Cuprul este un conductor maleabil, ductil și excelent de căldură și electricitate. Este utilizat în diverse industrii, inclusiv electrice, construcții, auto și instalații sanitare. Există diferite grade și standarde de materiale de cupru și iată câteva dintre ele:
În ultimii ani, deși continuă să acorde atenție siguranței aeronavelor și motoarelor, comunitatea aviației naționale și străine este, de asemenea, din ce în ce mai preocupată de economisirea resurselor, reducerea costurilor, protejarea mediului și alte probleme. În acest context, industria aviației ecologice a înregistrat anumite progrese. Aviația verde acoperă întregul proces de dezvoltare și utilizare a aeronavelor de proiectare, fabricare, utilizare, întreținere, retragere, recuperare etc., implicând domenii tehnice, inclusiv materiale ecologice, producție ecologică, întreținere ecologică etc.
Așa-numitul material verde se referă la maximizarea utilizării resurselor și la minimizarea costurilor de utilizare și a impactului asupra mediului pe parcursul întregului ciclu de proiectare a materialelor, selecție a materiilor prime, procesare și fabricare, ambalare și transport, utilizare, recuperare și reutilizare. Țara noastră a început să dezvolte energic noi tehnologii de materiale, fiecare tehnologie nouă de materiale a fost făcută o descoperire, cercetarea aviației de noi materiale a făcut realizări îmbucurătoare. Privind în viitor, noi materiale de aviație vor fi dezvoltate în direcția polivalentă, de înaltă performanță, procese noi, costuri reduse și concepte noi. Odată cu îmbunătățirea nivelului de cercetare și dezvoltare independentă al Chinei în domeniul noilor materiale de aviație, trebuie să îmbunătățim în mod cuprinzător nivelul tehnic al materialelor de aviație verzi din aspectele legate de proiectarea materialelor, procesul de pregătire, dezvoltarea materialelor, reciclare și alte aspecte și împreună. a crea un viitor mai bun al aviației ecologice.
În primul rând, necesitatea dezvoltării industriei aviatice ecologice
2021 este primul an al celui de-al 14-lea plan cincinal. Ca poziție de bază a întregului lanț al industriei militare, noul sector de materiale este de așteptat să inaugureze un spațiu mai mare pentru dezvoltare. Secolul XX este un secol de dezvoltare rapidă a științei și tehnologiei moderne, unul dintre simbolurile importante este realizările strălucitoare pe care le-a făcut ființele umane în domeniul aeronauticii și astronauticii. În secolul 21, industria aerospațială a arătat o perspectivă mai largă de dezvoltare, iar activitățile aerospațiale de nivel înalt sau ultra-înalt au devenit mai frecvente. Marile realizări ale industriei aerospațiale sunt inseparabile de dezvoltarea și descoperirea tehnologiei materialelor aerospațiale. Materialele sunt fundația și precursorul înaltei tehnologii și industriei moderne și, în mare măsură, sunt condiția prealabilă pentru descoperirea înaltei tehnologii. Dezvoltarea materialelor aerospațiale joacă un rol important în susținerea și garantarea tehnologiei aerospațiale. La rândul lor, nevoile de dezvoltare ale tehnologiei aerospațiale conduc și promovează foarte mult dezvoltarea materialelor aerospațiale. Se poate spune că progresul materialelor joacă un rol cheie de sprijin în modernizarea aeronavelor.
Materialele aeronautice nu sunt doar garanția materială pentru dezvoltarea și producția de produse aeronautice, ci și baza tehnică pentru modernizarea produselor aeronautice. Materialele joacă un rol important în dezvoltarea industriei aviației și a produselor aviatice. În secolul 21, materialele de aviație se dezvoltă în direcția de înaltă performanță, înaltă funcție, multifuncțională, integrare a structurii și funcțiilor, compus, inteligent, cost redus și compatibilitate cu mediul.
În raportul său de lucru guvernamental din 2022, fostul premier Li Keqiang a propus să îmbunătățească continuu mediul ecologic, să promoveze dezvoltarea verde și cu emisii scăzute de carbon, să consolideze controlul poluării și protecția și restaurarea ecologică, să atingă un echilibru între dezvoltare și reducerea emisiilor și să promoveze coexistența armonioasă între omul si natura. În ultimii ani, deși continuă să acorde atenție siguranței aeronavelor, comunitatea aviației naționale și străine este, de asemenea, din ce în ce mai preocupată de economisirea resurselor, reducerea costurilor, protecția mediului și alte probleme. În acest context, aviația verde a înregistrat anumite progrese. Aeronavele către direcția de dezvoltare mai sigură și fiabilă, ușoară, durabilă, verde, astfel a prezentat cerințe din ce în ce mai mari pentru materiale, dar, de asemenea, promovează aeronava în viteza de zbor, fiabilitate, costuri reduse, eficiență ridicată și confort și alte aspecte ale upgrade-ului . În noua situație industrială, dezvoltarea materialelor ecologice pentru aviație de ultimă generație și tehnologia de pregătire și procesare a acesteia este de mare importanță pentru a sprijini dezvoltarea durabilă a industriei aviatice chineze. Într-un cuvânt, condusă de dezvoltarea rapidă a industriei moderne globale, dezvoltarea ecologică a materialelor de aviație este o tendință inevitabilă și o cerință urgentă a dezvoltării economice.
ii. Progresul cercetării noilor materiale aeronautice
Materialele aeronavei determină într-o oarecare măsură costul de fabricație al structurii caroseriei aeronavei. Deoarece echipamentul de aviație al Chinei a fost introdus în principal în faza incipientă, acesta utilizează în principal sistemul de materiale străine în selecția materialelor. În ultimii ani, China a început să dezvolte viguros noi tehnologii de materiale, iar noua tehnologie a materialelor a făcut progrese continue, iar cercetarea asupra noilor materiale de aviație a făcut, de asemenea, realizări îmbucurătoare. Cu toate acestea, există încă un decalaj mare între nivelul general al industriei de materiale noi pentru aviație și nivelul avansat internațional.
(A) Aliaj de titan: proprietăți excelente ale „metalului universal”
Titanul are caracteristicile de greutate specifică scăzută și rezistență specifică ridicată, iar aliajul său este de mare importanță pentru creșterea raportului tracțiune-greutate al aeronavelor în domeniul aerospațial și a fost utilizat pe scară largă în ultimii ani. Pe lângă domeniile militare și aerospațiale, aliajul de titan este utilizat pe scară largă în chimie, metalurgie, medical, sport și agrement și alte domenii.
Stadiul dezvoltării materialelor din aliaj de titan pentru aviație în străinătate
1) Aliaj de titan la temperatură înaltă: aliajul de titan la temperatură înaltă este utilizat în principal în șina de glisare a clapetelor aeronavei, carcasa rulmenților, suportul, capota motorului, discul și lama compresorului, carcasa și alte părți structurale ale cadrului. Aceste componente necesită rezistență specifică ridicată, rezistență la oboseală, rezistență la fluaj și stabilitate structurală la 300 ~ 600 de grade. În prezent, în numele nivelului internațional avansat de aliaje de titan la temperatură înaltă, mărcile includ în principal Ti-6242S, Ti-1100, IMI834, BT36 din Rusia și așa mai departe.
2) Aliaj de titan de înaltă rezistență: aliajul de titan de înaltă rezistență se referă de obicei la rezistența la tracțiune de peste 1000MPa de aliaj de titan, utilizat în principal pentru a înlocui oțelul structural de înaltă rezistență utilizat în mod obișnuit în structura aeronavei, poate obține o reducere a greutății cu 10%. În prezent, aliajele de titan de înaltă rezistență utilizate în aeronave sunt în principal aliaje de titan de tip, reprezentative pentru principalele Ti-1023, BT22, Ti-153, -21S și așa mai departe.
3) Aliaj ignifug de titan: în prezent, aliajele tipice de titan ignifuge sunt aliajul C în Statele Unite și BTT-1 în Rusia. Aliajul C (Ti-35V{-15Cr), dezvoltat în Statele Unite, este un aliaj de titan cu rezistență bună la temperatură ridicată și rezistență la oxidare. A fost aplicat pe carcasa compresorului de înaltă presiune, paleta de ghidare și duza cu coadă vectorială a motorului Fl19. Aliajul de titan Ti-Cu-Al BTT-1 ignifug dezvoltat în Rusia are o bună lucrabilitate termică și a fost utilizat în carcasa și paletele compresorului motorului.
Starea dezvoltării materialelor din aliaje de titan pentru aviația internă
1) Aliaj de titan la temperatură înaltă: aliajul Ti-60 este un aliaj de titan la temperatură înaltă de 600 de grade dezvoltat independent de țara noastră. Aliajul se bazează pe aliaj TAl₂ (Ti-55) adăugând elemente Al, Sn, Si cu conținut adecvat, astfel încât să îmbunătățească în continuare stabilitatea termică, fluajul la temperatură ridicată și rezistența la oxidare la temperatură ridicată a aliajului.
2) Aliaj structural de titan de înaltă rezistență: Un lot de aliaj de titan structural de înaltă rezistență a fost dezvoltat independent în anii 1970 până în anii 1990. Rezistența acestor aliaje de titan poate atinge nivelul de 1100-1300MPa. La începutul secolului 21, există două tipuri de aliaj de titan beta reprezentativ: ① aproape titan Ti-B18, rezistența la tracțiune poate ajunge la 1150 ~ 1350MPa; ② Aliaj metastabil de titan Ti-B20, rezistență la tracțiune de până la 1200 ~ 1600MPa.
3) Aliaj ignifug de titan: De-a lungul anilor, China a efectuat cercetări aprofundate asupra aliajului de titan ignifug. Referindu-se la aliajul AlloyC, au fost proiectate seriile de aliaje de titan ignifuge Ti-V-Cr-Al, Ti-Mo-Cr-Al, Ti-Mo-V-Cr-Al3, iar mecanismul anti-combustie a fost studiat prin mijloace de simulare pe calculator. În plus, aliajele de titan ignifuge TF1 (seria Ti-V-Cr-C) și TF2 (seria Ti-Cu) au fost proiectate după analiza sistematică a diferitelor sisteme din Statele Unite, Marea Britanie și Rusia. Aliajul Ti-40 (Ti-V-Cr-Si) este un aliaj de titan ignifug de tip dezvoltat independent în China. În comparație cu aliajul convențional de titan, aliajul Ti-40 are proprietăți mecanice și ignifuge excelente. În prezent, cercetarea aliajelor s-a dezvoltat de la scara de laborator la scara semi-industrială, a reușit să pregătească lingouri de Ti40 tone, bare de dimensiuni mari și forjare cu inele.
Datorită începerii târzii a industriei interne de producție a aviației, titanul și materialele din aliaje de titan în domeniul aviației interne consumul nu este mare, materialele de titan utilizate în domeniul aviației au reprezentat mai puțin de 20 la sută, cu mult sub nivelul mediu internațional de aproximativ 50 la sută , iar industria de titan în comparație cu țările dezvoltate, există încă un decalaj mare: în primul rând, produsele din aliaje de titan de ultimă generație sunt încă în principal imitații, nivelul de dezvoltare a materialului este scăzut, domeniul de aplicare este îngust, performanță cuprinzătoare ridicată și performanță scăzută. costul de dezvoltare a aliajului de titan este în mare parte în stadiul de laborator; În al doilea rând, calitatea metalurgiei nu este stabilă, mai puține soiuri, specificații incomplete; În al treilea rând, progresul cercetării tehnologiilor de sprijin aferente este lent, iar sistemul de materiale din aliaj de titan dezvoltat singur trebuie îmbunătățit.
(2) Superaliaj: concentrarea pe nevoile motoarelor militare
Superaliaj, pentru temperaturi ridicate
Oțelul tradițional se înmoaie peste 300 de grade Celsius și nu poate face față temperaturilor ridicate. Pentru a obține o eficiență mai mare a conversiei energiei, domeniul puterii motorului termic are nevoie de o temperatură de lucru din ce în ce mai mare. Drept urmare, superaliajele au fost create pentru a funcționa stabil la temperaturi de peste 600 de grade Celsius, iar tehnologia continuă să se îmbunătățească.
Superaliajele sunt împărțite în superaliaje pe bază de fier și superaliaje pe bază de nichel în funcție de elementele principale ale aliajului. Potrivit Zhiyan Consulting, împărțită în funcție de procesul de produs în 2018, producția de superaliaj pe bază de nichel a reprezentat 80%, superaliaj pe bază de fier 14,3% și superaliaj pe bază de cobalt 5,7%.
Superaliajul este materialul cheie al motorului de aeronavă. Superaliajul a fost folosit în motoarele aerospațiale încă de la naștere și este un material important pentru fabricarea motoarelor aerospațiale. Nivelul de performanță al motorului depinde în mare măsură de nivelul de performanță al materialului superaliaj. În motoarele de aeronavă moderne, cantitatea de material superaliat reprezintă 40% ~ 60% din greutatea totală a motorului. Este utilizat în principal în patru componente hot end: camera de ardere, ghidaj, paleta turbinei și discul turbinei. În plus, este utilizat și în carcasă, părți inelare, post-ardere și duză de coadă.
Industria chineză a aliajelor la temperatură înaltă se află în prezent în perioada de creștere, iar întreprinderile din lanțul industrial au un spațiu larg de dezvoltare în viitor. Numărul întreprinderilor de producție de superaliaje din China este limitat, iar nivelul de producție este în urmă cu cel din Statele Unite, Rusia și alte țări. Cu toate acestea, în ultimii ani, capacitatea de producție și valoarea producției au fost îmbunătățite semnificativ. Multe proiecte de capacitate de producție de superaliaje ale Lianshi Aviation, Western Superconductor și alte companii sunt în construcție și puse în funcțiune.
Proprietățile superaliajului pentru motoare aerodinamice se dezvoltă continuu
1) Superaliaj pe bază de fier: una dintre caracteristicile sistemului de superaliaj chinezesc.
Datorită lipsei de nichel și puțin cobalt din resursele chineze, dezvoltarea, producția și aplicarea superaliajului pe bază de fier a devenit o scenă strălucitoare în anii 1960 și 1970.
Superaliajele pe bază de fier sunt utilizate în general în piesele de motor cu temperaturi scăzute de funcționare (600~850 grade C), cum ar fi discuri de turbină, carcasă și arbori. Cu toate acestea, superaliaj pe bază de Fe are proprietăți mecanice bune la temperatură medie, comparabile sau mai bune decât aliajele similare pe bază de nichel. În plus, este ieftin și ușor de deformat la lucru la cald. Prin urmare, superaliajul pe bază de Fe este încă utilizat pe scară largă ca materiale pentru discuri de turbină și palete de turbină în domeniul temperaturii medii.
2) Superaliaj pe bază de nichel: deformare/turnare/actualizare a aliajului nou după generație.
Superaliajele pe bază de nichel funcționează în general în anumite condiții de stres peste 600 de grade. Nu numai că au o bună rezistență la oxidare și rezistență la coroziune la temperaturi ridicate, dar au și rezistență la temperaturi ridicate, rezistență la fluaj și rezistență de durată, precum și o bună rezistență la oboseală. Este utilizat în principal în domeniul aerospațial pentru componentele structurale care lucrează în condiții de temperatură ridicată, cum ar fi paletele de lucru, discuri ale turbinei, camerele de ardere ale motoarelor aeriene etc.
În conformitate cu procesul de fabricație, superaliaj pe bază de nichel poate fi împărțit în aliaj variabil, superaliaj de turnare, superaliaj nou. Superaliajul turnat pe bază de nichel este utilizat în principal la paletele de ghidare ale turbinei din motoare, unde temperatura de funcționare poate ajunge la mai mult de 1100 de grade sau poate fi folosit și la paletele de turbină, a căror temperatură este mai mică decât lama de ghidare corespunzătoare 50-100 grad .
Pe măsură ce temperatura de lucru a aliajului rezistent la căldură este din ce în ce mai mare, elementele de întărire din aliaj sunt din ce în ce mai multe, compoziția este mai complexă, rezultând că unele aliaje pot fi utilizate numai în stare turnată, nu pot fi deformate de lucru la cald. În plus, creșterea elementelor de aliere face ca segregarea compoziției aliajului pe bază de nichel să fie gravă după solidificare, rezultând microstructură și proprietăți neuniforme. Utilizarea procesului de metalurgie a pulberilor pentru a produce superaliaj poate rezolva problemele de mai sus. Deoarece particulele de pulbere sunt mici, viteza de răcire este rapidă atunci când se face pulbere, segregarea este eliminată, lucrabilitatea la cald este îmbunătățită, aliajul care poate fi turnat este schimbat în superaliaj de deformare care poate fi prelucrat la cald, limita de curgere. iar proprietățile de oboseală sunt îmbunătățite, superaliajul pulbere a produs o nouă modalitate de producere a aliajului de rezistență mai mare. Superaliajul pulbere este utilizat în principal la fabricarea discurilor de turbină ale unui motor aerodinamic avansat cu un raport de tracțiune ridicat și, de asemenea, la producerea discului compresorului, a arborelui turbinei, a deflectorului turbinei și a altor părți fierbinți la temperaturi înalte ale motorului aerodinamic avansat.
3) superaliaj pe bază de cobalt: rezistența la coroziune și alte domenii speciale au perspective largi.
Rezistența la oxidare a superaliajului pe bază de cobalt este slabă, dar rezistența sa la coroziune termică este mai bună decât nichelul. Superaliajul pe bază de cobalt are, de asemenea, o rezistență mai mare la temperatură înaltă, rezistență la coroziune termică, oboseală termică și rezistență la fluaj decât superaliajul pe bază de nichel, care este potrivit pentru fabricarea palelor și duzelor de ghidare ale turbinei cu gaz.
Din cauza resurselor limitate, în țara noastră au fost dezvoltate aliaje pe bază de cobalt precum K40, GH188 și L605. Începând cu anul 2001, cercetările GE în domeniul superaliajelor pe bază de cobalt s-au concentrat pe utilizarea superaliajelor pe bază de cobalt ca materiale de substrat pentru turbinele cu gaz și pe pregătirea de acoperiri, cum ar fi acoperiri cu barieră termică, pe suprafața aliajelor pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune.
Din cauza limitărilor materiale, cobaltul este relativ rar și scump pe Pământ. În prezent, căldura cercetării pe bază de cobalt a scăzut, iar multe cercetări științifice rămân în stadiul teoretic, cum ar fi experimentul de modelare digitală.
Prima generație de aliaj de aeronave militare, motor cu aliaj de temperatură ridicată sau intră în perioada de volum rapid
Cerințele de temperatură ale motorului cresc. Un raport mare tracțiune-greutate necesită o temperatură mai mare a duzei și un suport de material la o temperatură de funcționare mai mare. În dezvoltarea superaliajului în lume, materialele pentru lamele și discurile de motor au cunoscut patru etape, și anume deformare, turnare, orientare și monocristal. Temperatura crește treptat de la 600 de grade la mai mult de 1100 de grade.
Modernizarea aeronavelor militare a fost însoțită de modernizarea superaliajelor. Materialul de bază al motorului turbofan de prima generație este un superaliaj deformat, iar temperatura de lucru a materialului de bază este de 650 de grade. La a patra generație a motorului turboventilator, temperatura de lucru a materialului de bază a atins 1200 de grade, iar superaliajul monocristal este adoptat. Modernizarea aeronavelor militare a fost însoțită de modernizarea superaliajului, materialul de bază al motorului. Actualizarea superaliajului necesită cercetare