- No.336 Yunhe Road, Dongying, Shandong, China
Onder lucht- en ruimtevaartmaterialen verstaan we alle soorten materialen die worden gebruikt in vliegtuigen en hun aandrijfeenheden, accessoires en instrumenten. Ze zijn een van de doorslaggevende factoren in de ontwikkeling van de lucht- en ruimtevaarttechniek en -technologie. De materiaalkunde in de lucht- en ruimtevaart is ook een baanbrekende tak van de materiaalkunde.
Materialen die in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt, zijn uitstekend bestand tegen hoge en lage temperaturen, veroudering en corrosie. Bovendien kunnen ze zich aanpassen aan de omgeving in de ruimte.
De verschillende soorten materialen die worden gebruikt in vliegtuigen en hun aandrijfeenheden, accessoires en instrumenten, zijn een van de doorslaggevende factoren in de ontwikkeling van de lucht- en ruimtevaarttechnologie. Materiaalkunde in de lucht- en ruimtevaart is een baanbrekende tak van de materiaalkunde. Het ontwerp van vliegtuigen brengt voortdurend nieuwe onderwerpen naar voren voor de materiaalkunde en bevordert de ontwikkeling van de materiaalkunde in de lucht- en ruimtevaart. De opkomst van diverse nieuwe materialen biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwerp van vliegtuigen en stimuleert de ontwikkeling van de lucht- en ruimtevaarttechnologie aanzienlijk.
De vooruitgang op het gebied van materialen voor de lucht- en ruimtevaart hangt af van de volgende drie factoren:
Naast hoge spanning en traagheidskrachten worden materialen in de lucht- en ruimtevaart blootgesteld aan schokbelastingen en wisselende belastingen, veroorzaakt door factoren zoals opstijgen en landen, trillingen van motoren, snelle rotatie van roterende onderdelen, manoeuvrerende vluchten en plotselinge windstoten. Motorgas en zonnestraling zorgen ervoor dat het vliegtuig zich in een omgeving met hoge temperaturen bevindt, en naarmate de vliegsnelheid toeneemt, treedt het aerodynamische verwarmingseffect op, wat resulteert in "thermische barrières". Bovendien, ook blootgesteld aan wisselende temperaturen, zal de oppervlaktetemperatuur in de stratosfeer bij subsonische snelheden dalen tot ongeveer -50 °C, zal de temperatuur in de poolcirkel binnen het gebied van de strenge wintertemperatuur dalen tot onder de -40 °C, en zijn metalen onderdelen of rubberen banden vatbaar voor verbrossing. Benzine, kerosine en andere brandstoffen en diverse smeermiddelen, hydraulische olie, de meeste metalen materialen die corrosie veroorzaken, niet-metalen materialen die zwelling veroorzaken, en zonnestraling, wind- en regenerosie, ondergrondse vochtige omgevingen voor langdurige opslag van schimmels versnellen het verouderingsproces van polymeermaterialen.
Lucht- en ruimtevaartuigen opereren langdurig in de atmosfeer of de ruimte en dienen in extreme omgevingen, maar hebben ook een extreem hoge betrouwbaarheid en veiligheid, uitstekende vlucht en wendbaarheid, naast het optimaliseren van de structuur om te voldoen aan de aerodynamische behoeften, verwerkbaarheidsvereisten en onderhoudsvereisten, maar zijn ook afhankelijk van de uitstekende eigenschappen en functies van het materiaal.
Om de massa van de constructie te verminderen, is een verlaging van de dichtheid met 30% nuttiger dan een toename van de sterkte met 50%. Aluminiumlegeringen, titaniumlegeringen en composietmaterialen zijn de belangrijkste structurele materialen in de lucht- en ruimtevaart met een hoge specifieke sterkte en stijfheid. Deze kunnen het laadvermogen, de wendbaarheid en het bereik van het voertuig verbeteren en tegelijkertijd de vliegkosten verlagen.
Ultrahoogsterktestaal (vloeigrens > 1380 MPa) wordt in minder dan 10% van de lucht- en ruimtevaarttechniek gebruikt. Voor moderne vliegtuigen, zoals supersonische gevechtsvliegtuigen, wordt de hoeveelheid ultrahoogsterktestaal gestabiliseerd op 5% tot 10%, en de treksterkte bedraagt 600 tot 1850 MPa, soms zelfs 1950 MPa, met een breuktaaiheid KIc = 78 tot 91 MPa-m². In de actieve corrosieve media die worden gebruikt in dragende structurele onderdelen van het vliegtuigframe, wordt over het algemeen corrosiebestendig staal met hoge sterkte gebruikt, en in combinatie met waterstofmotoren wordt koolstofvrij corrosiebestendig staal gekozen als componentmateriaal voor gebruik in vloeibare waterstof en waterstof als medium.
Metaalmatrixcomposieten, hogetemperatuurharsmatrixcomposieten, keramische matrixcomposieten en koolstof/koolstofcomposieten spelen een steeds belangrijkere rol in de lucht- en ruimtevaart. Koolstof/koolstofcomposieten combineren de vuurvastheid van koolstof met de hoge sterkte en stijfheid van koolstofvezel, hebben een superieure thermische stabiliteit en uitstekende thermische geleidbaarheid, en blijven aanzienlijk sterk en taai bij 2500 °C, terwijl de dichtheid slechts een kwart bedraagt van die van hogetemperatuurlegeringen. Hybride composieten krijgen steeds meer aandacht, bijvoorbeeld omdat de toevoeging van glasvezel aan koolstofvezelcomposieten hun slagvastheid kan verbeteren, terwijl de toevoeging van koolstofvezel aan glasvezelversterkt kunststof de stijfheid ervan kan verhogen.
De meeste structurele materialen van bemande ruimtevaartuigen zijn aluminiumlegeringen, titaniumlegeringen en composietmaterialen. De spaceshuttle is bijvoorbeeld grotendeels gemaakt van aluminiumlegeringen. De stuwkrachtstructuur van de hoofdmotor is gemaakt van chin-legering. Een deel van het hoofdframe van de romp is gemaakt van een met boorvezel versterkte aluminiumlegering met een metaalmatrixcomposiet. De laadruimdeuren zijn gemaakt van een speciale honingraatstructuur van papier en het paneel is gemaakt van met grafietvezel versterkt epoxyharscomposiet. Voor de raketkop, het buitenoppervlak van de terugkeermodule van het ruimtevaartuig en het binnenoppervlak van de raketmotor worden ablatieve materialen gebruikt. Deze materialen kunnen onder invloed van warmtestroom ontbinden, smelten, verdampen, sublimeren, erosie en andere fysische en chemische veranderingen ondergaan. Het massaverbruik van het materiaaloppervlak leidt tot het afvoeren van warmte. Dit voorkomt terugkeer in de atmosfeer wanneer de warmtestroom naar het interieur van het voertuig stroomt en koelt de verbrandingskamer en de straalpijp van de raketmotor. Om een geschikte werktemperatuur in de cabine te handhaven, worden in de revisiecabine maatregelen genomen om de stralingswarmte te beschermen, de buitenhuid te bekleden met hittebestendige nikkellegeringen of berylliumplaten, de interne structuur te voorzien van hittebestendige kinlegering, de buitenhuid en de interne structuur te vullen met kwartsvezels, glasvezelcomposietkeramiek en andere materialen met goede thermische isolatie-eigenschappen.
Met de implementatie en voortdurende ontwikkeling van bemande ruimtevaart, maanverkenning en verkenning van de diepe ruimte, hoge-resolutie satellieten, hypervelocity voertuigen, herbruikbare lanceervoertuigen, ruimtevaartuigen en andere ruimtevaartprojecten, worden er nieuwe en strengere eisen aan materialen gesteld. Deze bieden nieuwe kansen en stimuleren de ontwikkeling van nieuwe materialen voor de ruimtevaart. De materiaalkunde moet zo vroeg mogelijk in de innovatie van materiaalsystemen, onafhankelijke bescherming van belangrijke grondstoffen en technische toepassingen worden ingezet. De materiaalkunde moet zo vroeg mogelijk een belangrijke doorbraak boeken op het gebied van innovatie van materiaalsystemen en onafhankelijke garantie van belangrijke grondstoffen en technische toepassingen.
Daarnaast worden gelamineerde composietmaterialen steeds vaker toegepast in de lucht- en ruimtevaarttechniek. De A380 gebruikt bijvoorbeeld 3% GLARE, een nieuw type laminaat. Laminaat is een composietmateriaal dat bestaat uit twee verschillende soorten materialen die door druk aan elkaar worden gelamineerd. Deze materialen bestaan meestal uit een bovenpaneel, een bovenste lijmlaag, een kernmateriaal, een onderste lijmlaag en een onderste paneel. De sterkte en stijfheid van dit materiaal zijn hoger dan die van afzonderlijk paneel- of kernmateriaal. Het is toegepast in transportvliegtuigen en straaljagers. GLARE-laminaat wordt vervaardigd door middel van druk (of een warmperstank) om meerdere lagen dunne aluminium platen en unidirectioneel glasvezelprepreg (geïmpregneerd met epoxylijm) te lamineren en warm te persen, zoals weergegeven in afbeelding 1. De aluminium plaat is op de juiste manier voorbehandeld om de hechting aan de vezelprepreglaag te vergemakkelijken. Tabel 1 toont de soorten GLARE-laminaten die commercieel geproduceerd kunnen worden, en die in verschillende diktes verkrijgbaar zijn, afhankelijk van de behoeften. De vezels kunnen 2, 3, 4 lagen, enz. hebben en het vezelgehalte en de oriëntatie kunnen in overeenstemming zijn met de tabel. Elk type GLARE-laminaat kan verschillende vormen hebben, die kunnen worden aangepast aan de specifieke behoeften.
Lucht- en ruimtevaartmaterialen vormen niet alleen de materiële garantie voor de ontwikkeling en productie van lucht- en ruimtevaartproducten, maar vormen ook de technische basis voor het bevorderen van de vernieuwing van lucht- en ruimtevaartproducten. Lucht- en ruimtevaartmaterialen worden, op basis van de aard van de materialen zelf, onderverdeeld in vier categorieën: metalen, anorganische niet-metalen, polymeermaterialen en geavanceerde composietmaterialen. Afhankelijk van hun functie kunnen ze worden onderverdeeld in structurele en functionele materialen. De meest kritische eisen voor structurele materialen zijn lichtgewicht, hoge sterkte en corrosiebestendigheid bij hoge temperaturen. Functionele materialen omvatten micro-elektronische en opto-elektronische materialen, materialen voor sensorgevoelige elementen, functionele keramische materialen, optische vezelmaterialen, materialen voor informatiedisplays en -opslag, stealth-materialen en slimme materialen.
Voor lucht- en ruimtevaartmaterialen omvat het drie hoofdcategorieën materialen: vliegtuigrompmaterialen, motormaterialen en materialen voor vliegtuigapparatuur. Lucht- en ruimtevaartmaterialen omvatten materialen voor de pijlromp van lanceervoertuigen, raketmotoren, ruimtevaartuigen en functionele materialen voor de lucht- en ruimtevaart.
Specifiek op materiaalniveau omvatten materialen voor de lucht- en ruimtevaart een breed scala, waaronder aluminiumlegeringen, titaniumlegeringen, magnesiumlegeringen en andere lichte legeringen, ultrasterke staalsoorten, hittebestendige titaniumlegeringen, nikkelgebaseerde hittebestendige legeringen, intermetallische verbindingen (titanium-aluminiumsysteem, niobium-aluminiumsysteem, molybdeen-siliciumsysteem). Refractaire metalen en hun legeringen en andere hittebestendige metaalconstructiematerialen, glasvezels, koolstofvezels, aromatische amidevezels, aromatische heterocyclische vezels, polyethyleenvezels met ultrahoog moleculair gewicht en andere composietversterkingsmaterialen, epoxyhars, bismaleïmidehars, thermohardende polyimidehars, fenolhars, cyanaathars, polyarylacetyleenhars en andere composietmatrixmaterialen, geavanceerde metaalgebaseerde en anorganische niet-metaalgebaseerde composieten, geavanceerde composieten op basis van intermetallische verbindingen, geavanceerde keramische materialen, geavanceerde koolstof/koolstofcomposieten en geavanceerde functionele materialen.
De voorspelling van de samenstellingsverhouding van structurele materialen voor vliegtuigrompen laat zien dat aluminiumlegering het dominante materiaal is aan het begin van de 21e eeuw. De eerste uitdaging die moet worden opgelost bij de ontwikkeling van aluminiumlegeringen voor de lucht- en ruimtevaarttechnologie is hoe de structurele massa kan worden verminderd en tegelijkertijd een hoge operationele betrouwbaarheid en vakmanschap kan worden gegarandeerd. De urgente uitdaging is de ontwikkeling van hoogwaardige aluminiumlegeringen met goede laseigenschappen en hun gebruik bij de productie van monolithisch gelaste constructies. De manier om het laadvermogen van het voertuig te vergroten, is door de sterkte te verhogen of de dichtheid te verlagen (zonder de sterkte te verminderen).
Het legeren van aluminium met lithium verlaagt de legeringsdichtheid en verhoogt de elasticiteitsmodulus. Aluminium-lithium (Al-Li) legeringsplaten, inclusief dunne platen met een dikte van minder dan 0.5 mm, zijn geproduceerd door middel van strip-coilwalsen.
Het gebruik van aluminium basislaagcomposieten kan de betrouwbaarheid, levensduur en het laadvermogen van vliegtuighuiden aanzienlijk verbeteren. Deze worden gekenmerkt door uitzonderlijk lage scheuruitzettingspercentages (1/20 tot 1/10 van conventionele materialen), hoge sterkte (50% tot 100% toename) en breuktaaiheid, en een lage dichtheid (10% tot 15% afname). Gebarsten klinknagelmateriaal is veelbelovend.
In moderne vliegtuigconstructies ligt het staalgebruik stabiel op 5% tot 10%, terwijl in sommige vliegtuigen, zoals supersonische gevechtsvliegtuigen, staal een materiaal is dat voor specifieke doeleinden wordt gebruikt.
Hoogwaardige staalsoorten worden doorgaans gebruikt in constructiecomponenten die een hoge stijfheid, een hoge specifieke sterkte en een lange vermoeiingslevensduur vereisen, evenals een goede sterkte bij gemiddelde temperaturen, corrosiebestendigheid en een reeks andere parameters. Staal is een onvervangbaar materiaal, zowel bij de productie van halffabricaten als bij de vervaardiging van complexe constructiedelen, met name bij de productie van gelaste constructiedelen, waarbij lassen het laatste proces is.
Het meest gebruikte staal in de vliegtuigbouw is al lange tijd middelgelegeerd hoogsterktestaal met een sterkte van 1600 tot 1850 MPa en een breuktaaiheid van ongeveer 77.5 tot 91 MPa/m². Om dezelfde breuktaaiheidsindex te behouden, is de minimale sterkte van staal tegenwoordig verhoogd tot 2 MPa. Daarnaast is er een nieuwe, economische legering ontwikkeld voor gelast constructiestaal met hoge scheurbestendigheid en hoge sterkte.
De ontwikkelingsrichting van hoogsterktestaal is om het metallurgische productieproces verder te verbeteren, de beste chemische samenstelling en warmtebehandelingsspecificaties te selecteren om een sterkteprestatieniveau van 2100~2200MPa van hoogbetrouwbaar constructiestaal te ontwikkelen.
In de rol van actieve corrosieve media die worden gebruikt in de carrosserie die structurele onderdelen draagt, met name in alle weersomstandigheden bij het gebruik van dragende structurele onderdelen, het wijdverbreide gebruik van corrosiebestendig staal met hoge sterkte, het sterkteniveau van dit staal is vergelijkbaar met het gelegeerde constructiestaal, betrouwbaarheidsparameters (breuktaaiheid, corrosiescheursterkte, enz.) overtroffen het gelegeerde constructiestaal ruimschoots.
De voordelen van hoogsterktestaal zijn: er kunnen verschillende lasmethoden worden toegepast voor het lassen, het lassen van dragende constructiedelen, het na het lassen zonder warmtebehandeling zowel in warme als in koude toestand kunnen worden gelast, het is goed stansbaar, enz.
De meest veelbelovende toepassing van staalsoorten met een hoge sterkte is het martensitische type corrosiebestendig staal met een lage koolstofdispersie en het overgangstype austenitisch-martensitisch staal. Onderzoek toont aan dat bij behoud van een hoge betrouwbaarheid en goede werkomstandigheden het sterkteniveau van corrosiebestendig staal met een hoge sterkte aanzienlijk kan worden verhoogd.
Lagetemperatuurtechnologie en -apparatuur vormen een speciaal toepassingsgebied voor corrosiebestendig staal met hoge sterkte en de ontwikkelingsrichting, uitgerust met waterstofbrandstofmotoren voor vliegtuigen met goede ontwikkelingsvooruitzichten, zou in vloeibare waterstof en waterstof als medium moeten werken in koolstofvrij corrosiebestendig staal als onderzoeksrichting.
Het potentieel om het aandeel titaniumlegering in romponderdelen te verbeteren is enorm. Volgens de voorspellingen zal het aandeel titaniumlegering in de romp van passagiersvliegtuigen 20% bedragen, terwijl het aandeel in toepassingen in militaire vliegtuigen zal stijgen tot 50%. Het uitgangspunt is om dat te garanderen.
Titaniumlegering heeft een hogere sterkte en betrouwbaarheid; verbetert verder het gebruik van temperatuur; met hoge procesprestaties en goede lasbaarheid; kan een verscheidenheid aan halffabricaten produceren; verbetert de vorm van de structuur, ontwikkelt nieuwe ontwerp oplossingen, zoveel mogelijk in de structuur van het gebruik van volwassen legeringen en processen.
Het gebruik van hoogwaardige titaniumlegeringen kan de massa van de constructie verminderen en tegelijkertijd de gewichtsefficiëntie, betrouwbaarheid en verwerkbaarheid verbeteren. We zijn van plan een plaatlegering te ontwikkelen met zowel een hoge sterkte (1350 MPa) als een hoge verwerkbaarheid, die vier keer sterker is dan industrieel zuiver ijzer en vergelijkbare proceseigenschappen heeft als industrieel zuiver titanium. We zullen ook een thermisch sterke titaniumlegering ontwikkelen en gebruiken die "bijna alfa" thermisch sterk is en een hogere thermische sterkte, thermische stabiliteit en levensduur heeft.
Een van de ontwikkelingsrichtingen van titaniumlegeringen is de ontwikkeling en het gebruik van titaniumlegeringen met een hoge thermische sterkte, met name de hoge stabiliteit en lange levensduur van de "bijna-alfa" titaniumlegering. De 6e generatie vliegtuigmotoren zal gebruik maken van massief oplossingversterkte en intermetallisch verlijmde titaniumlegeringsplaten.
De toekomstige onderzoeksrichting is een legering op basis van een titanium-aluminiumverbinding. De "γ"-legering heeft bij een temperatuur van 700 ~ 900 ℃ een hogere specifieke thermische sterkte dan staal en een legering met een hogere thermische sterkte, maar de plasticiteit is slecht.
De nieuwe richting in de ontwikkeling van thermisch sterke titaniumlegeringen is het gebruik van intermetallische verbindingen versterkt met β-vaste oplossingslegeringen. Deze legering kenmerkt zich door een hoge thermische sterkte en bevredigende plasticiteitseigenschappen bij temperaturen van 600 tot 700 °C. Vergeleken met bestaande titaniumlegeringen kan de ontwikkeling van dit type titaniumlegering resulteren in een toename van 25% tot 30% in sterkte en thermische sterkte.
De nadruk moet liggen op het optimaliseren van de legeringschemie, giet- en vervormingsprocessen. De selectie van optimale warmtebehandelingsspecificaties en de toepassing van nieuwe ontwerpmethoden voor onderdelen zullen het gebruik van intermetallische verbindingen mogelijk maken in de constructie van vliegtuigmotoren en apparatuur voor de lucht- en ruimtevaarttechnologie, waar een hogere bedrijfstemperatuur en een lagere massa doorslaggevende factoren zijn.
Een belangrijk symbool voor het ontwikkelingsniveau van de lucht- en ruimtevaarttechnologie is het aantal gebruikte polymeercomposieten. Polymeercomposieten hebben een duidelijke superioriteit in termen van specifieke sterkte en specifieke stijfheid, gecombineerd met goede structurele eigenschappen en speciale eigenschappen. Wordt dit type composiet in de luchtvaart al veelvuldig gebruikt? Airbus A3XX-toestellen zullen tot 25% uit polymeercomposieten bestaan.
Het gebruik van polymeercomposieten met koolstofvezelversterkte kunststoffen als matrix is een van de effectieve maatregelen om de structurele massa te verminderen. Polymeercomposieten verwijzen doorgaans naar koolstofvezelversterkte kunststoffen met een hoge elasticiteitsmodulus, gekenmerkt door een hoge stijfheid (elasticiteitsmodulus 196 GPa) en hoge temperatuursmaatvastheid, terwijl ook een hoge druksterkte (1000 MPa) behouden blijft. Het gebruik van koolstofvezelversterkte kunststoffen in de nieuwe generatie lucht- en ruimtevaartapparatuur kan de aerodynamische stijfheid van de staartcomponenten, met name de staartpuntcomponenten, verbeteren, de structurele massa verminderen en de vereiste vluchttechnologiekwaliteit garanderen. Deze eigenschappen van koolstofvezelversterkte kunststoffen met een hoge modulus, gecombineerd met een lage dichtheid, maken de productie van manipulatoren voor assemblage en onderhoud van ruimtestations mogelijk. Problemen die de komende jaren moeten worden opgelost, zijn onder andere: verdere verbetering van de structurele eigenschappen en speciale eigenschappen van koolstofvezelversterkte kunststoffen, met name het verhogen van de bedrijfstemperatuur tot 400 ℃.
Als constructiemateriaal zullen nieuwe composietmaterialen – organische kunststoffen – een steeds belangrijkere rol spelen. In de afgelopen jaren is de tweede generatie organische kunststoffen ontwikkeld. De σb-waarde (treksterkte) van enkelvoudig inzetbare organische kunststoffen bereikte 2 ~ 3000 MPa, de E-waarde steeg tot 3200 GPa. Experimenteel onderzoek toont aan dat het mogelijk is om een elasticiteitsmodulus van 130 ~ 200 GPa te bereiken met organische kunststoffen. Hierbij moet worden opgemerkt dat dit feitelijk neerkomt op een verbreding van het werktemperatuurbereik met een factor 250 (1 ~ 205 ℃). Het is ook mogelijk om de wateropname van het composietmateriaal aanzienlijk te verminderen. Qua specifieke sterkte en elasticiteitsmodulus zullen moderne organische kunststoffen, en vooral die van de toekomst, alle bekende polymeer-, metaal- en keramische matrixcomposieten overtreffen.
Momenteel wordt steeds vaker gebruikgemaakt van glasvezelversterkte kunststoffen en koolstofvezelversterkte kunststof constructiedelen die met behulp van het prepregproces worden vervaardigd. Met dit proces kunnen onderdelen met normale en complexe krommingen in één proces worden vervaardigd. Vergeleken met conventionele polymeercomposieten worden prepreg-gebaseerde composieten gekenmerkt door een toename van 40% tot 50% in scheurweerstand. De schuifsterkte neemt toe met 20% tot 50%? Een toename van 20% tot 35% in vermoeiingssterkte en duurzaamheid? Met dit composietmateriaal kunnen het arbeids- en energieverbruik met de helft worden verminderd; de structurele massa (met name in het geval van honingraatvulling) kan met 1% worden verminderd en de structurele afdichting kan met een factor 2 worden verbeterd.
De ontwikkeling van speciale legeringen met de beste legeringsmethode en de beste organisatiemethode kan de prestaties van monokristallijne bladen aanzienlijk verbeteren. Een van de meest veelbelovende legeringen is de zinklegering van hete nikkellegeringen.
Nikkelhoudende legeringen hebben hogere bedrijfstemperaturen en een hogere duurzaamheid. Testlegeringen met een nikkelgehalte van 1000100% tot 300% hebben recordwaarden behaald voor duurzaamheid van σ6> 7 MPa. Dit garandeert de ontwikkeling van monokristallijne schoepen met koelkanalen voor motoren van de 6e generatie. Door gebruik te maken van nikkelhoudende legeringen kan de inlaattemperatuur van de turbine worden verhoogd tot 2000 ~ 2100 K, kan het koelluchtverbruik met 30% tot 50% worden verlaagd en kan de levensduur van de schoepen met een factor 1 tot 3 worden verlengd bij een gelijkblijvend koelluchtverbruik.
De eisen aan de materialen van gasturbineschijfmaterialen verschillen enigszins van de eisen aan schoepenmaterialen: ten eerste is de bedrijfstemperatuur van de turbineschijf lager dan die van het schoepenblad; ten tweede zijn de eisen aan de betrouwbaarheid van het materiaal hoger. Bovenstaande eisen ter verbetering van de prestaties van legeringen voor turbineschijven moeten worden opgelost met een integrale aanpak, zoals het ontwikkelen van het legeringsprincipe, het verbeteren van het versterkingsmechanisme en het ontwikkelen van nieuwe technologische methoden voor smelten, vervormen en warmtebehandeling.
De specifieke uitdaging voor de vliegtuigmotorenindustrie is vandaag de dag de ontwikkeling van bijvoorbeeld gelaste magazijnen, vlampijpen en diverse andere in hete velden gelaste structurele componenten. De grootste uitdaging bij de ontwikkeling van vlampijpmaterialen is het verbeteren van hun structurele stijfheid. De oplossing voor dit probleem moet ook voldoen aan een reeks veeleisende en uitgebreide procesvereisten: goede lasbaarheid, hoge procesplasticiteit, enz. Het gebruik van de bovengenoemde legeringen kan de bedrijfstemperatuur van de vlampijp met 150 tot 200 °C verhogen, de betrouwbaarheid en levensduur met 50 tot 100% verlengen en de specifieke sterkte van de gelaste cassette aanzienlijk verhogen, terwijl de massa met 15% wordt verlaagd.
Het gebruik van een antioxiderende beschermlaag is een belangrijke factor bij het verlengen van de levensduur van warmteversterkende legeringen (in de eerste plaats turbinebladen).
Momenteel worden nieuwe processen en coatings met diverse complexe samenstellingen geïntroduceerd als alternatieve technologie voor het produceren van beschermende coatings door middel van diffusie-aluminisatie in gemengde poeders. Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor plasma-vacuümcoating met verschillende elementaire ionen als matrix. Bij ongeveer dezelfde coatingdikte (50 ~ 70 μm) kan de originele legering met legering het blad effectief beschermen tegen sulfiden en oxidecorrosie, en de levensduur van het blad aanzienlijk verlengen ten opzichte van massaal geproduceerde gealuminiseerde coatings.
Bij de nieuwe methode voor het coaten van meercomponentenmaterialen met behulp van een hoogenergetisch vacuümplasmaproces resulteert de inwerking van een hogesnelheidsplasmastroom op het vaste oppervlak in een doelgerichte versterking van de samenstelling, structuur, microgeometrie en fysisch-chemische eigenschappen van het behandelde oppervlak. De belangrijkste voordelen van het proces zijn: hoge coatingkwaliteit, dicht en niet-poreus, goede plasticiteit, sterke hechting (meer dan 100 MPa); goede veelzijdigheid, geschikt voor alle soorten beschermende coatings op een industrieel apparaat; hoge depositienauwkeurigheid.
De kosten van het coaten, de coatingapparatuur en het proces zijn laag. Door het gebruik van materialen met meerdere componenten en een hoog-energetisch vacuümplasmaproces om coatings aan te brengen, kan een verscheidenheid aan coatings worden verkregen, zoals diffusiecoatings, cohesieve coatings en cohesieve-diffusiecoatings.
De urgentie om de bedrijfstemperatuur en de levensduur van gasturbinemotoren verder te verbeteren, heeft geleid tot de zoektocht naar een nieuwe legeringsmatrix met een betere stabiliteit dan de met nikkel versterkte vaste oplossing. De nieuwe legeringsmatrix is geschikt voor gebruik met intermetallische verbindingen van het type Ni3Al, en de covalente binding van de intermetallische verbinding kan het probleem van de thermische sterkte van de legering effectiever oplossen dan de gebruikelijke metaalbinding van de vaste oplossing. De thermische sterkte van deze legeringen kan worden aangepast op basis van de aanvullende legering van de Ni3Al-matrix en de gietorganisatie die door het gietproces wordt bepaald. In dit geval neemt de thermische sterkte van de legering toe naarmate de overgang plaatsvindt van een gelijkassige naar een kolomvormige en vervolgens naar een monokristallijne organisatie.
Enkelkristal intermetallische legeringen presteren over het algemeen beter. Bij dezelfde thermische sterkte (temperatuur 1100 °C) is de hoeveelheid zeldzame en kostbare vuurvaste metalen zoals wolfraam (W) en molybdeen (M²) in de intermetallische legering aanzienlijk lager.
Legeringen op basis van intermetallische verbindingen kunnen effectief worden gebruikt voor de productie van gekoelde en ongekoelde straalbuisgeleiders, vlampijpen en straalbuisonderdelen bij een bedrijfstemperatuurbereik van 900 tot 1150 °C. De nieuwste wetenschappelijke ontwikkelingen kunnen de thermische sterkte van de legering verhogen tot meer dan 50 tot 70 MPa.
Verdere doorbraken op het gebied van onderzoek naar thermische sterkte van materialen (werktemperaturen verhoogd tot meer dan 1300 ℃) zijn afhankelijk van metaalcomposieten. De matrix van metaalcomposieten kan bestaan uit verschillende materialen, zoals titanium, intermetallische verbindingen, enz., terwijl de versterkingsmaterialen kunnen bestaan uit filamentkristallen, diffuse vuurvaste verbindingsdeeltjes, waaronder siliciumcarbidedeeltjes, oxidevezels of wolfraamvezels.
Speciale composieten zijn de zogenaamde natuurlijke composieten, die worden gemaakt volgens een gericht kristallisatieproces van eutectische legeringen. Elke eutectische fase in dergelijke legeringen groeit loodrecht op de kristallisatielijn, waardoor een vezelachtige structuur met een bepaalde oriëntatie kan worden verkregen door de vlakke kristallisatielijn te verplaatsen. De versterking van dit materiaal is een continu skelet van filamentvormige kristallen van vuurvaste metaalcarbide (TaC, NbC) die met elkaar worden gemengd. Het ontwikkelde natuurlijke composietmateriaal kan een hoge duurzaamheid (σ1200b> 70 MPa) behouden bij hoge temperaturen van 1200 °C. Naar verwachting zal het aandeel composietmaterialen in geavanceerde gasturbinemotoren aanzienlijk toenemen (tot 40%).
Verschillende media en atmosferische omgevingen spelen een rol bij de rol van materialen, wat zich manifesteert als corrosie en veroudering. Luchtvaartmaterialen die in contact komen met deze media zijn onder andere vliegtuigbrandstof (zoals benzine en kerosine), raketbrandstoffen (zoals geconcentreerd salpeterzuur, lachgas, hydrazine) en diverse smeermiddelen, hydraulische vloeistoffen, enz., waarvan de meeste een sterk corrosief effect of zwelling van metalen en niet-metalen materialen hebben. De zonnestraling in de atmosfeer, erosie door wind en regen, en vocht in de ondergrond bij langdurige opslag van schimmels versnellen de veroudering van polymeermaterialen. Proces, corrosiebestendigheid, verouderingsbestendigheid en schimmelwerende eigenschappen zijn belangrijke factoren voor lucht- en ruimtevaartmaterialen die goede eigenschappen moeten hebben.
De rol van de ruimteomgeving op materialen manifesteert zich voornamelijk in hoog vacuüm (1.33 × 10-10 Pa) en de invloed van kosmische straling. Metalen materialen in hoog vacuüm komen met elkaar in contact, omdat het oppervlak door de hoog vacuümomgeving wordt gezuiverd en het moleculaire diffusieproces wordt versneld, wat leidt tot het fenomeen van "koud lassen". Niet-metalen materialen in hoog vacuüm en kosmische straling versnellen de vervluchtiging en veroudering. Soms leidt dit fenomeen tot optische lensafzetting en verontreiniging, en tot afdichting van de structuur door veroudering en breuk. Ruimtematerialen worden over het algemeen geselecteerd en ontwikkeld door middel van grondsimulatietests om zich aan te passen aan de ruimteomgeving.
Om de structurele massa van het voertuig te verminderen, wordt het als doel van het voertuigontwerp beschouwd om de kleinst mogelijke veiligheidsmarge te selecteren en een absoluut betrouwbare levensduur te bereiken. Voor voertuigen die slechts één keer in korte tijd worden gebruikt, zoals raketten of lanceervoertuigen, streeft men ernaar de materiaalprestaties tot het uiterste te maximaliseren. Om de materiaalsterkte volledig te benutten en de veiligheid te garanderen, is het "schadetolerantie-ontwerpprincipe" gebruikt voor metalen materialen, dat niet alleen een hoge specifieke sterkte vereist, maar ook een hoge breuktaaiheid. Onder gesimuleerde gebruiksomstandigheden worden de scheurinitiatielevensduur en de scheuruitzettingssnelheid van het materiaal gemeten, en worden de toegestane scheurlengte en de bijbehorende levensduur berekend als een belangrijke basis voor ontwerp, productie en gebruik. Voor organische niet-metalen materialen zijn natuurlijke verouderings- en kunstmatige versnelde verouderingstests vereist om de levensduur te bepalen; het breukpatroon van composietmaterialen, levensduur en veiligheid vormen ook een belangrijk onderzoeksthema.
De ontwikkeling van materialen voor de lucht- en ruimtevaart hangt af van de volgende drie factoren. Pas nadat alle drie tot een volwassen stadium zijn ontwikkeld, kunnen ze worden toegepast in vliegende voertuigen. Daarom hebben landen over de hele wereld prioriteit gegeven aan de ontwikkeling van materialen voor de lucht- en ruimtevaart.
Met de snelle ontwikkeling van de ruimtevaartindustrie zullen ook de structurele materialen voor ruimtevaartuigen zich op lange termijn continu ontwikkelen. Het aandeel nieuwe lichte legeringen in ruimtevaartuigstructuren neemt geleidelijk toe en de toepassing van composietmaterialen heeft bijgedragen aan de verandering van de gebruikte materialen in ruimtevaartuigstructuren en is in snelle ontwikkeling. Metaalmatrixcomposieten, die de uitstekende eigenschappen van metalen en anorganische/organische materialen combineren, zijn ook in de visie van onderzoekers op het gebied van lucht- en ruimtevaartstructuren opgenomen. Bovendien zijn structurele materialen onlosmakelijk verbonden met structureel ontwerp, en sommige traditionele complexe structuren worden vervangen door nieuwe multifunctionele structuren (MFC) en 3D-geprinte structuren. In de toekomst zullen de structurele materialen voor ruimtevaartuigen een trend van diversificatie en hoge prestaties vertonen.
Traditionele lichtmetalen legeringen domineren nog steeds. Nieuwe lichtmetalen legeringen zullen geleidelijk worden toegepast om te voldoen aan de eisen van moderne satellieten. Hoogwaardige, lichtgewicht legeringsmaterialen hebben de neiging om geleidelijk te worden vervangen door composietmaterialen. Vooral toen composietmaterialen in de automobiel- en luchtvaartsector een groot succes waren, begonnen ze ook in de lucht- en ruimtevaart een sprong te maken, met hogere eisen aan materiaallichtheid. Naarmate het onderzoek zich verder verdiepte, bleek echter dat de veelgebruikte composieten op harsbasis enkele inherente gebreken hebben, zoals een slechte taaiheid, slechte prestaties bij secundaire verwerking, slechte hitte- en vochtbestendigheid, een slechte aanpasbaarheid aan de ruimteomgeving, enz. Het is moeilijk om ze in korte tijd op een groot oppervlak in ruimtevaartuigen toe te passen, wat ruimte en mogelijkheden biedt voor de toepassing en ontwikkeling van legeringsmaterialen in de lucht- en ruimtevaart.
De ontwikkelingsdynamiek van composietmaterialen is goed en de toepassingsmogelijkheden zullen blijven toenemen. De ontwikkelingstijd van composietmaterialen is relatief kort, maar de snelle ontwikkelingstrend is voldoende om mensen te laten geloven dat het uitstekende toepassingsmogelijkheden heeft. Composieten hebben altijd een voorsprong gehad op toepassingen in de lucht- en ruimtevaart. De toepassing ervan in vliegtuigen is ontwikkeld van secundaire structurele materialen tot hoofdstructuren. Het aandeel composietmaterialen voor structurele onderdelen van grote vliegtuigen wereldwijd, zoals de Boeing 787 en Airbus 380, bedraagt 40% tot 50%, en het aandeel composietmaterialen voor structurele onderdelen van geavanceerde helikopters is zelfs meer dan 80%. Openbare onderzoeksgegevens van Boeing en Airbus tonen aan dat in 2020 al hun structurele onderdelen van vliegtuigen composietmaterialen zullen gebruiken. Naar analogie hiervan zullen composietmaterialen in de lucht- en ruimtevaart een enorme ontwikkelingsruimte en -perspectieven hebben. Dit blijkt ook uit het feit dat de vakwerkverbindingen van aluminiumlegering, die voorheen veel werden gebruikt voor satellietvakwerkverbindingen, worden vervangen door verbindingen van koolstofvezelcomposiet. Afbeelding 2 toont een typische verbinding van koolstofvezelcomposiet. Tot nu toe staan hoogwaardige koolstofvezelcomposieten nog steeds centraal in onderzoek en toepassing van composietmaterialen. Om de kloof met het internationale topniveau te verkleinen, besteedt China nu veel aandacht aan geavanceerd onderzoek naar composietmaterialen. Met de ontwikkeling van goedkope, geïntegreerde productietechnologie, de toenemende ontwikkeling van geautomatiseerde, grootschalige en uiterst precieze productieapparatuur en de voortdurende verbetering van de prestaties van matrixhars en koolstofvezel, zijn de vocht- en hittebestendigheid en de breukrek van koolstofvezelversterkte harsmatrixcomposieten aanzienlijk verbeterd, en zal het gebruik van composietmaterialen in ruimtevaartuigstructuren ongetwijfeld verder toenemen.
U kunt onderstaand formulier invullen, dan nemen wij binnenkort contact met u op.
Easiahome verzorgt de wereldwijde distributie van alle soorten roestvrij staal. Met ons brede productassortiment bieden we deskundig marktadvies en complete metaalbewerking.
