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Les matériaux aérospatiaux sont toutes sortes de matériaux utilisés dans les aéronefs et leurs unités motrices, accessoires et instruments, qui sont l'un des facteurs décisifs dans le développement de l'ingénierie et de la technologie aérospatiales, et la science des matériaux aérospatiaux est également une branche pionnière de la science des matériaux.
Les matériaux aérospatiaux ont une excellente résistance aux hautes et basses températures ainsi qu'au vieillissement et à la corrosion, et peuvent s'adapter à l'environnement spatial.
Les différents types de matériaux utilisés dans les avions et leurs unités motrices, accessoires et instruments sont l'un des facteurs décisifs dans le développement de la technologie de l'ingénierie aérospatiale. La science des matériaux aérospatiaux est une branche pionnière de la science des matériaux. La conception d'avions propose constamment de nouveaux sujets à la science des matériaux et favorise le développement de la science des matériaux aérospatiaux; l'émergence d'une variété de nouveaux matériaux offre de nouvelles possibilités pour la conception des aéronefs et favorise grandement le développement de la technologie aérospatiale.
Le progrès des matériaux aérospatiaux dépend des trois facteurs suivants :
En plus des contraintes élevées et des forces d'inertie, les matériaux aérospatiaux sont soumis à des charges de choc et à des charges alternées causées par des facteurs tels que le décollage et l'atterrissage, les vibrations du moteur, la rotation à grande vitesse des pièces rotatives, les manœuvres de vol et les vents soudains. Les gaz du moteur et l'irradiation solaire font que l'avion se trouve dans un environnement à haute température, et à mesure que la vitesse de vol augmente, l'effet de chauffage aérodynamique prend le dessus, ce qui entraîne des «barrières thermiques». De plus, également soumis à des températures alternées, dans la stratosphère à des vitesses subsoniques, la température de surface chutera à environ -50 ℃, le cercle polaire sur le territoire de la température de l'environnement hivernal rigoureux sera inférieur à -40 ℃, composants métalliques ou caoutchouc pneumatiques sujets au phénomène de fragilisation. L'essence, le kérosène et d'autres carburants et divers lubrifiants, l'huile hydraulique, la plupart des matériaux métalliques pour produire de la corrosion, des matériaux non métalliques pour produire un gonflement et l'irradiation solaire, l'érosion par le vent et la pluie, un environnement souterrain humide pour le stockage à long terme des moisissures accélérer le processus de vieillissement des matériaux polymères.
Les véhicules aérospatiaux fonctionnent dans l'atmosphère ou dans l'espace extra-atmosphérique pendant une longue période et servent dans des environnements extrêmes, mais ont également une fiabilité et une sécurité extrêmement élevées, un vol et une maniabilité excellents, en plus d'optimiser la structure pour répondre aux besoins aérodynamiques, aux exigences de traitement et à l'utilisation de exigences d'entretien, mais dépend également des excellentes caractéristiques et fonctions du matériau.
Pour réduire la masse de la structure, une réduction de 30 % de la densité est plus utile qu'une augmentation de 50 % de la résistance. Les alliages d'aluminium, les alliages de titane et les matériaux composites sont les principaux matériaux de structure aérospatiaux dotés d'une résistance et d'une rigidité spécifiques élevées, ce qui peut améliorer la charge utile, la maniabilité et l'autonomie du véhicule, tout en réduisant le coût du vol.
L'acier à ultra haute résistance (limite d'élasticité > 1380 MPa) ne sera pas utilisé dans plus de 10 % de l'ingénierie aérospatiale. Pour les avions modernes tels que les chasseurs supersoniques, la quantité d'acier à ultra-haute résistance est stabilisée à 5% à 10%, et sa résistance à la traction est de 600 à 1850MPa, parfois aussi élevée que 1950MPa, avec une ténacité à la rupture KIc = 78 à 91MPa-m1 /2. Dans les milieux corrosifs actifs utilisés dans les pièces structurelles porteuses de la cellule, généralement pour utiliser de l'acier résistant à la corrosion à haute résistance, équipé de moteurs à hydrogène pour choisir l'avion Acier sans carbone résistant à la corrosion comme matériau composant pour le service dans l'hydrogène liquide et milieu hydrogène.
Les composites à matrice métallique, les composites à matrice de résine haute température, les composites à matrice céramique et les composites carbone/carbone jouent un rôle de plus en plus important dans le domaine aérospatial. Les composites carbone/carbone combinent le caractère réfractaire du carbone avec la résistance et la rigidité élevées de la fibre de carbone, ont une stabilité thermique supérieure et une excellente conductivité thermique, et ont toujours une résistance et une ténacité considérables à 2500°C, et la densité n'est que de 1/4 de celle-ci d'alliages à haute température. Les composites hybrides ont reçu une attention croissante, comme l'ajout de fibre de verre aux composites en fibre de carbone peut améliorer leurs propriétés d'impact, tandis que l'ajout de fibre de carbone au plastique renforcé de fibre de verre peut augmenter sa rigidité.
La plupart des matériaux de structure des sections d'engins spatiaux habités sont en alliage d'aluminium, en alliage de titane, en matériaux composites, tels que l'orbiteur de la navette spatiale principalement en alliage d'aluminium, supportant la structure de poussée du moteur principal en alliage Chin, une partie du châssis principal du fuselage moyen utilisant des matériaux composites à matrice métallique en alliage d'aluminium renforcé de fibres de bore, portes de soute utilisant une structure sandwich en nid d'abeille en papier spécial à un matériau composite en résine époxy renforcée de fibres de graphite pour le panneau. Tête de missile, surface externe du module de rentrée de vaisseau spatial et surface interne du moteur de fusée, pour utiliser des matériaux ablatifs, sous l'action du flux de chaleur, les matériaux ablatifs peuvent être la décomposition, la fusion, l'évaporation, la sublimation, l'érosion et d'autres changements physiques et chimiques, la masse consommation de la surface du matériau pour évacuer beaucoup de chaleur, afin d'atteindre l'objectif d'empêcher la rentrée de l'atmosphère lorsque le flux de chaleur vers l'intérieur du véhicule, le refroidissement de la chambre de combustion et de la buse du moteur-fusée. Afin de maintenir une température de travail appropriée à l'intérieur de la cabine, la section de la cabine de remplacement doit prendre des mesures de protection contre la chaleur rayonnante, la peau extérieure en alliage à base de nickel résistant aux hautes températures ou en plaque de béryllium, la structure interne en alliage Chin résistant à la chaleur, l'extérieur la peau et la structure interne sont remplies de fibre de quartz, de céramique composite de fibre de verre et d'autres matériaux dotés de bonnes propriétés d'isolation thermique.
Avec la mise en œuvre et le développement continu des vols spatiaux habités, de l'exploration lunaire et de l'exploration de l'espace lointain, des satellites à haute résolution, des véhicules à hypervitesse, des lanceurs réutilisables, des véhicules de manœuvre spatiale et d'autres projets spatiaux, de nouvelles exigences plus exigeantes pour les matériaux sont mises en avant, fournissant de nouvelles opportunités et impulsion pour le développement de nouveaux matériaux pour les vols spatiaux, et le domaine des matériaux doit être le plus tôt possible dans l'innovation des systèmes de matériaux, la protection indépendante des principales matières premières et les applications d'ingénierie. Le domaine des matériaux doit faire une percée majeure dans l'innovation des systèmes de matériaux, la garantie indépendante des matières premières clés et les applications d'ingénierie le plus tôt possible.
De plus, l'application de matériaux composites stratifiés dans l'ingénierie aérospatiale est de plus en plus répandue, comme l'A380 utilise 3% GLARE, un nouveau type de stratifié. Le stratifié est un matériau composite qui fabrique deux types de matériaux différents laminés ensemble par pression, généralement composés d'un panneau supérieur, d'une couche de colle supérieure, d'un matériau de base, d'une couche de colle inférieure, d'un panneau inférieur, dont la résistance et la rigidité sont supérieures à celles d'un matériau de panneau séparé ou matériau de base, et a été appliqué aux avions de transport et aux avions de chasse. Le stratifié GLARE est fabriqué par pression (ou cuve de pressage à chaud) pour stratifier plusieurs couches de fines plaques d'aluminium et de préimprégné de fibre de verre unidirectionnelle (imprégné d'adhésif époxy) laminé et pressé à chaud, comme illustré à la figure 1. La feuille d'aluminium est correctement pré- traité pour faciliter l'adhésion à la couche de préimprégné de fibres. Le tableau 1 montre les types de stratifiés GLARE qui peuvent être produits commercialement, qui peuvent être fabriqués en différentes épaisseurs selon les besoins. Les fibres peuvent être à 2, 3, 4 couches, etc., et la teneur et l'orientation des fibres peuvent être conformes au tableau, et chaque type de stratifié GLARE peut avoir différentes formes, qui peuvent être ajustées en fonction des besoins spécifiques.
Les matériaux aérospatiaux ne sont pas seulement la garantie matérielle pour le développement et la production de produits aérospatiaux, mais aussi la base technique pour promouvoir le renouvellement des produits aérospatiaux. De par la nature des matériaux eux-mêmes, les matériaux aérospatiaux sont divisés en quatre catégories : les matériaux métalliques, les matériaux inorganiques non métalliques, les matériaux polymères et les matériaux composites avancés ; selon l'utilisation de la fonction, ils peuvent être divisés en matériaux structuraux et matériaux fonctionnels 2 catégories. Pour les matériaux de structure, les exigences les plus critiques sont la légèreté et la haute résistance et la résistance à la corrosion à haute température ; les matériaux fonctionnels comprennent les matériaux microélectroniques et optoélectroniques, les matériaux des éléments sensibles aux capteurs ? Matériaux céramiques fonctionnels, matériaux à fibres optiques, matériaux d'affichage et de stockage d'informations, matériaux furtifs et matériaux intelligents.
Pour les matériaux aérospatiaux, il comprend 3 grandes catégories de matériaux, les matériaux de carrosserie d'avion, les matériaux de moteur et les matériaux d'équipement aéroporté. Et les matériaux aérospatiaux comprennent les matériaux de corps de flèche de lanceur, les matériaux de moteur de fusée, les matériaux de vaisseau spatial et les matériaux fonctionnels aérospatiaux.
Spécifiquement au niveau des matériaux, les matériaux aéronautiques couvrent une large gamme, y compris les alliages d'aluminium, les alliages de titane, les alliages de magnésium et autres alliages légers, les aciers à ultra-haute résistance, les alliages de titane haute température, les alliages haute température à base de nickel, composés intermétalliques (système titane-aluminium, système niobium-aluminium, système molybdène-silicium). Métaux réfractaires et leurs alliages et autres matériaux de structure métallique à haute température, fibre de verre, fibre de carbone, fibre d'amide aromatique, fibre hétérocyclique aromatique, fibre de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé et autres matériaux de renforcement composites, résine époxy, résine bismaléimide, résine polyimide thermodurcissable , résine phénolique, résine cyanate, résine polyaryl acétylène et autres matériaux de matrice composites, composites avancés à base de métaux et inorganiques non métalliques, les composites avancés à base de composés intermétalliques, matériaux céramiques avancés, composites carbone/carbone avancés et avancés matériaux fonctionnels.
La prédiction du rapport de composition des matériaux de structure du fuselage des avions montre que le matériau dominant au début du 21e siècle est l'alliage d'aluminium. Le premier problème à résoudre lors du développement d'alliages d'aluminium pour la technologie aérospatiale est de savoir comment réduire la masse structurelle tout en garantissant une fiabilité opérationnelle élevée et une bonne finition. Le problème urgent à résoudre est le développement d'alliages d'aluminium à haute résistance avec de bonnes propriétés de soudage et leur utilisation dans la fabrication de structures soudées monolithiques. La façon d'augmenter la charge utile du véhicule est d'augmenter la force ou de réduire la densité (sans réduire la force).
L'alliage d'aluminium avec du lithium réduit la densité de l'alliage et augmente le module d'élasticité. Des tôles en alliage aluminium-lithium (Al - Li), y compris des tôles minces de moins de 0.5 mm d'épaisseur, ont été produites par laminage de bandes.
L'utilisation de composites de couche de base en aluminium peut améliorer considérablement la fiabilité, la durée de vie et la charge utile des revêtements d'avions, qui se caractérisent par des taux d'expansion des fissures exceptionnellement faibles (1/20 ~ 1/10 des matériaux conventionnels), une résistance élevée (50 % à 100 % d'augmentation) et la ténacité à la rupture, et une faible densité (réduction de 10 % à 15 %). Le matériau de rivet fissuré est très prometteur.
Dans les structures d'avions modernes, l'utilisation de l'acier est stable à 5% à 10%, tandis que dans certains avions, tels que les chasseurs supersoniques, l'acier est un matériau spécifique.
Les aciers à haute résistance sont généralement utilisés dans les composants structurels nécessitant une rigidité élevée, une résistance spécifique élevée et une durée de vie élevée, ainsi qu'une bonne résistance à température moyenne, une résistance à la corrosion et une gamme d'autres paramètres. L'acier est un matériau irremplaçable, tant dans la production de produits semi-finis que dans la fabrication de pièces structurelles complexes, en particulier dans la production de pièces structurelles soudées où le soudage est le processus final.
Pendant longtemps, l'acier le plus utilisé dans l'industrie aéronautique est l'acier moyennement allié à haute résistance avec un niveau de résistance de 1600 ~ 1850MPa et une ténacité à la rupture d'environ 77.5 ~ 91MPa/m2. À l'heure actuelle, en maintenant le même indice de ténacité à la rupture, le niveau de résistance minimum de l'acier a été augmenté à 1950MPa, mais a également développé un nouvel alliage économique d'acier de construction soudé à haute résistance aux fissures et à haute résistance.
La direction du développement de l'acier à haute résistance est d'améliorer encore le processus de production métallurgique, de sélectionner les meilleures spécifications de composition chimique et de traitement thermique pour développer un niveau de performance de résistance de 2100 ~ 2200MPa d'acier de construction à haute fiabilité.
Dans le rôle des milieux corrosifs actifs utilisés dans les pièces structurelles portant le corps, en particulier dans toutes les conditions météorologiques sur l'utilisation de pièces structurelles portantes, l'utilisation généralisée d'acier résistant à la corrosion à haute résistance, le niveau de résistance de cet acier est similaire à l'acier de construction allié, les paramètres de fiabilité (résistance à la rupture, résistance à la fissuration par corrosion, etc.) ont largement dépassé l'acier de construction allié.
Les avantages de l'acier à haute résistance sont les suivants : différents modes de soudage peuvent être utilisés pour mettre en œuvre le soudage, souder des pièces structurelles porteuses, après soudage sans traitement thermique, soit à chaud, soit à froid, avoir une bonne aptitude au poinçonnage, etc. ..
L'application la plus prometteuse des matériaux en acier à haute résistance, est le type martensitique de dispersion à faible teneur en carbone renforçant l'acier résistant à la corrosion et le type de transition de l'acier austénitique - martensitique, la recherche montre qu'en maintenant une haute fiabilité et de bonnes conditions de fabrication, est capable d'augmenter considérablement le niveau de résistance de l'acier à haute résistance à la corrosion.
La technologie et l'équipement à basse température sont un domaine d'application particulier de l'acier à haute résistance résistant à la corrosion et la direction du développement, équipée de moteurs à hydrogène pour les avions avec de bonnes perspectives de développement, devrait être dans l'hydrogène liquide et le milieu hydrogène pour fonctionner dans l'acier sans carbone résistant à la corrosion comme direction de la recherche.
Le potentiel d'amélioration de la proportion d'alliage de titane dans les pièces du fuselage est assez énorme, selon les prévisions, la proportion d'alliage de titane dans le fuselage des avions passagers atteindra 20 %, tandis que la proportion des applications de fuselage d'avions militaires passera à 50 % ? Le principe est de s'en assurer.
L'alliage de titane a une résistance et une fiabilité supérieures; améliorer encore l'utilisation de la température ; avec des performances de processus élevées et une bonne soudabilité; peut produire une variété de produits semi-finis ; améliorer la forme de la structure, développer de nouvelles solutions de conception, autant que possible dans la structure de l'utilisation d'alliages et de procédés matures.
L'utilisation d'alliages de titane à haute résistance peut réduire la masse de la structure, tout en améliorant l'efficacité du poids, la fiabilité et l'aptitude au traitement de la structure. Nous prévoyons de développer un alliage de plaque à la fois à haute résistance (1350 MPa) et à haute aptitude au traitement, qui sera quatre fois plus résistant que le fer pur industriel et aura des caractéristiques de traitement similaires au titane pur industriel ; nous développerons et utiliserons également un alliage de titane thermiquement résistant « quasi-alpha » avec une résistance thermique, une stabilité thermique et une durée de vie supérieures.
L'une des directions de développement des alliages de titane est de développer et d'utiliser une résistance thermique élevée, en particulier avec une stabilité élevée et une longue durée de vie de l'alliage de titane à résistance thermique « proche alpha ». Le moteur d'avion de 6ème génération utilisera des plaques en alliage de titane renforcé par une solution solide et un composé intermétallique.
L'alliage à base de composé de titane-aluminium est l'orientation future de la recherche, l'alliage "γ" à 700 ~ 900 ℃ résistance thermique spécifique à la température que l'acier et l'alliage de résistance thermique, mais la plasticité est médiocre.
La nouvelle direction du développement d'alliages de titane thermiquement résistants est l'utilisation de composés intermétalliques renforcés avec des alliages à base de solution solide β. Cet alliage se caractérise par une résistance thermique élevée et des propriétés de plasticité satisfaisantes à des températures de 600 à 700°C. Par rapport aux alliages de titane existants, le développement de ce type d'alliage de titane peut entraîner une augmentation de 25% à 30% de la résistance et de la résistance thermique.
L'accent doit être mis sur l'optimisation de la chimie des alliages, des processus de coulée et de déformation. La sélection de spécifications de traitement thermique optimales et l'adoption de nouvelles méthodes de conception des pièces permettront l'utilisation de composés intermétalliques dans la structure des moteurs aéronautiques et des équipements de technologie aérospatiale, où l'augmentation de la température de service et la réduction de la masse sont des facteurs décisifs.
Un symbole important représentant le niveau de développement de la technologie aérospatiale est le nombre de composites polymères utilisés, les composites polymères ont une supériorité très évidente en termes de résistance spécifique et de rigidité spécifique, combinée à de bonnes propriétés structurelles et des propriétés spéciales, dans le domaine de l'aviation a été largement utilisé ? Les avions Airbus A3XX utiliseront jusqu'à 25 % de composites polymères.
L'utilisation de composites polymères avec des plastiques renforcés de fibres de carbone comme matrice est l'une des mesures efficaces pour réduire la masse structurelle. Les composites polymères désignent généralement des plastiques renforcés de fibres de carbone à module élastique élevé, caractérisés par une rigidité élevée (module élastique 196 GPa) et une stabilité dimensionnelle à haute température, tout en maintenant une résistance à la compression élevée (1000 MPa). L'utilisation de plastiques renforcés de fibres de carbone dans la nouvelle génération d'équipements de technologie aérospatiale peut améliorer la rigidité aérodynamique des composants de la queue, en particulier les composants de la pointe de la queue, réduire la masse structurelle et garantir la qualité requise de la technologie de vol. Ces propriétés des plastiques renforcés de fibres de carbone à haut module, combinées à une faible densité, permettent la fabrication de manipulateurs pour l'assemblage et la maintenance des stations spatiales. Les problèmes à résoudre dans les prochaines années incluent : une amélioration supplémentaire des propriétés structurelles et des propriétés spéciales des plastiques renforcés de fibres de carbone, en particulier pour augmenter la température de fonctionnement à 400 ℃.
En tant que matériau de structure, les nouveaux matériaux composites – plastiques organiques joueront un rôle de plus en plus important. Ces dernières années, la 2ème génération de plastiques organiques est en cours de développement, la valeur σb (résistance à la traction) des plastiques organiques à usage unique a atteint 3000 ~ 3200MPa, la valeur E a augmenté à 130G Pa. La recherche expérimentale montre qu'il est possible d'obtenir l'élastique module de 200 ~ 250GPa plastiques organiques, il convient de noter qu'il s'agit en fait d'élargir la plage de température de travail d'un facteur de 1 (205 ~ 300 ℃) Il est également possible de réduire considérablement l'absorption d'eau du composite. En termes de résistance spécifique et de module d'élasticité, les plastiques organiques modernes, et surtout ceux du futur, dépasseront-ils tous les polymères connus ? composites à matrice métallique et céramique.
Actuellement, les plastiques renforcés de fibres de verre et les pièces structurelles en plastique renforcé de fibres de carbone fabriquées par le procédé préimprégné sont de plus en plus utilisées. Lorsque ce procédé est utilisé, des pièces à courbure normale et complexe peuvent être fabriquées en une seule opération. Par rapport aux composites polymères conventionnels, les composites à base de préimprégnés se caractérisent par une augmentation de 40% à 50% de la résistance à la fissuration. La résistance au cisaillement est augmentée de 20% à 50% ? 20 % à 35 % d'augmentation de la résistance à la fatigue et de la résistance durable ? Avec ce matériau composite, la consommation de main-d'œuvre et d'énergie peut être réduite de 1/2 ; la masse structurelle (en particulier dans le cas du remplissage en nid d'abeilles) peut être réduite de 50 % et l'étanchéité structurelle peut être améliorée de 5 fois.
Le développement d'alliages spéciaux avec le meilleur alliage et la meilleure méthode d'organisation peut améliorer considérablement les performances de la lame monocristalline, l'un des alliages les plus prometteurs est l'alliage de zinc de l'alliage de nickel résistant à chaud.
Les alliages contenant du nickel ont des températures de fonctionnement plus élevées et des propriétés de résistance à l'endurance plus élevées, et des valeurs de résistance à l'endurance record de σ1000100> 300 MPa ont été obtenues pour des alliages d'essai contenant 6% à 7%, assurant ainsi le développement d'aubes monocristallines avec des canaux de refroidissement pour 6th moteurs de génération. En utilisant un alliage contenant du nickel, la température d'entrée de la turbine peut être augmentée à 2000 ~ 2100K, la consommation d'air de refroidissement peut être réduite de 30% à 50% et la durée de vie de la lame peut être prolongée de 1 à 3 fois lorsque l'air de refroidissement la consommation est la même.
Les exigences pour les matériaux de disque de moteur à turbine à gaz sont légèrement différentes des exigences pour les matériaux d'aube : premièrement, la température de fonctionnement du disque de turbine est inférieure à celle de l'aube ; deuxièmement, les exigences en matière de fiabilité des matériaux sont accrues. Les exigences ci-dessus pour améliorer les performances des alliages de disques de turbine doivent être résolues par une approche globale, telle que le développement du principe d'alliage, l'amélioration du mécanisme de renforcement et le développement de nouvelles méthodes technologiques de fusion, de déformation et de traitement thermique.
Le problème particulier auquel est aujourd'hui confrontée l'industrie de la construction de moteurs aéronautiques est de développer, par exemple, des magasins soudés ? tube de fumée et une gamme d'autres composants structuraux soudés à chaud. Le principal problème dans le développement des matériaux pour tubes de fumée est d'améliorer leur rigidité structurelle, la solution à ce problème doit également répondre à une série d'exigences de processus exigeantes et complètes : bonne soudabilité, plasticité de processus élevée, etc. Les alliages peuvent augmenter la température de fonctionnement du tube à feu de 150 ~ 200℃, prolonger la fiabilité et la durée de vie de 50% ~ 100% et augmenter considérablement la résistance spécifique de la cassette soudée, tout en réduisant la masse de 15%.
L'utilisation d'un revêtement protecteur antioxydant est un facteur important dans l'allongement de la durée de vie des alliages de renforcement thermique (en premier lieu, les aubes de turbine).
À l'heure actuelle, de nouveaux procédés et revêtements avec diverses compositions complexes ont été introduits comme technologie alternative au procédé de production de revêtements protecteurs par aluminisation par diffusion dans des poudres mixtes. Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de revêtement plasma sous vide avec différents ions élémentaires comme matrice. Dans le cas d'environ la même épaisseur de revêtement (50 ~ 70 μm), l'alliage pulvérisé d'origine avec alliage peut protéger efficacement la lame des sulfures. la corrosion par les oxydes et peut prolonger la durée de vie de la lame d'un ordre de grandeur par rapport aux revêtements aluminisés produits en série.
Dans la nouvelle méthode de revêtement de matériaux multi-composants avec un procédé de plasma sous vide à haute énergie, l'action du flux de plasma à grande vitesse sur la surface solide entraîne un renforcement ciblé de la composition, de l'organisation, de la micro-géométrie et des propriétés physico-chimiques du traité. surface. Les principaux avantages du procédé sont : haute qualité de revêtement, dense et non poreux, bonne plasticité, forte adhérence (plus de 100M P a) ; bonne polyvalence, tous types de revêtements de protection peuvent être appliqués sur un appareil industriel ; grande précision de dépôt.
Le coût du revêtement, de l'équipement de revêtement et du processus est faible, en utilisant un processus de plasma sous vide à haute énergie de matériaux multi-composants pour appliquer des revêtements, peut-on obtenir une variété de revêtements, à la fois des revêtements de diffusion, des revêtements cohésifs et des revêtements cohésifs à diffusion ?
L'urgence d'améliorer encore la température de fonctionnement et la durée de vie des moteurs à turbine à gaz a imposé la recherche d'une nouvelle matrice d'alliage avec une meilleure stabilité que la solution solide renforcée en phase de matrice de nickel. La nouvelle matrice d'alliage convient à l'utilisation d'un composé intermétallique de type Ni3Al, et la liaison covalente du composé intermétallique peut résoudre le problème de résistance thermique de l'alliage plus efficacement que la liaison métallique ordinaire de la solution solide ? Le niveau de résistance thermique de ces alliages peut être ajusté en fonction de l'alliage supplémentaire de la matrice Ni3Al, et de l'organisation de la coulée déterminée par le procédé de coulée. Dans ce cas, la résistance thermique de l'alliage augmente au fur et à mesure que l'on passe d'une organisation équiaxe à colonnaire puis à une organisation monocristalline.
Les alliages intermétalliques monocristallins ont une meilleure performance globale. A résistance thermique égale (température 1100°C), la quantité de métaux réfractaires rares et précieux tels que le tungstène (W) et le molybdène (M o ) contenus dans l'alliage composé intermétallique est significativement plus faible.
Les alliages à base de composés intermétalliques peuvent être utilisés efficacement pour fabriquer des aubes directrices de buse refroidies et non refroidies, des tubes de fumée et des pièces de buse dans la plage de température de fonctionnement de 900 ~ 1150°C. Les dernières réalisations scientifiques de la ville peuvent augmenter la résistance thermique de l'alliage à plus de 50 ~ 70 MPa.
D'autres percées dans le domaine de la recherche sur les matériaux de résistance thermique (température de travail augmentée à plus de 1300 ℃) dépendent des composites métalliques pour assurer. La matrice des composites métalliques peut être constituée de différents matériaux, tels que le titane, les composés intermétalliques, etc., tandis que les matériaux de renforcement peuvent être constitués de cristaux filamenteux, de particules de composés réfractaires diffus dont des particules de carbure de silicium, de fibres d'oxyde ou de fibres de tungstène.
Les composites spéciaux sont les composites dits naturels, qui sont fabriqués selon un processus de cristallisation directionnelle d'alliages eutectiques. Chaque phase eutectique dans de tels alliages se développe perpendiculairement à la ligne de cristallisation, de sorte qu'une organisation fibreuse avec une certaine orientation peut être obtenue en déplaçant la ligne de cristallisation plane. L'agent de renforcement de ce matériau est un squelette continu de cristaux filamenteux de monocristaux de carbure métallique réfractaire (TaC, NbC) agités les uns avec les autres. Le matériau composite naturel développé peut maintenir des niveaux de résistance durables élevés (σ1200b> 70 MPa) à des températures élevées de 1200°C. Il est prévu que la part des matériaux composites dans les moteurs à turbine à gaz avancés augmentera de manière significative (jusqu'à 40%).
Divers milieux et environnements atmosphériques sur le rôle des matériaux se manifestant par la corrosion et le vieillissement. Les matériaux aérospatiaux en contact avec les milieux sont le carburant d'avion (tel que l'essence et le kérosène), les propulseurs de fusée (tels que l'acide nitrique concentré, l'oxyde nitreux, l'hydrazine) et une variété de lubrifiants, fluides hydrauliques, etc., dont la plupart avoir un fort effet corrosif ou un gonflement des matériaux métalliques et non métalliques, l'irradiation du soleil dans l'atmosphère, l'érosion du vent et de la pluie, l'humidité souterraine dans le stockage à long terme des moisissures accéléreront le vieillissement des matériaux polymères. Le processus, la résistance à la corrosion, les performances anti-vieillissement et les performances anti-moisissure sont des matériaux aérospatiaux qui doivent avoir de bonnes caractéristiques.
Le rôle de l'environnement spatial sur les matériaux se manifeste principalement dans le vide poussé (1.33×10-10Pa) et l'influence de l'irradiation par les rayons cosmiques. Matériaux métalliques en contact les uns avec les autres sous vide poussé, car la surface est purifiée par l'environnement sous vide poussé et accélère le processus de diffusion moléculaire, phénomène de «soudage à froid»; les matériaux non métalliques sous vide poussé et l'irradiation par les rayons cosmiques accéléreront la volatilisation et le vieillissement, parfois ce phénomène rendra la lentille optique due au dépôt volatil et à la contamination, la structure d'étanchéité due au vieillissement et à la défaillance. Les matériaux spatiaux sont généralement sélectionnés et développés par des essais de simulation au sol afin de s'adapter à l'environnement spatial.
Afin de réduire la masse structurelle du véhicule, l'objectif de la conception du véhicule est de sélectionner la plus petite marge de sécurité possible et d'obtenir une durée de vie de sécurité absolument fiable. Pour les véhicules qui ne sont utilisés qu'une seule fois dans un court laps de temps, comme les missiles ou les lanceurs, les gens s'efforcent de maximiser les performances du matériau jusqu'à la limite. Afin de tirer pleinement parti de la résistance des matériaux et d'assurer la sécurité, le «principe de conception de la tolérance aux dommages» a été utilisé pour les matériaux métalliques, ce qui nécessite non seulement une résistance spécifique élevée, mais également une ténacité à la rupture élevée. Dans des conditions d'utilisation simulées, la durée d'initiation de la fissure et le taux d'expansion de la fissure du matériau sont mesurés, et la longueur de fissure admissible et la durée de vie correspondante sont calculées comme une base importante pour la conception, la production et l'utilisation. Pour les matériaux organiques non métalliques, des tests de vieillissement naturel et de vieillissement accéléré artificiel sont nécessaires pour déterminer la période d'assurance de leur vie, le schéma de rupture des matériaux composites, la vie et la sécurité est également un sujet de recherche important.
Le progrès des matériaux aérospatiaux dépend des 3 facteurs suivants, et ce n'est qu'après que les 3 ont été développés à un stade de maturité qu'il est possible de les appliquer aux véhicules volants. Par conséquent, des pays du monde entier ont donné la priorité au développement de matériaux aérospatiaux.
Avec le développement rapide de l'industrie spatiale, les matériaux de structure des engins spatiaux seront également en développement continu à long terme. La proportion de nouveaux alliages légers utilisés dans les structures d'engins spatiaux augmente progressivement et l'application de matériaux composites a contribué au changement des matériaux utilisés dans les structures d'engins spatiaux et se développe rapidement. Les composites à matrice métallique, qui combinent les excellentes propriétés des métaux et des matériaux inorganiques/organiques, sont également entrés dans la vision des chercheurs en structure aérospatiale. De plus, les matériaux de structure sont indissociables de la conception structurelle, et certaines structures complexes traditionnelles sont remplacées par de nouvelles structures multifonctionnelles (MFC) et des structures imprimées en 3D. À l'avenir, les matériaux de structure pour les engins spatiaux montreront une tendance à la diversification et à la haute performance.
Les alliages légers traditionnels dominent encore, de nouveaux alliages légers seront progressivement appliqués afin de s'adapter aux exigences des satellites modernes à hautes performances, à structure légère, les alliages ont tendance à être progressivement remplacés par des matériaux composites. Surtout lorsque les matériaux composites dans le domaine de l'automobile et de l'aviation ont connu un grand succès, il a également commencé à bondir dans le domaine de l'aérospatiale avec des exigences plus élevées en matière de légèreté des matériaux. Cependant, avec l'approfondissement de la recherche, on constate que les composites à base de résine couramment utilisés présentent certains défauts inhérents, tels qu'une faible ténacité, de mauvaises performances de traitement secondaire, une faible résistance à la chaleur et à l'humidité, une mauvaise adaptabilité à l'environnement spatial, etc. est difficile à appliquer dans une grande zone sur un engin spatial en peu de temps, ce qui offre de l'espace et des opportunités pour l'application et le développement de matériaux d'alliage dans le domaine aérospatial.
La dynamique de développement des matériaux composites est bonne et le champ d'application va continuer à augmenter. Le temps de développement des matériaux composites est relativement court, mais sa tendance à un développement rapide suffit à faire croire qu'il a de grandes perspectives d'application. Les composites ont toujours été en avance sur les applications aérospatiales dans le domaine de l'aviation. Son application dans les aéronefs s'est développée des matériaux de structure secondaires aux matériaux de structure principaux. La quantité de matériaux composites pour les pièces structurelles des gros avions dans le monde, tels que Boeing 787 et Airbus 380, représente 40% à 50%, et la quantité de matériaux composites pour les pièces structurelles des hélicoptères avancés représente même plus de 80% . Les données de recherche publique de Boeing et d'Airbus montrent que d'ici 2020, les pièces structurelles de leurs avions utiliseront toutes des matériaux composites. Par analogie, les matériaux composites dans le domaine aérospatial auront un espace et des perspectives de développement énormes. Ceci est également mis en évidence par le fait que les joints de fermes en alliage d'aluminium largement utilisés auparavant sur les fermes satellites sont remplacés par des joints composites en fibre de carbone. La figure 2 montre un joint composite en fibre de carbone typique. Jusqu'à présent, les composites haute performance en fibre de carbone sont toujours au centre de la recherche et de l'application des composites. Afin de réduire l'écart avec le niveau avancé international, la Chine accorde désormais une grande attention à la recherche avancée sur les matériaux composites. Avec le développement de la technologie de fabrication intégrée à faible coût, la maturité croissante des équipements de fabrication automatisés, à grande échelle et de haute précision, et l'amélioration continue des performances de la résine matricielle et de la fibre de carbone, la résistance à l'humidité et à la chaleur et l'allongement à la rupture des composites à matrice de résine renforcée de fibres de carbone ont été considérablement améliorés, et la quantité de matériaux composites sur les structures des engins spatiaux augmentera certainement encore.
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