Pembuatan penerbangan adalah bidang teknologi tinggi yang paling tertumpu dan tergolong dalam teknologi pembuatan termaju. Contohnya, enjin F119 yang dibangunkan oleh Pratt & Whitney dari Amerika Syarikat, enjin F120 General Electric Company, enjin M88-2 Syarikat SNECMA Perancis dan enjin EJ200 yang dibangunkan bersama oleh United Kingdom, Jerman , Itali dan Sepanyol. Perlu dinyatakan bahawa enjin aero yang mewakili tahap paling maju di dunia ini mempunyai ciri umum menggunakan bahan baharu, proses baharu dan teknologi baharu. Tujuh bahan baharu yang digunakan diperkenalkan masing-masing seperti berikut:
1
Karbon/Karbon Komposit
Apakah komposit karbon/karbon? Ia adalah bahan komposit matriks karbon yang diperkukuh oleh gentian karbon dan fabriknya, dengan ketumpatan rendah (<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.
Walaupun komposit karbon/karbon mempunyai banyak sifat suhu tinggi yang sangat baik, ia mengalami tindak balas pengoksidaan dalam persekitaran aerobik dengan suhu lebih tinggi daripada 400 darjah, mengakibatkan penurunan mendadak dalam sifat bahan. Oleh itu, penggunaan komposit karbon/karbon dalam persekitaran aerobik suhu tinggi mesti mempunyai langkah perlindungan pengoksidaan. Perlindungan pengoksidaan komposit karbon/karbon adalah terutamanya melalui dua cara berikut, iaitu pengubahsuaian matriks dan pempasifan titik aktif permukaan boleh digunakan untuk melindungi komposit karbon/karbon pada suhu yang lebih rendah; apabila suhu meningkat, Kaedah salutan mesti digunakan untuk mengasingkan bahan komposit karbon/karbon daripada sentuhan langsung dengan oksigen, untuk mencapai tujuan perlindungan pengoksidaan. Pada masa ini, kaedah salutan adalah kaedah yang paling banyak digunakan. Dengan kemajuan sains dan teknologi yang berterusan, terdapat lebih banyak pergantungan pada prestasi suhu ultra tinggi bahan komposit karbon/karbon, dan satu-satunya penyelesaian perlindungan pengoksidaan yang boleh dilaksanakan di bawah keadaan suhu ultra-tinggi hanya boleh menjadi perlindungan salutan. .
Perlu dinyatakan bahawa bahan komposit berasaskan C/C adalah bahan baharu dengan rintangan suhu yang lebih tinggi yang telah mendapat perhatian paling banyak di dunia sejak beberapa tahun kebelakangan ini. Kerana hanya bahan komposit C/C dianggap sebagai satu-satunya bahan pengganti untuk bilah pemutar turbin dengan nisbah tujahan kepada berat lebih daripada 20 dan suhu masuk enjin 1930-2227 darjah . Matlamat strategik tertinggi yang diusahakan oleh negara industri maju.
Bahan komposit berasaskan C/C yang dipanggil ialah bahan komposit asas karbon yang diperkukuh gentian karbon, yang menggabungkan sifat refraktori karbon dengan kekuatan tinggi dan ketegaran tinggi gentian karbon, menjadikannya tidak rapuh. Oleh kerana bahan komposit berasaskan C/C mempunyai berat ringan, kekuatan tinggi, kestabilan terma yang unggul dan kekonduksian terma yang sangat baik, ia merupakan bahan kalis suhu tinggi yang paling ideal hari ini, terutamanya dalam persekitaran suhu tinggi 1000-1300 darjah C .Bukan sahaja kekuatan tidak berkurangan, malah ia mampu meningkat. Terutama apabila ia berada di bawah 1650 darjah, ia masih mengekalkan kekuatan dan keanggunan pada suhu bilik. Oleh itu, komposit berasaskan C/C mempunyai potensi pembangunan yang besar dalam pembuatan aeroangkasa.
Perlu dinyatakan bahawa salah satu masalah utama bahan komposit berasaskan C/C dalam penggunaan enjin aero ialah rintangan pengoksidaan yang lemah. Oleh itu, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, Amerika Syarikat telah menerima pakai satu siri langkah teknologi untuk menyelesaikan masalah ini, dan secara beransur-ansur Digunakan untuk enjin baharu. Contohnya, muncung ekor penunu selepas pada enjin F119 Amerika, muncung dan muncung kebuk pembakaran enjin F100, dan beberapa bahagian kebuk pembakaran mesin pengesahan F120 telah diperbuat daripada bahan komposit berasaskan C/C. Contoh lain ialah enjin M88-2 Perancis, dan rod suntikan bahan api pembakar selepas, pelindung haba dan muncung enjin Mirage 2000 juga menggunakan bahan komposit berasaskan C/C.
2
Bahan baharu keluli berkekuatan ultra tinggi
Apakah Keluli Kekuatan Ultra Tinggi? Pada pertengahan-1940s, Amerika Syarikat membangunkan keluli Cr-Mo (AISI4130) dan keluli Cr-Ni-Mo (AISI 4340). Selepas pelindapkejutan dan pembajaan suhu rendah, kekuatan tegangan masing-masing adalah 170 dan 190kgf/mm2. Pada awal 1950-an, Si dan V telah ditambah kepada keluli AISI 4340 untuk membuat 300M dengan kekuatan tegangan 190~210kgf/mm2. Pada tahun 1960, Syarikat Nikel Antarabangsa membuat keluli maraging dengan kekuatan tegangan kira-kira 180kgf/mm2, keliatan patah sehingga 390kgf/mm. Pada tahun 1970-an, Amerika Syarikat mengurangkan C dan meningkatkan Si berdasarkan 300M, meningkatkan keliatan, dan berkembang menjadi keluli HP310; berdasarkan keluli maraging, ia berkembang menjadi keluli AF1410, dengan kekuatan tegangan 170kgf/mm2 dan keliatan patah sebanyak 400kgf/mm2 mm.
gambar
Perlu diingat bahawa keluli berkekuatan ultra tinggi mesti mempunyai kekuatan tegangan yang tinggi dan mengekalkan keliatan yang mencukupi. Ia juga memerlukan kekuatan khusus yang besar (nisbah kekuatan kepada ketumpatan) dan nisbah hasil yang tinggi (σs/σb) untuk mengurangkan berat komponen, dan mesti mempunyai kebolehkimpalan dan kebolehbentukan yang baik dan sifat proses lain. Keluli berkekuatan ultra tinggi mempunyai keperluan yang sangat tinggi pada kualiti metalurgi, dan sering dileburkan oleh relau arka elektrik dan pencairan semula electroslag. Jenis keluli yang memerlukan ketulenan tinggi kebanyakannya dilebur dalam relau aruhan vakum atau relau arka elektrik boleh guna vakum. Keluli berkekuatan ultra tinggi aloi sederhana dan rendah harus dihalang daripada penyahkarburan semasa rawatan haba; keluli maraging dan keluli tahan karat pengerasan pemendakan boleh menjadi larutan pepejal dirawat dalam relau pemanasan biasa. Kimpalan gas pelindung atau kimpalan arka tungsten argon mesti digunakan untuk kimpalan. Sesetengah keluli berkekuatan ultra tinggi aloi rendah dengan kandungan karbon tinggi (kira-kira 0.4 peratus ) hendaklah dilepaskan tekanan dengan segera selepas dikimpal.
Perlu dinyatakan bahawa keluli berkekuatan ultra tinggi digunakan sebagai bahan untuk gear pendaratan pada pesawat. Sebagai contoh, gear pendaratan yang digunakan dalam pesawat generasi kedua diperbuat daripada keluli 30CrMnSiNi2A dengan kekuatan tegangan 1700MPa. Alat pendaratan jenis ini mempunyai hayat perkhidmatan yang singkat iaitu kira-kira 2000 jam penerbangan.
Contoh lain ialah reka bentuk jet pejuang generasi ketiga memerlukan hayat gear pendaratan melebihi 5,000 jam penerbangan. Pada masa yang sama, disebabkan peningkatan dalam peralatan bawaan udara, pekali berat struktur pesawat berkurangan, dan keperluan yang lebih tinggi diletakkan pada pemilihan bahan gear pendaratan dan teknologi pembuatan. Kedua-dua AS dan pejuang generasi ketiga kami menggunakan teknologi pembuatan gear pendaratan keluli 300M (kekuatan tegangan 1950MPa).
Malah, peningkatan teknologi aplikasi bahan menggalakkan lanjutan hayat gear pendaratan dan pengembangan kebolehsuaian. Sebagai contoh, gear pendaratan pesawat Airbus A380 Eropah menggunakan teknologi penempaan integral yang sangat besar, teknologi rawatan haba perlindungan atmosfera baharu dan teknologi penyemburan api berkelajuan tinggi, supaya hayat gear pendaratan dapat memenuhi keperluan reka bentuk. Oleh itu, pengenalan bahan baru dan teknik pembuatan memastikan penggantian pesawat.
gambar
Seperti yang kita sedia maklum, reka bentuk jangka hayat pesawat dalam persekitaran tahan kakisan mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk bahan. Sebagai contoh, keluli AerMet100 mempunyai tahap kekuatan yang sama dengan keluli 300M, tetapi rintangan kakisan am dan rintangan kakisan tegasan adalah jauh lebih baik daripada keluli 300M. Teknologi pembuatan gear pendaratan yang sepadan telah digunakan pada pesawat canggih seperti F/A-18E/F, F-22 dan F-35. Keluli Aermet310 berkekuatan lebih tinggi mempunyai keliatan patah yang lebih rendah dan sedang dibangunkan dan diperbaiki secara berterusan. Kadar pertumbuhan retak AF1410 keluli berkekuatan ultra tinggi tahan kerosakan adalah sangat perlahan, yang boleh digunakan sebagai sambungan penggerak sayap pesawat B-1, iaitu 10.6 peratus lebih ringan daripada Ti -6Al-4V, dengan peningkatan 60 peratus dalam prestasi pemprosesan dan pengurangan 30.3 peratus dalam kos . Contohnya, jumlah keluli tahan karat berkekuatan tinggi yang digunakan dalam Smig Rusia-1.42 adalah setinggi 30 peratus . PH13-8Mo ialah satu-satunya keluli tahan karat pemendakan martensit berkekuatan tinggi yang digunakan secara meluas sebagai komponen kalis kakisan. Keluli gear (bearing) berkekuatan ultra tinggi juga telah dibangunkan di peringkat antarabangsa, seperti CSS-42L, Gearmet C69, dsb., dan telah digunakan dalam enjin, helikopter dan aeroangkasa.
3
Bahan aloi suhu tinggi
Apakah bahan aloi super? Aloi suhu tinggi sebenarnya dibahagikan kepada tiga jenis bahan: bahan suhu tinggi 760 darjah, bahan suhu tinggi 1200 darjah dan bahan suhu tinggi 1500 darjah, dengan kekuatan tegangan 800MPa. Dalam erti kata lain, ia merujuk kepada bahan logam suhu tinggi yang berfungsi untuk masa yang lama di bawah 760-1500 darjah dan keadaan tegasan tertentu. Ciri-ciri pentingnya: ia mempunyai kekuatan suhu tinggi yang sangat baik, rintangan pengoksidaan yang baik dan rintangan kakisan haba, prestasi keletihan yang baik, keliatan patah dan sifat komprehensif lain, dan telah menjadi bahan utama yang tidak boleh ditukar ganti untuk bahagian hujung panas enjin turbin gas untuk tentera dan awam. gunakan di seluruh dunia.
Bahan suhu tinggi 760 darjah Sejak akhir 1930-an, Britain, Jerman, Amerika Syarikat dan negara-negara lain mula mengkaji superalloy. Semasa Perang Dunia II, untuk memenuhi keperluan enjin aero baharu, penyelidikan dan penggunaan aloi super memasuki tempoh pembangunan yang pesat. Pada awal 1940-an, United Kingdom mula-mula menambahkan sedikit aluminium dan titanium kepada aloi 80Ni-20Cr untuk membentuk fasa ' (gamma prima) untuk pengukuhan, dan membangunkan aloi berasaskan nikel pertama dengan tinggi tinggi. -kekuatan suhu. Dalam tempoh ini, untuk memenuhi keperluan pembangunan pengecas turbo untuk aeroengine omboh, Amerika Syarikat mula menggunakan aloi berasaskan Vitallium kobalt untuk membuat bilah.
gambar
Perlu dinyatakan bahawa Amerika Syarikat juga telah membangunkan aloi berasaskan nikel Inconel untuk membuat kebuk pembakaran untuk enjin jet. Kemudian, untuk meningkatkan lagi kekuatan aloi suhu tinggi, ahli metalurgi menambah unsur seperti tungsten, molibdenum, dan kobalt kepada aloi berasaskan nikel untuk meningkatkan kandungan aluminium dan titanium, dan membangunkan satu siri aloi, seperti sebagai "Nimonic" di United Kingdom, dan "Nimonic" di Amerika Syarikat. "Mar-M" dan "IN", dsb.; menambahkan nikel, tungsten dan unsur lain pada aloi berasaskan kobalt untuk membangunkan pelbagai aloi suhu tinggi, seperti X-45, HA-188, FSX-414, dsb. Disebabkan oleh kekurangan sumber kobalt, pembangunan superaloi berasaskan kobalt adalah terhad.
Pada tahun 1940-an, superaloi berasaskan besi juga telah dibangunkan. Pada tahun 1950-an, gred seperti A-286 dan Incoloy901 muncul, tetapi disebabkan kestabilan suhu tinggi yang lemah, perkembangannya perlahan. Bekas Kesatuan Soviet mula mengeluarkan aloi super berasaskan nikel jenama "ЭИ" pada tahun 1950, dan kemudiannya menghasilkan siri aloi super cacat "ЭП" dan aloi super tuang siri ЖС. Pada tahun 1970-an, Amerika Syarikat juga menerima pakai proses pengeluaran baharu untuk mengeluarkan bilah penghabluran berarah dan cakera turbin metalurgi serbuk, dan membangunkan komponen aloi suhu tinggi seperti bilah kristal tunggal untuk memenuhi keperluan peningkatan berterusan dalam suhu masuk aero -turbin enjin.
Aloi super dibangunkan untuk memenuhi keperluan enjin jet yang sangat mendesak pada bahan, dan telah menjadi bahan utama yang tidak boleh digantikan untuk komponen hujung panas enjin turbin gas tentera dan awam. Dalam enjin aero maju, bahagian aloi suhu tinggi telah mencapai lebih daripada 50 peratus .
Pembangunan aloi suhu tinggi berkait rapat dengan kemajuan teknologi enjin aero, terutamanya cakera turbin, bahan bilah turbin dan proses pembuatan bahagian hujung panas enjin adalah simbol penting pembangunan enjin. Oleh kerana keperluan yang tinggi untuk rintangan suhu tinggi dan kapasiti galas tegasan bahan, aloi Nimonic80 yang diperkuatkan Ni3 (Al, Ti) telah dibangunkan pada hari-hari awal di UK, yang digunakan sebagai bahan untuk bilah turbin enjin turbojet. Di samping itu, aloi siri Nimonic telah dibangunkan secara berterusan. Amerika Syarikat telah membangunkan aloi berasaskan nikel diperkukuh penyebaran yang mengandungi aluminium dan titanium, seperti siri aloi Inconel, Mar-M dan Udmit yang dibangunkan oleh Syarikat Pratt & Whitney yang terkenal, Syarikat GE dan Syarikat Logam Khas.
gambar
Dalam proses pembangunan aloi super, proses pembuatan memainkan peranan yang besar dalam menggalakkan pembangunan aloi. Disebabkan oleh kemunculan teknologi lebur vakum, penyingkiran kekotoran dan gas berbahaya dalam aloi, terutamanya kawalan tepat komposisi aloi, telah terus meningkatkan prestasi aloi super. Khususnya, kejayaan penyelidikan teknologi baharu seperti pemejalan berarah, pertumbuhan kristal tunggal, metalurgi serbuk, pengaloian mekanikal, teras seramik, penapisan seramik dan penempaan isoterma telah menggalakkan perkembangan pesat aloi super. Antaranya, teknologi pemejalan arah adalah yang paling menonjol. Aloi kristal berarah dan tunggal yang dihasilkan oleh proses pemejalan arah mempunyai suhu perkhidmatan hampir 90 peratus daripada takat lebur awal. Oleh itu, bilah enjin aero termaju di seluruh dunia menggunakan aloi kristal tunggal berarah untuk mengeluarkan bilah turbin. Dari perspektif global, aloi tuangan berasaskan nikel telah membentuk hablur sama, hablur kolumnar pepejal arah dan sistem aloi kristal tunggal. Aloi super serbuk juga telah dibangunkan daripada generasi pertama 650 darjah hingga 750 darjah , cakera turbin serbuk 850 darjah dan cakera serbuk dwi-prestasi untuk enjin berprestasi tinggi termaju tersebut.
4
komposit matriks seramik
Apakah Komposit Matriks Seramik? Ia adalah sejenis bahan komposit yang menggunakan seramik sebagai matriks dan pelbagai gentian. Matriks seramik boleh menjadi seramik struktur suhu tinggi seperti silikon nitrida dan silikon karbida. Seramik termaju ini mempunyai ciri-ciri yang sangat baik seperti rintangan suhu tinggi, kekuatan dan ketegaran tinggi, berat yang agak ringan, dan rintangan kakisan. Kelemahan maut ialah mereka rapuh. Apabila mereka berada di bawah tekanan, mereka akan retak atau pecah untuk menyebabkan kegagalan material. Penggunaan kekuatan tinggi, gentian kenyal tinggi dan komposit matriks adalah kaedah yang berkesan untuk meningkatkan keliatan dan kebolehpercayaan seramik. Gentian boleh menghalang keretakan daripada mengembang, dengan itu memperoleh komposit matriks seramik bertetulang gentian dengan keliatan yang sangat baik.
gambar
Komposit matriks seramik telah digunakan sebagai muncung enjin roket cecair, radomes peluru berpandu, kon hidung pesawat ulang-alik, cakera brek pesawat dan cakera brek kereta mewah, dsb., menjadi cabang penting bahan baharu berteknologi tinggi.
Kerana bahan seramik mempunyai rintangan haus yang sangat baik, kekerasan yang tinggi dan rintangan kakisan yang baik, ia telah digunakan secara meluas. Walau bagaimanapun, kelemahan terbesar seramik ialah ia rapuh dan sensitif kepada rekahan dan liang. Sejak tahun 1980-an, komposit matriks seramik yang diperoleh dengan menambahkan zarah, misai dan gentian pada bahan seramik telah banyak meningkatkan keliatan seramik.
Komposit matriks seramik mempunyai kekuatan tinggi, modulus tinggi, ketumpatan rendah, rintangan suhu tinggi, rintangan haus dan rintangan kakisan, dan keliatan yang baik, dan telah digunakan dalam alat pemotong berkelajuan tinggi dan komponen enjin pembakaran dalaman. Walau bagaimanapun, pembangunan bahan jenis ini agak lewat, dan potensinya masih belum dikembangkan lagi. Fokus penyelidikan adalah untuk menerapkannya pada bahan suhu tinggi dan bahan tahan haus dan tahan kakisan, seperti turbin yang dipertingkatkan untuk enjin pembakaran dalaman berkuasa tinggi, komponen terma untuk kenderaan aeroangkasa dan enjin kenderaan dan bukannya logam, bekas petrokimia. , peralatan pembakaran sisa, dsb.
Apabila bercakap tentang seramik, orang secara semula jadi memikirkan kerapuhannya. Lebih sepuluh tahun lalu, jika ia digunakan sebagai bahagian menanggung beban dalam bidang kejuruteraan, adalah mustahil untuk sesiapa menerimanya. Sehingga kini, apabila bercakap tentang bahan komposit seramik, sesetengah orang mungkin tidak jelas, memikirkan bahawa seramik dan logam pada asalnya adalah dua bahan yang tidak relevan. Walau bagaimanapun, oleh kerana orang bijak menggabungkan seramik dan logam, konsep orang ramai tentang bahan ini telah mengalami perubahan asas, iaitu komposit matriks seramik.
Bahan komposit matriks seramik adalah bahan struktur baru yang sangat menjanjikan dalam bidang industri penerbangan, terutamanya dalam aplikasi pembuatan aero-enjin, ia semakin menunjukkan keunikannya. Sebagai tambahan kepada kelebihan berat ringan dan kekerasan tinggi, komposit matriks seramik juga mempunyai rintangan suhu tinggi yang sangat baik dan rintangan kakisan suhu tinggi. Pada masa ini, komposit matriks seramik telah mengatasi bahan tahan haba logam dari segi rintangan suhu tinggi, dan mempunyai sifat mekanikal yang baik dan kestabilan kimia. Ia adalah bahan yang sesuai dan sangat baik untuk kawasan suhu tinggi enjin turbin berprestasi tinggi.
gambar
Negara-negara di seluruh dunia menumpukan pada penyelidikan mengenai silikon nitrida dan seramik bertetulang silikon karbida untuk memenuhi keperluan bahan enjin canggih generasi akan datang
bahan, dan telah mencapai kemajuan yang besar, terutamanya dalam enjin aero moden. Sebagai contoh, enjin F120 mesin pengesahan Amerika, peranti pengedap turbin tekanan tingginya, dan beberapa bahagian kebuk pembakaran bersuhu tinggi semuanya diperbuat daripada bahan seramik. Untuk contoh lain, kebuk pembakaran dan muncung enjin M88-2 Perancis juga menggunakan komposit matriks seramik.
5
Bahan baharu sebatian antara logam
Apakah sebatian antara logam? Sebatian logam dan logam atau logam dan metaloid (seperti H, B, N, S, P, C, Si, dll.). Atom kedua-dua logam digabungkan dalam perkadaran tertentu untuk membentuk komposisi aloi yang berbeza daripada dua kekisi kristal asal. Sebatian antara logam ialah jenis bahan baharu yang mendapat perhatian meluas.
gambar
Malah, pembangunan aeroengines nisbah tujahan-kepada-berat berprestasi tinggi telah menggalakkan pembangunan dan penggunaan sebatian antara logam. Sebatian antara logam biasanya sebatian yang terdiri daripada unsur logam binari, terner atau berbilang unsur. Sebatian antara logam mempunyai potensi besar dalam aplikasi struktur suhu tinggi. Ia mempunyai suhu perkhidmatan yang tinggi, kekuatan khusus, kekonduksian terma, dan terutamanya pada suhu tinggi, ia juga mempunyai rintangan pengoksidaan yang baik, rintangan kakisan dan kekuatan rayapan yang tinggi. . Di samping itu, kerana sebatian intermetallic adalah bahan baru antara superaloi dan bahan seramik, ia mengisi jurang antara kedua-dua bahan, jadi ia menjadi salah satu bahan yang sesuai untuk komponen aero-enjin suhu tinggi.
Dalam struktur enjin aero global, penyelidikan dan pembangunan tertumpu terutamanya pada sebatian antara logam seperti titanium-aluminium dan nikel-aluminium. Sebatian aluminium titanium ini pada asasnya mempunyai ketumpatan yang sama seperti titanium, tetapi mempunyai suhu perkhidmatan yang lebih tinggi. Sebagai contoh, suhu operasi TiAl ialah 816 darjah dan 982 darjah masing-masing. Sebatian antara logam mempunyai ikatan yang kuat antara atom dan struktur kristal yang kompleks, yang menjadikannya sukar untuk berubah bentuk, dan ia keras dan rapuh pada suhu bilik. Selepas bertahun-tahun penyelidikan eksperimen, sejenis aloi baru dengan kekuatan suhu tinggi, keplastikan suhu bilik dan keliatan telah berjaya dibangunkan, dan ia telah dipasang dan digunakan, dan kesannya sangat baik. Sebagai contoh, enjin F119 berprestasi tinggi di Amerika Syarikat menggunakan sebatian antara logam dalam selongsong dan cakera turbin, dan bilah pemampat dan cakera mesin pengesahan enjin F120 menggunakan sebatian antara logam titanium-aluminium baharu.
6
komposit matriks resin
Apakah komposit matriks resin? Ia adalah bahan bertetulang gentian berasaskan polimer organik, biasanya menggunakan tetulang gentian seperti gentian kaca, gentian karbon, gentian basalt atau gentian aramid. Bahan komposit berasaskan resin digunakan secara meluas dalam industri penerbangan, kereta dan marin.
gambar
Matriks resin bahan komposit terutamanya resin termoset. Seawal tahun 1940-an, plastik bertetulang gentian kaca digunakan sebagai radar pada jet pejuang dan pengebom. Pada tahun 1960-an, Amerika Syarikat menggunakan resin epoksi bertetulang gentian boron sebagai kemudi, penstabil mendatar, tepi belakang sayap, pintu kemudi, dll. pada pesawat tentera seperti F-4 dan F-111. Dari segi pembuatan peluru berpandu, pada akhir 1950-an, sarung motor roket pepejal peringkat kedua peluru berpandu kapal selam jarak sederhana AS "Polaris A{-2" menggunakan bahagian penggulungan resin epoksi bertetulang gentian kaca, yang lebih baik. daripada selongsong keluli. 27 peratus lebih ringan; kemudian, gentian kaca berprestasi tinggi telah digunakan dan bukannya gentian kaca biasa untuk membuat "Polaris A-3", yang menjadikan berat cangkerang 50 peratus lebih ringan daripada cangkerang keluli, supaya julat "Polaris A{{ 12}}" peluru berpandu ditukar daripada 2700 ribu meter meningkat kepada 4500 km. Pada tahun 1970-an, gentian aramid digunakan sebagai ganti gentian kaca untuk mengukuhkan resin epoksi, dan kekuatannya telah bertambah baik, sementara beratnya dikurangkan. Komposit resin epoksi bertetulang gentian karbon digunakan secara meluas dalam pesawat, peluru berpandu, satelit dan struktur lain.
Penyelidikan mengenai penggunaan bahan komposit berasaskan resin dalam enjin turbofan penerbangan bermula pada tahun 1950-an. Selepas lebih daripada 60 tahun pembangunan, GE, PW, RR, MTU, SNECMA dan syarikat lain telah melaburkan banyak tenaga dalam penyelidikan dan pembangunan bahan komposit berasaskan resin, dan mencapai kemajuan yang besar telah dicapai, dan kejuruteraannya telah telah digunakan pada enjin turbofan penerbangan aktif, dan terdapat kecenderungan untuk mengembangkan lagi aplikasinya.
Suhu perkhidmatan komposit matriks resin secara amnya tidak melebihi 350 darjah. Oleh itu, komposit matriks resin digunakan terutamanya dalam enjin aero yang sejuk.
7
komposit matriks logam
Apakah komposit matriks logam? Ia adalah bahan komposit yang digabungkan secara buatan dengan logam dan aloinya sebagai matriks dan satu atau beberapa tetulang logam atau bukan logam. Kebanyakan bahan pengukuhnya adalah bukan logam bukan organik, seperti seramik, karbon, grafit dan boron, dsb., dan wayar logam juga boleh digunakan. Bersama dengan komposit matriks polimer, komposit matriks seramik dan komposit karbon/karbon, ia membentuk sistem komposit moden.
gambar
Ciri-ciri bahan komposit matriks logam: dari segi mekanik, mereka mempunyai kekuatan melintang dan ricih yang tinggi, sifat mekanikal komprehensif yang baik seperti keliatan dan keletihan, dan juga mempunyai kekonduksian haba, kekonduksian elektrik, rintangan haus, pekali pengembangan haba kecil, redaman yang baik. , tiada penyerapan lembapan, dan tiada rintangan kakisan. Kelebihan seperti penuaan dan tiada pencemaran. Sebagai contoh, kekuatan khusus bahan komposit aluminium bertetulang gentian karbon ialah 3~4×107mm, dan modulus khusus ialah 6~8×109mm. Sebagai contoh, modulus khusus magnesium bertetulang gentian grafit boleh mencapai 1.5 × 1010mm, dan pekali pengembangan habanya hampir sifar.
Perlu dinyatakan bahawa, berbanding dengan bahan komposit berasaskan resin, bahan komposit berasaskan logam mempunyai keliatan yang baik, tidak menyerap lembapan, dan boleh menahan suhu yang agak tinggi. Gentian pengukuhan komposit matriks logam termasuk gentian logam, seperti keluli tahan karat, tungsten, plumbum, sebatian antara logam nikel-aluminium, dsb.; gentian seramik, seperti alumina, silikon oksida, karbon, boron, silikon karbida, dll.
Bahan matriks komposit matriks logam termasuk aluminium, aloi aluminium, magnesium, aloi Chin dan Chin, aloi tahan haba, aloi berlian, dll. Antaranya, bahan komposit berasaskan aloi aluminium, aloi aluminium dan aloi besi kini menjadi pilihan utama . Sebagai contoh, komposit matriks aloi Chin bertetulang gentian SiC boleh digunakan untuk membuat bilah pemampat. Komposit matriks aloi magnesium atau magnesium bertetulang gentian karbon atau gentian alumina boleh digunakan untuk mengeluarkan bilah turbofan. Contoh lain ialah komposit matriks aloi berasaskan nikel bertetulang gentian-kromium-aluminium-iridium boleh digunakan untuk mengeluarkan elemen pengedap untuk turbin dan pemampat.
Selain itu, selongsong kipas, rotor, cakera pemampat dan bahagian lain semuanya diperbuat daripada komposit matriks logam di luar negara. Tetapi salah satu masalah terbesar dengan bahan komposit jenis ini ialah ia adalah mudah untuk bertindak balas antara gentian pengukuhan dan logam matriks untuk menghasilkan fasa rapuh, yang merosot prestasi bahan. Terutama apabila ia digunakan untuk masa yang lama pada suhu yang lebih tinggi, tindak balas antara muka lebih menonjol. Penyelesaian semasa adalah untuk menambah salutan yang sesuai pada permukaan gentian dan mengaitkan logam matriks mengikut gentian yang berbeza dan substrat yang berbeza, supaya dapat melambatkan tindak balas antara muka dan mengekalkan kebolehpercayaan prestasi bahan komposit.
gambar
Bahan yang digunakan dalam bilah kipas enjin
Bilah kipas enjin adalah bahagian paling representatif dan sangat penting dalam enjin turbofan, dan prestasi enjin turbofan berkait rapat dengan perkembangannya. Berbanding dengan bilah kipas aloi titanium, bilah kipas bahan komposit resin matriks mempunyai kelebihan yang sangat jelas dalam pengurangan berat badan. Sebagai tambahan kepada kelebihan pengurangan berat yang jelas, bilah kipas komposit berasaskan resin mempunyai kesan yang kurang pada bekas kipas selepas hentaman, jadi adalah berfaedah untuk memperbaiki pembendungan kotak kipas.
Wakil utama bilah kipas komposit untuk aplikasi komersial di negara asing ialah: Enjin siri GE90 untuk B777, enjin GEnx untuk B787, dan enjin LEAP-X untuk COMAC C919. Seawal tahun 1995, enjin GE90-94B yang dilengkapi dengan bilah kipas bahan komposit berasaskan resin telah dimasukkan ke dalam operasi komersial secara rasmi, menandakan realisasi rasmi aplikasi kejuruteraan bahan komposit berasaskan resin dalam aeroenjin berprestasi tinggi moden . Atas dasar pertimbangan menyeluruh terhadap aerodinamik, kitaran keletihan kitaran tinggi dan rendah serta faktor lain, GE telah membangunkan bilah kipas komposit baharu untuk enjin GE90-115B berikutnya.
Pada abad ke-21, permintaan kuat enjin aero untuk bahan komposit tahan kerosakan yang tinggi memacu perkembangan selanjutnya teknologi bahan komposit, dan sukar untuk memenuhi keperluan bahan tahan kerosakan tinggi dengan terus meningkatkan keliatan gentian karbon. / prepregs resin epoksi. Akibatnya, bilah kipas komposit struktur tenunan 3D mula muncul.
Bahan yang digunakan dalam kotak kipas enjin
Selongsong kipas enjin ialah bahagian pegun terbesar bagi enjin aero, dan pengurangan beratnya secara langsung akan menjejaskan nisbah tujahan kepada berat dan kecekapan enjin aero. Oleh itu, OEM enjin aero maju asing sentiasa komited terhadap pengurangan berat dan pengoptimuman struktur selongsong kipas.
gambar
Bahan yang digunakan untuk penutup kipas enjin
Oleh kerana ia adalah komponen bukan galas beban utama, penutup kipas adalah salah satu bahagian pertama yang diperbuat daripada bahan komposit pada enjin aero. Penutup kipas yang diperbuat daripada bahan komposit boleh memberikan berat yang lebih ringan, struktur anti-aising yang dipermudahkan, rintangan kakisan yang lebih baik dan rintangan keletihan yang lebih baik. Seperti enjin RB211 syarikat RR terkenal, PW1000G syarikat PW, dan PW4000 menggunakan bahan komposit berasaskan resin untuk menyediakan penutup kipas.
Berbanding dengan kerangka utama enjin aero, bahan komposit berasaskan resin mempunyai ruang aplikasi yang sangat luas dalam nasel enjin aero. Pengeluar global telah menggunakan bahan komposit berasaskan resin secara besar-besaran dalam salur masuk nacelle, fairings, pembalikan tujahan dan lapisan pengurangan hingar. bahan. Dari segi bahagian lain, bahan komposit berasaskan resin juga digunakan pada tahap yang berbeza-beza dalam plat pelari kipas enjin aero, penutup pengedap galas, dan plat penutup.
