavljene iz binarnih, trojnih ali večelementnih kovinskih elementov. Intermetalne spojine imajo velik potencial pri visokotemperaturnih strukturnih aplikacijah. Ima visoko delovno temperaturo, specifično trdnost, toplotno prevodnost, zlasti pri visokih temperaturah pa ima tudi dobro odpornost proti oksidaciji, odpornost proti koroziji in visoko odpornost proti lezenju. . Poleg tega, ker je intermetalna spojina nov material med superzlitino in keramičnim materialom, zapolnjuje vrzel med materialoma, tako da postane eden od idealnih materialov za visokotemperaturne komponente letalskih motorjev.
V globalni strukturi letalskih motorjev so raziskave in razvoj osredotočeni predvsem na intermetalne spojine, kot sta titan-aluminij in nikelj-aluminij. Te spojine titana in aluminija imajo v bistvu enako gostoto kot titan, vendar imajo višjo delovno temperaturo. Na primer, delovne temperature TiAl so 816 stopinj oziroma 982 stopinj. Intermetalna spojina ima močno vez med atomi in kompleksno kristalno strukturo, zaradi česar se težko deformira, pri sobni temperaturi pa je trda in krhka. Po letih eksperimentalnih raziskav je bila uspešno razvita nova vrsta zlitine z visoko temperaturno trdnostjo, plastičnostjo in žilavostjo pri sobni temperaturi, ki je bila nameščena in uporabljena, učinek pa je zelo dober. Na primer, visoko zmogljiv motor F119 v Združenih državah uporablja intermetalne spojine v ohišju in turbinskih diskih, lopatice kompresorja in diski motorja F120 stroja za preverjanje pa uporabljajo nove intermetalne spojine titan-aluminij.
6
kompoziti s smolno matriko
Kaj so kompoziti s smolno matriko? Je material, ojačan z vlakni, ki temelji na organskem polimeru, običajno z uporabo ojačitvenih vlaken, kot so steklena vlakna, ogljikova vlakna, bazaltna vlakna ali aramidna vlakna. Kompozitni materiali na osnovi smole se pogosto uporabljajo v letalski, avtomobilski in pomorski industriji.
slika
Smolna matrica kompozitnih materialov je predvsem termoreaktivna smola. Že v štiridesetih letih 20. stoletja so plastiko, ojačano s steklenimi vlakni, uporabljali kot kupole na lovskih letalih in bombnikih. V šestdesetih letih 20. stoletja so Združene države uporabljale epoksidno smolo, ojačano z borovimi vlakni, kot krmila, vodoravne stabilizatorje, zadnje robove kril, vrata krmila itd. na vojaških letalih, kot sta F-4 in F-111. Kar zadeva proizvodnjo raket, so v poznih petdesetih letih 20. stoletja za ohišje drugostopenjskega raketnega motorja na trdno gorivo ameriške podmorniške rakete srednjega dosega "Polaris A-2" uporabljali dele za navijanje iz epoksidne smole, ojačane s steklenimi vlakni, ki so boljši kot jeklena ohišja. 27 odstotkov lažji; kasneje so bila za izdelavo "Polaris A-3" namesto običajnih steklenih vlaken uporabljena visoko zmogljiva steklena vlakna, zaradi česar je bila teža lupine 50 odstotkov lažja od mase jeklene lupine, tako da je obseg "Polaris A{{ 12}}" raketa je bila spremenjena z 2700 tisoč metrov povečana na 4500 km. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so namesto steklenih vlaken za ojačitev epoksi smole uporabili aramidna vlakna, s čimer se je trdnost močno izboljšala, teža pa zmanjšala. Kompoziti epoksi smole, ojačani z ogljikovimi vlakni, se pogosto uporabljajo v letalih, raketah, satelitih in drugih strukturah.
Raziskave o uporabi kompozitnih materialov na osnovi smol v letalskih turboventilatorskih motorjih so se začele v petdesetih letih prejšnjega stoletja. Po več kot 60 letih razvoja so GE, PW, RR, MTU, SNECMA in druga podjetja vložila veliko energije v raziskave in razvoj kompozitnih materialov na osnovi smol in dosegla velik napredek, njihov inženiring pa je se uporablja za aktivne letalske turboventilatorske motorje in obstaja težnja po nadaljnji širitvi njegove uporabe.
Delovna temperatura kompozitov s smolno matriko na splošno ne presega 350 stopinj. Zato se kompoziti s smolno matriko uporabljajo predvsem v hladnem delu letalskih motorjev.
7
kompoziti s kovinsko matriko
Kaj so kompoziti s kovinsko matriko? Je kompozitni material, ki je umetno kombiniran s kovino in njeno zlitino kot matriko ter eno ali več kovinskimi ali nekovinskimi ojačitvami. Večina njegovih ojačitvenih materialov so anorganske nekovine, kot so keramika, ogljik, grafit in bor itd., Uporabijo pa se lahko tudi kovinske žice. Skupaj s kompoziti s polimerno matriko, kompoziti s keramično matriko in kompoziti ogljik/ogljik tvori sodoben kompozitni sistem.
slika
Značilnosti kompozitnih materialov s kovinsko matriko: z vidika mehanike imajo visoko prečno in strižno trdnost, dobre celovite mehanske lastnosti, kot sta žilavost in utrujenost, imajo pa tudi toplotno prevodnost, električno prevodnost, odpornost proti obrabi, majhen koeficient toplotnega raztezanja, dobro dušenje , brez absorpcije vlage in brez odpornosti proti koroziji. Prednosti, kot sta staranje in brez onesnaževanja. Na primer, specifična trdnost aluminijastih kompozitnih materialov, ojačanih z ogljikovimi vlakni, je 3 ~ 4 × 107 mm, specifični modul pa je 6 ~ 8 × 109 mm. Na primer, specifični modul magnezija, ojačanega z grafitnimi vlakni, lahko doseže 1,5 × 1010 mm, njegov koeficient toplotnega raztezanja pa je skoraj nič.
Omeniti velja, da imajo v primerjavi s kompozitnimi materiali na osnovi smol kompozitni materiali na osnovi kovin dobro žilavost, ne absorbirajo vlage in lahko prenesejo relativno visoke temperature. Ojačitvena vlakna kompozitov s kovinsko matriko vključujejo kovinska vlakna, kot so nerjavno jeklo, volfram, svinec, intermetalne spojine nikelj-aluminij itd.; keramična vlakna, kot so aluminijev oksid, silicijev oksid, ogljik, bor, silicijev karbid itd.
Matrični materiali kompozitov s kovinsko matriko vključujejo aluminij, aluminijeve zlitine, magnezij, Chin in Chin zlitine, toplotno odporne zlitine, diamantne zlitine itd. Med njimi so trenutno glavne izbire kompozitni materiali na osnovi aluminijevih zlitin, aluminijevih zlitin in železovih zlitin . Na primer, matrične kompozite Chin zlitine SiC, ojačane z vlakni, je mogoče uporabiti za izdelavo kompresorskih lopatic. Za izdelavo lopatic turboventilatorjev se lahko uporabljajo kompoziti z matriko iz ogljikovih vlaken ali aluminijevega oksida, ojačani z magnezijem ali magnezijeve zlitine. Drug primer je, da se lahko matrični kompoziti iz zlitine na osnovi niklja, ojačani z nikelj-krom-aluminij-iridij, uporabijo za izdelavo tesnilnih elementov za turbine in kompresorje.
Poleg tega so ohišja ventilatorjev, rotorji, diski kompresorjev in drugi deli v tujini izdelani iz kovinskih matričnih kompozitov. Toda ena največjih težav s to vrsto kompozitnega materiala je, da je med ojačitvenimi vlakni in matrično kovino enostavno reagirati, da nastane krhka faza, ki poslabša učinkovitost materiala. Še posebej, če se uporablja dlje časa pri višji temperaturi, je reakcija vmesnika bolj izrazita. Trenutna rešitev je dodajanje ustreznih premazov na površino vlaken in zlitina matrične kovine glede na različna vlakna in različne substrate, da se upočasni reakcija vmesnika in ohrani zanesljivost delovanja kompozitnega materiala.
slika
Materiali, uporabljeni v lopaticah ventilatorja motorja
Lopatica ventilatorja motorja je najbolj reprezentativen in zelo pomemben del turboventilatorskega motorja, zmogljivost turboventilatorskega motorja pa je tesno povezana z njegovim razvojem. V primerjavi z lopaticami ventilatorja iz titanove zlitine imajo lopatice ventilatorja iz kompozitnega materiala s smolno matriko zelo očitno prednost pri zmanjšanju teže. Poleg očitnih prednosti zmanjšanja teže imajo kompozitne lopatice ventilatorja na osnovi smole manjši vpliv na ohišje ventilatorja po udarcu, zato je koristno izboljšati zadrževanje ohišja ventilatorja.
Glavni predstavniki kompozitnih ventilatorskih lopatic za komercialno uporabo v tujini so: motorji serije GE90 za B777, motorji GEnx za B787 in motorji LEAP-X za COMAC C919. Že leta 1995 je bil motor GE90-94B, opremljen z lopaticami ventilatorja iz kompozitnih materialov na osnovi smole, uradno dan v komercialno uporabo, kar je označilo uradno realizacijo inženirske uporabe kompozitnih materialov na osnovi smol v sodobnih visoko zmogljivih letalskih motorjih . Na podlagi celovitega upoštevanja aerodinamike, visoko- in nizkocikličnih ciklov utrujenosti in drugih dejavnikov je GE razvil novo kompozitno lopatico ventilatorja za poznejši motor GE90-115B.
V 21. stoletju močno povpraševanje letalskih motorjev po kompozitnih materialih z visoko odpornostjo na poškodbe poganja nadaljnji razvoj tehnologije kompozitnih materialov in je težko izpolniti zahteve materialov z visoko odpornostjo na poškodbe z nenehnim izboljševanjem žilavosti ogljikovih vlaken. /prepregi epoksi smole. Posledično so se začele pojavljati kompozitne lopatice ventilatorjev s 3D tkano strukturo.
Materiali, uporabljeni v ohišju ventilatorja motorja
Ohišje ventilatorja motorja je največji nepremični del letalskega motorja in njegovo zmanjšanje teže bo neposredno vplivalo na razmerje med potiskom in težo ter učinkovitost letalskega motorja. Zato so bili tuji napredni proizvajalci originalne opreme letalskih motorjev vedno zavezani zmanjšanju teže in strukturni optimizaciji ohišja ventilatorja.
slika
Materiali, uporabljeni za okrove ventilatorja motorja
Ker gre za neglavno nosilno komponento, je pokrov ventilatorja eden prvih delov iz kompozitnih materialov na letalskem motorju. Pokrov ventilatorja iz kompozitnih materialov lahko zagotovi manjšo težo, poenostavljeno strukturo proti zmrzovanju, boljšo odpornost proti koroziji in boljšo odpornost proti utrujenosti. Kot na primer motor RB211 slavnega podjetja RR, PW1000G in PW4000 podjetja PW uporabljajo kompozitne materiale na osnovi smol za pripravo pokrovov ventilatorjev.
V primerjavi z glavnimi okvirji letalskih motorjev imajo kompozitni materiali na osnovi smol zelo širok prostor uporabe v gondolah letalskih motorjev. Svetovni proizvajalci so v velikem obsegu uporabili kompozitne materiale na osnovi smol v vstopnih odprtinah gondol, oklepih, reverzerjih potiska in oblogah za zmanjšanje hrupa. Material. Kar zadeva druge dele, se kompozitni materiali na osnovi smole v različnih stopnjah uporabljajo tudi za vodilne plošče ventilatorjev letalskih motorjev, pokrove za tesnjenje ležajev in pokrivne plošče.
