La produzione aeronautica è il campo più concentrato dell'alta tecnologia e appartiene alla tecnologia di produzione avanzata. Ad esempio, il motore F119 sviluppato da Pratt & Whitney degli Stati Uniti, il motore F120 di General Electric Company, il motore M88-2 di SNECMA Company of France e il motore EJ200 sviluppato congiuntamente da Regno Unito, Germania , Italia e Spagna. Vale la pena ricordare che questi motori aeronautici che rappresentano il livello più avanzato al mondo hanno la caratteristica comune di utilizzare nuovi materiali, nuovi processi e nuove tecnologie. I sette nuovi materiali utilizzati vengono introdotti rispettivamente come segue:
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Composito carbonio/carbonio
Cosa sono i compositi carbonio/carbonio? È un materiale composito a matrice di carbonio rinforzato con fibra di carbonio e il suo tessuto, a bassa densità (<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.
Sebbene i compositi carbonio/carbonio abbiano molte eccellenti proprietà ad alta temperatura, subiscono reazioni di ossidazione in un ambiente aerobico con una temperatura superiore a 400 gradi, con conseguente netto calo delle proprietà del materiale. Pertanto, l'applicazione di compositi carbonio/carbonio in ambienti aerobici ad alta temperatura deve prevedere misure di protezione dall'ossidazione. La protezione dall'ossidazione dei compositi carbonio/carbonio avviene principalmente attraverso i seguenti due modi, ovvero la modifica della matrice e la passivazione dei punti attivi superficiali possono essere utilizzate per proteggere i compositi carbonio/carbonio a temperature più basse; all'aumentare della temperatura, il metodo di rivestimento deve essere utilizzato per isolare il materiale composito carbonio/carbonio dal contatto diretto con l'ossigeno, in modo da raggiungere lo scopo della protezione dall'ossidazione. Attualmente, il metodo di rivestimento è il metodo più utilizzato. Con il continuo progresso della scienza e della tecnologia, c'è sempre più affidamento sulle prestazioni ad altissima temperatura dei materiali compositi carbonio/carbonio e l'unica soluzione di protezione dall'ossidazione fattibile in condizioni di temperatura ultra elevata può essere solo la protezione del rivestimento. .
Vale la pena ricordare che i materiali compositi a base di C/C sono un nuovo materiale con una maggiore resistenza alla temperatura che ha ricevuto la maggiore attenzione nel mondo negli ultimi anni. Perché solo i materiali compositi C/C sono considerati gli unici materiali successori per le pale del rotore delle turbine con un rapporto spinta/peso superiore a 20 e una temperatura di ingresso del motore di 1930-2227 gradi . Il massimo obiettivo strategico perseguito dai paesi industriali avanzati.
Il cosiddetto materiale composito a base di C/C è un materiale composito a base di carbonio rinforzato con fibra di carbonio, che combina le proprietà refrattarie del carbonio con l'elevata resistenza e l'elevata rigidità della fibra di carbonio, rendendolo non fragile. Poiché i materiali compositi a base di C/C hanno leggerezza, elevata resistenza, stabilità termica superiore ed eccellente conduttività termica, sono oggi i materiali resistenti alle alte temperature più ideali, specialmente in ambienti ad alta temperatura di 1000-1300 gradi C Non solo la forza non è diminuita, ma è stata in grado di aumentare. Soprattutto quando è inferiore a 1650 gradi, mantiene ancora la forza e la grazia a temperatura ambiente. Pertanto, i compositi basati su C/C hanno un grande potenziale di sviluppo nella produzione aerospaziale.
Vale la pena ricordare che uno dei problemi principali dei materiali compositi a base C/C nell'applicazione dei motori aeronautici è la scarsa resistenza all'ossidazione. Pertanto, negli ultimi anni, gli Stati Uniti hanno adottato una serie di misure tecnologiche per risolvere questo problema e gradualmente applicate al nuovo motore. Ad esempio, l'ugello di coda del postbruciatore sul motore americano F119, l'ugello e l'ugello della camera di combustione del motore F100 e alcune parti della camera di combustione della macchina di verifica F120 sono stati realizzati con materiali compositi a base di C/C. Un altro esempio è il motore francese M88-2, e anche l'asta di iniezione del carburante del postcombustore, lo scudo termico e l'ugello del motore Mirage 2000 utilizzano materiali compositi a base di C/C.
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Nuovo materiale di acciaio ad altissima resistenza
Cos'è l'acciaio ad altissima resistenza? A metà-1940, gli Stati Uniti svilupparono l'acciaio Cr-Mo (AISI4130) e l'acciaio Cr-Ni-Mo (AISI 4340). Dopo la tempra e il rinvenimento a bassa temperatura, i carichi di rottura erano rispettivamente di 170 e 190 kgf/mm2. All'inizio degli anni '50, Si e V furono aggiunti all'acciaio AISI 4340 per produrre 300M con una resistenza alla trazione di 190~210kgf/mm2. Nel 1960, la International Nickel Company produsse l'acciaio Maraging con una resistenza alla trazione di circa 180 kgf/mm2, resistenza alla frattura fino a 390 kgf/mm. Negli anni '70, gli Stati Uniti hanno ridotto C e aumentato Si sulla base di 300 M, migliorato la tenacità e sviluppato in acciaio HP310; sulla base dell'acciaio Maraging, si è sviluppato in acciaio AF1410, con una resistenza alla trazione di 170 kgf/mm2 e una resistenza alla frattura di 400 kgf/mm2 mm.
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Vale la pena notare che l'acciaio ad altissima resistenza deve avere un'elevata resistenza alla trazione e mantenere una tenacità sufficiente. Richiede inoltre un'elevata resistenza specifica (rapporto tra resistenza e densità) e un elevato rapporto di snervamento (σs/σb) per ridurre il peso del componente e deve avere una buona saldabilità, formabilità e altre proprietà di processo. L'acciaio ad altissima resistenza ha requisiti molto elevati in termini di qualità metallurgica ed è spesso fuso mediante forno elettrico ad arco e rifusione elettroscoria. I tipi di acciaio che richiedono un'elevata purezza sono per lo più fusi in forni a induzione sotto vuoto o forni elettrici ad arco consumabili sotto vuoto. Gli acciai ad altissima resistenza medio e bassolegati dovrebbero essere evitati dalla decarburazione durante il trattamento termico; Gli acciai maraging e gli acciai inossidabili indurenti per precipitazione possono essere trattati in soluzione solida in normali forni di riscaldo. Per la saldatura è necessario utilizzare la saldatura a gas di protezione o la saldatura ad arco di argon e tungsteno. Alcuni acciai bassolegati ad altissima resistenza con alto contenuto di carbonio (circa 0,4 percento) devono essere sottoposti a ricottura di distensione immediatamente dopo la saldatura.
Vale la pena ricordare che l'acciaio ad altissima resistenza viene utilizzato come materiale per il carrello di atterraggio sugli aerei. Ad esempio, il carrello di atterraggio utilizzato nel velivolo di seconda generazione è realizzato in acciaio 30CrMnSiNi2A con una resistenza alla trazione di 1700 MPa. Questo tipo di carrello di atterraggio ha una vita utile breve di circa 2000 ore di volo.
Un altro esempio è che la progettazione del jet da combattimento di terza generazione richiede che la durata del carrello di atterraggio superi le 5000 ore di volo. Allo stesso tempo, a causa dell'aumento delle attrezzature aviotrasportate, il coefficiente di peso della struttura dell'aeromobile diminuisce e vengono imposti requisiti più elevati sulla selezione dei materiali del carrello di atterraggio e sulla tecnologia di produzione. Sia gli Stati Uniti che i nostri caccia di terza generazione utilizzano la tecnologia di produzione del carrello di atterraggio in acciaio 300M (resistenza alla trazione 1950MPa).
Infatti, il miglioramento della tecnologia di applicazione dei materiali sta promuovendo l'ulteriore estensione della vita del carrello di atterraggio e l'espansione dell'adattabilità. Ad esempio, il carrello di atterraggio dell'aeromobile Airbus A380 europeo adotta una tecnologia di forgiatura integrale super-grande, una nuova tecnologia di trattamento termico per la protezione dell'atmosfera e una tecnologia di spruzzatura a fiamma ad alta velocità, in modo che la durata del carrello di atterraggio possa soddisfare i requisiti di progettazione. Pertanto, l'introduzione di nuovi materiali e tecniche di produzione ha assicurato la sostituzione degli aeromobili.
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Come tutti sappiamo, la progettazione di aeromobili a lunga durata in un ambiente resistente alla corrosione impone requisiti più elevati per i materiali. Ad esempio, l'acciaio AerMet100 ha lo stesso livello di resistenza dell'acciaio 300M, ma la sua resistenza alla corrosione generale e la resistenza alla tensocorrosione sono significativamente migliori dell'acciaio 300M. La corrispondente tecnologia di produzione del carrello di atterraggio è stata applicata ad aerei avanzati come F/A-18E/F, F-22 e F-35. L'acciaio Aermet310 ad alta resistenza ha una resistenza alla frattura inferiore e viene continuamente sviluppato e migliorato. Il tasso di crescita delle crepe dell'acciaio ad altissima resistenza AF1410 tollerante ai danni è estremamente lento, che può essere utilizzato come giunto dell'attuatore dell'ala del velivolo B-1, che è il 10,6% più leggero del Ti -6Al-4V, con un aumento del 60% delle prestazioni di elaborazione e una riduzione dei costi del 30,3% . Ad esempio, la quantità di acciaio inossidabile ad alta resistenza utilizzata nella russa Smig-1.42 è pari al 30 percento . PH13-8Mo è l'unico acciaio inossidabile martensitico indurente per precipitazione ad alta resistenza ampiamente utilizzato come componenti resistenti alla corrosione. Gli acciai per ingranaggi (cuscinetti) ad altissima resistenza sono stati sviluppati anche a livello internazionale, come CSS-42L, Gearmet C69, ecc., e sono stati utilizzati in motori, elicotteri e settore aerospaziale.
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Materiale in lega ad alta temperatura
Cosa sono i materiali in superlega? Le leghe per alte temperature sono in realtà suddivise in tre tipi di materiali: materiali per alte temperature a 760 gradi, materiali per alte temperature a 1200 gradi e materiali per alte temperature a 1500 gradi, con una resistenza alla trazione di 800 MPa. In altre parole, si riferisce a materiali metallici ad alta temperatura che lavorano a lungo in 760-1500 gradi e determinate condizioni di stress. Le sue caratteristiche importanti: ha un'eccellente resistenza alle alte temperature, buona resistenza all'ossidazione e resistenza alla corrosione termica, buone prestazioni a fatica, tenacità alla frattura e altre proprietà complete ed è diventato un materiale chiave insostituibile per le parti calde dei motori a turbina a gas per militari e civili utilizzare in tutto il mondo.
Materiali ad alta temperatura a 760 gradi Dalla fine degli anni '30, Gran Bretagna, Germania, Stati Uniti e altri paesi iniziarono a studiare le superleghe. Durante la seconda guerra mondiale, per soddisfare le esigenze dei nuovi motori aeronautici, la ricerca e l'utilizzo delle superleghe entrarono in un periodo di rapido sviluppo. All'inizio degli anni '40, il Regno Unito aggiunse per la prima volta una piccola quantità di alluminio e titanio alla lega 80Ni-20Cr per formare una fase ' (gamma prime) per il rafforzamento, e sviluppò la prima lega a base di nichel con alto -resistenza alla temperatura. Durante questo periodo, per soddisfare le esigenze di sviluppo di turbocompressori per motori aeronautici a pistoni, gli Stati Uniti iniziarono a utilizzare le leghe Vitallium a base di cobalto per realizzare pale.
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Vale la pena ricordare che gli Stati Uniti hanno anche sviluppato leghe a base di nichel Inconel per realizzare camere di combustione per motori a reazione. Successivamente, per migliorare ulteriormente la resistenza alle alte temperature della lega, i metallurgisti aggiunsero elementi come tungsteno, molibdeno e cobalto alla lega a base di nichel per aumentare il contenuto di alluminio e titanio e svilupparono una serie di leghe, come come "Nimonic" nel Regno Unito e "Nimonic" negli Stati Uniti. "Mar-M" e "IN", ecc.; aggiungendo nichel, tungsteno e altri elementi alle leghe a base di cobalto per sviluppare una varietà di leghe resistenti alle alte temperature, come X-45, HA-188, FSX-414, ecc. A causa di la mancanza di risorse di cobalto, lo sviluppo di superleghe a base di cobalto è limitato.
Negli anni '40 furono sviluppate anche superleghe a base di ferro. Negli anni '50 apparvero gradi come A-286 e Incoloy901, ma a causa della scarsa stabilità alle alte temperature, lo sviluppo fu lento. L'ex Unione Sovietica ha iniziato a produrre superleghe a base di nichel del marchio "ЭИ" nel 1950, e successivamente ha prodotto la serie "ЭП" di superleghe deformate e la serie ЖС di superleghe fuse. Negli anni '70, gli Stati Uniti adottarono anche un nuovo processo produttivo per la produzione di pale di cristallizzazione direzionale e dischi di turbina per metallurgia delle polveri e svilupparono componenti in lega ad alta temperatura come pale a cristallo singolo per soddisfare le esigenze del continuo aumento della temperatura di ingresso dell'aero -turbine motore.
Le superleghe sono sviluppate per soddisfare i requisiti molto esigenti dei motori a reazione sui materiali e sono diventate un materiale chiave insostituibile per i componenti hot end dei motori a turbina a gas militari e civili. Nei motori aeronautici avanzati, la proporzione di leghe resistenti alle alte temperature ha raggiunto oltre il 50%.
Lo sviluppo di leghe resistenti alle alte temperature è strettamente correlato al progresso tecnologico dei motori aeronautici, in particolare il disco della turbina, il materiale delle pale della turbina e il processo di fabbricazione delle parti calde del motore sono simboli importanti dello sviluppo del motore. A causa degli elevati requisiti di resistenza alle alte temperature e capacità di carico del materiale, la lega Nimonic80 rinforzata Ni3 (Al, Ti) è stata sviluppata nei primi giorni nel Regno Unito, che è stata utilizzata come materiale per la pala della turbina del motore a turbogetto. Inoltre, la lega della serie Nimonic è stata continuamente sviluppata. Gli Stati Uniti hanno sviluppato leghe a base di nichel rinforzate per dispersione contenenti alluminio e titanio, come le serie di leghe Inconel, Mar-M e Udmit sviluppate rispettivamente dalle famose Pratt & Whitney Company, GE Company e Special Metals Company.
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Nel processo di sviluppo delle superleghe, il processo di fabbricazione gioca un ruolo importante nel promuovere lo sviluppo delle leghe. A causa dell'emergere della tecnologia di fusione sotto vuoto, la rimozione di impurità e gas nocivi nelle leghe, in particolare il controllo preciso della composizione della lega, ha continuamente migliorato le prestazioni delle superleghe. In particolare, la ricerca di successo di nuove tecnologie come la solidificazione direzionale, la crescita monocristallina, la metallurgia delle polveri, l'alligazione meccanica, il nucleo ceramico, la filtrazione ceramica e la forgiatura isotermica ha promosso il rapido sviluppo delle superleghe. Tra questi, la tecnologia di solidificazione direzionale è la più importante. La lega direzionale e monocristallina prodotta dal processo di solidificazione direzionale ha una temperatura di servizio prossima al 90 percento del punto di fusione iniziale. Pertanto, le pale dei motori aeronautici avanzati in tutto il mondo utilizzano leghe monocristalline direzionali per produrre pale delle turbine. Da una prospettiva globale, le superleghe colate a base di nichel hanno formato cristalli equiassici, cristalli colonnari solidificati direzionalmente e sistemi di leghe a cristallo singolo. Le superleghe in polvere sono state sviluppate anche dalla prima generazione di dischi per turbina in polvere da 650 gradi a 750 gradi, 850 gradi e dischi in polvere a doppia prestazione per quei motori avanzati ad alte prestazioni.
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compositi a matrice ceramica
Cosa sono i compositi a matrice ceramica? È un tipo di materiale composito che utilizza la ceramica come matrice e varie fibre. La matrice ceramica può essere ceramica strutturale ad alta temperatura come nitruro di silicio e carburo di silicio. Queste ceramiche avanzate hanno proprietà eccellenti come resistenza alle alte temperature, elevata resistenza e rigidità, peso relativamente leggero e resistenza alla corrosione. La fatale debolezza è che sono fragili. Quando sono sotto stress, si incrinano o addirittura si rompono causando il cedimento del materiale. L'uso di fibre e matrici composite ad alta resistenza ed elasticità è un metodo efficace per migliorare la tenacità e l'affidabilità della ceramica. Le fibre possono impedire l'espansione delle crepe, ottenendo così compositi a matrice ceramica rinforzati con fibre con un'eccellente tenacità.
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I compositi a matrice ceramica sono stati utilizzati come ugelli per motori a razzo liquido, radome missilistici, coni per navette spaziali, dischi freno per aerei e dischi freno per automobili di fascia alta, ecc., diventando un importante ramo di nuovi materiali high-tech.
Poiché i materiali ceramici hanno un'eccellente resistenza all'usura, elevata durezza e buona resistenza alla corrosione, sono stati ampiamente utilizzati. Tuttavia, il più grande svantaggio della ceramica è che sono fragili e sensibili a crepe e pori. Dagli anni '80, i compositi a matrice ceramica ottenuti aggiungendo particelle, baffi e fibre ai materiali ceramici hanno notevolmente migliorato la tenacità della ceramica.
I compositi a matrice ceramica hanno elevata resistenza, alto modulo, bassa densità, resistenza alle alte temperature, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione e buona tenacità e sono stati utilizzati in utensili da taglio ad alta velocità e componenti di motori a combustione interna. Tuttavia, lo sviluppo di questo tipo di materiale è relativamente tardivo e il suo potenziale deve ancora essere ulteriormente sviluppato. L'obiettivo della ricerca è applicarlo a materiali ad alta temperatura e materiali resistenti all'usura e alla corrosione, come turbine potenziate per motori a combustione interna ad alta potenza, componenti termici per veicoli aerospaziali e motori di veicoli invece di metalli, contenitori petrolchimici , attrezzature per l'incenerimento dei rifiuti, ecc.
Quando si tratta di ceramica, le persone pensano naturalmente alla sua fragilità. Più di dieci anni fa, se veniva utilizzato come parte portante in campo ingegneristico, era impossibile per chiunque accettarlo. Fino ad ora, quando si tratta di materiali compositi ceramici, alcune persone potrebbero non essere chiare, pensando che ceramica e metalli siano in origine due materiali irrilevanti. Tuttavia, dal momento che le persone combinano abilmente ceramica e metalli, il concetto di questo materiale da parte delle persone ha subito un cambiamento fondamentale, che sono i compositi a matrice ceramica.
Il materiale composito a matrice ceramica è un nuovo materiale strutturale molto promettente nel campo dell'industria aeronautica, in particolare nell'applicazione della produzione di motori aeronautici, sta mostrando sempre più la sua unicità. Oltre ai vantaggi della leggerezza e dell'elevata durezza, i compositi a matrice ceramica hanno anche un'eccellente resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione alle alte temperature. Allo stato attuale, i compositi a matrice ceramica hanno superato i materiali metallici resistenti al calore in termini di resistenza alle alte temperature e hanno buone proprietà meccaniche e stabilità chimica. Sono materiali ideali ed eccellenti per le aree ad alta temperatura dei motori a turbina ad alte prestazioni.
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I paesi di tutto il mondo si stanno concentrando sulla ricerca sulle ceramiche rinforzate con nitruro di silicio e carburo di silicio per soddisfare i requisiti dei materiali della prossima generazione di motori avanzati
materiali, e ha fatto grandi progressi, soprattutto nei moderni motori aeronautici. Ad esempio, il motore F120 della macchina di verifica americana, il suo dispositivo di tenuta della turbina ad alta pressione e alcune parti ad alta temperatura della camera di combustione sono tutti realizzati in materiali ceramici. Per un altro esempio, anche la camera di combustione e l'ugello del motore francese M88-2 utilizzano compositi a matrice ceramica.
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Nuovi materiali di composti intermetallici
Cosa sono i composti intermetallici? Composti di metalli e metalli o metalli e metalloidi (come H, B, N, S, P, C, Si, ecc.). Gli atomi dei due metalli sono combinati in una certa proporzione per formare una composizione di lega diversa dai due reticoli cristallini originali. I composti intermetallici sono nuovi tipi di materiali che hanno ricevuto un'attenzione diffusa.
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Infatti, lo sviluppo di motori aeronautici ad alte prestazioni e con elevato rapporto spinta/peso ha promosso lo sviluppo e l'applicazione di composti intermetallici. I composti intermetallici sono generalmente composti composti da elementi metallici binari, ternari o multielemento. I composti intermetallici hanno un grande potenziale nelle applicazioni strutturali ad alta temperatura. Ha un'elevata temperatura di servizio, resistenza specifica, conduttività termica e, soprattutto ad alta temperatura, ha anche una buona resistenza all'ossidazione, resistenza alla corrosione ed elevata resistenza allo scorrimento. . Inoltre, poiché il composto intermetallico è un nuovo materiale tra la superlega e il materiale ceramico, colma il divario tra i due materiali, quindi diventa uno dei materiali ideali per i componenti ad alta temperatura dei motori aeronautici.
Nella struttura globale dei motori aeronautici, la ricerca e lo sviluppo si concentrano principalmente su composti intermetallici come titanio-alluminio e nichel-alluminio. Questi composti di titanio e alluminio hanno sostanzialmente la stessa densità del titanio, ma hanno una temperatura di servizio più elevata. Ad esempio, le temperature operative di TiAl sono rispettivamente di 816 gradi e 982 gradi. Il composto intermetallico ha un forte legame tra gli atomi e una complessa struttura cristallina, che lo rende difficile da deformare, ed è duro e fragile a temperatura ambiente. Dopo anni di ricerca sperimentale, è stato sviluppato con successo un nuovo tipo di lega con resistenza alle alte temperature, plasticità e tenacità a temperatura ambiente, che è stata installata e utilizzata e l'effetto è molto buono. Ad esempio, il motore F119 ad alte prestazioni negli Stati Uniti utilizza composti intermetallici nella carcassa e nei dischi della turbina, e le pale e i dischi del compressore del motore F120 della macchina di verifica utilizzano nuovi composti intermetallici titanio-alluminio.
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compositi a matrice di resina
Cosa sono i compositi a matrice di resina? È un materiale rinforzato con fibre a base di un polimero organico, solitamente utilizzando rinforzi in fibra come fibra di vetro, fibra di carbonio, fibra di basalto o fibra aramidica. I materiali compositi a base di resina sono ampiamente utilizzati nell'industria aeronautica, automobilistica e marittima.
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La matrice di resina dei materiali compositi è principalmente resina termoindurente. Già negli anni '40, la plastica rinforzata con fibra di vetro veniva utilizzata come radome su aerei da combattimento e bombardieri. Negli anni '60, gli Stati Uniti utilizzavano resina epossidica rinforzata con fibra di boro come timoni, stabilizzatori orizzontali, bordi d'uscita delle ali, porte del timone, ecc. Su aerei militari come F-4 e F-111. In termini di produzione di missili, alla fine degli anni '50, l'involucro del motore a razzo solido di secondo stadio del missile sottomarino a medio raggio statunitense "Polaris A-2" utilizzava parti di avvolgimento in resina epossidica rinforzata con fibra di vetro, che sono migliori rispetto alle casse in acciaio. 27% più leggero; successivamente, la fibra di vetro ad alte prestazioni è stata utilizzata al posto della normale fibra di vetro per realizzare "Polaris A-3", che ha reso il peso del guscio più leggero del 50% rispetto a quello del guscio in acciaio, in modo che la gamma di "Polaris A{{ Il missile 12}}" è stato modificato da 2700mila metri aumentato a 4500 km. Negli anni '70, la fibra aramidica è stata utilizzata al posto della fibra di vetro per rinforzare la resina epossidica e la resistenza è stata notevolmente migliorata, mentre il peso è stato ridotto. I compositi in resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio sono ampiamente utilizzati in aerei, missili, satelliti e altre strutture.
La ricerca sull'applicazione di materiali compositi a base di resina nei motori turbofan dell'aviazione è iniziata negli anni '50. Dopo oltre 60 anni di sviluppo, GE, PW, RR, MTU, SNECMA e altre società hanno investito molte energie nella ricerca e nello sviluppo di materiali compositi a base di resina e hanno ottenuto grandi progressi. stato applicato ai motori turbofan dell'aviazione attiva e vi è la tendenza ad espandere ulteriormente la sua applicazione.
La temperatura di servizio dei compositi a matrice di resina generalmente non supera i 350 gradi. Pertanto, i compositi a matrice di resina sono utilizzati principalmente nella parte fredda dei motori aeronautici.
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compositi a matrice metallica
Cosa sono i compositi a matrice metallica? È un materiale composito combinato artificialmente con il metallo e la sua lega come matrice e uno o più rinforzi metallici o non metallici. La maggior parte dei suoi materiali di rinforzo sono non metalli inorganici, come ceramica, carbonio, grafite e boro, ecc., e possono essere utilizzati anche fili metallici. Insieme ai compositi a matrice polimerica, ai compositi a matrice ceramica e ai compositi carbonio/carbonio, forma un moderno sistema composito.
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Le caratteristiche dei materiali compositi a matrice metallica: in termini di meccanica, hanno un'elevata resistenza trasversale e al taglio, buone proprietà meccaniche complete come tenacità e fatica, e hanno anche conducibilità termica, conducibilità elettrica, resistenza all'usura, piccolo coefficiente di dilatazione termica, buon smorzamento , nessun assorbimento di umidità e nessuna resistenza alla corrosione. Vantaggi come l'invecchiamento e nessun inquinamento. Ad esempio, la resistenza specifica dei materiali compositi in alluminio rinforzato con fibra di carbonio è 3~4×107 mm e il modulo specifico è 6~8×109 mm. Ad esempio, il modulo specifico del magnesio rinforzato con fibra di grafite può raggiungere 1,5 × 1010 mm e il suo coefficiente di dilatazione termica è quasi pari a zero.
Vale la pena ricordare che, rispetto ai materiali compositi a base di resina, i materiali compositi a base di metallo hanno una buona tenacità, non assorbono l'umidità e possono resistere a temperature relativamente elevate. Le fibre di rinforzo dei compositi a matrice metallica includono fibre metalliche, come acciaio inossidabile, tungsteno, piombo, composti intermetallici di nichel-alluminio, ecc.; fibre ceramiche, come allumina, ossido di silicio, carbonio, boro, carburo di silicio, ecc.
I materiali della matrice dei compositi a matrice metallica includono alluminio, lega di alluminio, magnesio, leghe Chin e Chin, leghe resistenti al calore, leghe di diamante, ecc. Tra questi, i materiali compositi a base di leghe di alluminio, leghe di alluminio e leghe di ferro sono attualmente le scelte principali . Ad esempio, i compositi a matrice in lega Chin rinforzati con fibra di SiC possono essere utilizzati per realizzare pale del compressore. I compositi a matrice di magnesio o lega di magnesio rinforzati con fibra di carbonio o fibra di allumina possono essere utilizzati per fabbricare le pale del turboventola. Un altro esempio è che i compositi a matrice di lega a base di nichel rinforzati con fibra di nichel-cromo-alluminio-iridio possono essere usati per fabbricare elementi di tenuta per turbine e compressori.
Inoltre, gli involucri delle ventole, i rotori, i dischi dei compressori e altre parti sono tutti realizzati con compositi a matrice metallica all'estero. Ma uno dei maggiori problemi con questo tipo di materiale composito è che è facile reagire tra la fibra di rinforzo e il metallo della matrice per produrre una fase fragile, che deteriora le prestazioni del materiale. Soprattutto quando viene utilizzato a lungo a una temperatura più elevata, la reazione dell'interfaccia è più evidente. La soluzione attuale consiste nell'aggiungere rivestimenti appropriati sulla superficie della fibra e legare il metallo della matrice secondo diverse fibre e diversi substrati, in modo da rallentare la reazione dell'interfaccia e mantenere l'affidabilità delle prestazioni del materiale composito.
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Materiali utilizzati nelle pale della ventola del motore
La pala della ventola del motore è la parte più rappresentativa e molto importante del motore turbofan e le prestazioni del motore turbofan sono strettamente correlate al suo sviluppo. Rispetto alle pale del ventilatore in lega di titanio, le pale del ventilatore in materiale composito a matrice di resina hanno un vantaggio molto evidente nella riduzione del peso. Oltre agli ovvi vantaggi della riduzione del peso, le pale della ventola in composito a base di resina hanno un impatto minore sull'alloggiamento della ventola dopo l'impatto, quindi è vantaggioso migliorare il contenimento dell'alloggiamento della ventola.
I principali rappresentanti delle pale in materiale composito per applicazioni commerciali all'estero sono: motori della serie GE90 per B777, motori GEnx per B787 e motori LEAP-X per COMAC C919. Già nel 1995, il motore GE90-94B dotato di pale del ventilatore in materiale composito a base di resina è stato ufficialmente messo in funzione commerciale, segnando la realizzazione ufficiale dell'applicazione ingegneristica dei materiali compositi a base di resina nei moderni motori aeronautici ad alte prestazioni . Sulla base di una considerazione completa dell'aerodinamica, dei cicli di fatica ad alto e basso numero di cicli e di altri fattori, GE ha sviluppato una nuova pala della ventola composita per il successivo motore GE90-115B.
Nel 21° secolo, la forte domanda di motori aeronautici per materiali compositi ad alta tolleranza ai danni guida l'ulteriore sviluppo della tecnologia dei materiali compositi ed è difficile soddisfare i requisiti dei materiali ad alta tolleranza ai danni migliorando continuamente la tenacità della fibra di carbonio /prepreg in resina epossidica. Di conseguenza, iniziarono ad apparire le pale del ventilatore composito con struttura tessuta 3D.
Materiali utilizzati nella cassa della ventola del motore
L'involucro della ventola del motore è la parte fissa più grande di un motore aeronautico e la sua riduzione di peso influirà direttamente sul rapporto spinta-peso e sull'efficienza di un motore aeronautico. Pertanto, gli OEM avanzati di motori aeronautici stranieri si sono sempre impegnati nella riduzione del peso e nell'ottimizzazione strutturale dell'involucro della ventola.
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Materiali utilizzati per i cappucci delle ventole del motore
Poiché si tratta di un componente non portante principale, la cappottatura della ventola è una delle prime parti realizzate in materiali compositi su un motore aeronautico. La cappa del ventilatore in materiali compositi può fornire un peso più leggero, una struttura antigelo semplificata, una migliore resistenza alla corrosione e una migliore resistenza alla fatica. Come il famoso motore RB211 della società RR, il PW1000G e il PW4000 della società PW utilizzano materiali compositi a base di resina per preparare i cappucci delle ventole.
Rispetto ai mainframe dei motori aeronautici, i materiali compositi a base di resina hanno uno spazio di applicazione molto ampio nelle gondole dei motori aeronautici. I produttori globali hanno utilizzato materiali compositi a base di resina su larga scala nelle prese d'aria della navicella, nelle carenature, negli invertitori di spinta e nei rivestimenti per la riduzione del rumore. Materiale. In termini di altre parti, i materiali compositi a base di resina vengono applicati anche in varia misura nelle piastre di scorrimento delle ventole dei motori aeronautici, nei coperchi di tenuta dei cuscinetti e nelle piastre di copertura.
