Koper is een kneedbaar, ductiel en uitstekende geleider van warmte en elektriciteit. Het wordt gebruikt in verschillende industrieën, waaronder de elektrotechniek, de bouw, de auto-industrie en loodgieterswerk. Er zijn verschillende kwaliteiten en normen van kopermaterialen, en hier zijn er enkele:
Naast de voortdurende aandacht voor de veiligheid van vliegtuigen en motoren, maakt de binnen- en buitenlandse luchtvaartgemeenschap zich de laatste jaren ook steeds meer zorgen over het besparen van hulpbronnen, het verlagen van kosten, het beschermen van het milieu en andere kwesties. Tegen deze achtergrond heeft de groene luchtvaartindustrie enige vooruitgang geboekt. Groene luchtvaart omvat het hele ontwikkelings- en gebruiksproces van vliegtuigontwerp, fabricage, gebruik, onderhoud, pensionering, herstel, enz., Waarbij technische gebieden betrokken zijn, waaronder groene materialen, groene productie, groen onderhoud, enz.
Het zogenaamde groene materiaal verwijst naar het maximaliseren van het gebruik van hulpbronnen en het minimaliseren van gebruikskosten en milieu-impact gedurende de hele cyclus van materiaalontwerp, selectie van grondstoffen, verwerking en productie, verpakking en transport, gebruik, terugwinning en hergebruik. Ons land is begonnen met het krachtig ontwikkelen van nieuwe materiaaltechnologie, elke nieuwe materiaaltechnologie is tot een doorbraak gekomen, onderzoek naar nieuw materiaal in de luchtvaart heeft bevredigende resultaten opgeleverd. Met het oog op de toekomst zullen nieuwe luchtvaartmaterialen worden ontwikkeld in de richting van multifunctioneel, hoge prestaties, nieuwe processen, lage kosten en nieuwe concepten. Met de verbetering van het onafhankelijke onderzoeks- en ontwikkelingsniveau van China op het gebied van nieuwe luchtvaartmaterialen, moeten we het technische niveau van groene luchtvaartmaterialen volledig verbeteren vanuit de aspecten materiaalontwerp, voorbereidingsproces, materiaalontwikkeling, recycling en andere aspecten, en gezamenlijk creëer een betere toekomst van groene luchtvaart.
Ten eerste de noodzaak om een groene luchtvaartindustrie te ontwikkelen
2021 is het eerste jaar van het 14e Vijfjarenplan. Als de kernpositie van de gehele militaire industrieketen zal de nieuwe materiële sector naar verwachting een grotere ruimte voor ontwikkeling inluiden. De 20e eeuw is een eeuw van snelle ontwikkeling van moderne wetenschap en technologie, een van de belangrijke symbolen is de briljante prestaties die mensen hebben geleverd op het gebied van luchtvaart en ruimtevaart. In de 21e eeuw heeft de lucht- en ruimtevaartindustrie een breder ontwikkelingsperspectief getoond, en lucht- en ruimtevaartactiviteiten op hoog of ultrahoog niveau komen vaker voor. De grote prestaties van de lucht- en ruimtevaartindustrie zijn onlosmakelijk verbonden met de ontwikkeling en doorbraak van materiaaltechnologie voor de lucht- en ruimtevaart. Materialen vormen de basis en voorloper van moderne geavanceerde technologie en industrie, en zijn in grote mate de voorwaarde voor de doorbraak van geavanceerde technologie. De ontwikkeling van lucht- en ruimtevaartmaterialen speelt een sterke rol bij het ondersteunen en waarborgen van de lucht- en ruimtevaarttechnologie. Op hun beurt leiden en bevorderen de ontwikkelingsbehoeften van ruimtevaarttechnologie in hoge mate de ontwikkeling van ruimtevaartmaterialen. Er kan worden gezegd dat de voortgang van materialen een belangrijke ondersteunende rol speelt bij het upgraden van vliegtuigen.
Luchtvaartmaterialen zijn niet alleen de materiële garantie voor de ontwikkeling en productie van luchtvaartproducten, maar ook de technische basis voor het upgraden van luchtvaartproducten. Materialen spelen een belangrijke rol bij de ontwikkeling van de luchtvaartindustrie en luchtvaartproducten. In de 21e eeuw ontwikkelen luchtvaartmaterialen zich in de richting van hoge prestaties, hoge functionaliteit, multifunctionele, structuur- en functie-integratie, samengestelde, intelligente, lage kosten en milieucompatibiliteit.
In zijn werkrapport van de regering uit 2022 stelde voormalig premier Li Keqiang voor om de ecologische omgeving voortdurend te verbeteren, groene en koolstofarme ontwikkeling te bevorderen, de beheersing van vervuiling en ecologische bescherming en herstel te versterken, een evenwicht te vinden tussen ontwikkeling en emissiereductie, en harmonieuze coëxistentie tussen mens en natuur. Hoewel de binnenlandse en buitenlandse luchtvaartgemeenschap de laatste jaren aandacht blijft besteden aan de veiligheid van vliegtuigen, maakt ze zich ook steeds meer zorgen over het besparen van hulpbronnen, kostenbesparingen, milieubescherming en andere kwesties. In dit verband heeft de groene luchtvaart enige vooruitgang geboekt. Vliegtuigen naar een veiligere en betrouwbaardere, lichtgewicht, stoere, groene ontwikkelingsrichting, stellen dus steeds hogere eisen aan materialen, maar promoten het vliegtuig ook op het gebied van vliegsnelheid, betrouwbaarheid, lage kosten, hoge efficiëntie en comfort en andere aspecten van de upgrade . In de nieuwe industriële situatie is de ontwikkeling van hoogwaardige groene luchtvaartmaterialen en de voorbereidings- en verwerkingstechnologie van groot belang om de duurzame ontwikkeling van de Chinese luchtvaartindustrie te ondersteunen. Kortom, gedreven door de snelle ontwikkeling van de wereldwijde moderne industrie, is de groene ontwikkeling van luchtvaartmaterialen een onvermijdelijke trend en een dringende vereiste voor economische ontwikkeling.
ik. Onderzoeksvoortgang van nieuwe luchtvaartmaterialen
Vliegtuigmaterialen bepalen tot op zekere hoogte de kosten van het vervaardigen van de carrosseriestructuur van een vliegtuig. Aangezien de luchtvaartapparatuur van China voornamelijk in een vroeg stadium werd geïntroduceerd, gebruikt het voornamelijk het buitenlandse materiaalsysteem bij de materiaalkeuze. In de afgelopen jaren is China begonnen met het krachtig ontwikkelen van nieuwe materiaaltechnologie, en de nieuwe materiaaltechnologie heeft voortdurende doorbraken gemaakt, en het onderzoek naar nieuwe luchtvaartmaterialen heeft ook bevredigende resultaten opgeleverd. Er is echter nog steeds een grote kloof tussen het algemene niveau van de nieuwe luchtvaartindustrie en het internationale geavanceerde niveau.
(A) Titaniumlegering: uitstekende eigenschappen van het "universele metaal"
Titanium heeft de kenmerken van een laag soortelijk gewicht en een hoge specifieke sterkte, en zijn legering is van groot belang voor het verhogen van de stuwkracht-gewichtsverhouding van vliegtuigen in de ruimtevaart en wordt de laatste jaren veel gebruikt. Naast militaire en ruimtevaartvelden wordt titaniumlegering ook veel gebruikt in de chemie, de metallurgie, de medische wereld, de sport en de vrije tijd en op andere gebieden.
Ontwikkelingsstatus van materialen van titaniumlegeringen voor de luchtvaart in het buitenland
1) Titaniumlegering op hoge temperatuur: titaniumlegering op hoge temperatuur wordt voornamelijk gebruikt in de schuifrail van de vliegtuigklep, het lagerhuis, de beugel, de motorkap, de compressorschijf en het blad, de behuizing en andere structurele framedelen. Deze componenten vereisen een hoge specifieke sterkte, vermoeiingssterkte, kruipweerstand en structurele stabiliteit bij 300 ~ 600 graden. Op dit moment omvatten merken namens het internationale geavanceerde niveau van titaniumlegeringen op hoge temperatuur voornamelijk de Verenigde Staten Ti-6242S, Ti-1100, IMI834, Rusland's BT36 enzovoort.
2) Titaniumlegering met hoge sterkte: titaniumlegering met hoge sterkte verwijst meestal naar de treksterkte van meer dan 1000 MPa titaniumlegering, die voornamelijk wordt gebruikt ter vervanging van het constructiestaal met hoge sterkte dat gewoonlijk wordt gebruikt in vliegtuigconstructies, kan een gewichtsvermindering van 10 procent bereiken. Momenteel zijn de titaniumlegeringen met hoge sterkte die in vliegtuigen worden gebruikt voornamelijk titaniumlegeringen van het type, representatief voor de belangrijkste Ti-1023, BT22, Ti-153, -21S enzovoort.
3) Vlamvertragende titaniumlegering: momenteel zijn de typische vlamvertragende titaniumlegeringen legering C in de Verenigde Staten en BTT-1 in Rusland. Legering C (Ti-35V-15Cr), ontwikkeld in de Verenigde Staten, is een -type titaniumlegering met goede hoge temperatuursterkte en oxidatiebestendigheid. Het is toegepast op de behuizing van de hogedrukcompressor, de leischoep en het vectorstaartmondstuk van de Fl19-motor. De in Rusland ontwikkelde Ti-Cu-Al BTT-1 vlamvertragende titaniumlegering is goed thermisch verwerkbaar en wordt gebruikt in de behuizing en bladen van motorcompressoren.
Ontwikkelingsstatus van materialen van titaniumlegeringen voor de binnenlandse luchtvaart
1) Titaniumlegering op hoge temperatuur: Ti-60-legering is een 600 graden titaniumlegering op hoge temperatuur die onafhankelijk door ons land is ontwikkeld. De legering is gebaseerd op een TAl₂ (Ti-55) legering waaraan Al, Sn, Si-elementen met de juiste inhoud zijn toegevoegd, om de thermische stabiliteit, kruip bij hoge temperatuur en oxidatieweerstand bij hoge temperatuur van de legering verder te verbeteren.
2) Structurele titaniumlegering met hoge sterkte: een partij structurele titaniumlegering met hoge sterkte werd onafhankelijk ontwikkeld in de jaren 70 tot 90. De sterkte van deze titaniumlegeringen kan het niveau van 1100-1300MPa bereiken. Aan het begin van de 21e eeuw zijn er twee soorten representatieve beta-titaniumlegeringen: ① bijna titanium Ti-B18, treksterkte kan oplopen tot 1150 ~ 1350MPa; ② Metastabiele titaniumlegering Ti-B20, treksterkte tot 1200 ~ 1600MPa.
3) Vlamvertragende titaniumlegering: China heeft in de loop der jaren diepgaand onderzoek gedaan naar vlamvertragende titaniumlegeringen. Verwijzend naar AlloyC-legering, werden respectievelijk Ti-V-Cr-Al, Ti-Mo-Cr-Al, Ti-Mo-V-Cr-Al3-reeksen van vlamvertragende titaniumlegeringen ontworpen en werd het anti-verbrandingsmechanisme bestudeerd door middel van van computersimulatie. Bovendien werden TF1 (Ti-V-Cr-C-serie) en TF2 (Ti-Cu-serie) vlamvertragende titaniumlegeringen ontworpen na systematische analyse van verschillende systemen van de Verenigde Staten, Groot-Brittannië en Rusland. Ti-40 (Ti-V-Cr-Si)-legering is een -type vlamvertragende titaniumlegering die onafhankelijk is ontwikkeld in China. In vergelijking met conventionele titaniumlegeringen heeft de Ti-40-legering uitstekende vlamvertragende en mechanische eigenschappen. Op dit moment heeft het legeringsonderzoek zich ontwikkeld van laboratoriumschaal tot semi-industriële schaal, heeft het Ti40 ton ingots, grote staaf- en ringsmeedstukken kunnen bereiden.
Vanwege de late start van de binnenlandse luchtvaartindustrie, is het verbruik van titanium en titaniumlegeringen in de binnenlandse luchtvaart niet groot, titaniummaterialen die in de luchtvaart worden gebruikt, vertegenwoordigen minder dan 20 procent, ver onder het internationale gemiddelde niveau van ongeveer 50 procent, en de titaniumindustrie in vergelijking met ontwikkelde landen is er nog steeds een grote kloof: ten eerste zijn hoogwaardige producten van titaniumlegeringen nog steeds voornamelijk imitatie, het niveau van materiaalontwikkeling is laag, het toepassingsgebied is smal, hoge uitgebreide prestaties en laag- kosten ontwikkeling van titaniumlegeringen bevindt zich meestal in het laboratoriumstadium; Ten tweede is de kwaliteit van de metallurgie niet stabiel, minder variëteiten, onvolledige specificaties; Ten derde is de onderzoeksvoortgang van gerelateerde ondersteunende technologieën traag en moet het zelfontwikkelde materiaalsysteem van titaniumlegering worden verbeterd.
(2) Superlegering: gericht op de behoeften van militaire motoren
Superlegering, voor hoge temperaturen
Traditioneel staal wordt zacht boven de 300 graden Celsius en kan niet tegen hoge temperaturen. Om een hogere energieconversie-efficiëntie na te streven, heeft het thermische motorvermogen een steeds hogere werktemperatuur nodig. Als gevolg hiervan zijn superlegeringen gefokt om stabiel te werken bij temperaturen boven 600 graden Celsius, en de technologie blijft verbeteren.
Superlegeringen zijn onderverdeeld in op ijzer gebaseerde superlegeringen en op nikkel gebaseerde superlegeringen volgens de belangrijkste elementen van de legering. Volgens Zhiyan Consulting, gedeeld door productproces in 2018, was de output van op nikkel gebaseerde superlegering goed voor 80 procent, op ijzer gebaseerde superlegering 14,3 procent en op kobalt gebaseerde superlegering 5,7 procent.
Superalloy is het belangrijkste materiaal van aeroengine. Superlegering wordt sinds de geboorte in vliegtuigmotoren gebruikt en is een belangrijk materiaal voor de productie van ruimtevaartmotoren. Het prestatieniveau van de motor hangt grotendeels af van het prestatieniveau van het superlegeringsmateriaal. In moderne vliegtuigmotoren is de hoeveelheid superlegeringsmateriaal goed voor 40 tot 60 procent van het totale gewicht van de motor. Het wordt voornamelijk gebruikt in vier hot-endcomponenten: verbrandingskamer, geleider, turbineblad en turbineschijf. Daarnaast wordt het ook gebruikt in omkasting, ringdelen, naverbrander en staartstuk.
De Chinese legeringsindustrie op hoge temperatuur bevindt zich momenteel in de groeiperiode en de industriële ketenondernemingen hebben in de toekomst een brede ontwikkelingsruimte. Het aantal productiebedrijven van superlegeringen in China is beperkt en het productieniveau blijft achter bij dat van de Verenigde Staten, Rusland en andere landen. De afgelopen jaren zijn de productiecapaciteit en outputwaarde echter aanzienlijk verbeterd. Veel productiecapaciteitsprojecten van superlegeringen van Lianshi Aviation, Western Superconductor en andere bedrijven zijn in aanbouw en in gebruik genomen.
De eigenschappen van superlegeringen voor vliegtuigmotoren ontwikkelen zich continu
1) Superlegering op ijzerbasis: een van de kenmerken van het Chinese superlegeringssysteem.
Vanwege het gebrek aan nikkel en weinig kobalt in Chinese bronnen, werd de ontwikkeling, productie en toepassing van superlegeringen op ijzerbasis een briljante scène in de jaren zestig en zeventig.
Op ijzer gebaseerde superlegeringen worden over het algemeen gebruikt in motoronderdelen met lage bedrijfstemperaturen (600 ~ 850 ° C), zoals turbineschijven, behuizing en assen. Superlegering op Fe-basis heeft echter goede mechanische eigenschappen bij gemiddelde temperatuur, vergelijkbaar met of beter dan vergelijkbare legeringen op nikkelbasis. Bovendien is het goedkoop en gemakkelijk te vervormen bij warm werken. Daarom wordt superlegering op Fe-basis nog steeds veel gebruikt als turbineschijf- en turbinebladmaterialen op het gebied van gemiddelde temperatuur.
2) Nikkelbasis superlegering: vervorming/gieten/nieuwe legering upgrade per generatie.
Op nikkel gebaseerde superlegeringen werken over het algemeen onder bepaalde stressomstandigheden boven 600 graden. Ze hebben niet alleen een goede oxidatieweerstand en corrosieweerstand bij hoge temperaturen, maar hebben ook een hoge temperatuursterkte, kruipsterkte en blijvende sterkte, evenals een goede weerstand tegen vermoeidheid. Het wordt voornamelijk gebruikt in de ruimtevaart voor structurele componenten die werken bij hoge temperaturen, zoals de werkende bladen, turbineschijven, verbrandingskamers van vliegtuigmotoren, enz.
Volgens het fabricageproces kan superlegering op nikkelbasis worden onderverdeeld in variabele legering, gietende superlegering, nieuwe superlegering. Op nikkel gebaseerde gegoten superlegering wordt voornamelijk gebruikt in turbineschoepen in motoren, waar de bedrijfstemperatuur meer dan 1100 graden kan bereiken, of kan ook worden gebruikt in turbineschoepen, waarvan de temperatuur lager is dan de overeenkomstige geleidingsschoep 50-100 graden .
Aangezien de werktemperatuur van de hittebestendige legering hoger en hoger is, worden de versterkende elementen in de legering steeds groter, de samenstelling wordt complexer, waardoor sommige legeringen alleen in gegoten toestand kunnen worden gebruikt, geen hete werkvervorming. Bovendien maakt de toename van legeringselementen de segregatie van de samenstelling van een legering op nikkelbasis ernstig na stolling, wat resulteert in een ongelijkmatige microstructuur en eigenschappen. Het gebruik van een poedermetallurgieproces om superlegeringen te produceren, kan de bovenstaande problemen oplossen. Omdat het poederdeeltje klein is, is de koelsnelheid snel wanneer poeder wordt gemaakt, wordt de segregatie geëlimineerd, wordt de hete verwerkbaarheid verbeterd, wordt de legering die alleen kan worden gegoten, veranderd in de vervormingssuperlegering die heet kan worden bewerkt, de vloeigrens en vermoeidheidseigenschappen zijn verbeterd, heeft de poeder-superlegering een nieuwe manier opgeleverd voor de productie van legeringen met een hogere sterkte. Poeder-superlegering wordt voornamelijk gebruikt bij de vervaardiging van turbineschijf van geavanceerde vliegtuigmotor met hoge stuwkrachtverhouding, en ook bij de productie van compressorschijf, turbine-as, turbineschot en andere hot-end onderdelen op hoge temperatuur van geavanceerde vliegtuigmotor.
3) op kobalt gebaseerde superlegering: corrosiebestendigheid en andere speciale gebieden hebben brede perspectieven.
De oxidatieweerstand van op kobalt gebaseerde superlegering is slecht, maar de thermische corrosieweerstand is beter dan die van nikkel. Op kobalt gebaseerde superlegering heeft ook een sterkere sterkte bij hoge temperaturen, thermische corrosieweerstand, thermische vermoeidheid en kruipweerstand dan op nikkel gebaseerde superlegering, die geschikt is voor het vervaardigen van geleidebladen en mondstukken voor gasturbines.
Vanwege beperkte middelen zijn in ons land legeringen op basis van kobalt zoals K40, GH188 en L605 ontwikkeld. Sinds 2001 heeft GE's onderzoek naar op kobalt gebaseerde superlegeringen zich gericht op het gebruik van op kobalt gebaseerde superlegeringen als substraatmaterialen voor gasturbines en het voorbereiden van coatings zoals thermische barrièrecoatings op het oppervlak van de legeringen om de corrosieweerstand te verbeteren.
Vanwege materiële beperkingen is kobalt relatief zeldzaam en duur op aarde. Op dit moment is de hitte van op kobalt gebaseerd onderzoek afgenomen en blijven veel wetenschappelijke onderzoeken in de theoretische fase, zoals experimenten met digitale modellering.
De eerste generatie militaire vliegtuiglegering, motor met legering op hoge temperatuur of gaat de snelle volumeperiode in
De temperatuureisen van de motor nemen toe. Een hoge stuwkracht-gewichtsverhouding vereist een hogere mondstuktemperatuur en een materiaalondersteuning bij een hogere bedrijfstemperatuur. Bij de ontwikkeling van superlegeringen in de wereld hebben motorblad- en schijfmaterialen vier stadia doorgemaakt, namelijk vervorming, gieten, oriëntatie en enkel kristal. De temperatuur wordt geleidelijk verhoogd van 600 graden naar meer dan 1100 graden.
De opwaardering van militaire vliegtuigen ging gepaard met de opwaardering van superlegeringen. Het kernmateriaal van de turbofanmotor van de eerste generatie is een vervormde superlegering en de werktemperatuur van het kernmateriaal is 650 graden. Door de turbofanmotor van de vierde generatie heeft de werktemperatuur van het kernmateriaal 1200 graden bereikt en wordt de monokristallijne superlegering toegepast. De upgrade van militaire vliegtuigen ging gepaard met de upgrade van superlegering, het kernmateriaal van de motor. De upgrade van superlegering heeft onderzoek nodig