Sản xuất hàng không là lĩnh vực tập trung nhiều công nghệ cao nhất, thuộc công nghệ sản xuất tiên tiến. Ví dụ: động cơ F119 do Pratt & Whitney của Hoa Kỳ phát triển, động cơ F120 của Công ty General Electric, động cơ M88-2 của Công ty SNECMA của Pháp và động cơ EJ200 do Vương quốc Anh, Đức cùng phát triển , Ý và Tây Ban Nha. Điều đáng nói là những động cơ hàng không thuộc trình độ tiên tiến nhất thế giới này đều có đặc điểm chung là sử dụng vật liệu mới, quy trình mới, công nghệ mới. Bảy vật liệu mới được sử dụng lần lượt được giới thiệu như sau:
1
Cacbon/cacbon tổng hợp
Vật liệu tổng hợp cacbon/cacbon là gì? Nó là vật liệu tổng hợp ma trận carbon được gia cố bằng sợi carbon và vải của nó, với mật độ thấp (<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.
Mặc dù vật liệu tổng hợp carbon/carbon có nhiều đặc tính tuyệt vời ở nhiệt độ cao, nhưng chúng trải qua các phản ứng oxy hóa trong môi trường hiếu khí với nhiệt độ cao hơn 400 độ, dẫn đến các đặc tính của vật liệu bị suy giảm mạnh. Vì vậy, việc ứng dụng composite cacbon/cacbon trong môi trường hiếu khí nhiệt độ cao phải có các biện pháp chống oxi hóa. Việc bảo vệ quá trình oxy hóa của vật liệu tổng hợp cacbon/cacbon chủ yếu thông qua hai cách sau, đó là có thể sử dụng sửa đổi ma trận và thụ động hóa các điểm hoạt động bề mặt để bảo vệ vật liệu tổng hợp cacbon/cacbon ở nhiệt độ thấp hơn; khi nhiệt độ tăng lên, Phương pháp phủ phải được sử dụng để cách ly vật liệu composite carbon/carbon khỏi tiếp xúc trực tiếp với oxy, để đạt được mục đích bảo vệ chống oxy hóa. Hiện nay, phương pháp sơn phủ là phương pháp được sử dụng nhiều nhất. Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ, ngày càng có nhiều sự phụ thuộc vào hiệu suất nhiệt độ cực cao của vật liệu composite carbon/carbon và giải pháp bảo vệ chống oxy hóa khả thi duy nhất trong điều kiện nhiệt độ cực cao chỉ có thể là bảo vệ lớp phủ. .
Điều đáng nói là vật liệu composite nền C/C là một loại vật liệu mới có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn được thế giới quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây. Bởi vì chỉ có vật liệu composite C/C mới được coi là vật liệu kế thừa duy nhất cho cánh quạt tuabin có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng lớn hơn 20 và nhiệt độ đầu vào của động cơ là 1930-2227 độ. Mục tiêu chiến lược cao nhất mà các nước công nghiệp tiên tiến theo đuổi.
Cái gọi là vật liệu composite dựa trên C/C là vật liệu composite cơ bản được gia cố bằng sợi carbon, kết hợp các đặc tính chịu lửa của carbon với độ bền cao và độ cứng cao của sợi carbon, khiến nó không bị giòn. Do vật liệu composite nền C/C có trọng lượng nhẹ, độ bền cao, ổn định nhiệt vượt trội và dẫn nhiệt tuyệt vời nên chúng là vật liệu chịu nhiệt độ cao lý tưởng nhất hiện nay, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao 1000-1300 độ C .Thực lực không những không giảm mà còn có thể tăng lên. Đặc biệt khi ở nhiệt độ dưới 1650 độ, nó vẫn duy trì độ bền và vẻ đẹp ở nhiệt độ phòng. Do đó, vật liệu tổng hợp dựa trên C/C có tiềm năng phát triển lớn trong sản xuất hàng không vũ trụ.
Điều đáng nói là một trong những vấn đề chính của vật liệu composite dựa trên C/C trong ứng dụng động cơ hàng không là khả năng chống oxy hóa kém. Do đó, trong những năm gần đây, Hoa Kỳ đã áp dụng một loạt các biện pháp công nghệ để giải quyết vấn đề này và dần dần áp dụng cho động cơ mới. Ví dụ, vòi đuôi của bộ đốt sau trên động cơ F119 của Mỹ, vòi và vòi buồng đốt của động cơ F100 và một số bộ phận của buồng đốt của máy xác minh F120 đã được làm bằng vật liệu composite dựa trên C/C. Một ví dụ khác là động cơ M88-2 của Pháp và thanh phun nhiên liệu đốt sau, tấm chắn nhiệt và vòi phun của động cơ Mirage 2000 cũng sử dụng vật liệu composite dựa trên C/C.
2
Vật liệu mới của thép cường độ cực cao
Thép cường độ cực cao là gì? Vào giữa{0}}, Hoa Kỳ đã phát triển thép Cr-Mo (AISI4130) và thép Cr-Ni-Mo (AISI 4340). Sau khi tôi và ram ở nhiệt độ thấp, độ bền kéo lần lượt là 170 và 190kgf/mm2. Đầu những năm 1950, Si và V được thêm vào thép AISI 4340 để tạo ra 300M với độ bền kéo 190~210kgf/mm2. Năm 1960, Công ty Niken Quốc tế đã chế tạo ra loại thép có độ bền kéo đứt khoảng 180kgf/mm2, độ bền đứt gãy lên tới 390kgf/mm2. Vào những năm 1970, Hoa Kỳ đã giảm C và tăng Si trên cơ sở 300M, cải thiện độ dẻo dai và phát triển thành thép HP310; trên cơ sở thép maraging, nó đã phát triển thành thép AF1410, với độ bền kéo là 170kgf/mm2 và độ bền đứt gãy là 400kgf/mm2 mm.
hình ảnh
Điều đáng chú ý là thép cường độ cực cao phải có độ bền kéo cao và duy trì đủ độ dẻo dai. Nó cũng đòi hỏi cường độ riêng lớn (tỷ lệ cường độ trên mật độ) và tỷ lệ năng suất cao (σs/σb) để giảm trọng lượng của thành phần, đồng thời phải có khả năng hàn và khả năng định dạng tốt cũng như các đặc tính quy trình khác. Thép cường độ cực cao có yêu cầu rất cao về chất lượng luyện kim, thường được nấu chảy bằng lò hồ quang điện và luyện lại xỉ điện. Các loại thép yêu cầu độ tinh khiết cao chủ yếu được luyện trong lò cảm ứng chân không hoặc lò điện hồ quang tiêu hao chân không. Thép cường độ cực cao trung bình và hợp kim thấp nên được ngăn chặn quá trình khử cacbon trong quá trình xử lý nhiệt; thép mài mòn và thép không gỉ làm cứng kết tủa có thể được xử lý bằng dung dịch rắn trong lò nung nóng thông thường. Hàn khí bảo vệ hoặc hàn hồ quang argon vonfram phải được sử dụng để hàn. Một số loại thép cường độ cực cao hợp kim thấp có hàm lượng cacbon cao (khoảng 0.4 phần trăm ) nên được ủ giảm ứng suất ngay sau khi hàn.
Điều đáng nói là thép cường độ siêu cao được dùng làm vật liệu cho bộ phận hạ cánh trên máy bay. Ví dụ, bộ phận hạ cánh được sử dụng trong máy bay thế hệ thứ hai được làm bằng thép 30CrMnSiNi2A với độ bền kéo 1700MPa. Loại thiết bị hạ cánh này có tuổi thọ ngắn khoảng 2000 giờ bay.
Một ví dụ khác là thiết kế của máy bay chiến đấu thế hệ thứ ba yêu cầu tuổi thọ của bộ phận hạ cánh phải vượt quá 5000 giờ bay. Đồng thời, do sự gia tăng của thiết bị trên không, hệ số trọng lượng của cấu trúc máy bay giảm, và các yêu cầu cao hơn được đặt ra đối với việc lựa chọn vật liệu thiết bị hạ cánh và công nghệ sản xuất. Cả máy bay chiến đấu thế hệ thứ ba của Mỹ và của chúng tôi đều sử dụng công nghệ sản xuất thiết bị hạ cánh bằng thép 300M (độ bền kéo 1950MPa).
Trên thực tế, việc cải tiến công nghệ ứng dụng vật liệu đang thúc đẩy việc kéo dài hơn nữa tuổi thọ của thiết bị hạ cánh và mở rộng khả năng thích ứng. Ví dụ, bộ phận hạ cánh của máy bay Airbus A380 của Châu Âu áp dụng công nghệ rèn rèn tích hợp siêu lớn, công nghệ xử lý nhiệt bảo vệ bầu không khí mới và công nghệ phun lửa tốc độ cao, để tuổi thọ của bộ phận hạ cánh có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Vì vậy, sự ra đời của các vật liệu và kỹ thuật chế tạo mới đã đảm bảo cho việc thay thế máy bay.
hình ảnh
Như chúng ta đã biết, thiết kế máy bay có tuổi thọ cao trong môi trường chống ăn mòn đặt ra yêu cầu cao hơn đối với vật liệu. Ví dụ, thép AerMet100 có cùng mức cường độ với thép 300M, nhưng khả năng chống ăn mòn nói chung và khả năng chống ăn mòn ứng suất tốt hơn đáng kể so với thép 300M. Công nghệ sản xuất thiết bị hạ cánh phù hợp đã được áp dụng cho các loại máy bay tiên tiến như F/A-18E/F, F-22 và F-35. Thép Aermet310 cường độ cao hơn có độ bền gãy thấp hơn và đang được phát triển và cải tiến liên tục. Tốc độ phát triển vết nứt của thép cường độ cực cao chịu được thiệt hại AF1410 cực kỳ chậm, có thể được sử dụng làm khớp nối của bộ truyền động cánh máy bay B-1, nhẹ hơn 10,6% so với Ti -6Al-4V, với hiệu suất xử lý tăng 60 phần trăm và giảm 30,3 phần trăm chi phí . Ví dụ: lượng thép không gỉ cường độ cao được sử dụng trong Smig-1.42 của Nga cao tới 30 phần trăm . PH13-8Mo là thép không gỉ làm cứng kết tủa martensitic có độ bền cao duy nhất được sử dụng rộng rãi làm thành phần chống ăn mòn. Thép bánh răng (ổ trục) cường độ cực cao cũng đã được phát triển trên phạm vi quốc tế, chẳng hạn như CSS-42L, Gearmet C69, v.v. và đã được sử dụng trong động cơ, máy bay trực thăng và hàng không vũ trụ.
3
Vật liệu hợp kim nhiệt độ cao
Vật liệu siêu hợp kim là gì? Hợp kim nhiệt độ cao thực sự được chia thành ba loại vật liệu: vật liệu nhiệt độ cao 760 độ, vật liệu nhiệt độ cao 1200 độ và vật liệu nhiệt độ cao 1500 độ, với độ bền kéo là 800MPa. Nói cách khác, nó đề cập đến các vật liệu kim loại ở nhiệt độ cao hoạt động trong một thời gian dài dưới 760-1500 độ và điều kiện ứng suất nhất định. Các tính năng quan trọng của nó: nó có độ bền nhiệt độ cao tuyệt vời, khả năng chống oxy hóa tốt và khả năng chống ăn mòn nhiệt, hiệu suất mỏi tốt, độ bền gãy và các đặc tính toàn diện khác, và đã trở thành vật liệu chính không thể thay thế cho các bộ phận đầu nóng của động cơ tuabin khí cho quân sự và dân sự sử dụng trên toàn thế giới.
Vật liệu nhiệt độ cao 760 độ Từ cuối những năm 1930, Anh, Đức, Hoa Kỳ và các quốc gia khác bắt đầu nghiên cứu các siêu hợp kim. Trong Thế chiến II, để đáp ứng nhu cầu của động cơ hàng không mới, việc nghiên cứu và sử dụng các siêu hợp kim đã bước vào thời kỳ phát triển nhanh chóng. Vào đầu những năm 1940, Vương quốc Anh lần đầu tiên bổ sung một lượng nhỏ nhôm và titan vào hợp kim 80Ni-20Cr để tạo thành ' pha (gamma prime) để tăng cường độ bền và phát triển hợp kim dựa trên niken đầu tiên với cường độ cao. -nhiệt độ cường độ. Trong thời kỳ này, để đáp ứng nhu cầu phát triển bộ tăng áp cho động cơ khí piston, Hoa Kỳ bắt đầu sử dụng hợp kim dựa trên coban Vitallium để chế tạo cánh quạt.
hình ảnh
Điều đáng nói là Hoa Kỳ cũng đã phát triển hợp kim dựa trên niken Inconel để chế tạo buồng đốt cho động cơ phản lực. Sau đó, để cải thiện hơn nữa độ bền nhiệt độ cao của hợp kim, các nhà luyện kim đã thêm các nguyên tố như vonfram, molypden và coban vào hợp kim gốc niken để tăng hàm lượng nhôm và titan, đồng thời phát triển một loạt hợp kim, chẳng hạn như là "Nimonic" ở Vương quốc Anh và "Nimonic" ở Hoa Kỳ. "Mar-M" và "IN", v.v.; thêm niken, vonfram và các nguyên tố khác vào hợp kim dựa trên coban để phát triển nhiều loại hợp kim ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như X-45, HA-188, FSX-414, v.v. Do thiếu nguồn coban nên việc phát triển các siêu hợp kim trên cơ sở coban bị hạn chế.
Vào những năm 1940, các siêu hợp kim dựa trên sắt cũng đã được phát triển. Vào những năm 1950, các loại như A-286 và Incoloy901 đã xuất hiện, nhưng do độ ổn định ở nhiệt độ cao kém nên quá trình phát triển bị chậm lại. Liên Xô cũ bắt đầu sản xuất các siêu hợp kim dựa trên niken thương hiệu "ЭИ" vào năm 1950, và sau đó sản xuất loạt siêu hợp kim biến dạng "ЭП" và loạt siêu hợp kim đúc ЖС. Vào những năm 1970, Hoa Kỳ cũng đã áp dụng một quy trình sản xuất mới để sản xuất các cánh kết tinh định hướng và đĩa tuabin luyện kim bột, đồng thời phát triển các thành phần hợp kim ở nhiệt độ cao như các cánh đơn tinh thể để đáp ứng nhu cầu tăng nhiệt độ đầu vào liên tục của aero -Tua-bin động cơ.
Các siêu hợp kim được phát triển để đáp ứng các yêu cầu rất khắt khe về vật liệu của động cơ phản lực và đã trở thành vật liệu quan trọng không thể thay thế cho các bộ phận đầu nóng của động cơ tua-bin khí quân sự và dân sự. Trong các động cơ máy bay tiên tiến, tỷ lệ hợp kim nhiệt độ cao đã đạt hơn 50 phần trăm.
Sự phát triển của hợp kim nhiệt độ cao có liên quan mật thiết đến tiến bộ công nghệ của động cơ hàng không, đặc biệt là đĩa tuabin, vật liệu cánh tuabin và quy trình sản xuất các bộ phận đầu nóng của động cơ là những biểu tượng quan trọng của sự phát triển động cơ. Do yêu cầu cao về khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chịu ứng suất của vật liệu, hợp kim Nimonic80 được tăng cường Ni3 (Al, Ti) đã được phát triển từ những ngày đầu ở Anh, được sử dụng làm vật liệu cho cánh tuabin của động cơ phản lực. Ngoài ra, hợp kim sê-ri Nimonic liên tục được phát triển. Hoa Kỳ đã phát triển các hợp kim dựa trên niken được tăng cường phân tán có chứa nhôm và titan, chẳng hạn như dòng hợp kim Inconel, Mar-M và Udmit lần lượt được phát triển bởi Công ty Pratt & Whitney nổi tiếng, Công ty GE và Công ty Kim loại Đặc biệt.
hình ảnh
Trong quá trình phát triển của siêu hợp kim, quá trình sản xuất đóng một vai trò rất lớn trong việc thúc đẩy sự phát triển của hợp kim. Do sự xuất hiện của công nghệ nấu chảy chân không, việc loại bỏ các tạp chất và khí có hại trong hợp kim, đặc biệt là kiểm soát chính xác thành phần hợp kim, đã không ngừng cải thiện hiệu suất của các siêu hợp kim. Đặc biệt, việc nghiên cứu thành công các công nghệ mới như hóa rắn định hướng, tăng trưởng đơn tinh thể, luyện kim bột, hợp kim cơ học, lõi gốm, lọc gốm và rèn đẳng nhiệt đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của siêu hợp kim. Trong số đó, công nghệ hóa rắn định hướng là nổi bật nhất. Hợp kim định hướng và đơn tinh thể được tạo ra bởi quá trình hóa rắn định hướng có nhiệt độ sử dụng gần bằng 90 phần trăm điểm nóng chảy ban đầu. Do đó, các cánh quạt động cơ hàng không tiên tiến trên khắp thế giới sử dụng các hợp kim đơn tinh thể định hướng để sản xuất các cánh tuabin. Từ góc độ toàn cầu, các siêu hợp kim đúc dựa trên niken đã hình thành các tinh thể đồng trục, các tinh thể cột đông cứng định hướng và các hệ thống hợp kim đơn tinh thể. Các siêu hợp kim bột cũng đã được phát triển từ thế hệ đầu tiên gồm các đĩa tua-bin bột 650 độ đến 750 độ , 850 độ và các đĩa bột hiệu suất kép cho những động cơ hiệu suất cao tiên tiến đó.
4
composite ma trận gốm
Vật liệu tổng hợp ma trận gốm là gì? Nó là một loại vật liệu composite sử dụng gốm làm ma trận và các loại sợi khác nhau. Ma trận gốm có thể là gốm cấu trúc nhiệt độ cao như silicon nitride và silicon carbide. Những loại gốm tiên tiến này có các đặc tính tuyệt vời như khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền và độ cứng cao, trọng lượng tương đối nhẹ và khả năng chống ăn mòn. Điểm yếu chết người là chúng rất giòn. Khi chúng bị căng thẳng, chúng sẽ bị nứt hoặc thậm chí bị gãy gây ra hỏng hóc vật liệu. Việc sử dụng hỗn hợp ma trận và sợi có độ bền cao, đàn hồi cao là một phương pháp hiệu quả để cải thiện độ dẻo dai và độ tin cậy của gốm sứ. Sợi có thể ngăn các vết nứt mở rộng, do đó thu được vật liệu tổng hợp ma trận gốm gia cố bằng sợi có độ dẻo dai tuyệt vời.
hình ảnh
Vật liệu tổng hợp ma trận gốm đã được sử dụng làm vòi phun động cơ tên lửa lỏng, vòm tên lửa, nón mũi tàu con thoi, đĩa phanh máy bay và đĩa phanh ô tô cao cấp, v.v., trở thành một nhánh quan trọng của vật liệu mới công nghệ cao.
Do vật liệu gốm có khả năng chống mài mòn tuyệt vời, độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn tốt nên chúng đã được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của gốm sứ là giòn và nhạy cảm với các vết nứt và lỗ rỗng. Kể từ những năm 1980, vật liệu tổng hợp ma trận gốm thu được bằng cách thêm các hạt, râu và sợi vào vật liệu gốm đã cải thiện đáng kể độ dẻo dai của gốm.
Vật liệu tổng hợp ma trận gốm có độ bền cao, mô đun cao, mật độ thấp, khả năng chịu nhiệt độ cao, chống mài mòn và chống ăn mòn, độ dẻo dai tốt và đã được sử dụng trong các công cụ cắt tốc độ cao và các bộ phận động cơ đốt trong. Tuy nhiên, sự phát triển của loại vật liệu này tương đối muộn và tiềm năng của nó vẫn chưa được phát triển thêm. Trọng tâm của nghiên cứu là áp dụng nó cho các vật liệu nhiệt độ cao và vật liệu chống mài mòn và chống ăn mòn, chẳng hạn như tua-bin tăng cường cho động cơ đốt trong công suất cao, các bộ phận nhiệt cho phương tiện hàng không vũ trụ và động cơ phương tiện thay vì kim loại, thùng chứa hóa dầu , thiết bị đốt rác thải, v.v.
Nhắc đến gốm sứ, đương nhiên người ta nghĩ ngay đến độ giòn của nó. Hơn mười năm trước, nếu nó được sử dụng như một bộ phận chịu lực trong lĩnh vực kỹ thuật, không ai có thể chấp nhận nó. Cho đến nay, khi nói đến vật liệu composite gốm, một số người có thể không rõ ràng, nghĩ rằng gốm và kim loại vốn là hai vật liệu không liên quan. Tuy nhiên, kể từ khi con người kết hợp gốm sứ và kim loại một cách khéo léo, khái niệm của con người về vật liệu này đã trải qua một sự thay đổi cơ bản, đó là vật liệu tổng hợp ma trận gốm.
Vật liệu composite ma trận gốm là vật liệu cấu trúc mới rất hứa hẹn trong lĩnh vực công nghiệp hàng không, đặc biệt là trong ứng dụng chế tạo động cơ hàng không, nó ngày càng thể hiện tính độc đáo của mình. Ngoài ưu điểm về trọng lượng nhẹ và độ cứng cao, vật liệu tổng hợp ma trận gốm còn có khả năng chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn ở nhiệt độ cao tuyệt vời. Hiện tại, vật liệu tổng hợp ma trận gốm đã vượt qua vật liệu chịu nhiệt kim loại về khả năng chịu nhiệt độ cao, đồng thời có tính chất cơ học và ổn định hóa học tốt. Chúng là vật liệu lý tưởng và tuyệt vời cho các khu vực nhiệt độ cao của động cơ tua-bin hiệu suất cao.
hình ảnh
Các quốc gia trên thế giới đang tập trung nghiên cứu gốm gia cố silicon nitride và silicon carbide để đáp ứng yêu cầu vật liệu của thế hệ động cơ tiên tiến tiếp theo
vật liệu, và đã có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là trong các động cơ hàng không hiện đại. Ví dụ, động cơ F120 của máy xác minh Mỹ, thiết bị làm kín tuabin áp suất cao và một số bộ phận nhiệt độ cao của buồng đốt đều được làm bằng vật liệu gốm. Ví dụ khác, buồng đốt và vòi phun của động cơ M88-2 của Pháp cũng sử dụng vật liệu tổng hợp ma trận gốm.
5
Vật liệu mới của hợp chất intermetallic
hợp chất intermetallic là gì? Hợp chất của kim loại và kim loại hoặc kim loại và á kim (như H, B, N, S, P, C, Si, v.v.). Các nguyên tử của hai kim loại được kết hợp theo một tỷ lệ nhất định để tạo thành một hợp kim có thành phần khác với hai mạng tinh thể ban đầu. Hợp chất intermetallic là loại vật liệu mới đã nhận được sự chú ý rộng rãi.
hình ảnh
Trên thực tế, sự phát triển của các động cơ khí có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cao, hiệu suất cao đã thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của các hợp chất liên kim loại. Các hợp chất intermetallic nói chung là các hợp chất bao gồm các nguyên tố kim loại nhị phân, ternary hoặc đa nguyên tố. Các hợp chất intermetallic có tiềm năng lớn trong các ứng dụng cấu trúc nhiệt độ cao. Nó có nhiệt độ sử dụng cao, độ bền riêng, tính dẫn nhiệt và đặc biệt ở nhiệt độ cao, nó cũng có khả năng chống oxy hóa tốt, chống ăn mòn và độ bền rão cao. . Ngoài ra, do hợp chất intermetallic là vật liệu mới giữa siêu hợp kim và vật liệu gốm, nó lấp đầy khoảng trống giữa hai vật liệu, do đó nó trở thành một trong những vật liệu lý tưởng cho các bộ phận nhiệt độ cao của động cơ hàng không.
Trong cấu trúc động cơ hàng không toàn cầu, nghiên cứu và phát triển chủ yếu tập trung vào các hợp chất liên kim loại như titan-nhôm và niken-nhôm. Các hợp chất nhôm titan này về cơ bản có cùng mật độ với titan, nhưng có nhiệt độ sử dụng cao hơn. Ví dụ, nhiệt độ hoạt động của TiAl lần lượt là 816 độ và 982 độ. Hợp chất liên kim loại có liên kết bền chặt giữa các nguyên tử và cấu trúc tinh thể phức tạp nên khó bị biến dạng, cứng và giòn ở nhiệt độ phòng. Sau nhiều năm nghiên cứu thử nghiệm, một loại hợp kim mới có độ bền nhiệt độ cao, độ dẻo và độ dẻo dai ở nhiệt độ phòng đã được phát triển thành công, nó đã được lắp đặt và sử dụng, hiệu quả rất tốt. Ví dụ: động cơ F119 hiệu suất cao ở Hoa Kỳ sử dụng các hợp chất liên kim trong vỏ và đĩa tua-bin, còn các cánh và đĩa máy nén của động cơ F120 của máy xác minh sử dụng các hợp chất liên kim titan-nhôm mới.
6
vật liệu tổng hợp ma trận nhựa
Vật liệu tổng hợp ma trận nhựa là gì? Nó là vật liệu gia cường sợi dựa trên một loại polymer hữu cơ, thường sử dụng các chất gia cố sợi như sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi bazan hoặc sợi aramid. Vật liệu composite gốc nhựa được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không, ô tô và hàng hải.
hình ảnh
Ma trận nhựa của vật liệu composite chủ yếu là nhựa nhiệt rắn. Ngay từ những năm 1940, chất dẻo gia cố bằng sợi thủy tinh đã được sử dụng làm mái vòm trên máy bay chiến đấu và máy bay ném bom. Vào những năm 1960, Hoa Kỳ đã sử dụng nhựa epoxy gia cường bằng sợi boron làm bánh lái, bộ ổn định ngang, mép đuôi cánh, cửa bánh lái, v.v. trên các máy bay quân sự như F-4 và F-111. Về mặt chế tạo tên lửa, vào cuối những năm 1950, vỏ động cơ tên lửa rắn giai đoạn hai của tên lửa tàu ngầm tầm trung "Polaris A-2" của Mỹ đã sử dụng các bộ phận cuộn dây bằng nhựa epoxy gia cố bằng sợi thủy tinh, tốt hơn hơn vỏ thép. nhẹ hơn 27 phần trăm; sau đó, sợi thủy tinh hiệu suất cao đã được sử dụng thay cho sợi thủy tinh thông thường để tạo ra "Polaris A-3", làm cho trọng lượng vỏ nhẹ hơn 50% so với vỏ thép, do đó phạm vi của "Polaris A{{ 12}}" tên lửa đã được thay đổi từ 2700 nghìn mét tăng lên 4500 km. Vào những năm 1970, sợi aramid đã được sử dụng thay cho sợi thủy tinh để gia cố nhựa epoxy, và độ bền đã được cải thiện rất nhiều, đồng thời giảm trọng lượng. Vật liệu tổng hợp nhựa epoxy được gia cố bằng sợi carbon được sử dụng rộng rãi trong máy bay, tên lửa, vệ tinh và các cấu trúc khác.
Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite gốc nhựa trong động cơ phản lực cánh quạt hàng không bắt đầu từ những năm 1950. Sau hơn 60 năm phát triển, GE, PW, RR, MTU, SNECMA và các công ty khác đã đầu tư rất nhiều công sức vào việc nghiên cứu và phát triển vật liệu composite gốc nhựa, và đã đạt được những tiến bộ vượt bậc, và kỹ thuật của nó đã đã được áp dụng cho các động cơ phản lực cánh quạt hàng không đang hoạt động và có xu hướng tiếp tục mở rộng ứng dụng của nó.
Nhiệt độ dịch vụ của vật liệu tổng hợp ma trận nhựa thường không vượt quá 350 độ. Do đó, vật liệu tổng hợp ma trận nhựa chủ yếu được sử dụng ở đầu lạnh của động cơ hàng không.
7
composite ma trận kim loại
Vật liệu tổng hợp ma trận kim loại là gì? Nó là một vật liệu tổng hợp được kết hợp nhân tạo với kim loại và hợp kim của nó làm ma trận và một hoặc một số chất gia cố bằng kim loại hoặc phi kim loại. Hầu hết các vật liệu gia cố của nó là phi kim loại vô cơ, chẳng hạn như gốm sứ, carbon, than chì và boron, v.v., và dây kim loại cũng có thể được sử dụng. Cùng với vật liệu tổng hợp ma trận polymer, vật liệu tổng hợp ma trận gốm và vật liệu tổng hợp cacbon/cacbon, nó tạo thành một hệ thống vật liệu tổng hợp hiện đại.
hình ảnh
Các đặc tính của vật liệu composite ma trận kim loại: về mặt cơ học, chúng có độ bền ngang và độ bền cắt cao, các tính chất cơ học toàn diện tốt như độ bền và độ mỏi, đồng thời có tính dẫn nhiệt, dẫn điện, chống mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, giảm xóc tốt , không hút ẩm, và không chống ăn mòn. Ưu điểm như lão hóa và không gây ô nhiễm. Ví dụ, cường độ riêng của vật liệu composite nhôm gia cố bằng sợi carbon là 3 ~ 4 × 107mm và mô đun cụ thể là 6 ~ 8 × 109mm. Ví dụ, mô đun cụ thể của magiê được gia cố bằng sợi than chì có thể đạt tới 1,5×1010mm và hệ số giãn nở nhiệt của nó gần như bằng không.
Điều đáng nói là, so với vật liệu composite gốc nhựa, vật liệu composite gốc kim loại có độ dẻo dai tốt, không hấp thụ độ ẩm và chịu được nhiệt độ tương đối cao. Các sợi gia cố của vật liệu tổng hợp ma trận kim loại bao gồm các sợi kim loại, chẳng hạn như thép không gỉ, vonfram, chì, hợp chất intermetallic niken-nhôm, v.v.; sợi gốm, chẳng hạn như alumina, oxit silic, carbon, boron, cacbua silic, v.v.
Vật liệu ma trận của vật liệu tổng hợp ma trận kim loại bao gồm nhôm, hợp kim nhôm, magiê, hợp kim Chin và Chin, hợp kim chịu nhiệt, hợp kim kim cương, v.v. Trong số đó, vật liệu composite dựa trên hợp kim nhôm, hợp kim nhôm và hợp kim sắt hiện đang là lựa chọn chính . Ví dụ, vật liệu tổng hợp ma trận hợp kim Chin được gia cố bằng sợi SiC có thể được sử dụng để chế tạo cánh máy nén. Vật liệu tổng hợp ma trận hợp kim magiê hoặc hợp kim magiê được gia cố bằng sợi carbon hoặc sợi alumina có thể được sử dụng để sản xuất cánh quạt phản lực. Một ví dụ khác là vật liệu tổng hợp ma trận hợp kim dựa trên niken-crom-nhôm-iridi được gia cố bằng sợi niken-crom-nhôm-iridi có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận làm kín cho tua-bin và máy nén.
Ngoài ra, vỏ quạt, cánh quạt, đĩa nén và các bộ phận khác đều được làm bằng vật liệu tổng hợp ma trận kim loại ở nước ngoài. Nhưng một trong những vấn đề lớn nhất với loại vật liệu composite này là nó dễ phản ứng giữa sợi gia cường và kim loại nền để tạo ra pha giòn, làm giảm tính năng của vật liệu. Đặc biệt là khi nó được sử dụng trong một thời gian dài ở nhiệt độ cao hơn, phản ứng của giao diện sẽ nổi bật hơn. Giải pháp hiện tại là thêm các lớp phủ thích hợp trên bề mặt sợi và hợp kim hóa kim loại ma trận theo các loại sợi khác nhau và các chất nền khác nhau, để làm chậm phản ứng giao diện và duy trì độ tin cậy của hiệu suất vật liệu composite.
hình ảnh
Vật liệu được sử dụng trong cánh quạt động cơ
Cánh quạt động cơ là bộ phận tiêu biểu nhất và rất quan trọng của động cơ phản lực, và hiệu suất của động cơ phản lực có liên quan mật thiết đến sự phát triển của nó. So với cánh quạt hợp kim titan, cánh quạt vật liệu composite ma trận nhựa có lợi thế rất rõ ràng trong việc giảm trọng lượng. Ngoài ưu điểm rõ ràng là giảm trọng lượng, cánh quạt composite làm từ nhựa ít ảnh hưởng đến vỏ quạt hơn sau khi va chạm, do đó có lợi trong việc cải thiện khả năng ngăn chặn vỏ quạt.
Các đại diện chính của cánh quạt composite cho ứng dụng thương mại ở nước ngoài là: động cơ sê-ri GE90 cho B777, động cơ GEnx cho B787 và động cơ LEAP-X cho COMAC C919. Ngay từ năm 1995, động cơ GE90-94B được trang bị cánh quạt bằng vật liệu composite gốc nhựa đã chính thức được đưa vào vận hành thương mại, đánh dấu sự hiện thực hóa chính thức ứng dụng kỹ thuật của vật liệu composite gốc nhựa trong các động cơ máy bay hiệu suất cao hiện đại . Trên cơ sở xem xét toàn diện về khí động học, chu kỳ mỏi chu kỳ cao và thấp và các yếu tố khác, GE đã phát triển một cánh quạt composite mới cho động cơ GE90-115B tiếp theo.
Trong thế kỷ 21, nhu cầu mạnh mẽ của động cơ hàng không đối với vật liệu composite có khả năng chịu thiệt hại cao thúc đẩy sự phát triển hơn nữa của công nghệ vật liệu composite và rất khó để đáp ứng các yêu cầu của vật liệu có khả năng chịu thiệt hại cao bằng cách liên tục cải thiện độ dẻo dai của sợi carbon /prepregs nhựa epoxy. Do đó, các cánh quạt tổng hợp cấu trúc dệt 3D bắt đầu xuất hiện.
Vật liệu được sử dụng trong vỏ quạt động cơ
Vỏ quạt động cơ là bộ phận tĩnh lớn nhất của động cơ aero và việc giảm trọng lượng của nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng và hiệu suất của động cơ aero. Do đó, các OEM động cơ hàng không tiên tiến nước ngoài luôn cam kết giảm trọng lượng và tối ưu hóa cấu trúc của vỏ quạt.
hình ảnh
Vật liệu sử dụng cho chụp quạt động cơ
Vì không phải là bộ phận chịu lực chính nên nắp chụp quạt là một trong những bộ phận đầu tiên được làm bằng vật liệu composite trên động cơ máy bay. Vỏ quạt làm bằng vật liệu composite có thể mang lại trọng lượng nhẹ hơn, cấu trúc chống đóng băng đơn giản hóa, chống ăn mòn tốt hơn và chống mỏi tốt hơn. Chẳng hạn như động cơ RB211 của công ty RR nổi tiếng, PW1000G của công ty PW và PW4000 sử dụng vật liệu composite gốc nhựa để chế tạo nắp quạt.
So với các máy tính lớn của động cơ hàng không, vật liệu composite dựa trên nhựa có không gian ứng dụng rất rộng trong vỏ động cơ hàng không. Các nhà sản xuất toàn cầu đã sử dụng vật liệu composite gốc nhựa trên quy mô lớn trong cửa hút gió, tấm chắn, bộ đảo chiều lực đẩy và lớp lót giảm tiếng ồn. Vật liệu. Đối với các bộ phận khác, vật liệu composite gốc nhựa cũng được áp dụng ở các mức độ khác nhau trong các tấm chạy của quạt động cơ hàng không, nắp làm kín ổ trục và tấm che.
