El coure és un conductor mal·leable, dúctil i excel·lent de calor i electricitat. S'utilitza en diverses indústries, com ara l'electricitat, la construcció, l'automoció i la fontaneria. Hi ha diferents graus i estàndards de materials de coure, i aquí n'hi ha alguns:
En els darrers anys, tot i que continua prestant atenció a la seguretat de les aeronaus i els motors, la comunitat de l'aviació nacional i estrangera també està cada vegada més preocupada per estalviar recursos, reduir costos, protegir el medi ambient i altres qüestions. En aquest context, la indústria de l'aviació verda ha fet certs progressos. L'aviació verda cobreix tot el procés de desenvolupament i ús del disseny, fabricació, ús, manteniment, retirada, recuperació, etc. d'aeronaus, que inclou camps tècnics com els materials verds, la fabricació verda, el manteniment verd, etc.
L'anomenat material verd fa referència a la maximització de la utilització dels recursos i la minimització del cost d'ús i l'impacte ambiental durant tot el cicle de disseny de materials, selecció de matèries primeres, processament i fabricació, embalatge i transport, ús, recuperació i reutilització. El nostre país ha començat a desenvolupar enèrgicament noves tecnologies de materials, cada nova tecnologia de materials ha estat un avenç, la investigació de nous materials en aviació ha aconseguit èxits gratificants. De cara al futur, es desenvoluparan nous materials d'aviació en la direcció de nous conceptes, polivalents, d'alt rendiment, nous processos, baix cost i nous. Amb la millora del nivell d'investigació i desenvolupament independent de la Xina en el camp dels nous materials d'aviació, hem de millorar de manera integral el nivell tècnic dels materials d'aviació verd des dels aspectes del disseny de materials, procés de preparació, desenvolupament de materials, reciclatge i altres aspectes, i conjuntament. crear un futur millor de l'aviació verda.
En primer lloc, la necessitat de desenvolupar la indústria de l'aviació verda
El 2021 és el primer any del 14è Pla Quinquennal. Com a posició central de tota la cadena de la indústria militar, s'espera que el nou sector de materials introdueixi un espai de desenvolupament més gran. El segle XX és un segle de ràpid desenvolupament de la ciència i la tecnologia modernes, un dels símbols importants són els brillants èxits que els éssers humans han aconseguit en el camp de l'aeronàutica i l'astronàutica. Al segle XXI, la indústria aeroespacial ha mostrat una perspectiva més àmplia de desenvolupament, i les activitats aeroespacials d'alt o alt nivell s'han tornat més freqüents. Els grans èxits de la indústria aeroespacial són inseparables del desenvolupament i l'avenç de la tecnologia dels materials aeroespacials. Els materials són la base i els precursors de l'alta tecnologia i la indústria modernes, i en gran mesura són el requisit previ per a l'avenç de l'alta tecnologia. El desenvolupament de materials aeroespacials té un paper important en el suport i la garantia de la tecnologia aeroespacial. Al seu torn, les necessitats de desenvolupament de la tecnologia aeroespacial lideren i promouen molt el desenvolupament de materials aeroespacials. Es pot dir que el progrés dels materials té un paper de suport clau en la millora de les aeronaus.
Els materials aeronàutics no només són la garantia material per al desenvolupament i la producció de productes aeronàutics, sinó també la base tècnica per a la millora dels productes aeronàutics. Els materials tenen un paper important en el desenvolupament de la indústria de l'aviació i els productes d'aviació. Al segle XXI, els materials d'aviació es desenvolupen cap a la direcció d'alt rendiment, alta funció, integració multifunció, estructura i funció, compost, intel·ligent, baix cost i compatibilitat amb el medi ambient.
En el seu informe de treball del govern de 2022, l'antic primer ministre Li Keqiang va proposar millorar contínuament l'entorn ecològic, promoure el desenvolupament verd i baix en carboni, reforçar el control de la contaminació i la protecció i restauració ecològica, aconseguir un equilibri entre el desenvolupament i la reducció d'emissions i promoure la coexistència harmònica entre l'home i la natura. En els darrers anys, tot i que continua prestant atenció a la seguretat de les aeronaus, la comunitat de l'aviació nacional i estrangera també està cada vegada més preocupada per l'estalvi de recursos, la reducció de costos, la protecció del medi ambient i altres qüestions. En aquest context, l'aviació verda ha avançat certs. Aeronaus cap a una direcció de desenvolupament més segura i fiable, lleugera, resistent i verda, per tant presenta requisits cada cop més alts per als materials, però també promou l'avió en velocitat de vol, fiabilitat, baix cost, alta eficiència i comoditat i altres aspectes de l'actualització. . Sota la nova situació industrial, el desenvolupament de materials ecològics d'aviació de gamma alta i la seva tecnologia de preparació i processament és de gran importància per donar suport al desenvolupament sostenible de la indústria de l'aviació xinesa. En una paraula, impulsat pel ràpid desenvolupament de la indústria moderna global, el desenvolupament ecològic dels materials d'aviació és una tendència inevitable i un requisit urgent del desenvolupament econòmic.
ii. Progrés de la investigació de nous materials aeronàutics
Els materials d'aeronaus determinen fins a cert punt el cost de fabricació de l'estructura de la carrosseria de l'aeronau. Atès que l'equip d'aviació de la Xina es va introduir principalment en la fase inicial, utilitza principalment el sistema de materials estrangers en la selecció de materials. En els darrers anys, la Xina ha començat a desenvolupar enèrgicament noves tecnologies de materials, i la nova tecnologia de materials ha aconseguit avenços continus, i la investigació sobre nous materials d'aviació també ha aconseguit èxits gratificants. Tanmateix, encara hi ha una gran bretxa entre el nivell general de la indústria de nous materials d'aviació i el nivell avançat internacional.
(A) Aliatge de titani: excel·lents propietats del "metall universal"
El titani té les característiques d'una gravetat específica baixa i una alta resistència específica, i el seu aliatge és de gran importància per augmentar la relació d'empenta-pes de les aeronaus en el camp aeroespacial, i s'ha utilitzat àmpliament en els darrers anys. A més dels camps militars i aeroespacials, l'aliatge de titani també s'utilitza àmpliament en la química, la metal·lúrgia, la medicina, l'esport i l'oci i altres camps.
Estat de desenvolupament dels materials d'aliatge de titani per a l'aviació a l'estranger
1) Aliatge de titani d'alta temperatura: l'aliatge de titani d'alta temperatura s'utilitza principalment en el carril lliscant de l'aeronau, la carcassa del coixinet, el suport, el capó del motor, el disc i la fulla del compressor, la carcassa i altres peces del marc estructural. Aquests components requereixen una alta resistència específica, resistència a la fatiga, resistència a la fluència i estabilitat estructural a 300 ~ 600 graus. Actualment, en nom del nivell avançat internacional d'aliatges de titani d'alta temperatura, les marques inclouen principalment els Estats Units Ti-6242S, Ti-1100, IMI834, BT36 de Rússia, etc.
2) Aliatge de titani d'alta resistència: l'aliatge de titani d'alta resistència generalment es refereix a la resistència a la tracció de més de 1000MPa d'aliatge de titani, utilitzat principalment per substituir l'acer estructural d'alta resistència que s'utilitza habitualment en l'estructura d'aeronaus, pot aconseguir una reducció de pes del 10 per cent. Actualment, els aliatges de titani d'alta resistència utilitzats en avions són principalment aliatges de titani de tipus, representatius dels principals Ti-1023, BT22, Ti-153, -21S, etc.
3) Aliatge de titani retardant de flama: actualment, els aliatges de titani retardants de flama típics són l'aliatge C als Estats Units i el BTT-1 a Rússia. L'aliatge C (Ti-35V{-15Cr), desenvolupat als Estats Units, és un aliatge de titani de tipus amb una bona resistència a alta temperatura i resistència a l'oxidació. S'ha aplicat a la carcassa del compressor d'alta pressió, la paleta guia i el broquet de cua vectorial del motor Fl19. L'aliatge de titani ignífug Ti-Cu-Al BTT-1 desenvolupat a Rússia té una bona capacitat de treball tèrmica i s'ha utilitzat en la carcassa i les pales del compressor del motor.
Estat de desenvolupament dels materials d'aliatge de titani per a l'aviació nacional
1) Aliatge de titani d'alta temperatura: l'aliatge de ti-60 és un aliatge de titani d'alta temperatura de 600 graus desenvolupat de manera independent pel nostre país. L'aliatge es basa en un aliatge TAl₂ (Ti-55) que afegeix elements Al, Sn, Si amb un contingut adequat, per tal de millorar encara més l'estabilitat tèrmica, la fluència a alta temperatura i la resistència a l'oxidació a alta temperatura de l'aliatge.
2) Aliatge estructural de titani d'alta resistència: un lot d'aliatge estructural de titani d'alta resistència es va desenvolupar de manera independent entre els anys 1970 i 1990. La resistència d'aquests aliatges de titani pot arribar al nivell de 1100-1300MPa. A principis del segle XXI, hi ha dos tipus d'aliatge de titani beta representatiu: ① gairebé titani Ti-B18, la resistència a la tracció pot arribar a 1150 ~ 1350MPa; ② Aliatge de titani metaestable Ti-B20, resistència a la tracció fins a 1200 ~ 1600MPa.
3) Aliatge de titani retardant de flama: al llarg dels anys, la Xina ha dut a terme investigacions en profunditat sobre aliatge de titani retardant de flama. En referència a l'aliatge AlloyC, es van dissenyar les sèries d'aliatges de titani ignífugs Ti-V-Cr-Al, Ti-Mo-Cr-Al, Ti-Mo-V-Cr-Al3 respectivament i es va estudiar el mecanisme anti-combustió mitjançant de simulació per ordinador. A més, es van dissenyar aliatges de titani retardants de flama TF1 (sèrie Ti-V-Cr-C) i TF2 (sèrie Ti-Cu) després d'una anàlisi sistemàtica de diferents sistemes dels Estats Units, Gran Bretanya i Rússia. L'aliatge Ti-40 (Ti-V-Cr-Si) és un aliatge de titani ignífug de tipus tipus desenvolupat de manera independent a la Xina. En comparació amb l'aliatge de titani convencional, l'aliatge Ti-40 té excel·lents propietats mecàniques i retardants de flama. En l'actualitat, la investigació d'aliatges s'ha desenvolupat des de l'escala de laboratori fins a l'escala semiindustrial, ha estat capaç de preparar lingots de Ti40 tones, barres de gran mida i forja d'anell.
A causa de l'inici tardà de la indústria de fabricació d'aviació nacional, el consum de materials de titani i aliatges de titani en el camp de l'aviació nacional no és gran, els materials de titani utilitzats en el camp de l'aviació representaven menys del 20 per cent, molt per sota del nivell mitjà internacional d'uns 50. per cent, i la indústria del titani en comparació amb els països desenvolupats encara hi ha una gran bretxa: en primer lloc, els productes d'aliatge de titani de gamma alta segueixen sent principalment imitacions, el nivell de desenvolupament del material és baix, el rang d'aplicació és estret, d'alt rendiment integral i baix- El desenvolupament d'aliatges de titani de cost es troba principalment en fase de laboratori; En segon lloc, la qualitat de la metal·lúrgia no és estable, menys varietats, especificacions incompletes; En tercer lloc, el progrés de la investigació de les tecnologies de suport relacionades és lent i cal millorar el sistema de material d'aliatge de titani de desenvolupament propi.
(2) Superaliatge: centrat en les necessitats dels motors militars
Superaliatge, per a altes temperatures
L'acer tradicional s'estova per sobre dels 300 graus centígrads i no pot fer front a les altes temperatures. Per aconseguir una major eficiència de conversió d'energia, el camp de la potència del motor tèrmic necessita una temperatura de treball cada vegada més alta. Com a resultat, s'han creat superaliatges per treballar de manera estable a temperatures superiors als 600 graus centígrads i la tecnologia continua millorant.
Els superaliatges es divideixen en superaliatges a base de ferro i superaliatges a base de níquel segons els elements principals de l'aliatge. Segons Zhiyan Consulting, dividit per procés de producte el 2018, la producció de superaliatge a base de níquel va representar un 80 per cent, superaliatge a base de ferro un 14,3 per cent i superaliatge a base de cobalt un 5,7 per cent.
El superaliatge és el material clau del motor aeronàutic. El superaliatge s'ha utilitzat en motors aeroespacials des del seu naixement i és un material important per a la fabricació de motors aeroespacials. El nivell de rendiment del motor depèn en gran mesura del nivell de rendiment del material de superaliatge. En els motors aerodinàmics moderns, la quantitat de material de superaliatge representa el 40% ~ el 60% del pes total del motor. S'utilitza principalment en quatre components calents: cambra de combustió, guia, pala de turbina i disc de turbina. A més, també s'utilitza en carcassa, peces d'anells, postcombustió i broquet de cua.
La indústria xinesa d'aliatges d'alta temperatura es troba actualment en període de creixement i les empreses de la cadena industrial tenen un ampli espai de desenvolupament en el futur. El nombre d'empreses de producció de superaliatges a la Xina és limitat i el nivell de producció es troba endarrerit amb el dels Estats Units, Rússia i altres països. Tanmateix, en els darrers anys, la capacitat de producció i el valor de producció s'han millorat significativament. Molts projectes de capacitat de producció de superaliatges de Lianshi Aviation, Western Superconductor i altres empreses estan en construcció i posats en funcionament.
Les propietats del superaliatge per a motors d'aeronaus es desenvolupen contínuament
1) Superaliatge de base de ferro: una de les característiques del sistema de superaliatge xinès.
A causa de la manca de níquel i poc cobalt en els recursos xinesos, el desenvolupament, producció i aplicació del superaliatge de base de ferro es va convertir en una escena brillant als anys seixanta i setanta.
Els superaliatges a base de ferro s'utilitzen generalment en peces de motor amb temperatures de funcionament baixes (600 ~ 850 graus C), com ara discos de turbina, carcassa i eixos. Tanmateix, el superaliatge de base Fe té bones propietats mecàniques a temperatura mitjana, comparables o millors que els aliatges similars a base de níquel. A més, és barat i fàcil de deformar en treball en calent. Per tant, el superaliatge de base Fe encara s'utilitza àmpliament com a materials de disc de turbina i pales de turbina en el camp de la temperatura mitjana.
2) Superaliatge de base de níquel: deformació / fosa / actualització d'aliatge nou per generació.
Els superaliatges a base de níquel funcionen generalment sota determinades condicions d'estrès per sobre de 600 graus. No només tenen una bona resistència a l'oxidació i resistència a la corrosió a alta temperatura, sinó que també tenen resistència a alta temperatura, resistència a la fluència i resistència duradora, així com una bona resistència a la fatiga. S'utilitza principalment en el camp aeroespacial per a components estructurals que treballen en condicions d'alta temperatura, com ara les pales de treball, els discos de la turbina, les cambres de combustió dels motors d'aeronau, etc.
Segons el procés de fabricació, el superaliatge de base de níquel es pot dividir en aliatge variable, superaliatge de fosa, superaliatge nou. El superaliatge de fosa a base de níquel s'utilitza principalment a les pales de guia de turbines dels motors, on la temperatura de funcionament pot arribar a més de 1100 graus, o també es pot utilitzar en àleps de turbina, la temperatura de les quals és inferior a la corresponent fulla guia 50-100 grau. .
Com que la temperatura de treball de l'aliatge resistent a la calor és cada cop més alta, els elements de reforç de l'aliatge són cada cop més, la composició és més complexa, la qual cosa fa que alguns aliatges només es poden utilitzar en estat de fosa, no pot ser deformació de treball en calent. A més, l'augment dels elements d'aliatge fa que la segregació de la composició de l'aliatge de base de níquel sigui greu després de la solidificació, donant lloc a una microestructura i propietats desiguals. L'ús del procés de metal·lúrgia de pols per produir un superaliatge pot resoldre els problemes anteriors. Com que la partícula de pols és petita, la velocitat de refredament és ràpida quan es fa pols, s'elimina la segregació, es millora la treballabilitat en calent, l'aliatge que només es pot colar es canvia en el superaliatge de deformació que es pot treballar en calent, el límit de fluència. i es milloren les propietats de fatiga, el superaliatge en pols ha produït una nova manera de produir un aliatge de major resistència. El superaliatge en pols s'utilitza principalment en la fabricació de discs de turbina de motor aerodinàmic avançat amb una alta relació d'empenta, i també en la producció de disc de compressor, eix de turbina, deflector de turbina i altres peces d'extrem calent d'alta temperatura de motor aerodinàmic avançat.
3) superaliatge a base de cobalt: la resistència a la corrosió i altres camps especials tenen grans perspectives.
La resistència a l'oxidació del superaliatge a base de cobalt és pobre, però la seva resistència a la corrosió tèrmica és millor que el níquel. El superaliatge a base de cobalt també té una resistència a alta temperatura, resistència a la corrosió tèrmica, fatiga tèrmica i resistència a la fluència més forta que el superaliatge a base de níquel, que és adequat per a la fabricació de fulles i broquets de guia de turbines de gas.
A causa dels recursos limitats, al nostre país s'han desenvolupat aliatges de base de cobalt com ara K40, GH188 i L605. Des del 2001, la investigació de GE en superaliatges a base de cobalt s'ha centrat a utilitzar superaliatges a base de cobalt com a materials de substrat per a turbines de gas i a preparar recobriments com ara recobriments de barrera tèrmica a la superfície dels aliatges per millorar la resistència a la corrosió.
A causa de les limitacions materials, el cobalt és relativament rar i car a la Terra. Actualment, la calor de la investigació basada en cobalt ha disminuït i moltes investigacions científiques es mantenen en l'etapa teòrica, com ara l'experiment de modelització digital.
La primera generació d'aliatge d'avions militars, motor amb aliatge d'alta temperatura o entrar en el període de volum ràpid
Els requisits de temperatura del motor estan augmentant. Una alta relació empenta/pes requereix una temperatura de broquet més alta i un suport de material a una temperatura de funcionament més alta. En el desenvolupament del superaliatge al món, els materials de la fulla i el disc del motor han experimentat quatre etapes, a saber, deformació, fosa, orientació i cristall únic. La temperatura augmenta gradualment de 600 graus a més de 1100 graus.
La millora dels avions militars ha anat acompanyada de la millora dels superaliatges. El material del nucli del motor turbofan de primera generació és un superaliatge deformat i la temperatura de treball del material del nucli és de 650 graus. Amb el motor turbofan de quarta generació, la temperatura de treball del material principal ha arribat als 1200 graus i s'adopta el superaliatge de cristall únic. La millora dels avions militars ha anat acompanyada de la millora del superaliatge, el material bàsic del motor. L'actualització del superaliatge necessita investigació