Nuwe materiale vir lugmotors. Kom ons Kam deur Hulle

Junie 15, 2020

Lugvaartvervaardiging is die mees gekonsentreerde veld van hoë en nuwe tegnologie in die vervaardigingsbedryf, wat tot gevorderde vervaardigingstegnologie behoort. Die F119-enjin wat deur HP in die VSA ontwikkel is, die F120-enjin deur GE, die M88-2-enjin deur SNECMA in Frankryk, en die EJ200-enjin wat gesamentlik deur Brittanje, Duitsland, Italië en Spanje ontwikkel is. Die gemeenskaplike kenmerk van hierdie hoëwerkverrigting-vliegmotorenjins, wat die wêreld se gevorderde vlak verteenwoordig, is die wydverspreide aanvaarding van nuwe materiale, nuwe prosesse en nuwe tegnologieë. Vandag gaan ons kyk na 'n paar nuwe materiale vir hoëprestasie-vliegmotors.

Hoë temperatuur legering

Superlegerings word ontwikkel om aan die veeleisende vereistes van straalenjins op materiale te voldoen. Tot dusver het superlegerings 'n soort sleutelmateriaal geword wat nie vervang kan word vir warm-end-komponente van militêre en siviele gasturbine-enjins nie. Tans, in die gevorderde aero-enjin, het die hoeveelheid superlegering meer as 50% uitgemaak.

Die ontwikkeling van superlegering is nou verwant aan die tegniese vordering van lugvaartenjins, veral die turbineskyf, turbinelemmateriaal en vervaardigingsproses van enjin-hot-end-komponente is belangrike simbole van enjinontwikkeling. As gevolg van die hoë vereistes vir die hoë-temperatuur weerstand en spanning toleransie van materiale, is Nimonic80 legering versterk deur Ni3 (Al, Ti) in die vroeë stadium in Brittanje ontwikkel om as turbine lem materiaal vir turbostraal enjins gebruik te word. Intussen is Nimonic-reeks legerings agtereenvolgens ontwikkel. In die Verenigde State is dispersie-versterkte nikkel-gebaseerde legerings wat aluminium en titanium bevat ontwikkel, soos Inconel, Mar-M en Udmit legeringsreekse wat onderskeidelik deur Pratt & Whitney, GE en Special Metal maatskappye ontwikkel is.

In die ontwikkeling van superlegerings speel die vervaardigingsproses 'n groot rol in die bevordering van die ontwikkeling van legerings. As gevolg van die voorkoms van vakuumsmelttegnologie, die verwydering van skadelike onsuiwerhede en gasse in die legering, veral die akkurate beheer van die legeringssamestelling, word die werkverrigting van superlegering voortdurend verbeter. Vervolgens het die suksesvolle navorsing van nuwe tegnologieë soos rigtinggewende stolling, enkelkristalgroei, poeiermetallurgie, meganiese legering, keramiekkern, keramiekfiltrasie, isotermiese smee en so meer die vinnige ontwikkeling van superlegerings bevorder. Onder hulle is rigtinggewende stollingstegnologie die mees prominente. Richting- en enkelkristallegering wat deur die rigtinggewende stollingsproses vervaardig word, word gebruik by 'n temperatuur naby aan 90% van die aanvanklike smeltpunt. Daarom is al die gevorderde aero-enjin lemme in die wêreld gemaak van rigtinggewende, enkelkristallegering. Vanuit die internasionale oogpunt het nikkel-gebaseerde gietsuperlegerings gelykasige kristal, rigtinggestolde kolomvormige kristal en enkelkristallegeringstelsels gevorm. Poedersuperlegering word ook ontwikkel vanaf die eerste generasie 650℃ tot 750℃, 850℃ poeierturbineskyf en dubbelwerkverrigting poeierskyf vir gevorderde hoëwerkverrigtingenjins.

China se superlegeringsontwikkeling met die ontwikkeling van vliegtuigenjinnavorsing en produksievereistes. Hoë temperatuur legering en entrepreneurskap in China begin in die 1970's, as gevolg van die vraag van die eerste en tweede generasie enjin in ons land, die navorsing en ontwikkeling van ons land die GH reeks vervorming van hoë temperatuur legering en K reeks van giet hoë temperatuur legering, het terselfdertyd baie nuwe vervaardigingstegnologie ontwikkel, soos vakuum smelt en giet, die giet van die hol lem, isotermiese smee, ens.

Na die 1970's, in die ontwikkeling van superlegerings, het China Europese en Amerikaanse tegnologie ingestel, volgens buitelandse tegniese standaarde vir die ontwikkeling en produksie, die materiaal suiwerheid en omvattende prestasie van hoër vereistes, die ontwikkeling van hoëprestasie vervorming superlegerings, giet superlegerings. In die besonder het die navorsing en ontwikkeling van DZ-reeks rigtinggewende gestolde kolomlegering en DD-reeks enkelkristallegering die produksietegnologie en produkkwaliteitbeheer van China se superlegerings na 'n nuwe vlak gebring.

Ultra hoë sterkte staal

Ultra hoë sterkte staal word as landingstuig materiaal in vliegtuie gebruik. Die tweede generasie vliegtuig landingsgestel materiaal is 30CrMnSiNi2A staal, treksterkte van 1700MPa, hierdie landingstuig het 'n kort lewe, ongeveer 2000 vliegure.

Die derde generasie vegvliegtuie is ontwerp om 'n landingstuiglewe van meer as 5,000 300 vliegure te hê. Terselfdertyd, as gevolg van die toename in lugtoerusting, neem die gewigskoëffisiënt van vliegtuigstruktuur af, wat hoër vereistes stel vir die materiaalkeuse en vervaardigingstegnologie van landingsgereedskap. Beide die VSA en China se derde generasie vliegtuie gebruik die 1950M staal (treksterkte XNUMXMPa) landingsgereedskap vervaardigingstegnologie.

Daar moet kennis geneem word dat die verbetering van materiaaltoepassingstegnologie ook die verdere verlenging van landingstuiglewe en die uitbreiding van aanpasbaarheid aandryf. Airbus A380-landingsgestel gebruik byvoorbeeld supergroot integrale smee-tegnologie, nuwe atmosfeerbeskerming-hittebehandelingstegnologie en hoëspoed-vlambespuitingstegnologie, sodat die landingsgestellewe aan die ontwerpvereistes kan voldoen. Vooruitgang in nuwe materiale en vervaardigingstegnologie het dus verseker dat vliegtuie vervang word.

AerMet100-staal het dieselfde sterktevlak in vergelyking met 300M-staal, terwyl die algemene korrosieweerstand en spanningskorrosieweerstand aansienlik beter is as 300M-staal. Die bypassende landingsgereedskap-vervaardigingstegnologie is toegepas op F/A-18E/F, F-22, F-35 en ander gevorderde vliegtuie. Die hoër sterkte Aermet310-staal het 'n laer breuktaaiheid en word bestudeer. Die skadeverdraagsaamheid ultrahoë sterkte staal AF1410 het 'n baie stadige kraakgroeitempo en word gebruik as 'n b-1 vliegtuigvlerk-aktuator-silinderverbinding, wat 10.6% ligter is as TI-6al-4V, 60% hoër in bewerkingsverrigting en 30.3 % laer in koste. Die Russiese MIG-1.42 GEBRUIK tot 30% hoësterkte vlekvrye staal. Ph13-8mo is die enigste hoë-sterkte martensitiese neerslag-geharde vlekvrye staal, wat wyd gebruik word as korrosiebestande komponente. Voorlopige resultate is verkry deur ultrahoësterkte vlekvrye staal in China te ondersoek.

Ultra-hoë sterkte rat (draer) staal, soos CSS-42L en GearmetC69, is in die buiteland ontwikkel en getoets in enjins, helikopters en lugvaart. Die tegnologie van enjin- en helikoptertransmissiemateriaal is baie agterlik in China. Beijing Aeronautical Materials Research Institute het onafhanklik 'n soort ultrahoë sterkte draerstaal nagevors en ontwikkel.

Intermetaalverbinding

Die ontwikkeling van hoë werkverrigting en hoë stukrag-tot-gewig-verhouding lug-enjin bevorder die ontwikkeling en toepassing van intermetaalverbindings. Vandag het intermetaalverbindings ontwikkel tot 'n verskeidenheid families, wat oor die algemeen uit binêre, drieledige of multi-element metaalelemente saamgestel is. Intermetaalverbindings het groot potensiaal in hoë temperatuur strukturele toepassings, met hoë dienstemperatuur, spesifieke sterkte en termiese geleidingsvermoë, veral by hoë temperatuur, en uitstekende oksidasieweerstand, korrosiebestandheid en hoë kruipsterkte. Daarbenewens, omdat intermetaalverbinding 'n nuwe materiaal tussen superlegering en keramiekmateriaal is, vul dit die gaping tussen hierdie twee materiale, dus word dit een van die ideale materiale vir hoëtemperatuurkomponente vir lugmotors.

Tans word intermetaalverbindings soos ti-Al en Ni-Al hoofsaaklik gewy aan die navorsing en ontwikkeling van lugmotorstrukture. Hierdie titaan-aluminiumverbindings het min of meer dieselfde digtheid as titaan, maar het hoër temperature. Byvoorbeeld, die bedryfstemperatuur was onderskeidelik 816 ℃ en 982 ℃. As gevolg van die sterk bindingskrag tussen atome en die komplekse kristalstruktuur, is die intermetaalverbinding moeilik om te vervorm en lyk dit hard en bros by kamertemperatuur. Op die oomblik, na baie jare van eksperimentele navorsing, is 'n nuwe legering met hoë temperatuur sterkte, kamertemperatuur plastisiteit en taaiheid ontwikkel en geïnstalleer met goeie effek. Byvoorbeeld, die hoë werkverrigting F119-enjin in die Verenigde State GEBRUIK intermetaalverbindings in sy eksterne omhulsel en turbineskyf, terwyl die kompressorlem en skyf van F120-enjin in die verifikasiemasjien nuwe intermetaalverbindings in titanium en aluminium aanneem.

Keramiese matriks-samestellings

Wanneer dit by keramiek kom, is dit natuurlik om aan bros eienskappe te dink. Meer as tien jaar gelede, as dit gebruik word in die ingenieurswese veld van draende dele, is enigiemand kan nie aanvaar, tot nou toe vir die keramiek saamgestelde materiale, miskien weet sommige mense nie, ook dink nie keramiek en metaal was oorspronklik twee verwante basiese materiale, maar sedert die mense na die vernuftige kombinasie van keramiek en metaal, maak mense fundamentele veranderinge plaasgevind het in die konsep van die materiaal, dit is die keramiek matriks saamgestelde.

Keramiekmatrikssamestellings belowe nuwe strukturele materiale in die lugvaartbedryf, veral in die vervaardiging van vliegtuigmotors. Keramiekmatriks-samestellings het nie net die voordele van ligte gewig en hoë hardheid nie, maar het ook uitstekende korrosiebestandheid by hoë temperature en hoë temperature. Tans is keramiekmatriks-samestellings meer bestand teen hoë temperature as metaalmateriale, en het uitstekende meganiese eienskappe en chemiese stabiliteit. Dit is ideale materiale vir hoë-temperatuur sones van hoë-prestasie turbine-enjins.

Op die oomblik fokus alle lande in die wêreld op die navorsing van silikonnitried en silikonkarbiedversterkte keramiekmateriale volgens die materiaalvereistes van die volgende generasie gevorderde enjins, en groot vordering is gemaak. Byvoorbeeld, die F120-enjin van die Amerikaanse verifieerder, sy hoëdruk turbine-seëltoestel en sommige hoë-temperatuur dele van die verbrandingskamer is gemaak van keramiek materiaal. Franse M88-2-enjinverbrandingskamer en -spuitstuk is ook gemaak van keramiekmatriks-samestellings.

Koolstof/koolstof samestellings

In onlangse jare is C/C matriks saamgestelde 'n nuwe materiaal wat meer bestand is teen hoë temperature. Tot dusver word slegs die C/C saamgestelde materiaal beskou as die enigste opvolger materiaal vir turbinerotor lemme met stoot-tot-gewig verhouding bo 20 en enjin inlaat temperatuur tot 1930-2227 ℃. Dit is die hoë-temperatuurbestande materiaal wat in die 21ste eeu deur die Verenigde State ontwikkel is en die hoogste teiken wat deur gevorderde nywerheidslande in die wêreld nagestreef word. C/C-matriks-samestellings, koolstofveselversterkte koolstofbasis-komposiete, kombineer die smeltbare eienskappe van koolstof met die hoë sterkte en styfheid van koolstofvesel om nie-bros mislukking te bied. As gevolg van sy ligte gewig, hoë sterkte, voortreflike termiese stabiliteit en uitstekende termiese geleidingsvermoë, is dit deesdae die mees ideale hoë-temperatuur materiaal. Veral in die hoë temperatuur omgewing van 1000-1300 ℃, sy sterkte neem nie af nie, maar neem toe. Dit behou die krag en grasie van 'n kamertemperatuur-omgewing by temperature onder 1,650 XNUMX grade Celsius. Daarom het C/C-matriks-samestellings 'n groot toekoms in die lugvaartvervaardigingsbedryf.

Die hoofprobleem van die toepassing van C/C-matriks-samestelling in aero-enjin is sy swak antioksidant-prestasie. In onlangse jare het die Verenigde State 'n reeks tegnologiese maatreëls getref om hierdie probleem op te los en dit geleidelik op nuwe enjins toegepas. Byvoorbeeld, die naverbrander-spuitpunt van die F119-enjin in die Verenigde State, die mondstuk en verbrandingskamer-spuitpunt van die F100-enjin, en sommige dele van die verbrandingskamer van die F120-verifikasiemasjien is gemaak van C/C-matriks-saamgestelde materiale. Franse M88-2-enjin, Mirage 2000-enjin naverbrander brandstofstaaf, hitteskild, spuitstuk en ander C/C matriks saamgestelde materiale word ook gebruik.

Harsmatriks-samestellings

Harsmatriks-samestellings in lugvaarttoepassings van turbofan-enjinnavorsing het in die 1950's begin, na meer as 60 jaar van ontwikkeling, het GE, PW, RR en MTU en SNECMA maatskappy baie energie belê vir navorsing en ontwikkeling van harsmatriks saamgestelde materiale, groot vordering gemaak is, sal sy ingenieurstoepassing op aktiewe vliegtuie turbofan-enjin hê, en die verdere ontwikkelende neigings van is.

Die dienstemperatuur van harsmatriks-komposiete oorskry gewoonlik nie 350 ℃ nie. Daarom word harsmatriks-samestellings hoofsaaklik in die koue kant van aeroenjins gebruik. Die belangrikste toepassingsdele van harsmatriks-samestellings in buitelandse gevorderde vliegtuigenjins word in die figuur getoon.

Fanblad: Enjinwaaierblad is die mees verteenwoordigende en belangrikste deel van turbowaaier-enjin. Die werkverrigting van turbofan-enjin is nou verwant aan sy ontwikkeling. In vergelyking met waaierblaaie van titaniumlegering, het harsmatriks-saamgestelde waaierblaaie duidelike voordele vir gewigsverlies. Benewens die ooglopende gewigsverliesvoordeel, het harsmatriks-saamgestelde waaierblaaie minder impak op die waaieromhulsel nadat dit geraak is, wat bevorderlik is om die inklusiwiteit van die waaieromhulsel te verbeter.

Tans is die hoofverteenwoordigers van saamgestelde waaierblaaie wat kommersieel in die buiteland toegepas is, GE90-reeks-enjins vir B777, GEnx-enjins vir B787, en Leap-X-enjins vir ComAC C919. In 1995 is die GE90-94B-enjin met harsmatriks-saamgestelde waaierblaaie in kommersiële bedryf gestel, wat die formele verwesenliking van ingenieurstoepassings van harsmatriks-samestellings in moderne hoëprestasie-vliegmotors aandui. Op grond van omvattende oorweging van aerodinamika, hoë-lae siklus moegheidsiklus en ander faktore, het GE nuwe saamgestelde waaierblaaie vir die daaropvolgende GE90-115B-enjins ontwikkel.

In die 21ste eeu dryf die lugvaartenjin se sterk vraag na hoë-skadetoleransie saamgestelde materiaal die verdere ontwikkeling van saamgestelde materiaaltegnologie aan. Dit is egter moeilik om aan die vereiste van hoë skadeverdraagsaamheid te voldoen deur die taaiheid van koolstofvesel/epoksiehars prepreg te verbeter. Onder hierdie agtergrond het 3D-gevlegte saamgestelde waaierblad tot stand gekom.

Waaieromhulsel: Waaieromhulsel is die grootste statiese komponent van 'n vliegmotor, en die gewigsvermindering daarvan sal die stoot-gewigverhouding en doeltreffendheid van die lugmotor direk beïnvloed. Daarom is buitelandse gevorderde vliegtuigenjin OEM verbind tot die gewigsvermindering en strukturele optimalisering van waaieromhulsel. Soos in die figuur getoon, word die ontwikkelingstendens van waaieromhulsel van buitelandse gevorderde vliegtuigmotors getoon.

Fan cap: Omdat dit nie die hoof draende komponent is nie, is fan cap een van die eerste saamgestelde komponente wat in lugmotors gebruik word. Saamgestelde waaierkap bied ligter gewig, vereenvoudigde anti-ysstruktuur, beter weerstand teen korrosie en beter weerstand teen moegheid.

Tans word harsmatriks-samestellings gebruik om waaierkappe vir RR RB211-enjin, PW PW1000G en PW4000 voor te berei.

In vergelyking met die hoofenjin het harsmatriks-samestellings 'n wyer toedieningsruimte in lugmotorgondels, soos in die figuur getoon. Volgens die data het buitelandse vervaardigers die harsmatriks-saamgestelde materiaal in die nacl-inlaat, kuip, terugstoottoestel en geraasverminderingsvoering gebruik.

Ander dele volgens die data, in die aero-enjin fan hardloper plaat, dra seël dekking, dekplaat en ander dele ook in verskillende grade van die toepassing van hars matriks saamgestelde.

Metaalmatriks-samestellings

In vergelyking met harsmatrikssamestellings, het metaalmatrikssamestellings goeie taaiheid, geen vogabsorpsie nie, en kan hoë temperature weerstaan. Die versterkte vesels van metaalmatriks-samestellings sluit metaalvesels in, soos vlekvrye staal, wolfram, kwilt, ni, ni-Al intermetaalverbindings, ens. Keramiekvesel, soos alumina, silikonoksied, koolstof, boor, silikonkarbied, boornitried, ens.

Die matriksmateriale van metaalmatriks-samestellings is aluminium, aluminiumlegering, magnesium, Qinhe Qinhe-legering, hittebestande legering, boorlegering en so aan. Aluminium-keng-legering, Qinhe-ferrolegering as die basis saamgestelde materiaal is tans die belangrikste keuse. Byvoorbeeld, silikonkarbiedveselversterkte Allooi-matrikssamestellings kan gebruik word om kompressorlemme te vervaardig. Koolstofvesel- of aluminaveselversterkte magnesium- of magnesiumlegeringsmatrikssamestellings kan gebruik word om turbinewaaierlemme te vervaardig. Byvoorbeeld, nikkel-chroom-aluminium-iridium-vesel-versterkte nikkel-basis legering matriks komposiete kan gebruik word om seëlelemente vir turbines en kompressors te vervaardig.

Ander onderdele, soos waaieromhulsel, rotor, kompressorskyf, ens., word in die buiteland van metaalmatriks-samestelling gemaak. Een van die grootste probleme van hierdie soort saamgestelde materiaal is egter dat die reaksie tussen die versterkte vesel en die matriksmetaal maklik is om brosfase te produseer, wat die materiaalprestasie erger maak. Veral by hoër temperature vir 'n lang tyd is die raakvlakreaksie meer prominent. Op die oomblik is die oplossing om toepaslike laag op die veseloppervlak te voeg volgens verskillende vesels en verskillende matriks, en die matriksmetaal te legering om die koppelvlakreaksie te vertraag en die betroubaarheid van die saamgestelde eienskappe te handhaaf.