Zrakoplovna proizvodnja je najkoncentriranija oblast visoke tehnologije i spada u naprednu proizvodnu tehnologiju. Na primjer, motor F119 razvijen od strane Pratt & Whitney iz Sjedinjenih Država, motor F120 kompanije General Electric, motor M88-2 kompanije SNECMA iz Francuske i motor EJ200 koji su zajednički razvili Ujedinjeno Kraljevstvo, Njemačka , Italija i Španija. Vrijedi napomenuti da ovi avio-motori koji predstavljaju najnapredniji svjetski nivo imaju zajedničku osobinu korištenja novih materijala, novih procesa i novih tehnologija. Sedam novih korištenih materijala predstavljeno je kako slijedi:
1
Ugljik/karbonski kompozit
Šta su kompoziti ugljik/ugljik? To je kompozitni materijal sa karbonskom matricom ojačan karbonskim vlaknima i njegovom tkaninom, niske gustine (<2.0g/cm3), high strength, high specific modulus, high thermal conductivity, low expansion coefficient, good friction performance, and good thermal shock resistance , high dimensional stability, etc., especially the few candidate materials used above 1650 °C, the highest theoretical temperature is as high as 2600 °C, so it is considered to be one of the most promising high-temperature materials in the world.
Iako kompoziti ugljik/ugljik imaju mnoga odlična svojstva pri visokim temperaturama, oni prolaze kroz oksidacijske reakcije u aerobnom okruženju sa temperaturom većom od 400 stepeni, što rezultira naglim padom svojstava materijala. Stoga, primjena ugljik/ugljik kompozita u visokotemperaturnim aerobnim sredinama mora imati mjere zaštite od oksidacije. Zaštita od oksidacije ugljik/ugljik kompozita je uglavnom kroz sljedeća dva načina, odnosno modifikacija matrice i pasivizacija površinski aktivnih tačaka mogu se koristiti za zaštitu ugljik/ugljik kompozita na nižim temperaturama; Kako temperatura raste, mora se koristiti metoda premaza za izolaciju kompozitnog materijala ugljik/ugljik od direktnog kontakta s kisikom, kako bi se postigla svrha zaštite od oksidacije. Trenutno je metoda premazivanja najčešće korištena metoda. Uz kontinuirani napredak nauke i tehnologije, sve se više oslanja na ultravisoke temperaturne performanse ugljik/ugljik kompozitnih materijala, a jedino izvodljivo rješenje za zaštitu od oksidacije pod ultravisokim temperaturnim uvjetima može biti samo zaštita premaza. .
Vrijedi spomenuti da su kompozitni materijali na bazi C/C novi materijal s većom temperaturnom otpornošću koji je posljednjih godina dobio najveću pažnju u svijetu. Zato što se samo C/C kompozitni materijali smatraju jedinim materijalima nasljednicima lopatica rotora turbine sa omjerom potiska i težine većim od 20 i ulaznom temperaturom motora od 1930-2227 stepeni. Najviši strateški cilj koji teže naprednim industrijskim zemljama.
Takozvani kompozitni materijal na bazi C/C je bazični karbonski kompozitni materijal ojačan karbonskim vlaknima, koji kombinuje vatrostalna svojstva ugljika sa visokom čvrstoćom i visokom krutošću karbonskih vlakana, čineći ga nekrhkim. Budući da kompozitni materijali na bazi C/C imaju malu težinu, visoku čvrstoću, vrhunsku termičku stabilnost i odličnu toplotnu provodljivost, oni su danas najidealniji materijali otporni na visoke temperature, posebno u okruženjima na visokim temperaturama od 1000-1300 stepena C Ne samo da se snaga nije smanjila, nego se mogla povećati. Naročito kada je ispod 1650 stepeni, i dalje održava snagu i gracioznost na sobnoj temperaturi. Stoga kompoziti na bazi C/C imaju veliki razvojni potencijal u proizvodnji svemirskih letova.
Vrijedi napomenuti da je jedan od glavnih problema kompozitnih materijala na bazi C/C u primjeni aeromotora slaba otpornost na oksidaciju. Zbog toga su Sjedinjene Američke Države posljednjih godina usvojile niz tehnoloških mjera za rješavanje ovog problema i postupno ih primjenjivale na novom motoru. Na primjer, repna mlaznica naknadnog sagorijevanja na američkom motoru F119, mlaznica i mlaznica komore za sagorijevanje motora F100, te neki dijelovi komore za izgaranje verifikacijske mašine F120 izrađeni su od kompozitnih materijala na bazi C/C. Drugi primjer je francuski motor M88-2, a šipka za ubrizgavanje goriva naknadnog sagorijevanja, toplinski štit i mlaznica motora Mirage 2000 također koriste kompozitne materijale na bazi C/C.
2
Novi materijal od čelika ultra visoke čvrstoće
Šta je čelik ultra visoke čvrstoće? Sredinom {0}}ih, Sjedinjene Države su razvile Cr-Mo čelik (AISI4130) i Cr-Ni-Mo čelik (AISI 4340). Nakon kaljenja i niskih temperatura, vlačne čvrstoće su bile 170 odnosno 190 kgf/mm2. Početkom 1950-ih, Si i V su dodani čeliku AISI 4340 da bi se napravio 300M sa vlačnom čvrstoćom od 190~210kgf/mm2. Godine 1960., International Nickel Company napravila je maragenski čelik sa zateznom čvrstoćom od oko 180 kgf/mm2, žilavošću na lom do 390 kgf/mm. U 1970-im, Sjedinjene Države su smanjile C i povećale Si na bazi 300M, poboljšale žilavost i razvile se u HP310 čelik; na bazi marage čelika, razvio se u čelik AF1410, sa vlačnom čvrstoćom od 170 kgf/mm2 i žilavošću na lom od 400 kgf/mm2 mm.
slika
Vrijedi napomenuti da čelik ultra visoke čvrstoće mora imati visoku vlačnu čvrstoću i održavati dovoljnu žilavost. Također zahtijeva veliku specifičnu čvrstoću (omjer čvrstoće i gustine) i visok omjer popuštanja (σs/σb) da bi se smanjila težina komponente, te mora imati dobru zavarljivost i sposobnost oblikovanja i druga svojstva procesa. Čelik ultra-visoke čvrstoće ima vrlo visoke zahtjeve za metalurški kvalitet, a često se topi u elektrolučnoj peći i elektro-troskom pretapanjem. Tipovi čelika koji zahtijevaju visoku čistoću uglavnom se tope u vakuumskim indukcijskim pećima ili vakuumskim potrošnim elektrolučnim pećima. Srednje- i niskolegirane čelike ultra visoke čvrstoće treba spriječiti od razugljikovanja tokom termičke obrade; Maraging čelici i nerđajući čelici koji očvršćuju taloženjem mogu se tretirati čvrstim rastvorom u običnim pećima za grejanje. Za zavarivanje se mora koristiti zavarivanje zaštitnim plinom ili argon volfram zavarivanje. Neki niskolegirani čelici ultra-visoke čvrstoće sa visokim sadržajem ugljika (oko 0,4 posto) trebaju se žariti odmah nakon zavarivanja.
Vrijedi spomenuti da se čelik ultra visoke čvrstoće koristi kao materijal za stajni trap na avionima. Na primjer, stajni trap koji se koristi u avionu druge generacije napravljen je od čelika 30CrMnSiNi2A sa vlačnom čvrstoćom od 1700 MPa. Ova vrsta stajnog trapa ima kratak vijek trajanja od oko 2000 sati leta.
Drugi primjer je da dizajn borbenog aviona treće generacije zahtijeva vijek trajanja stajnog trapa preko 5,000 sati leta. Istovremeno, zbog povećanja opreme u vazduhu, smanjuje se koeficijent težine konstrukcije aviona, a postavljaju se veći zahtevi za izbor materijala stajnog trapa i tehnologiju izrade. I američki i naši lovci treće generacije koriste tehnologiju proizvodnje stajnog trapa od čelika od 300M (zatezna čvrstoća 1950MPa).
U stvari, poboljšanje tehnologije primjene materijala promovira daljnje produženje vijeka stajnog trapa i proširenje prilagodljivosti. Na primjer, stajni trap evropskog aviona Airbus A380 usvaja super-veliku integralnu tehnologiju kovanja, novu tehnologiju termičke obrade zaštite atmosfere i tehnologiju raspršivanja plamenom velike brzine, tako da vijek stajnog trapa može zadovoljiti zahtjeve dizajna. Stoga je uvođenje novih materijala i proizvodnih tehnika osiguralo zamjenu aviona.
slika
Kao što svi znamo, dugotrajni dizajn aviona u okruženju otpornom na koroziju postavlja veće zahtjeve za materijale. Na primjer, čelik AerMet100 ima isti nivo čvrstoće kao čelik 300M, ali njegova opća otpornost na koroziju i otpornost na koroziju pod naponom su znatno bolja od čelika 300M. Odgovarajuća tehnologija proizvodnje stajnog trapa primijenjena je na napredne avione kao što su F/A-18E/F, F-22 i F-35. Aermet310 čelik veće čvrstoće ima manju otpornost na lom i kontinuirano se razvija i poboljšava. Brzina rasta pukotina izuzetno je spora čelika ultra-visoke čvrstoće otpornog na oštećenja AF1410, koji se može koristiti kao spoj aktuatora krila aviona B-1, koji je 10,6 posto lakši od Ti -6Al-4V, sa povećanjem performansi obrade od 60 posto i smanjenjem troškova za 30,3 posto. Na primjer, količina nehrđajućeg čelika visoke čvrstoće koji se koristi u ruskom Smig-1.42 iznosi čak 30 posto. PH13-8Mo je jedini martenzitni nerđajući čelik visoke čvrstoće koji se stvrdnjava na taloženje koji se široko koristi kao komponente otporne na koroziju. Čelici za zupčanike (ležajeve) ultra-visoke čvrstoće su također razvijeni na međunarodnom nivou, kao što su CSS-42L, Gearmet C69, itd., i koriste se u motorima, helikopterima i zrakoplovstvu.
3
Materijal legure visoke temperature
Šta su superlegirani materijali? Visokotemperaturne legure su zapravo podijeljene u tri vrste materijala: materijali visoke temperature od 760 stupnjeva, materijali visoke temperature od 1200 stupnjeva i materijali visoke temperature od 1500 stupnjeva, sa vlačnom čvrstoćom od 800 MPa. Drugim riječima, odnosi se na metalne materijale visoke temperature koji rade dugo vremena pod 760-1500 stepena i određenim uslovima naprezanja. Njegove važne karakteristike: ima odličnu čvrstoću na visokim temperaturama, dobru otpornost na oksidaciju i otpornost na termičku koroziju, dobre performanse zamora, otpornost na lom i druga sveobuhvatna svojstva, te je postao nezamjenjiv ključni materijal za vruće dijelove gasnoturbinskih motora za vojne i civilne potrebe. koristiti širom svijeta.
Visokotemperaturni materijali od 760 stupnjeva Od kasnih 1930-ih, Britanija, Njemačka, Sjedinjene Države i druge zemlje počele su proučavati superlegure. Tokom Drugog svetskog rata, kako bi se zadovoljile potrebe za novim avio-motorima, istraživanje i upotreba superlegura ušlo je u period brzog razvoja. Početkom 1940-ih, Ujedinjeno Kraljevstvo je prvo dodalo malu količinu aluminijuma i titanijuma u leguru 80Ni-20Cr kako bi formirala 'fazu (gama prime) za ojačanje i razvila prvu leguru na bazi nikla sa visokim visokim -temperaturna čvrstoća. U tom periodu, kako bi se zadovoljile potrebe razvoja turbo punjača za klipne avio-motore, Sjedinjene Države su počele koristiti legure na bazi vitalija kobalta za izradu lopatica.
slika
Vrijedi spomenuti da su Sjedinjene Države također razvile legure na bazi nikla Inconel za izradu komora za sagorijevanje za mlazne motore. Kasnije, kako bi dodatno poboljšali čvrstoću legure na visokim temperaturama, metalurzi su leguri na bazi nikla dodali elemente poput volframa, molibdena i kobalta kako bi povećali sadržaj aluminija i titana, te razvili niz legura, kao što su kao "Nimonic" u Ujedinjenom Kraljevstvu i "Nimonic" u Sjedinjenim Državama. "Mar-M" i "IN" itd.; dodavanje nikla, volframa i drugih elemenata u legure na bazi kobalta za razvoj raznih legura na visokim temperaturama, kao što su X-45, HA-188, FSX-414, itd. Zbog nedostatak resursa kobalta, razvoj superlegura na bazi kobalta je ograničen.
Tokom 1940-ih, razvijene su i superlegure na bazi željeza. Pedesetih godina prošlog vijeka pojavile su se ocjene kao što su A-286 i Incoloy901, ali zbog loše stabilnosti na visokim temperaturama razvoj je bio spor. Bivši Sovjetski Savez počeo je proizvoditi superlegura na bazi nikla marke "ÉI" 1950. godine, a kasnije je proizvodio "ÉP" seriju deformiranih superlegura i ŽS seriju livenih superlegura. U 1970-im, Sjedinjene Države su također usvojile novi proizvodni proces za proizvodnju lopatica usmjerene kristalizacije i turbinskih diskova za metalurgiju praha i razvile komponente od legure visoke temperature kao što su lopatice od monokristala kako bi zadovoljile potrebe kontinuiranog povećanja ulazne temperature zraka. -turbine motora.
Superlegure su razvijene da zadovolje vrlo zahtjevne zahtjeve mlaznih motora u pogledu materijala i postale su nezamjenjiv ključni materijal za komponente vrućeg dijela za vojne i civilne plinske turbine motora. U naprednim avio-motorima, udio visokotemperaturnih legura dostigao je više od 50 posto.
Razvoj visokotemperaturnih legura usko je povezan sa tehnološkim napretkom avio-motora, a posebno turbinski disk, materijal lopatice turbine i proces proizvodnje vrućih dijelova motora su važni simboli razvoja motora. Zbog visokih zahtjeva za otpornost na visoke temperature i nosivost materijala, Ni3 (Al, Ti) ojačana legura Nimonic80 razvijena je u ranim danima u Velikoj Britaniji, koja je korištena kao materijal za lopatice turbine. turbomlazni motor. Osim toga, Nimonic serija legura je kontinuirano razvijana. Sjedinjene Države su razvile disperzijski ojačane legure na bazi nikla koje sadrže aluminij i titan, kao što su serije legura Inconel, Mar-M i Udmit koje su razvile poznate kompanije Pratt & Whitney, GE Company i Special Metals Company.
slika
U procesu razvoja superlegura, proces proizvodnje igra veliku ulogu u promicanju razvoja legura. Zbog pojave tehnologije vakuumskog topljenja, uklanjanje štetnih nečistoća i gasova u legurama, posebno precizna kontrola sastava legure, kontinuirano je poboljšavala performanse superlegura. Konkretno, uspješno istraživanje novih tehnologija kao što su usmjereno skrućivanje, rast monokristala, metalurgija praha, mehaničko legiranje, keramička jezgra, keramička filtracija i izotermno kovanje potaknulo je brzi razvoj superlegura. Među njima, tehnologija usmjerenog očvršćavanja je najistaknutija. Usmjerena i monokristalna legura proizvedena postupkom usmjerenog skrućivanja ima radnu temperaturu blizu 90 posto početne tačke topljenja. Stoga, napredne lopatice aeromotora širom svijeta koriste usmjerene, jednokristalne legure za proizvodnju lopatica turbina. Iz globalne perspektive, livene superlegure na bazi nikla su formirale kristale sa jednakom osovinom, usmjereno očvrsnute stupaste kristale i sisteme legura od monokristalnih legura. Superlegure u prahu su takođe razvijene od prve generacije 650 stepeni do 750 stepeni, 850 stepeni prah turbinskih diskova i diskova praha dvostrukih performansi za te napredne motore visokih performansi.
4
keramičke matrične kompozite
Šta su keramički matrični kompoziti? To je vrsta kompozitnog materijala koji koristi keramiku kao matricu i razna vlakna. Keramička matrica može biti visokotemperaturna strukturna keramika kao što su silicijum nitrid i silicijum karbid. Ova napredna keramika ima izvrsna svojstva kao što su otpornost na visoke temperature, visoka čvrstoća i krutost, relativno mala težina i otpornost na koroziju. Fatalna slabost je što su krhki. Kada su pod stresom, popucat će ili se čak slomiti i uzrokovati kvar materijala. Upotreba kompozita visoke čvrstoće, visokoelastičnih vlakana i matrice je efikasna metoda za poboljšanje žilavosti i pouzdanosti keramike. Vlakna mogu spriječiti širenje pukotina, čime se dobijaju vlaknima ojačani keramički matrični kompoziti odlične žilavosti.
slika
Keramički matrični kompoziti korišćeni su kao mlaznice za tečne raketne motore, radare za rakete, nosni konusi spejs šatla, kočioni diskovi za avione i vrhunski automobilski kočioni diskovi, itd., postajući važna grana novih materijala visoke tehnologije.
Budući da keramički materijali imaju odličnu otpornost na habanje, visoku tvrdoću i dobru otpornost na koroziju, oni su naširoko korišteni. Međutim, najveći nedostatak keramike je što je lomljiva i osjetljiva na pukotine i pore. Od 1980-ih, keramički matrični kompoziti dobiveni dodavanjem čestica, brkova i vlakana u keramičke materijale uvelike su poboljšali žilavost keramike.
Keramički matrični kompoziti imaju visoku čvrstoću, visok modul, nisku gustinu, otpornost na visoke temperature, otpornost na habanje i otpornost na koroziju, i dobru žilavost, a koriste se u alatima za sečenje velike brzine i komponentama motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Međutim, razvoj ove vrste materijala je relativno kasno, a njen potencijal tek treba dalje razvijati. Fokus istraživanja je njegova primjena na visokotemperaturne materijale i materijale otporne na habanje i koroziju, kao što su poboljšane turbine za motore s unutarnjim sagorijevanjem velike snage, termalne komponente za zrakoplovna vozila i motore vozila umjesto metala, petrohemijske kontejnere , oprema za spaljivanje otpada itd.
Kada je u pitanju keramika, ljudi prirodno misle na njenu krhkost. Prije više od deset godina, ako se koristio kao nosivi dio u inženjeringu, to je bilo nemoguće prihvatiti. Do sada, kada su u pitanju keramički kompozitni materijali, nekima možda nije jasno, misleći da su keramika i metali izvorno dva irelevantna materijala. Međutim, pošto su ljudi pametno kombinovali keramiku i metale, ljudski koncept ovog materijala je doživeo fundamentalnu promenu, a to su keramički matrični kompoziti.
Keramički matrični kompozitni materijal je vrlo perspektivan novi konstruktivni materijal u oblasti avio industrije, posebno u primeni u proizvodnji avio-motora, sve više pokazuje svoju jedinstvenost. Osim prednosti male težine i velike tvrdoće, keramički matrični kompoziti također imaju odličnu otpornost na visoke temperature i otpornost na koroziju pri visokim temperaturama. Trenutno, keramički matrični kompoziti su nadmašili metalne materijale otporne na toplotu u smislu otpornosti na visoke temperature i imaju dobra mehanička svojstva i hemijsku stabilnost. Idealni su i odlični materijali za visokotemperaturna područja turbinskih motora visokih performansi.
slika
Zemlje širom svijeta fokusiraju se na istraživanje keramike ojačane silicijum nitridom i silicijum karbidom kako bi zadovoljile materijalne zahtjeve sljedeće generacije naprednih motora
materijala, i napravio je veliki napredak, posebno u modernim avio-motorima. Na primjer, motor F120 američke verifikacione mašine, njegov uređaj za brtvljenje turbine visokog pritiska i neki visokotemperaturni delovi komore za sagorevanje napravljeni su od keramičkih materijala. Na primjer, komora za sagorijevanje i mlaznica francuskog M88-2 motora također koriste keramičke matrične kompozite.
5
Novi materijali intermetalnih jedinjenja
Šta su intermetalna jedinjenja? Jedinjenja metala i metala ili metala i metaloida (kao što su H, B, N, S, P, C, Si, itd.). Atomi dva metala se kombinuju u određenom omjeru kako bi se formirao sastav legure koji se razlikuje od originalne dvije kristalne rešetke. Intermetalna jedinjenja su nove vrste materijala koje su privukle široku pažnju.
slika
U stvari, razvoj aeromotora visokih performansi i visokog omjera potiska i težine promovirao je razvoj i primjenu intermetalnih jedinjenja. Intermetalna jedinjenja su uglavnom jedinjenja sastavljena od binarnih, ternarnih ili višeelementnih metalnih elemenata. Intermetalna jedinjenja imaju veliki potencijal u konstrukcijskim primenama na visokim temperaturama. Ima visoku radnu temperaturu, specifičnu čvrstoću, toplotnu provodljivost, a posebno pri visokim temperaturama, takođe ima dobru otpornost na oksidaciju, otpornost na koroziju i visoku čvrstoću puzanja. . Osim toga, budući da je intermetalno jedinjenje novi materijal između superlegure i keramičkog materijala, ono popunjava prazninu između dva materijala, tako da postaje jedan od idealnih materijala za visokotemperaturne komponente avio-motora.
U globalnoj strukturi avio-motora, istraživanje i razvoj su uglavnom fokusirani na intermetalne spojeve kao što su titan-aluminij i nikl-aluminij. Ova jedinjenja titanijum aluminijuma imaju u osnovi istu gustinu kao titanijum, ali imaju višu radnu temperaturu. Na primjer, radne temperature TiAl su 816 stepeni i 982 stepena respektivno. Intermetalno jedinjenje ima jaku vezu između atoma i složenu kristalnu strukturu, zbog čega se teško deformiše, a tvrdo je i krto na sobnoj temperaturi. Nakon godina eksperimentalnih istraživanja, uspješno je razvijena nova vrsta legure visoke temperature, plastičnosti i žilavosti na sobnoj temperaturi, koja je ugrađena i korištena, a učinak je vrlo dobar. Na primjer, motor F119 visokih performansi u Sjedinjenim Državama koristi intermetalne spojeve u kućištu i turbinskim diskovima, a lopatice kompresora i diskovi motora F120 mašine za verifikaciju koriste nova titan-aluminijumska intermetalna jedinjenja.
6
kompoziti sa smolnom matricom
Šta su kompoziti sa smolnom matricom? To je materijal ojačan vlaknima na bazi organskog polimera, koji obično koristi vlakna za ojačanje kao što su staklena vlakna, karbonska vlakna, bazaltna vlakna ili aramidna vlakna. Kompozitni materijali na bazi smole naširoko se koriste u zrakoplovnoj, automobilskoj i pomorskoj industriji.
slika
Smolna matrica kompozitnih materijala je uglavnom termoreaktivna smola. Već 1940-ih, plastika ojačana staklenim vlaknima korišćena je kao radom na borbenim avionima i bombarderima. U 1960-im, Sjedinjene Države su koristile epoksidnu smolu ojačanu borovim vlaknima kao kormila, horizontalne stabilizatore, zadnje rubove krila, vrata kormila, itd. na vojnim avionima kao što su F-4 i F-111. U smislu proizvodnje raketa, kasnih 1950-ih, u kućištu drugog stepena čvrstog raketnog motora američke podmorničke rakete srednjeg dometa "Polaris A-2" korišteni su dijelovi za namotavanje epoksidnom smolom ojačani staklenim vlaknima, koji su bolji nego čelična kućišta. 27 posto lakši; kasnije su staklena vlakna visokih performansi korišćena umjesto običnih staklenih vlakana za izradu "Polaris A-3", što je učinilo težinu školjke 50 posto lakšom od čelične školjke, tako da je raspon "Polaris A{{ 12}}" projektil je promijenjen sa 2700 hiljada metara povećan na 4500 km. Sedamdesetih godina prošlog vijeka umjesto staklenih vlakana korištena su aramidna vlakna za ojačavanje epoksidne smole, a čvrstoća je znatno poboljšana, dok je težina smanjena. Kompoziti epoksidne smole ojačani karbonskim vlaknima široko se koriste u avionima, projektilima, satelitima i drugim strukturama.
Istraživanja o primjeni kompozitnih materijala na bazi smole u zrakoplovnim turboventilatorskim motorima započela su 1950-ih godina. Nakon više od 60 godina razvoja, GE, PW, RR, MTU, SNECMA i druge kompanije uložile su mnogo energije u istraživanje i razvoj kompozitnih materijala na bazi smole i postigle veliki napredak, a njihov inženjering je je primijenjen na turboventilatorske motore aktivne avijacije, a postoji tendencija daljeg širenja njegove primjene.
Radna temperatura kompozita sa smolnom matricom generalno ne prelazi 350 stepeni. Stoga se kompoziti sa smolnom matricom uglavnom koriste u hladnom dijelu aeromotora.
7
kompoziti metalne matrice
Šta su kompoziti metalne matrice? To je kompozitni materijal koji je umjetno spojen s metalom i njegovom legurom kao matrica i jednim ili više metalnih ili nemetalnih ojačanja. Većina njegovih materijala za ojačanje su neorganski nemetali, kao što su keramika, ugljik, grafit i bor, itd., a mogu se koristiti i metalne žice. Zajedno sa polimernim matričnim kompozitima, keramičkim matričnim kompozitima i kompozitima ugljik/ugljik, čini moderan kompozitni sistem.
slika
Karakteristike kompozitnih materijala sa metalnom matricom: u mehaničkom smislu, imaju visoku poprečnu i posmičnu čvrstoću, dobra sveobuhvatna mehanička svojstva kao što su žilavost i zamor, a također imaju toplinsku provodljivost, električnu provodljivost, otpornost na habanje, mali koeficijent toplinske ekspanzije, dobro prigušenje , bez apsorpcije vlage i otpornosti na koroziju. Prednosti kao što su starenje i bez zagađenja. Na primjer, specifična čvrstoća aluminijskih kompozitnih materijala ojačanih karbonskim vlaknima je 3~4×107 mm, a specifični modul 6~8×109 mm. Na primjer, specifični modul magnezija ojačanog grafitnim vlaknima može doseći 1,5×1010 mm, a njegov koeficijent toplinske ekspanzije je gotovo nula.
Vrijedi napomenuti da u usporedbi s kompozitnim materijalima na bazi smole, kompozitni materijali na bazi metala imaju dobru žilavost, ne upijaju vlagu i mogu izdržati relativno visoke temperature. Vlakna za ojačavanje kompozita metalne matrice uključuju metalna vlakna, kao što su nerđajući čelik, volfram, olovo, nikl-aluminijum intermetalna jedinjenja, itd.; keramička vlakna, kao što su glinica, silicijum oksid, ugljenik, bor, silicijum karbid itd.
Matrični materijali kompozita metalne matrice uključuju aluminijum, legure aluminijuma, magnezijuma, legure Chin i Chin, legure otporne na toplotu, legure dijamanata, itd. Među njima, kompozitni materijali na bazi legura aluminijuma, legura aluminijuma i legura gvožđa su trenutno glavni izbor . Na primjer, matrični kompoziti od legure Chin ojačani SiC vlaknima mogu se koristiti za izradu lopatica kompresora. Ugljičnim vlaknima ili aluminijskim vlaknima ojačani matrični kompoziti magnezija ili legure magnezija mogu se koristiti za proizvodnju lopatica turboventilatora. Drugi primjer je da se matrični kompoziti od legura na bazi nikla, ojačani vlaknima nikl-hrom-aluminij-iridijum, mogu koristiti za proizvodnju zaptivnih elemenata za turbine i kompresore.
Osim toga, kućišta ventilatora, rotori, diskovi kompresora i drugi dijelovi su napravljeni od kompozita metalne matrice u inostranstvu. Ali jedan od najvećih problema s ovom vrstom kompozitnog materijala je taj što je lako reagirati između armaturnog vlakna i metala matrice kako bi se stvorila krhka faza, koja pogoršava performanse materijala. Naročito kada se koristi duže vrijeme na višoj temperaturi, reakcija sučelja je izraženija. Trenutno rješenje je dodavanje odgovarajućih premaza na površini vlakana i legiranje metala matrice prema različitim vlaknima i različitim supstratima, kako bi se usporila reakcija međusklopa i održala pouzdanost performansi kompozitnog materijala.
slika
Materijali koji se koriste za izradu lopatica ventilatora motora
Lopatica ventilatora motora je najreprezentativniji i vrlo važan dio turboventilatorskog motora, a performanse turboventilatorskog motora usko su povezane s njegovim razvojem. U poređenju sa lopaticama ventilatora od legure titanijuma, lopatice ventilatora od kompozitnog materijala od smole imaju očiglednu prednost u smanjenju težine. Osim očiglednih prednosti smanjenja težine, kompozitne lopatice ventilatora na bazi smole imaju manji utjecaj na kućište ventilatora nakon udara, tako da je korisno poboljšati zadržavanje kućišta ventilatora.
Glavni predstavnici kompozitnih lopatica ventilatora za komercijalnu primenu u inostranstvu su: motori serije GE90 za B777, GEnx motori za B787 i LEAP-X motori za COMAC C919. Već 1995. godine, GE90-94B motor opremljen lopaticama ventilatora od kompozitnog materijala na bazi smole zvanično je pušten u komercijalnu upotrebu, što je označilo zvaničnu realizaciju inženjerske primjene kompozitnih materijala na bazi smole u modernim avio-motorima visokih performansi. . Na osnovu sveobuhvatnog razmatranja aerodinamike, ciklusa visokog i niskog ciklusa zamora i drugih faktora, GE je razvio novu kompozitnu lopaticu ventilatora za sljedeći GE{10}}B motor.
U 21. stoljeću, snažna potražnja avio-motora za kompozitnim materijalima visoke otpornosti na oštećenja pokreće dalji razvoj tehnologije kompozitnih materijala, a teško je ispuniti zahtjeve materijala visoke otpornosti na oštećenja kontinuiranim poboljšanjem žilavosti karbonskih vlakana. /preprezi od epoksidne smole. Kao rezultat toga, počele su se pojavljivati kompozitne lopatice ventilatora s 3D tkanom strukturom.
Materijali korišteni u kućištu ventilatora motora
Kućište ventilatora motora je najveći stacionarni dio avio-motora, a njegovo smanjenje težine direktno će utjecati na omjer potiska i težine i efikasnost aero-motora. Stoga su strani proizvođači naprednih avio-motora uvijek bili posvećeni smanjenju težine i strukturnoj optimizaciji kućišta ventilatora.
slika
Materijali koji se koriste za poklopce ventilatora motora
Budući da nije glavna nosiva komponenta, poklopac ventilatora je jedan od prvih dijelova napravljenih od kompozitnih materijala na aeromotoru. Poklopac ventilatora napravljen od kompozitnih materijala može pružiti manju težinu, pojednostavljenu strukturu protiv zaleđivanja, bolju otpornost na koroziju i bolju otpornost na zamor. Kao što je motor RB211 poznate kompanije RR, PW1000G i PW4000 kompanije PW koriste kompozitne materijale na bazi smole za pripremu poklopaca ventilatora.
U poređenju sa glavnim okvirima avio-motora, kompozitni materijali na bazi smole imaju veoma širok prostor primene u gondolama avio-motora. Globalni proizvođači su u velikoj mjeri koristili kompozitne materijale na bazi smole u otvorima za gondole, oklopima, reversorima potiska i oblogama za smanjenje buke. Materijal. Što se tiče ostalih dijelova, kompozitni materijali na bazi smole se također primjenjuju u različitom stepenu u kliznim pločama ventilatora aeromotora, zaptivnim poklopcima ležajeva i pokrovnim pločama.
