Die Luftfahrtfertigung ist der am stärksten konzentrierte High-Tech-Bereich und gehört zur fortschrittlichen Fertigungstechnologie. Zum Beispiel das von Pratt & Whitney aus den Vereinigten Staaten entwickelte F119-Triebwerk, das F120-Triebwerk der General Electric Company, das M88-2-Triebwerk der SNECMA Company aus Frankreich und das EJ200-Triebwerk, das gemeinsam vom Vereinigten Königreich und Deutschland entwickelt wurde , Italien und Spanien. Es ist erwähnenswert, dass diesen Flugzeugtriebwerken, die das weltweit fortschrittlichste Niveau darstellen, gemeinsam ist, dass sie neue Materialien, neue Prozesse und neue Technologien verwenden. Die sieben neuen verwendeten Materialien werden jeweils wie folgt vorgestellt:
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Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
Was sind Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe? Es handelt sich um einen durch Kohlenstofffasern und deren Gewebe verstärkten Kohlenstoffmatrix-Verbundwerkstoff mit geringer Dichte (<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.
Obwohl Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe viele ausgezeichnete Hochtemperatureigenschaften aufweisen, unterliegen sie in einer aeroben Umgebung mit einer Temperatur von mehr als 400 Grad Oxidationsreaktionen, was zu einer starken Verschlechterung der Materialeigenschaften führt. Daher muss die Anwendung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen in aeroben Hochtemperaturumgebungen über Oxidationsschutzmaßnahmen verfügen. Der Oxidationsschutz von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen erfolgt hauptsächlich auf zwei Arten: Die Matrixmodifikation und die Passivierung oberflächenaktiver Punkte können zum Schutz von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen bei niedrigeren Temperaturen verwendet werden; Wenn die Temperatur steigt, muss die Beschichtungsmethode verwendet werden, um das Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial vom direkten Kontakt mit Sauerstoff zu isolieren, um den Zweck des Oxidationsschutzes zu erreichen. Derzeit ist die Beschichtungsmethode die am häufigsten verwendete Methode. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie verlässt man sich immer mehr auf die Ultrahochtemperaturleistung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, und die einzig mögliche Oxidationsschutzlösung unter Ultrahochtemperaturbedingungen kann nur der Beschichtungsschutz sein. .
Erwähnenswert ist, dass Verbundwerkstoffe auf C/C-Basis ein neues Material mit höherer Temperaturbeständigkeit sind, das in den letzten Jahren weltweit die größte Aufmerksamkeit erhalten hat. Denn nur C/C-Verbundwerkstoffe gelten als einzige Nachfolgematerialien für Turbinenrotorschaufeln mit einem Schub-Gewichts-Verhältnis von mehr als 20 und einer Triebwerkseintrittstemperatur von 1930-2227 Grad. Das höchste strategische Ziel der fortgeschrittenen Industrieländer.
Bei dem sogenannten C/C-basierten Verbundwerkstoff handelt es sich um einen kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff-Grundverbundwerkstoff, der die feuerfesten Eigenschaften von Kohlenstoff mit der hohen Festigkeit und Steifigkeit von Kohlenstofffasern kombiniert und ihn dadurch nicht spröde macht. Da C/C-basierte Verbundwerkstoffe ein geringes Gewicht, eine hohe Festigkeit, eine hervorragende thermische Stabilität und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sind sie heute die idealsten hochtemperaturbeständigen Materialien, insbesondere in Hochtemperaturumgebungen von 1000-1300 Grad C Die Kraft nahm nicht nur nicht ab, sie konnte sogar zunehmen. Besonders wenn die Temperatur unter 1650 Grad liegt, behält es seine Festigkeit und Anmut bei Raumtemperatur. Daher haben C/C-basierte Verbundwerkstoffe ein großes Entwicklungspotenzial in der Luft- und Raumfahrtfertigung.
Es ist erwähnenswert, dass eines der Hauptprobleme von Verbundwerkstoffen auf C/C-Basis bei der Anwendung in Flugzeugtriebwerken die schlechte Oxidationsbeständigkeit ist. Daher haben die Vereinigten Staaten in den letzten Jahren eine Reihe technologischer Maßnahmen zur Lösung dieses Problems ergriffen und diese schrittweise auf den neuen Motor angewendet. Beispielsweise wurden die Heckdüse des Nachbrenners des amerikanischen F119-Triebwerks, die Düse und die Brennkammerdüse des F100-Triebwerks sowie einige Teile der Brennkammer der F120-Verifikationsmaschine aus C/C-basierten Verbundwerkstoffen hergestellt. Ein weiteres Beispiel ist das französische M88-2-Triebwerk, und auch der Nachbrenner-Kraftstoffeinspritzstab, der Hitzeschild und die Düse des Mirage 2000-Triebwerks verwenden Verbundwerkstoffe auf C/C-Basis.
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Neues Material aus ultrahochfestem Stahl
Was ist ultrahochfester Stahl? Mitte der {0}}er Jahre entwickelten die Vereinigten Staaten Cr-Mo-Stahl (AISI4130) und Cr-Ni-Mo-Stahl (AISI 4340). Nach dem Abschrecken und Anlassen bei niedriger Temperatur betrugen die Zugfestigkeiten 170 bzw. 190 kgf/mm2. In den frühen 1950er Jahren wurden dem AISI 4340-Stahl Si und V zugesetzt, um 300M mit einer Zugfestigkeit von 190–210 kgf/mm2 herzustellen. Im Jahr 1960 stellte die International Nickel Company Maraging-Stahl mit einer Zugfestigkeit von etwa 180 kgf/mm2 und einer Bruchzähigkeit von bis zu 390 kgf/mm her. In den 1970er Jahren reduzierten die Vereinigten Staaten C und erhöhten Si auf der Basis von 300M, verbesserten die Zähigkeit und entwickelten HP310-Stahl; Auf der Basis von Maraging-Stahl entwickelte sich daraus AF1410-Stahl mit einer Zugfestigkeit von 170 kgf/mm2 und einer Bruchzähigkeit von 400 kgf/mm2 mm.
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Es ist zu beachten, dass ultrahochfester Stahl eine hohe Zugfestigkeit und ausreichende Zähigkeit aufweisen muss. Es erfordert außerdem eine große spezifische Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Dichte) und ein hohes Streckgrenzenverhältnis (σs/σb), um das Gewicht der Komponente zu reduzieren, und muss eine gute Schweißbarkeit und Formbarkeit sowie andere Prozesseigenschaften aufweisen. Ultrahochfester Stahl stellt sehr hohe Anforderungen an die metallurgische Qualität und wird häufig im Elektrolichtbogenofen und durch Elektroschlacke-Umschmelzen geschmolzen. Stahlsorten, die eine hohe Reinheit erfordern, werden meist in Vakuum-Induktionsöfen oder Vakuum-Lichtbogenöfen erschmolzen. Mittel- und niedriglegierte ultrahochfeste Stähle sollten während der Wärmebehandlung vor der Entkohlung geschützt werden; Martensitaushärtende Stähle und ausscheidungshärtende Edelstähle können in gewöhnlichen Wärmeöfen einer Mischkristallbehandlung unterzogen werden. Zum Schweißen muss Schutzgasschweißen oder Argon-Wolfram-Lichtbogenschweißen verwendet werden. Einige niedriglegierte, ultrahochfeste Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt (ca. 0,4 Prozent) sollten unmittelbar nach dem Schweißen spannungsarm geglüht werden.
Erwähnenswert ist, dass als Material für Fahrwerke von Flugzeugen ultrahochfester Stahl verwendet wird. Beispielsweise besteht das im Flugzeug der zweiten Generation verwendete Fahrwerk aus 30CrMnSiNi2A-Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1700 MPa. Diese Art von Fahrwerk hat eine kurze Lebensdauer von etwa 2000 Flugstunden.
Ein weiteres Beispiel ist, dass die Konstruktion des Kampfflugzeugs der dritten Generation eine Lebensdauer des Fahrwerks von mehr als 5.{2}} Flugstunden erfordert. Gleichzeitig sinkt aufgrund der zunehmenden Bordausrüstung der Gewichtskoeffizient der Flugzeugstruktur und es werden höhere Anforderungen an die Auswahl der Fahrwerksmaterialien und die Fertigungstechnologie gestellt. Sowohl die US-amerikanischen als auch unsere Jäger der dritten Generation nutzen die Technologie zur Herstellung von Fahrwerken aus 300M-Stahl (Zugfestigkeit 1950 MPa).
Tatsächlich fördert die Verbesserung der Materialanwendungstechnologie die weitere Verlängerung der Lebensdauer des Fahrwerks und die Erweiterung der Anpassungsfähigkeit. Das Fahrwerk des europäischen Airbus A380-Flugzeugs verwendet beispielsweise eine supergroße integrierte Schmiedetechnologie, eine neue Atmosphärenschutz-Wärmebehandlungstechnologie und eine Hochgeschwindigkeits-Flammspritztechnologie, sodass die Lebensdauer des Fahrwerks den Designanforderungen entsprechen kann. Daher sorgte die Einführung neuer Materialien und Herstellungstechniken für den Ersatz von Flugzeugen.
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Wie wir alle wissen, stellt die langlebige Konstruktion von Flugzeugen in einer korrosionsbeständigen Umgebung höhere Anforderungen an die Materialien. Beispielsweise hat AerMet100-Stahl das gleiche Festigkeitsniveau wie 300M-Stahl, seine allgemeine Korrosionsbeständigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit sind jedoch deutlich besser als bei 300M-Stahl. Die passende Technologie zur Herstellung von Fahrwerken wurde auf fortschrittliche Flugzeuge wie F/A-18E/F, F-22 und F-35 angewendet. Höherfester Aermet310-Stahl weist eine geringere Bruchzähigkeit auf und wird kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Die Risswachstumsrate des schadenstoleranten ultrahochfesten Stahls AF1410 ist extrem langsam und kann als Gelenk des Stellantriebs des Flügels des B-1-Flugzeugs verwendet werden, der 10,6 Prozent leichter als Ti ist -6Al-4V, mit einer Steigerung der Verarbeitungsleistung um 60 Prozent und einer Kostensenkung um 30,3 Prozent. Beispielsweise beträgt der Anteil an hochfestem Edelstahl, der im russischen Smig-1.42 verwendet wird, bis zu 30 Prozent. PH13-8Mo ist der einzige hochfeste martensitische ausscheidungshärtende Edelstahl, der häufig als korrosionsbeständige Komponenten verwendet wird. Auch international wurden ultrahochfeste Getriebestähle (Lagerstähle) entwickelt, etwa CSS-42L, Gearmet C69 usw., die in Motoren, Hubschraubern und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden.
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Hochtemperaturlegierungsmaterial
Was sind Superlegierungsmaterialien? Hochtemperaturlegierungen werden tatsächlich in drei Arten von Materialien unterteilt: 760-Grad-Hochtemperaturmaterialien, 1200-Grad-Hochtemperaturmaterialien und 1500-Grad-Hochtemperaturmaterialien mit einer Zugfestigkeit von 800 MPa. Mit anderen Worten bezieht es sich auf Hochtemperatur-Metallmaterialien, die über einen langen Zeitraum unter 760-1500 Grad und bestimmten Belastungsbedingungen arbeiten. Seine wichtigen Eigenschaften: Es verfügt über eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit, gute Oxidationsbeständigkeit und thermische Korrosionsbeständigkeit, ein gutes Ermüdungsverhalten, Bruchzähigkeit und andere umfassende Eigenschaften und ist zu einem unersetzlichen Schlüsselmaterial für die Hot-End-Teile von Gasturbinentriebwerken für Militär und Zivilisten geworden Weltweit einsetzbar.
760-Grad-Hochtemperaturmaterialien Seit den späten 1930er Jahren begannen Großbritannien, Deutschland, die Vereinigten Staaten und andere Länder, Superlegierungen zu untersuchen. Während des Zweiten Weltkriegs erlebte die Erforschung und Verwendung von Superlegierungen eine rasante Entwicklung, um den Anforderungen neuer Flugtriebwerke gerecht zu werden. In den frühen 1940er Jahren fügte das Vereinigte Königreich der 80Ni-20Cr-Legierung erstmals eine kleine Menge Aluminium und Titan hinzu, um eine '-Phase (Gamma-Primär) zur Verstärkung zu bilden, und entwickelte die erste Legierung auf Nickelbasis mit hoher Festigkeit -Temperaturfestigkeit. Um den Anforderungen der Entwicklung von Turboladern für Kolbenflugtriebwerke gerecht zu werden, begannen die Vereinigten Staaten in dieser Zeit, Legierungen auf der Basis von Vitallium-Kobalt zur Herstellung von Schaufeln zu verwenden.
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Erwähnenswert ist, dass die Vereinigten Staaten auch Inconel-Legierungen auf Nickelbasis entwickelt haben, um Brennkammern für Strahltriebwerke herzustellen. Um die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung weiter zu verbessern, fügten Metallurgen später der Nickelbasislegierung Elemente wie Wolfram, Molybdän und Kobalt hinzu, um den Gehalt an Aluminium und Titan zu erhöhen, und entwickelten eine Reihe von Legierungen, z als „Nimonic“ im Vereinigten Königreich und „Nimonic“ in den Vereinigten Staaten. „Mar-M“ und „IN“ usw.; Hinzufügen von Nickel, Wolfram und anderen Elementen zu den kobaltbasierten Legierungen, um eine Vielzahl von Hochtemperaturlegierungen zu entwickeln, wie z. B. X-45, HA-188, FSX-414 usw. Aufgrund von Aufgrund des Mangels an Kobaltressourcen ist die Entwicklung kobaltbasierter Superlegierungen begrenzt.
In den 1940er Jahren wurden auch Superlegierungen auf Eisenbasis entwickelt. In den 1950er Jahren kamen Güten wie A-286 und Incoloy901 auf den Markt, doch aufgrund der geringen Hochtemperaturstabilität verlief die Entwicklung langsam. Die ehemalige Sowjetunion begann 1950 mit der Produktion von Superlegierungen auf Nickelbasis der Marke „ЭИ“ und produzierte später verformte Superlegierungen der Serie „ЭП“ und gegossene Superlegierungen der Serie ЖС. In den 1970er Jahren führten die Vereinigten Staaten auch ein neues Produktionsverfahren zur Herstellung von gerichteten Kristallisationsschaufeln und Pulvermetallurgie-Turbinenscheiben ein und entwickelten Hochtemperaturlegierungskomponenten wie Einkristallschaufeln, um den Anforderungen der kontinuierlich steigenden Einlasstemperatur der Luft gerecht zu werden -Motorturbinen.
Superlegierungen werden entwickelt, um die sehr hohen Materialanforderungen von Strahltriebwerken zu erfüllen, und sind zu einem unersetzlichen Schlüsselwerkstoff für militärische und zivile Hot-End-Komponenten von Gasturbinentriebwerken geworden. In modernen Flugtriebwerken liegt der Anteil hochwarmfester Legierungen mittlerweile bei über 50 Prozent.
Die Entwicklung von Hochtemperaturlegierungen steht in engem Zusammenhang mit dem technologischen Fortschritt von Flugtriebwerken, insbesondere die Turbinenscheibe, das Turbinenschaufelmaterial und der Herstellungsprozess der Hot-End-Teile des Triebwerks sind wichtige Symbole der Triebwerksentwicklung. Aufgrund der hohen Anforderungen an die hohe Temperaturbeständigkeit und Spannungstragfähigkeit des Materials wurde in den Anfängen in Großbritannien die mit Ni3 (Al, Ti) verstärkte Nimonic80-Legierung entwickelt, die als Material für die Turbinenschaufel der verwendet wurde Turbostrahltriebwerk. Darüber hinaus wurde die Legierung der Nimonic-Serie kontinuierlich weiterentwickelt. Die Vereinigten Staaten haben Dispersionsverstärkte Legierungen auf Nickelbasis entwickelt, die Aluminium und Titan enthalten, wie die Legierungsserien Inconel, Mar-M und Udmit, die von der berühmten Pratt & Whitney Company, GE Company bzw. Special Metals Company entwickelt wurden.
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Im Entwicklungsprozess von Superlegierungen spielt der Herstellungsprozess eine große Rolle bei der Förderung der Legierungsentwicklung. Durch das Aufkommen der Vakuumschmelztechnologie hat die Entfernung schädlicher Verunreinigungen und Gase in Legierungen, insbesondere die genaue Kontrolle der Legierungszusammensetzung, die Leistung von Superlegierungen kontinuierlich verbessert. Insbesondere die erfolgreiche Erforschung neuer Technologien wie gerichteter Erstarrung, Einkristallwachstum, Pulvermetallurgie, mechanisches Legieren, Keramikkern, Keramikfiltration und isothermes Schmieden hat die rasche Entwicklung von Superlegierungen gefördert. Unter ihnen ist die gerichtete Erstarrungstechnologie die wichtigste. Die durch den gerichteten Erstarrungsprozess hergestellte gerichtete und einkristalline Legierung hat eine Betriebstemperatur nahe 90 Prozent des anfänglichen Schmelzpunkts. Daher verwenden fortschrittliche Triebwerksschaufeln auf der ganzen Welt gerichtete, einkristalline Legierungen zur Herstellung von Turbinenschaufeln. Aus globaler Sicht haben gegossene Superlegierungen auf Nickelbasis gleichachsige Kristalle, gerichtet erstarrte säulenförmige Kristalle und einkristalline Legierungssysteme gebildet. Pulversuperlegierungen wurden auch aus der ersten Generation von 650-Grad- bis 750-Grad-, 850-Grad-Pulverturbinenscheiben und Dual-Performance-Pulverscheiben für diese fortschrittlichen Hochleistungsmotoren entwickelt.
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Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Was sind Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe? Dabei handelt es sich um eine Art Verbundwerkstoff, der Keramik als Matrix und verschiedene Fasern verwendet. Bei der Keramikmatrix kann es sich um Hochtemperatur-Strukturkeramiken wie Siliziumnitrid und Siliziumkarbid handeln. Diese Hochleistungskeramiken verfügen über hervorragende Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Festigkeit und Steifigkeit, relativ geringes Gewicht und Korrosionsbeständigkeit. Die fatale Schwäche ist, dass sie spröde sind. Wenn sie unter Spannung stehen, können sie reißen oder sogar brechen, was zu Materialversagen führen kann. Die Verwendung hochfester, hochelastischer Faser- und Matrixverbundstoffe ist eine wirksame Methode zur Verbesserung der Zähigkeit und Zuverlässigkeit von Keramik. Fasern können die Ausbreitung von Rissen verhindern und so faserverstärkte Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe mit ausgezeichneter Zähigkeit erhalten.
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Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe wurden als Flüssigraketentriebwerksdüsen, Raketenradome, Nasenkegel von Space-Shuttles, Bremsscheiben für Flugzeuge und Bremsscheiben für High-End-Automobile usw. verwendet und haben sich zu einem wichtigen Zweig neuer High-Tech-Materialien entwickelt.
Da keramische Materialien eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, hohe Härte und gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, werden sie häufig verwendet. Der größte Nachteil von Keramik besteht jedoch darin, dass sie spröde und empfindlich gegenüber Rissen und Poren ist. Seit den 1980er Jahren haben Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, die durch Zugabe von Partikeln, Whiskern und Fasern zu Keramikmaterialien gewonnen werden, die Zähigkeit von Keramik erheblich verbessert.
Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe weisen eine hohe Festigkeit, einen hohen Modul, eine geringe Dichte, eine hohe Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie eine gute Zähigkeit auf und werden in Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen und Komponenten von Verbrennungsmotoren verwendet. Die Entwicklung dieses Materialtyps ist jedoch relativ spät und sein Potenzial muss noch weiterentwickelt werden. Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Anwendung auf Hochtemperaturmaterialien sowie auf verschleiß- und korrosionsbeständigen Materialien, beispielsweise auf verbesserten Turbinen für Hochleistungs-Verbrennungsmotoren, thermischen Komponenten für Luft- und Raumfahrtfahrzeuge und Fahrzeugmotoren anstelle von Metallen und petrochemischen Behältern , Müllverbrennungsanlagen usw.
Wenn es um Keramik geht, denkt man natürlich an deren Sprödigkeit. Wenn es vor mehr als zehn Jahren als tragendes Teil im Maschinenbau eingesetzt wurde, war es für niemanden akzeptabel. Wenn es um keramische Verbundwerkstoffe geht, sind sich manche Menschen bisher möglicherweise nicht im Klaren und denken, dass Keramik und Metalle ursprünglich zwei irrelevante Materialien seien. Seitdem die Menschen jedoch Keramik und Metalle geschickt kombinieren, hat sich die Vorstellung dieses Materials, nämlich der Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, grundlegend verändert.
Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe sind ein vielversprechendes neues Strukturmaterial im Bereich der Luftfahrtindustrie, insbesondere bei der Anwendung im Flugzeugtriebwerksbau, und zeigen zunehmend ihre Einzigartigkeit. Zusätzlich zu den Vorteilen des geringen Gewichts und der hohen Härte weisen Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe auch eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit auf. Gegenwärtig übertreffen Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe hitzebeständige Metallmaterialien hinsichtlich der Hochtemperaturbeständigkeit und weisen gute mechanische Eigenschaften und chemische Stabilität auf. Sie sind ideale und hervorragende Materialien für Hochtemperaturbereiche von Hochleistungsturbinentriebwerken.
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Länder auf der ganzen Welt konzentrieren sich auf die Forschung an mit Siliziumnitrid und Siliziumkarbid verstärkten Keramiken, um den Materialanforderungen der nächsten Generation fortschrittlicher Motoren gerecht zu werden
Materialien und hat insbesondere bei modernen Flugtriebwerken große Fortschritte gemacht. Beispielsweise bestehen der F120-Motor der amerikanischen Verifikationsmaschine, seine Hochdruckturbinen-Dichtungsvorrichtung und einige Hochtemperaturteile der Brennkammer alle aus keramischen Materialien. Als weiteres Beispiel verwenden die Brennkammer und die Düse des französischen M88-2-Motors ebenfalls Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe.
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Neue Materialien intermetallischer Verbindungen
Was sind intermetallische Verbindungen? Verbindungen von Metallen und Metallen oder Metallen und Metalloiden (wie H, B, N, S, P, C, Si usw.). Die Atome der beiden Metalle verbinden sich in einem bestimmten Verhältnis zu einer Legierungszusammensetzung, die sich von den ursprünglichen beiden Kristallgittern unterscheidet. Intermetallische Verbindungen sind neuartige Materialien, die große Aufmerksamkeit erregt haben.
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Tatsächlich hat die Entwicklung leistungsstarker Flugtriebwerke mit hohem Schub-Gewichts-Verhältnis die Entwicklung und Anwendung intermetallischer Verbindungen vorangetrieben. Intermetallische Verbindungen sind im Allgemeinen Verbindungen, die aus binären, ternären oder mehrelementigen Metallelementen bestehen. Intermetallische Verbindungen haben ein großes Potenzial für Hochtemperatur-Strukturanwendungen. Es verfügt über eine hohe Betriebstemperatur, spezifische Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und insbesondere bei hohen Temperaturen auch über eine gute Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Kriechfestigkeit. . Da die intermetallische Verbindung außerdem ein neues Material zwischen der Superlegierung und dem Keramikmaterial ist, füllt sie die Lücke zwischen den beiden Materialien und wird so zu einem der idealen Materialien für Hochtemperaturkomponenten von Flugtriebwerken.
In der globalen Flugzeugtriebwerksstruktur konzentrieren sich Forschung und Entwicklung hauptsächlich auf intermetallische Verbindungen wie Titan-Aluminium und Nickel-Aluminium. Diese Titan-Aluminium-Verbindungen haben grundsätzlich die gleiche Dichte wie Titan, weisen jedoch eine höhere Gebrauchstemperatur auf. Die Betriebstemperaturen von TiAl betragen beispielsweise 816 Grad bzw. 982 Grad. Die intermetallische Verbindung weist eine starke Bindung zwischen Atomen und eine komplexe Kristallstruktur auf, die eine Verformung erschwert, und ist bei Raumtemperatur hart und spröde. Nach Jahren experimenteller Forschung wurde erfolgreich ein neuer Legierungstyp mit Hochtemperaturfestigkeit, Plastizität und Zähigkeit bei Raumtemperatur entwickelt, installiert und verwendet und weist eine sehr gute Wirkung auf. Beispielsweise verwendet das Hochleistungstriebwerk F119 in den USA intermetallische Verbindungen im Gehäuse und in den Turbinenscheiben, und die Verdichterschaufeln und -scheiben des F120-Triebwerks der Verifizierungsmaschine verwenden neue intermetallische Titan-Aluminium-Verbindungen.
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Verbundwerkstoffe mit Harzmatrix
Was sind Harzmatrix-Verbundwerkstoffe? Es handelt sich um einen faserverstärkten Werkstoff auf Basis eines organischen Polymers, meist unter Verwendung von Faserverstärkungen wie Glasfaser, Kohlefaser, Basaltfaser oder Aramidfaser. Verbundwerkstoffe auf Harzbasis werden häufig in der Luftfahrt-, Automobil- und Schifffahrtsindustrie eingesetzt.
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Die Harzmatrix von Verbundwerkstoffen besteht hauptsächlich aus duroplastischem Harz. Bereits in den 1940er Jahren wurden glasfaserverstärkte Kunststoffe als Radome von Kampfflugzeugen und Bombern eingesetzt. In den 1960er Jahren verwendeten die Vereinigten Staaten borfaserverstärktes Epoxidharz als Ruder, horizontale Stabilisatoren, Flügelhinterkanten, Rudertüren usw. in Militärflugzeugen wie F-4 und F-111. In Bezug auf die Raketenherstellung wurden Ende der 1950er Jahre für das Gehäuse des Feststoffraketenmotors der zweiten Stufe der US-amerikanischen Mittelstrecken-U-Boot-Rakete „Polaris A-2“ Wicklungsteile aus glasfaserverstärktem Epoxidharz verwendet, die besser sind als Stahlgehäuse. 27 Prozent leichter; Später wurden bei der Herstellung von „Polaris A-3“ Hochleistungsglasfasern anstelle von gewöhnlichen Glasfasern verwendet, wodurch das Gewicht der Schale um 50 Prozent geringer war als das der Stahlschale, so dass die Reichweite von „Polaris A{{ 12}}"-Rakete wurde von 2700.000 Metern auf 4.500 km erhöht. In den 1970er Jahren wurden zur Verstärkung von Epoxidharz Aramidfasern anstelle von Glasfasern verwendet, wodurch die Festigkeit erheblich verbessert und gleichzeitig das Gewicht reduziert wurde. Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharz-Verbundwerkstoffe werden häufig in Flugzeugen, Raketen, Satelliten und anderen Strukturen verwendet.
Die Forschung zur Anwendung harzbasierter Verbundwerkstoffe in Turbofan-Triebwerken für die Luftfahrt begann in den 1950er Jahren. Nach mehr als 60 Jahren der Entwicklung haben GE, PW, RR, MTU, SNECMA und andere Unternehmen viel Energie in die Forschung und Entwicklung von Verbundwerkstoffen auf Harzbasis investiert und große Fortschritte erzielt, auch in der Technik wurde auf aktive Turbofan-Triebwerke in der Luftfahrt angewendet, und es besteht die Tendenz, seine Anwendung weiter auszuweiten.
Die Betriebstemperatur von Verbundwerkstoffen mit Harzmatrix überschreitet im Allgemeinen nicht 350 Grad. Daher werden Harzmatrix-Verbundwerkstoffe hauptsächlich im kalten Ende von Flugzeugtriebwerken eingesetzt.
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Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
Was sind Metallmatrix-Verbundwerkstoffe? Es handelt sich um ein Verbundmaterial, das künstlich mit Metall und seiner Legierung als Matrix und einer oder mehreren metallischen oder nichtmetallischen Verstärkungen kombiniert wird. Die meisten seiner Verstärkungsmaterialien sind anorganische Nichtmetalle wie Keramik, Kohlenstoff, Graphit und Bor usw., und es können auch Metalldrähte verwendet werden. Zusammen mit Polymermatrix-Verbundwerkstoffen, Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen und Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen bildet es ein modernes Verbundsystem.
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Die Eigenschaften von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen: Aus mechanischer Sicht weisen sie eine hohe Quer- und Scherfestigkeit, gute umfassende mechanische Eigenschaften wie Zähigkeit und Ermüdung sowie Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Verschleißfestigkeit, einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute Dämpfung auf , keine Feuchtigkeitsaufnahme und keine Korrosionsbeständigkeit. Vorteile wie Alterung und keine Umweltverschmutzung. Beispielsweise beträgt die spezifische Festigkeit von kohlenstofffaserverstärkten Aluminium-Verbundwerkstoffen 3~4×107 mm und der spezifische Modul 6~8×109 mm. Beispielsweise kann der spezifische Modul von mit Graphitfasern verstärktem Magnesium 1,5 × 1010 mm erreichen und sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist nahezu Null.
Erwähnenswert ist, dass Verbundwerkstoffe auf Metallbasis im Vergleich zu Verbundwerkstoffen auf Harzbasis eine gute Zähigkeit aufweisen, keine Feuchtigkeit absorbieren und relativ hohen Temperaturen standhalten. Zu den Verstärkungsfasern von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen gehören Metallfasern wie Edelstahl, Wolfram, Blei, intermetallische Nickel-Aluminium-Verbindungen usw.; Keramikfasern wie Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Kohlenstoff, Bor, Siliziumkarbid usw.
Zu den Matrixmaterialien von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen gehören Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Chin- und Chin-Legierungen, hitzebeständige Legierungen, Diamantlegierungen usw. Unter ihnen sind derzeit Verbundwerkstoffe auf Basis von Aluminiumlegierungen, Aluminiumlegierungen und Eisenlegierungen die Hauptauswahl . Beispielsweise können SiC-faserverstärkte Chin-Legierungsmatrix-Verbundwerkstoffe zur Herstellung von Kompressorschaufeln verwendet werden. Zur Herstellung von Turbofan-Laufschaufeln können kohlenstofffaser- oder aluminiumoxidfaserverstärkte Magnesium- oder Magnesiumlegierungsmatrix-Verbundwerkstoffe verwendet werden. Ein weiteres Beispiel ist, dass mit Nickel-Chrom-Aluminium-Iridium-Fasern verstärkte Nickelbasislegierungsmatrix-Verbundwerkstoffe zur Herstellung von Dichtungselementen für Turbinen und Kompressoren verwendet werden können.
Darüber hinaus werden im Ausland Lüftergehäuse, Rotoren, Kompressorscheiben und andere Teile aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen hergestellt. Eines der größten Probleme bei dieser Art von Verbundwerkstoff besteht jedoch darin, dass es leicht zu einer Reaktion zwischen der Verstärkungsfaser und dem Matrixmetall kommt, wodurch eine spröde Phase entsteht, die die Leistung des Materials beeinträchtigt. Insbesondere bei längerem Einsatz bei höherer Temperatur ist die Reaktion der Grenzfläche stärker ausgeprägt. Die aktuelle Lösung besteht darin, geeignete Beschichtungen auf der Faseroberfläche anzubringen und das Matrixmetall je nach Faser und unterschiedlichem Substrat zu legieren, um die Grenzflächenreaktion zu verlangsamen und die Zuverlässigkeit der Verbundwerkstoffleistung aufrechtzuerhalten.
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Materialien, die in Motorlüfterblättern verwendet werden
Das Triebwerksgebläseblatt ist der repräsentativste und wichtigste Teil des Turbofan-Triebwerks, und die Leistung des Turbofan-Triebwerks hängt eng mit seiner Entwicklung zusammen. Im Vergleich zu Lüfterblättern aus Titanlegierung haben Lüfterblätter aus Harzmatrix-Verbundmaterial einen offensichtlichen Vorteil bei der Gewichtsreduzierung. Zusätzlich zu den offensichtlichen Vorteilen der Gewichtsreduzierung haben die Lüfterflügel aus Verbundwerkstoff auf Harzbasis nach dem Aufprall weniger Auswirkungen auf das Lüftergehäuse, sodass es vorteilhaft ist, die Eindämmung des Lüftergehäuses zu verbessern.
Die Hauptvertreter von Verbundlüfterblättern für kommerzielle Anwendungen im Ausland sind: Motoren der GE90-Serie für B777, GEnx-Motoren für B787 und LEAP-X-Motoren für COMAC C919. Bereits 1995 wurde das GE90-94B-Triebwerk, das mit Lüfterblättern aus harzbasiertem Verbundmaterial ausgestattet war, offiziell in den kommerziellen Betrieb genommen und markierte damit die offizielle Verwirklichung der technischen Anwendung von harzbasierten Verbundmaterialien in modernen Hochleistungsflugzeugtriebwerken . Auf der Grundlage einer umfassenden Betrachtung der Aerodynamik, der Ermüdungszyklen bei hohen und niedrigen Lastzyklen und anderer Faktoren hat GE eine neue Fanschaufel aus Verbundwerkstoff für das nachfolgende GE90-115B-Triebwerk entwickelt.
Im 21. Jahrhundert treibt die starke Nachfrage von Flugzeugtriebwerken nach hoch schadenstoleranten Verbundwerkstoffen die Weiterentwicklung der Verbundwerkstofftechnologie voran, und es ist schwierig, die Anforderungen an hoch schadenstolerante Materialien durch kontinuierliche Verbesserung der Zähigkeit von Kohlefasern zu erfüllen /Epoxidharz-Prepregs. Infolgedessen tauchten Lüfterflügel mit 3D-Gewebestruktur aus Verbundwerkstoffen auf.
Materialien, die im Motorlüftergehäuse verwendet werden
Das Triebwerksgebläsegehäuse ist der größte stationäre Teil eines Flugtriebwerks, und seine Gewichtsreduzierung wirkt sich direkt auf das Schub-Gewichts-Verhältnis und die Effizienz eines Flugtriebwerks aus. Daher haben sich ausländische OEMs für fortschrittliche Flugzeugtriebwerke seit jeher der Gewichtsreduzierung und strukturellen Optimierung des Lüftergehäuses verschrieben.
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Materialien für Motorlüfterhauben
Da es sich um ein nicht haupttragendes Bauteil handelt, ist die Lüfterhaube eines der ersten aus Verbundwerkstoffen gefertigten Teile eines Flugtriebwerks. Die aus Verbundwerkstoffen gefertigte Lüfterhaube bietet ein geringeres Gewicht, eine vereinfachte Vereisungsschutzstruktur, eine bessere Korrosionsbeständigkeit und eine bessere Ermüdungsbeständigkeit. Wie der RB211-Motor des berühmten RR-Unternehmens, der PW1000G und der PW4000 des PW-Unternehmens verwenden Verbundmaterialien auf Harzbasis zur Herstellung von Lüfterkappen.
Im Vergleich zu Hauptrechnern von Flugzeugtriebwerken haben harzbasierte Verbundwerkstoffe einen sehr breiten Anwendungsbereich in Flugzeugtriebwerksgondeln. Globale Hersteller haben Verbundwerkstoffe auf Harzbasis in großem Umfang für Gondeleinlässe, Verkleidungen, Schubumkehrer und Lärmschutzauskleidungen verwendet. Material. In Bezug auf andere Teile werden Verbundwerkstoffe auf Harzbasis in unterschiedlichem Ausmaß auch in Laufplatten für Flugzeugtriebwerke, Lagerdichtungsabdeckungen und Abdeckplatten eingesetzt.
