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I materiali aerospaziali sono tutti i tipi di materiali utilizzati negli aeromobili e nelle loro unità di potenza, accessori e strumenti, che sono uno dei fattori decisivi nello sviluppo dell'ingegneria e della tecnologia aerospaziale, e la scienza dei materiali aerospaziali è anche un ramo pionieristico della scienza dei materiali.
I materiali aerospaziali hanno un'eccellente resistenza alle alte e alle basse temperature, nonché resistenza all'invecchiamento e alla corrosione e possono adattarsi all'ambiente spaziale.
I vari tipi di materiali utilizzati negli aeromobili e nelle loro unità di potenza, accessori e strumenti sono uno dei fattori decisivi nello sviluppo della tecnologia di ingegneria aerospaziale. La scienza dei materiali aerospaziali è una branca pionieristica della scienza dei materiali. La progettazione degli aeromobili propone costantemente nuovi argomenti alla scienza dei materiali e promuove lo sviluppo della scienza dei materiali aerospaziali; l'emergere di una varietà di nuovi materiali offre nuove possibilità per la progettazione di aeromobili e promuove notevolmente lo sviluppo della tecnologia aerospaziale.
Il progresso dei materiali aerospaziali dipende dai seguenti tre fattori:
Oltre a sollecitazioni elevate e forze inerziali, i materiali aerospaziali sono soggetti a carichi d'urto e carichi alternati causati da fattori quali decollo e atterraggio, vibrazioni del motore, rotazione ad alta velocità di parti rotanti, volo in manovra e venti improvvisi. Il gas del motore e l'irradiazione solare fanno sì che l'aereo si trovi in un ambiente ad alta temperatura e, all'aumentare della velocità di volo, l'effetto di riscaldamento aerodinamico viene in primo piano, risultando in "barriere termiche". Inoltre, soggetto anche a temperature alternate, nella stratosfera a velocità subsoniche, la temperatura superficiale scenderà a circa -50 ℃, il circolo polare all'interno del territorio del rigido ambiente invernale la temperatura sarà inferiore a -40 ℃, componenti metallici o gomma pneumatici soggetti a fenomeni di infragilimento. Benzina, cherosene e altri combustibili e vari lubrificanti, olio idraulico, la maggior parte dei materiali metallici per produrre corrosione, materiali non metallici per produrre rigonfiamento e irradiazione solare, erosione del vento e della pioggia, ambiente umido sotterraneo per lo stoccaggio a lungo termine della muffa accelerare il processo di invecchiamento dei materiali polimerici.
I veicoli aerospaziali operano nell'atmosfera o nello spazio per lungo tempo e prestano servizio in ambienti estremi ma hanno anche affidabilità e sicurezza estremamente elevate, volo e manovrabilità eccellenti, oltre a ottimizzare la struttura per soddisfare le esigenze aerodinamiche, i requisiti di lavorabilità e l'uso di esigenze di manutenzione, ma dipende anche dalle ottime caratteristiche e funzioni del materiale.
Per ridurre la massa della struttura, una riduzione del 30% della densità è più utile di un aumento del 50% della resistenza. Leghe di alluminio, leghe di titanio e materiali compositi sono i principali materiali strutturali aerospaziali con elevata resistenza e rigidità specifica, che possono migliorare il carico utile, la manovrabilità e l'autonomia del veicolo, riducendo al contempo il costo del volo.
L’acciaio ad altissima resistenza (resistenza allo snervamento >1380 MPa) non sarà utilizzato in più del 10% dell’ingegneria aerospaziale. Per gli aerei moderni come i caccia supersonici, la quantità di acciaio ad altissima resistenza è stabilizzata tra il 5% e il 10% e la sua resistenza alla trazione è compresa tra 600 e 1850 MPa, a volte fino a 1950 MPa, con tenacità alla frattura KIc = da 78 a 91 MPa-m1 /2. Nei mezzi corrosivi attivi utilizzati nelle parti strutturali portanti della cellula, generalmente per utilizzare acciaio resistente alla corrosione ad alta resistenza, equipaggiato con motori a idrogeno per scegliere l'acciaio resistente alla corrosione senza carbonio dell'aereo come materiale componente per il servizio in idrogeno liquido e mezzo di idrogeno.
I compositi a matrice metallica, i compositi a matrice resina ad alta temperatura, i compositi a matrice ceramica e i compositi carbonio/carbonio hanno svolto un ruolo sempre più importante nel campo aerospaziale. I compositi carbonio/carbonio combinano la refrattarietà del carbonio con l'elevata resistenza e rigidità della fibra di carbonio, hanno una stabilità termica superiore e un'eccellente conduttività termica e hanno ancora una notevole resistenza e tenacità a 2500°C, e la densità è solo 1/4 di quella di leghe ad alta temperatura. i compositi ibridi hanno ricevuto crescente attenzione, ad esempio l'aggiunta di fibra di vetro ai compositi in fibra di carbonio può migliorare le loro proprietà di impatto, mentre l'aggiunta di fibra di carbonio alla plastica rinforzata con fibra di vetro può aumentarne la rigidità.
La maggior parte dei materiali strutturali delle sezioni del veicolo spaziale con equipaggio sono leghe di alluminio, leghe di titanio, materiali compositi, come l'orbiter dello Space Shuttle per lo più realizzato in lega di alluminio, che supporta la struttura di spinta del motore principale in lega Chin, parte del telaio principale del fusoliera centrale utilizzando materiali compositi a matrice metallica in lega di alluminio rinforzata con fibra di boro, porte del vano di carico utilizzando una speciale struttura sandwich a nido d'ape in carta per materiale composito in resina epossidica rinforzata con fibra di grafite per il pannello. Testa del missile, superficie esterna del modulo di rientro del veicolo spaziale e superficie interna del motore a razzo, per utilizzare materiali ablativi, sotto l'azione del flusso di calore, i materiali ablativi possono essere decomposizione, fusione, evaporazione, sublimazione, erosione e altri cambiamenti fisici e chimici, la massa consumo della superficie del materiale per asportare molto calore, al fine di raggiungere lo scopo di impedire il rientro dell'atmosfera quando il calore fluisce verso l'interno del veicolo, raffreddando la camera di combustione e l'ugello del motore a razzo. Per mantenere una temperatura di lavoro adeguata all'interno della cabina, la sezione rimanente della cabina adotta misure di protezione dal calore radiante, il rivestimento esterno in lega a base di nichel resistente alle alte temperature o piastra al berillio, la struttura interna in lega Chin resistente al calore, l'esterno pelle e struttura interna riempita con fibra di quarzo, ceramica composita in fibra di vetro e altri materiali con buone proprietà di isolamento termico.
Con l'implementazione e il continuo sviluppo del volo spaziale umano, dell'esplorazione lunare e dell'esplorazione dello spazio profondo, dei satelliti ad alta risoluzione, dei veicoli iperveloci, dei veicoli di lancio riutilizzabili, dei veicoli di manovra spaziale e di altri progetti spaziali, vengono avanzati requisiti nuovi e più esigenti per i materiali, fornendo nuovi opportunità e impulso per lo sviluppo di nuovi materiali per il volo spaziale, e il campo dei materiali deve essere il più precoce possibile nell'innovazione dei sistemi di materiali, nella protezione indipendente delle materie prime chiave e nelle applicazioni ingegneristiche. Il settore dei materiali deve compiere il più presto possibile un importante passo avanti nell’innovazione del sistema dei materiali, nella garanzia indipendente delle materie prime chiave e delle applicazioni ingegneristiche.
Inoltre, l'applicazione di materiali compositi laminati nell'ingegneria aerospaziale sta diventando sempre più diffusa, ad esempio l'A380 utilizza il 3% GLARE, un nuovo tipo di laminato. Il laminato è un materiale composito che realizza due diversi tipi di materiali laminati insieme mediante pressione, solitamente composti da pannello superiore, strato di colla superiore, materiale centrale, strato di colla inferiore, pannello inferiore, la cui resistenza e rigidità sono superiori a quelle del materiale del pannello separato o materiale di base ed è stato applicato agli aerei da trasporto e agli aerei da combattimento. Il laminato GLARE è realizzato mediante pressione (o vasca di pressatura a caldo) per laminare più strati di sottili lastre di alluminio e preimpregnato di fibra di vetro unidirezionale (impregnato con adesivo epossidico) laminati e pressati a caldo, come mostrato nella Figura 1. Il foglio di alluminio è adeguatamente pre- trattato per facilitare l'adesione allo strato di fibra prepreg. Nella tabella 1 sono riportate le tipologie di laminati GLARE producibili commercialmente, che possono essere realizzati in diversi spessori a seconda delle esigenze. Le fibre possono essere a 2, 3, 4 strati, ecc., e il contenuto e l'orientamento delle fibre possono essere conformi alla tabella, e ogni tipo di laminato GLARE può avere forme diverse, che possono essere regolate in base alle esigenze specifiche.
I materiali aerospaziali non rappresentano solo la garanzia materiale per lo sviluppo e la produzione di prodotti aerospaziali, ma anche la base tecnica per promuovere il rinnovamento dei prodotti aerospaziali. In base alla natura dei materiali stessi, i materiali aerospaziali si dividono in quattro categorie: materiali metallici, materiali inorganici non metallici, materiali polimerici e materiali compositi avanzati; in base all'uso della funzione, possono essere suddivisi in materiali strutturali e materiali funzionali 2 categorie. Per i materiali strutturali, i requisiti più critici sono la leggerezza, l'elevata robustezza e la resistenza alla corrosione alle alte temperature; i materiali funzionali includono materiali microelettronici e optoelettronici, materiali per elementi sensibili ai sensori? Materiali ceramici funzionali, materiali in fibra ottica, materiali per la visualizzazione e l'archiviazione delle informazioni, materiali invisibili e materiali intelligenti.
Per i materiali aerospaziali, comprende 3 principali categorie di materiali: materiali per la carrozzeria dell'aeromobile, materiali per motori e materiali per apparecchiature di bordo. E i materiali aerospaziali includono materiali per il corpo della freccia del veicolo di lancio, materiali per motori a razzo, materiali per veicoli spaziali e materiali funzionali aerospaziali.
Nello specifico, a livello di materiali, i materiali aerospaziali coprono una vasta gamma, tra cui leghe di alluminio, leghe di titanio, leghe di magnesio e altre leghe leggere, acciai ad altissima resistenza, leghe di titanio ad alta temperatura, leghe ad alta temperatura a base di nichel, composti intermetallici (sistema titanio-alluminio, sistema niobio-alluminio, sistema molibdeno-silicio). Metalli refrattari e loro leghe e altri materiali per strutture metalliche ad alta temperatura, fibra di vetro, fibra di carbonio, fibra di ammide aromatica, fibra eterociclica aromatica, fibra di polietilene ad altissimo peso molecolare e altri materiali compositi di rinforzo, resina epossidica, resina bismaleimmidica, resina poliimmidica termoindurente , resina fenolica, resina cianato, resina poliarilacetilenica e altri materiali a matrice composita, compositi avanzati a base metallica e inorganici non metallici, compositi avanzati a base di composti intermetallici, materiali ceramici avanzati, compositi avanzati carbonio/carbonio e compositi avanzati materiali funzionali.
La previsione del rapporto di composizione dei materiali strutturali della fusoliera degli aerei mostra che il materiale dominante all’inizio del 21° secolo è la lega di alluminio. Il primo problema da risolvere quando si sviluppano leghe di alluminio per la tecnologia aerospaziale è come ridurre la massa strutturale garantendo allo stesso tempo un'elevata affidabilità operativa e una buona lavorazione. Il problema urgente da risolvere è lo sviluppo di leghe di alluminio ad alta resistenza con buone proprietà di saldatura e il loro utilizzo nella produzione di strutture saldate monolitiche. Il modo per aumentare il carico utile del veicolo è aumentare la resistenza o ridurre la densità (senza ridurre la resistenza).
La lega dell'alluminio con il litio riduce la densità della lega e aumenta il modulo di elasticità. Lamiere in lega di alluminio-litio (Al – Li), comprese lamiere sottili di spessore inferiore a 0.5 mm, sono state prodotte mediante laminazione di nastri.
L'uso di compositi per strati di base in alluminio può migliorare significativamente l'affidabilità, la durata e il carico utile dei rivestimenti degli aerei, che sono caratterizzati da tassi di espansione delle crepe eccezionalmente bassi (1/20 ~ 1/10 dei materiali convenzionali), elevata resistenza (dal 50% al 100 % di aumento) e tenacità alla frattura e bassa densità (riduzione dal 10% al 15%). Il materiale del rivetto incrinato è molto promettente.
Nelle strutture degli aerei moderni, l’utilizzo dell’acciaio è stabile tra il 5% e il 10%, mentre in alcuni aerei, come i caccia supersonici, l’acciaio è un materiale specifico.
Gli acciai ad alta resistenza vengono generalmente utilizzati in componenti strutturali che richiedono elevata rigidità, elevata resistenza specifica ed elevata durata a fatica, nonché buona resistenza alle medie temperature, resistenza alla corrosione e una serie di altri parametri. L'acciaio è un materiale insostituibile, sia nella produzione di semilavorati che nella fabbricazione di parti strutturali complesse, soprattutto nella produzione di parti strutturali saldate dove la saldatura è il processo finale.
Per molto tempo, l'acciaio più utilizzato nell'industria manifatturiera aeronautica è l'acciaio ad alta resistenza medio legato con un livello di resistenza di 1600 ~ 1850 MPa e una resistenza alla frattura di circa 77.5 ~ 91 MPa/m2. Allo stato attuale, mantenendo lo stesso indice di tenacità alla frattura, il livello minimo di resistenza dell'acciaio è stato aumentato a 1950 MPa, ma è stata anche sviluppata una nuova lega economica di acciaio strutturale saldato ad alta resistenza alle crepe e ad alta resistenza.
La direzione di sviluppo dell'acciaio altoresistenziale è quella di migliorare ulteriormente il processo di produzione metallurgica, selezionare la migliore composizione chimica e le specifiche di trattamento termico per sviluppare un livello di prestazione di resistenza di 2100 ~ 2200 MPa di acciaio strutturale ad alta affidabilità.
Nel ruolo dei mezzi corrosivi attivi utilizzati nelle parti strutturali portanti del corpo, soprattutto in tutte le condizioni atmosferiche sull'uso di parti strutturali portanti, l'uso diffuso di acciaio resistente alla corrosione ad alta resistenza, il livello di resistenza di questo acciaio è simile a l'acciaio strutturale legato, i parametri di affidabilità (resistenza alla frattura, resistenza alla corrosione, ecc.) superavano di gran lunga l'acciaio strutturale legato.
I vantaggi dell'acciaio ad alta resistenza sono: diversi metodi di saldatura possono essere utilizzati per eseguire la saldatura, saldare parti strutturali portanti, dopo la saldatura senza trattamento termico, sia allo stato caldo che allo stato freddo, avere una buona perforabilità, ecc. ..
L'applicazione più promettente dei materiali in acciaio ad alta resistenza è il tipo martensitico dell'acciaio a bassa dispersione di carbonio che rinforza l'acciaio resistente alla corrosione e il tipo di transizione dell'acciaio austenitico-martensitico. La ricerca mostra che mantenendo un'elevata affidabilità e buone condizioni di lavorazione, è in grado di aumentare significativamente il livello di resistenza dell'acciaio ad alta resistenza resistente alla corrosione.
La tecnologia e le attrezzature a bassa temperatura rappresentano un campo speciale di applicazione dell'acciaio ad alta resistenza alla corrosione e la direzione dello sviluppo, equipaggiati con motori a idrogeno per aeromobili con buone prospettive di sviluppo, dovrebbe essere nell'idrogeno liquido e nel mezzo di idrogeno per funzionare nell'acciaio resistente alla corrosione privo di carbonio come direzione della ricerca.
Il potenziale per migliorare la percentuale di lega di titanio nelle parti della fusoliera è piuttosto enorme, secondo le previsioni, la percentuale di lega di titanio nella fusoliera degli aerei passeggeri raggiungerà il 20%, mentre la percentuale delle applicazioni della fusoliera degli aerei militari aumenterà al 50%? La premessa è garantirlo.
La lega di titanio ha maggiore resistenza e affidabilità; migliorare ulteriormente l'uso della temperatura; con elevate prestazioni di processo e buona saldabilità; può produrre una varietà di prodotti semilavorati; migliorare la forma della struttura, sviluppare nuove soluzioni progettuali, per quanto possibile nella struttura dell'uso di leghe e processi maturi.
L'uso di leghe di titanio ad alta resistenza può ridurre la massa della struttura, migliorando al contempo l'efficienza in termini di peso, l'affidabilità e la lavorabilità della struttura. Abbiamo in programma di sviluppare una lega per piastre con elevata resistenza (1350 MPa) ed elevata lavorabilità, che sarà quattro volte più resistente del ferro puro industriale e avrà caratteristiche di processo simili al titanio puro industriale; svilupperemo e utilizzeremo anche una lega di titanio termicamente resistente “quasi alfa” con resistenza termica, stabilità termica e durata di servizio più elevate.
Una delle direzioni di sviluppo delle leghe di titanio è quella di sviluppare e utilizzare un'elevata resistenza termica, in particolare con elevata stabilità e lunga durata della lega di titanio con resistenza termica "quasi alfa". Il motore aeronautico di sesta generazione utilizzerà piastre in lega di titanio rinforzate con soluzione solida e rinforzate con composti intermetallici.
La lega a base di composto di titanio-alluminio è la direzione futura della ricerca, la lega "γ" con resistenza termica specifica alla temperatura di 700 ~ 900 ℃ rispetto all'acciaio e alla lega con resistenza termica, ma la plasticità è scarsa.
La nuova direzione nello sviluppo di leghe di titanio termicamente resistenti è l’uso di composti intermetallici rinforzati con leghe a base di soluzioni solide β. Questa lega è caratterizzata da elevata resistenza termica e proprietà di plasticità soddisfacenti a temperature di 600 ~ 700°C. Rispetto alle leghe di titanio esistenti, lo sviluppo di questo tipo di lega di titanio può comportare un aumento dal 25% al 30% in termini di resistenza e resistenza termica.
L'accento deve essere posto sull'ottimizzazione della chimica delle leghe, dei processi di fusione e deformazione. La selezione di specifiche ottimali di trattamento termico e l'adozione di nuovi metodi di progettazione delle parti consentiranno l'uso di composti intermetallici nella struttura di motori aeronautici e apparecchiature tecnologiche aerospaziali, dove l'aumento della temperatura di servizio e la riduzione della massa sono fattori decisivi.
Un simbolo importante che rappresenta il livello di sviluppo della tecnologia aerospaziale è il numero di compositi polimerici utilizzati, i compositi polimerici hanno una superiorità molto evidente in termini di resistenza specifica e rigidità specifica, combinati con buone proprietà strutturali e proprietà speciali, nel campo dell'aviazione è stato ampiamente utilizzato ? Gli aerei Airbus A3XX utilizzeranno compositi polimerici fino al 25%.
L'uso di compositi polimerici con plastica rinforzata con fibra di carbonio come matrice è una delle misure efficaci per ridurre la massa strutturale. I compositi polimerici si riferiscono solitamente a plastiche rinforzate con fibra di carbonio ad alto modulo elastico, caratterizzate da elevata rigidità (modulo elastico 196 GPa) e stabilità dimensionale alle alte temperature, pur mantenendo un'elevata resistenza alla compressione (1000 MPa). L'uso di plastica rinforzata con fibra di carbonio nella nuova generazione di apparecchiature tecnologiche aerospaziali può migliorare la rigidità aerodinamica dei componenti della coda, in particolare i componenti della punta della coda, ridurre la massa strutturale e garantire la qualità della tecnologia di volo richiesta. Queste proprietà della plastica rinforzata con fibra di carbonio ad alto modulo, combinate con la bassa densità, consentono la produzione di manipolatori per l'assemblaggio e la manutenzione delle stazioni spaziali. I problemi da risolvere nei prossimi anni includono: ulteriore miglioramento delle proprietà strutturali e delle proprietà speciali delle plastiche rinforzate con fibra di carbonio, in particolare per aumentare la temperatura operativa a 400 ℃.
Come materiale strutturale, i nuovi materiali compositi – la plastica organica – svolgeranno un ruolo sempre più importante. Negli ultimi anni è stata sviluppata la seconda generazione di plastica organica, il valore σb (resistenza alla trazione) della plastica organica monouso ha raggiunto 2 ~ 3000 MPa, il valore E è aumentato a 3200 G Pa. La ricerca sperimentale mostra che è possibile ottenere la plastica organica modulo di plastica organica da 130 ~ 200 GPa, va notato che in realtà si tratta di espandere l'intervallo di temperature di lavoro di un fattore 250 (1 ~ 205 ℃). È anche possibile ridurre significativamente l'assorbimento d'acqua del composito. In termini di resistenza specifica e modulo di elasticità, le moderne plastiche organiche, e soprattutto quelle del futuro, supereranno tutti i polimeri conosciuti? compositi a matrice metallica e ceramica.
Attualmente vengono sempre più utilizzate plastiche rinforzate con fibra di vetro e parti strutturali in plastica rinforzata con fibra di carbonio prodotte mediante il processo di prepreg. Quando si utilizza questo processo, è possibile realizzare parti con curvatura normale e complessa in un unico processo. Rispetto ai compositi polimerici convenzionali, i compositi a base di prepreg sono caratterizzati da un aumento dal 40% al 50% della resistenza alle crepe. La resistenza al taglio è aumentata dal 20% al 50%? Aumento dal 20% al 35% della resistenza alla fatica e della resistenza duratura? Con questo materiale composito, il consumo di manodopera e di energia può essere ridotto della metà; la massa strutturale (soprattutto nel caso del riempitivo a nido d'ape) può essere ridotta del 1% e la sigillabilità strutturale può essere migliorata di 2 volte.
Lo sviluppo di leghe speciali con la migliore lega e il miglior metodo di organizzazione può migliorare significativamente le prestazioni della lama a cristallo singolo, una delle leghe più promettenti è la lega di zinco della lega di nichel resistente al caldo.
Le leghe contenenti nichel hanno temperature di esercizio più elevate e proprietà di resistenza alla resistenza più elevate, e valori record di resistenza alla resistenza di σ1000100> 300 MPa sono stati ottenuti per le leghe di prova contenenti dal 6% al 7%, garantendo così lo sviluppo di pale monocristalline con canali di raffreddamento per il 6° motori di generazione. Utilizzando una lega contenente nichel, la temperatura di ingresso della turbina può essere aumentata fino a 2000 ~ 2100 K, il consumo di aria di raffreddamento può essere ridotto del 30% ~ 50% e la durata utile della pala può essere estesa di 1 ~ 3 volte quando l'aria di raffreddamento il consumo è lo stesso
I requisiti per i materiali dei dischi dei motori a turbina a gas sono leggermente diversi dai requisiti per i materiali delle pale: in primo luogo, la temperatura di esercizio del disco della turbina è inferiore a quella della pala; in secondo luogo, aumentano i requisiti di affidabilità dei materiali. I requisiti di cui sopra per migliorare le prestazioni delle leghe dei dischi delle turbine dovrebbero essere risolti con un approccio globale, come lo sviluppo del principio di lega, il miglioramento del meccanismo di rafforzamento e lo sviluppo di nuovi metodi tecnologici per la fusione, la deformazione e il trattamento termico.
Il problema speciale che l'industria manifatturiera dei motori aeronautici deve affrontare oggi è lo sviluppo, ad esempio, di caricatori saldati? tubo da fumo e una gamma di altri componenti strutturali saldati a caldo. Il problema principale nello sviluppo dei materiali per tubi da fumo è quello di migliorare la loro rigidità strutturale, la soluzione a questo problema deve anche soddisfare una serie di requisiti di processo impegnativi e completi: buona saldabilità, elevata plasticità del processo, ecc.. L'uso dei suddetti materiali le leghe possono aumentare la temperatura di esercizio del tubo da fumo di 150 ~ 200 ℃, estendere l'affidabilità e la durata di servizio del 50% ~ 100% e aumentare sostanzialmente la resistenza specifica della cassetta saldata, riducendo la massa del 15%.
L'uso di un rivestimento protettivo antiossidante è un fattore importante per prolungare la durata delle leghe termoresistenti (in primo luogo, le pale delle turbine).
Attualmente sono stati introdotti nuovi processi e rivestimenti con varie composizioni complesse come tecnologia alternativa al processo di produzione di rivestimenti protettivi mediante alluminizzazione per diffusione in polveri miste. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo di rivestimento al plasma sottovuoto con diversi ioni elementari come matrice. Nel caso di circa lo stesso spessore del rivestimento (50 ~ 70μm), la lega spruzzata originale con lega può proteggere efficacemente la lama dai solfuri. corrosione da ossido e può prolungare la durata della lama di un ordine di grandezza rispetto ai rivestimenti alluminizzati prodotti in serie.
Nel nuovo metodo di rivestimento di materiali multicomponente con processo al plasma sotto vuoto ad alta energia, l'azione del flusso di plasma ad alta velocità sulla superficie solida si traduce in un rafforzamento mirato della composizione, organizzazione, microgeometria e proprietà fisico-chimiche del trattato superficie. I principali vantaggi del processo sono: elevata qualità del rivestimento, denso e non poroso, buona plasticità, forte adesione (più di 100 M P a); buona versatilità, su un dispositivo industriale possono essere applicati tutti i tipi di rivestimenti protettivi; elevata precisione di deposizione.
Il costo del rivestimento, delle apparecchiature e del processo di rivestimento è basso, utilizzando materiali multicomponente processo al plasma sotto vuoto ad alta energia per applicare i rivestimenti, è possibile ottenere una varietà di rivestimenti, sia rivestimenti a diffusione, rivestimenti coesivi e rivestimenti coesivi – a diffusione?
L'urgenza di migliorare ulteriormente la temperatura operativa e la durata dei componenti dei motori a turbina a gas ha reso necessaria la ricerca di una nuova matrice di lega con migliore stabilità rispetto alla soluzione solida rinforzata in fase con matrice di nichel. La nuova matrice di lega è adatta all'uso del composto intermetallico di tipo Ni3Al e il legame covalente del composto intermetallico può risolvere il problema della resistenza termica della lega in modo più efficace rispetto al normale legame metallico di una soluzione solida? Il livello di resistenza termica di queste leghe può essere regolato in base alla lega supplementare della matrice Ni3Al e all'organizzazione della fusione determinata dal processo di fusione. In questo caso, la resistenza termica della lega aumenta man mano che si passa dall'organizzazione equiassica a quella colonnare e quindi a quella monocristallina.
Le leghe intermetalliche monocristalline hanno prestazioni complessive migliori. A parità di resistenza termica (temperatura 1100°C), la quantità di metalli refrattari rari e preziosi come tungsteno (W) e molibdeno (M o) contenuta nella lega del composto intermetallico è significativamente inferiore.
Le leghe a base di composti intermetallici possono essere efficacemente utilizzate per produrre alette guida ugelli raffreddati e non raffreddati, tubi di combustione e parti di ugelli nell'intervallo di temperature di esercizio di 900 ~ 1150 °C. Gli ultimi risultati scientifici della città possono aumentare la resistenza termica della lega a oltre 50 ~ 70 MPa.
Ulteriori progressi nel campo della ricerca sui materiali resistenti al calore (temperatura di esercizio aumentata a oltre 1300 ℃) dipendono dai compositi metallici per garantire. La matrice dei compositi metallici può essere costituita da materiali diversi, come titanio, composti intermetallici, ecc., mentre i materiali di rinforzo possono essere costituiti da cristalli filamentosi, particelle di composti refrattari diffusi comprese particelle di carburo di silicio, fibre di ossido o fibre di tungsteno.
I compositi speciali sono i cosiddetti compositi naturali, che vengono realizzati secondo un processo di cristallizzazione direzionale di leghe eutettiche. Ciascuna fase eutettica in tali leghe cresce perpendicolarmente alla linea di cristallizzazione, in modo che spostando la linea di cristallizzazione piana si può ottenere un'organizzazione fibrosa con un certo orientamento. L'agente rinforzante di questo materiale è uno scheletro continuo di cristalli filamentosi di singoli cristalli di carburo metallico refrattario (TaC, NbC) mescolati tra loro. Il materiale composito naturale sviluppato può mantenere elevati livelli di resistenza duratura (σ1200b> 70 MPa) a temperature elevate di 1200°C. Si prevede che la quota di materiali compositi nei motori a turbina a gas avanzati aumenterà in modo significativo (fino al 40%).
Vari mezzi e ambienti atmosferici sul ruolo dei materiali manifestati come corrosione e invecchiamento. I materiali aerospaziali a contatto con i mezzi sono il carburante dell'aereo (come benzina e cherosene), i propellenti dei razzi (come acido nitrico concentrato, protossido di azoto, idrazina) e una varietà di lubrificanti, fluidi idraulici, ecc., la maggior parte dei quali hanno un forte effetto corrosivo o rigonfiamento di materiali metallici e non metallici, l'irradiazione solare nell'atmosfera, l'erosione del vento e della pioggia, l'umidità sotterranea nello stoccaggio a lungo termine della muffa accelereranno l'invecchiamento dei materiali polimerici. Processo, resistenza alla corrosione, prestazioni anti-invecchiamento e prestazioni anti-muffa sono materiali aerospaziali che dovrebbero avere buone caratteristiche.
Il ruolo dell’ambiente spaziale sui materiali si manifesta principalmente nell’alto vuoto (1.33×10-10Pa) e nell’influenza dell’irradiazione dei raggi cosmici. Materiali metallici in contatto ad alto vuoto tra loro, perché la superficie viene purificata dall'ambiente ad alto vuoto e accelera il processo di diffusione molecolare, fenomeno della "saldatura a freddo"; i materiali non metallici nell'alto vuoto e l'irradiazione dei raggi cosmici accelerano la volatilizzazione e l'invecchiamento, a volte questo fenomeno rende la lente ottica a causa della deposizione volatile e della contaminazione, sigillando la struttura a causa dell'invecchiamento e del guasto. I materiali spaziali vengono generalmente selezionati e sviluppati attraverso test di simulazione a terra per adattarsi all'ambiente spaziale.
Al fine di ridurre la massa strutturale del veicolo, l'obiettivo della progettazione del veicolo è selezionare il margine di sicurezza più piccolo possibile e ottenere una durata di sicurezza assolutamente affidabile. Per i veicoli che vengono utilizzati una volta ogni tanto, come missili o veicoli di lancio, le persone si sforzano di massimizzare le prestazioni del materiale fino al limite. Al fine di sfruttare appieno la resistenza del materiale e garantire la sicurezza, per i materiali metallici è stato utilizzato il "principio di progettazione della tolleranza al danno", che richiede non solo un'elevata resistenza specifica ma anche un'elevata tenacità alla frattura. In condizioni d'uso simulate, vengono misurati la durata di innesco della fessura e il tasso di espansione della fessura del materiale, e la lunghezza consentita della fessura e la durata corrispondente vengono calcolate come base importante per la progettazione, la produzione e l'uso. Per i materiali organici non metallici, sono necessari test di invecchiamento naturale e di invecchiamento artificiale accelerato per determinare il periodo assicurativo della loro vita; anche il modello di rottura dei materiali compositi, la vita e la sicurezza sono un importante argomento di ricerca.
Il progresso dei materiali aerospaziali dipende dai seguenti 3 fattori e solo dopo che tutti e 3 sono stati sviluppati fino a raggiungere uno stadio maturo è possibile applicarli ai veicoli volanti. Pertanto, i paesi di tutto il mondo hanno dato priorità allo sviluppo di materiali aerospaziali.
Con il rapido sviluppo dell'industria spaziale, anche i materiali strutturali dei veicoli spaziali saranno in continuo sviluppo a lungo termine. La percentuale di nuove leghe leggere utilizzate nelle strutture dei veicoli spaziali sta gradualmente aumentando e l'applicazione di materiali compositi ha contribuito al cambiamento dei materiali utilizzati nelle strutture dei veicoli spaziali ed è in rapido sviluppo. Anche i compositi a matrice metallica, che combinano le eccellenti proprietà dei metalli e dei materiali inorganici/organici, sono entrati nella visione dei ricercatori di strutture aerospaziali. Inoltre, i materiali strutturali sono inseparabili dalla progettazione strutturale e alcune strutture complesse tradizionali vengono sostituite da nuove strutture multifunzionali (MFC) e strutture stampate in 3D. In futuro, i materiali strutturali per i veicoli spaziali mostreranno una tendenza alla diversificazione e alle prestazioni elevate.
Le leghe leggere tradizionali continuano a dominare, nuove leghe leggere verranno gradualmente applicate per adattarsi alle esigenze dei moderni satelliti ad alte prestazioni, struttura leggera, materiali in lega che tendono ad essere gradualmente sostituiti da materiali compositi. Soprattutto quando i materiali compositi nel settore automobilistico e aeronautico hanno avuto un grande successo, hanno iniziato a fare passi da gigante anche nel settore aerospaziale con requisiti più elevati di leggerezza dei materiali. Tuttavia, con l'approfondimento della ricerca, si è scoperto che i compositi a base di resina comunemente usati presentano alcuni difetti intrinseci, come scarsa tenacità, scarse prestazioni di lavorazione secondaria, scarsa resistenza al calore e all'umidità, scarsa adattabilità all'ambiente spaziale, ecc. è difficile da applicare in una vasta area su veicoli spaziali in breve tempo, il che offre spazio e opportunità per l'applicazione e lo sviluppo di materiali in lega nel campo aerospaziale.
Lo slancio dello sviluppo dei materiali compositi è buono e il campo di applicazione continuerà ad aumentare. Il tempo di sviluppo dei materiali compositi è relativamente breve, ma la sua rapida tendenza allo sviluppo è sufficiente per far credere alle persone che abbiano grandi prospettive applicative. I compositi sono sempre stati all’avanguardia rispetto alle applicazioni aerospaziali nel campo dell’aviazione. La sua applicazione negli aerei è stata sviluppata dai materiali strutturali secondari ai materiali strutturali principali. La quantità di materiali compositi per parti strutturali di aerei di grandi dimensioni nel mondo, come Boeing 787 e Airbus 380, rappresenta dal 40% al 50%, e la quantità di materiali compositi per parti strutturali di elicotteri avanzati rappresenta addirittura oltre l'80% . I dati di una ricerca pubblica di Boeing e Airbus mostrano che entro il 2020 le parti strutturali dei loro aerei utilizzeranno tutte materiali compositi. Per analogia, i materiali compositi in campo aerospaziale avranno grandi spazi e prospettive di sviluppo. Ciò è dimostrato anche dal fatto che i giunti reticolari in lega di alluminio, precedentemente ampiamente utilizzati sui tralicci satellitari, vengono sostituiti da giunti compositi in fibra di carbonio. La Figura 2 mostra un tipico giunto composito in fibra di carbonio. Fino ad oggi, i compositi ad alte prestazioni in fibra di carbonio sono ancora al centro della ricerca e dell’applicazione dei compositi. Al fine di ridurre il divario con il livello avanzato internazionale, la Cina presta ora grande attenzione alla ricerca avanzata sui materiali compositi. Con lo sviluppo di tecnologie di produzione integrate a basso costo, la crescente maturità di apparecchiature di produzione automatizzate, su larga scala e ad alta precisione e il continuo miglioramento delle prestazioni della matrice in resina e della fibra di carbonio, la resistenza all'umidità e al calore e l'allungamento alla rottura dei compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di carbonio sono stati notevolmente migliorati e la quantità di materiali compositi sulle strutture dei veicoli spaziali aumenterà sicuramente ulteriormente.
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