Медь является податливым, пластичным и отличным проводником тепла и электричества. Он используется в различных отраслях промышленности, в том числе в электротехнике, строительстве, автомобилестроении и сантехнике. Существуют различные сорта и стандарты медных материалов, и вот некоторые из них:
В последние годы, продолжая уделять внимание безопасности самолетов и двигателей, отечественное и зарубежное авиационное сообщество также все больше заботится об экономии ресурсов, снижении затрат, защите окружающей среды и других вопросах. На этом фоне зеленая авиационная промышленность добилась определенного прогресса. Зеленая авиация охватывает весь процесс разработки и использования проектирования, производства, использования, технического обслуживания, вывода из эксплуатации, восстановления и т. д., включая технические области, включая экологически чистые материалы, экологически чистое производство, экологичное техническое обслуживание и т. д.
Так называемый зеленый материал относится к максимальному использованию ресурсов и минимизации стоимости использования и воздействия на окружающую среду в течение всего цикла разработки материала, выбора сырья, обработки и производства, упаковки и транспортировки, использования, восстановления и повторного использования. Наша страна начала энергично разрабатывать новые технологии материалов, каждая новая технология материалов была сделана прорывом, исследования новых материалов в авиации добились отрадных достижений. Заглядывая в будущее, новые авиационные материалы будут разрабатываться в направлении многоцелевого, высокопроизводительного, новых процессов, низкой стоимости и новых концепций. С повышением уровня независимых исследований и разработок Китая в области новых авиационных материалов нам необходимо всесторонне улучшить технический уровень экологически чистых авиационных материалов с точки зрения дизайна материала, процесса подготовки, разработки материалов, переработки и других аспектов, а также совместно создать лучшее будущее зеленой авиации.
Во-первых, необходимость развития «зеленой» авиационной промышленности.
2021 год — первый год 14-й пятилетки. Ожидается, что сектор новых материалов, занимающий центральное место во всей цепочке военной промышленности, откроет больше возможностей для развития. XX век — век бурного развития современной науки и техники, одним из важных символов которого являются блестящие достижения человечества в области аэронавтики и космонавтики. В 21 веке аэрокосмическая промышленность продемонстрировала более широкие перспективы развития, и аэрокосмическая деятельность высокого или сверхвысокого уровня стала более частой. Великие достижения аэрокосмической промышленности неотделимы от разработки и прорыва в технологии аэрокосмических материалов. Материалы являются основой и предвестником современных высоких технологий и промышленности и в значительной степени являются предпосылкой прорыва высоких технологий. Разработка аэрокосмических материалов играет важную роль в поддержке и обеспечении аэрокосмической техники. В свою очередь, потребности развития аэрокосмических технологий в значительной степени стимулируют развитие аэрокосмических материалов. Можно сказать, что прогресс материалов играет ключевую вспомогательную роль в модернизации самолетов.
Авиационные материалы являются не только материальной гарантией разработки и производства авиационной продукции, но и технической базой для модернизации авиационной продукции. Материалы играют важную роль в развитии авиационной промышленности и авиационной продукции. В 21 веке авиационные материалы развиваются в направлении высокой производительности, высокой функциональности, многофункциональности, интеграции структуры и функций, соединения, интеллектуальности, низкой стоимости и совместимости с окружающей средой.
В своем отчете о работе правительства за 2022 год бывший премьер-министр Ли Кэцян предложил постоянно улучшать экологическую среду, способствовать зеленому и низкоуглеродному развитию, усиливать контроль за загрязнением, экологическую защиту и восстановление, находить баланс между развитием и сокращением выбросов, а также способствовать гармоничному сосуществованию между человек и природа. В последние годы, продолжая уделять внимание безопасности воздушных судов, отечественное и зарубежное авиационное сообщество также все больше заботится о ресурсосбережении, снижении затрат, защите окружающей среды и других вопросах. В этом контексте зеленая авиация добилась определенного прогресса. Самолет в направлении более безопасного и надежного, легкого, жесткого, зеленого направления развития, таким образом выдвигая все более высокие требования к материалам, но также продвигая самолет в скорости полета, надежности, низкой стоимости, высокой эффективности и комфорте и других аспектах модернизации. . В новой промышленной ситуации разработка высококачественных экологически чистых авиационных материалов, а также технологий их подготовки и обработки имеет большое значение для поддержки устойчивого развития авиационной промышленности Китая. Одним словом, движимое стремительным развитием глобальной современной промышленности, экологически чистое развитие авиационных материалов является неизбежной тенденцией и неотложным требованием экономического развития.
II. Прогресс исследований новых авиационных материалов
Материалы для летательных аппаратов в определенной степени определяют стоимость изготовления конструкции корпуса самолета. Поскольку авиационное оборудование Китая в основном было представлено на ранней стадии, при выборе материалов в основном используется система иностранных материалов. В последние годы Китай начал активно разрабатывать новые технологии материалов, и новые технологии материалов постоянно совершали прорывы, а исследования новых авиационных материалов также добились отрадных достижений. Тем не менее, все еще существует большой разрыв между общим уровнем производства новых авиационных материалов и передовым международным уровнем.
(A) Титановый сплав: превосходные свойства «универсального металла».
Титан имеет характеристики низкого удельного веса и высокой удельной прочности, а его сплав имеет большое значение для увеличения тяговооруженности самолетов в аэрокосмической области и широко используется в последние годы. Помимо военной и аэрокосмической областей, титановый сплав также широко используется в химической, металлургической, медицинской, спортивной и развлекательной и других областях.
Состояние разработки материалов из титановых сплавов для авиации за рубежом
1) Высокотемпературный титановый сплав: высокотемпературный титановый сплав в основном используется в направляющей закрылка самолета, корпусе подшипника, кронштейне, капоте двигателя, диске и лопасти компрессора, кожухе и других конструктивных элементах рамы. Эти компоненты требуют высокой удельной прочности, усталостной прочности, сопротивления ползучести и структурной стабильности при температуре 300 ~ 600 градусов. В настоящее время от имени международного продвинутого уровня высокотемпературных марок титанового сплава в основном представлены американские марки Ti-6242S, Ti-1100, IMI834, российский BT36 и так далее.
2) Высокопрочный титановый сплав: высокопрочный титановый сплав обычно относится к пределу прочности на растяжение титанового сплава более 1000 МПа, который в основном используется для замены высокопрочной конструкционной стали, обычно используемой в конструкции самолета, может достичь 10-процентного снижения веса. В настоящее время высокопрочные титановые сплавы, используемые в самолетах, в основном представляют собой титановые сплавы типа -типа, представляющие основные сплавы Ti-1023, BT22, Ti-153, -21S и так далее.
3) Огнестойкий титановый сплав: В настоящее время типичными огнестойкими титановыми сплавами являются Alloy C в США и BTT-1 в России. Сплав C (Ti-35V-15Cr), разработанный в Соединенных Штатах, представляет собой сплав титана -типа с хорошей жаропрочностью и стойкостью к окислению. Он был применен к корпусу компрессора высокого давления, направляющему аппарату и векторному хвостовому соплу двигателя Fl19. Титановый сплав Ti-Cu-Al BTT-1, разработанный в России, обладает хорошей термообрабатываемостью и используется в кожухе и лопатках компрессора двигателя.
Состояние разработки материалов из титановых сплавов для отечественной авиации
1) Высокотемпературный титановый сплав: сплав Ti -60 представляет собой высокотемпературный титановый сплав с температурой 600 градусов, независимо разработанный в нашей стране. Сплав основан на сплаве TAl₂ (Ti -55) с добавлением элементов Al, Sn, Si с соответствующим содержанием, чтобы дополнительно улучшить термическую стабильность, высокотемпературную ползучесть и стойкость сплава к высокотемпературному окислению.
2) Высокопрочный конструкционный титановый сплав. Партия высокопрочного конструкционного титанового сплава была независимо разработана в 1970–1990-х годах. Прочность этих титановых сплавов может достигать уровня 1100-1300МПа. В начале 21-го века существует два типа репрезентативных бета-титановых сплавов: ① почти титановый Ti-B18, предел прочности при растяжении может достигать 1150 ~ 1350 МПа; ② Метастабильный титановый сплав Ti-B20, предел прочности при растяжении до 1200 ~ 1600 МПа.
3) Огнестойкий титановый сплав: На протяжении многих лет в Китае проводились углубленные исследования огнестойкого титанового сплава. Что касается сплава AlloyC, были разработаны серии огнестойких титановых сплавов Ti-V-Cr-Al, Ti-Mo-Cr-Al, Ti-Mo-V-Cr-Al3 соответственно, и механизм предотвращения возгорания был изучен с помощью компьютерного моделирования. Кроме того, огнестойкие титановые сплавы TF1 (серия Ti-V-Cr-C) и TF2 (серия Ti-Cu) были разработаны после систематического анализа различных систем США, Великобритании и России. Сплав Ti-40 (Ti-V-Cr-Si) представляет собой огнезащитный титановый сплав типа 2, независимо разработанный в Китае. По сравнению с обычным титановым сплавом сплав Ti-40 обладает превосходными огнестойкими и механическими свойствами. В настоящее время исследования сплавов перешли от лабораторного масштаба к полупромышленному масштабу, удалось подготовить слиток Ti40 тонн, поковки большого размера в виде прутков и колец.
Из-за позднего начала отечественной авиационной промышленности потребление материалов из титана и титановых сплавов в отечественной авиационной сфере невелико, титановые материалы, используемые в авиационной сфере, составляют менее 20 процентов, что намного ниже среднего международного уровня около 50 процентов, и в титановой промышленности по сравнению с развитыми странами все еще существует большой разрыв: во-первых, высококачественные изделия из титанового сплава по-прежнему в основном имитация, уровень разработки материалов низкий, диапазон применения узкий, высокая комплексная производительность и низкий уровень стоимость разработки титанового сплава в основном находится на лабораторной стадии; Во-вторых, качество металлургии нестабильно, меньше разновидностей, неполные спецификации; В-третьих, исследования соответствующих вспомогательных технологий идут медленно, и система материалов из титанового сплава собственной разработки нуждается в улучшении.
(2) Суперсплав: ориентация на потребности военных двигателей
Суперсплав, для высоких температур
Традиционная сталь размягчается выше 300 градусов по Цельсию и не выдерживает высоких температур. Чтобы добиться более высокой эффективности преобразования энергии, в области мощности теплового двигателя требуется все более и более высокая рабочая температура. В результате были выведены суперсплавы, способные стабильно работать при температурах выше 600 градусов Цельсия, и технология продолжает совершенствоваться.
Суперсплавы делятся на суперсплавы на основе железа и суперсплавы на основе никеля в зависимости от основных элементов сплава. По данным Zhiyan Consulting, в 2018 году производство суперсплава на основе никеля составило 80%, суперсплава на основе железа — 14,3% и суперсплава на основе кобальта — 5,7%.
Суперсплав является ключевым материалом авиадвигателя. Суперсплав использовался в авиационных двигателях с момента его появления и является важным материалом для производства авиационных двигателей. Уровень производительности двигателя во многом зависит от уровня производительности материала из суперсплава. В современных авиационных двигателях количество материала из суперсплава составляет от 40 до 60 процентов от общего веса двигателя. Он в основном используется в четырех компонентах горячего конца: камера сгорания, направляющая, лопатка турбины и диск турбины. Кроме того, он также используется в кожухе, кольцевых деталях, форсажной камере и хвостовом сопле.
Китайская промышленность жаропрочных сплавов в настоящее время находится в периоде роста, и предприятия производственной цепочки имеют широкие возможности для развития в будущем. Количество предприятий по производству суперсплавов в Китае ограничено, а уровень производства отстает от уровня США, России и других стран. Однако в последние годы производственные мощности и стоимость продукции были значительно улучшены. Многие проекты мощностей по производству суперсплавов компаний Lianshi Aviation, Western Superconductor и других компаний находятся в стадии строительства и ввода в эксплуатацию.
Свойства суперсплава для авиадвигателей постоянно развиваются
1) Суперсплав на основе железа: одна из характеристик китайской системы суперсплавов.
Из-за нехватки никеля и небольшого количества кобальта в китайских ресурсах разработка, производство и применение суперсплава на основе железа стали блестящей сценой в 1960-х и 1970-х годах.
Суперсплавы на основе железа обычно используются в деталях двигателей с низкими рабочими температурами (600~850°С), таких как диски турбин, корпус и валы. Однако суперсплав на основе Fe имеет хорошие механические свойства при средних температурах, сравнимые или даже лучше, чем у аналогичных сплавов на основе никеля. Кроме того, он дешев и легко деформируется при горячей обработке. Таким образом, суперсплав на основе Fe по-прежнему широко используется в качестве материалов для дисков и лопаток турбин в области средних температур.
2) Суперсплав на никелевой основе: деформация/литье/модернизация нового сплава по поколениям.
Суперсплавы на основе никеля обычно работают при определенных условиях напряжения выше 600 градусов. Они не только обладают хорошей стойкостью к окислению и коррозии при высоких температурах, но также обладают жаропрочностью, сопротивлением ползучести и длительной прочностью, а также хорошей стойкостью к усталости. Он в основном используется в аэрокосмической области для конструктивных элементов, работающих в условиях высоких температур, таких как рабочие лопатки, диски турбин, камеры сгорания авиационных двигателей и т. д.
В соответствии с производственным процессом суперсплав на основе никеля можно разделить на переменный сплав, литейный суперсплав, новый суперсплав. Литой суперсплав на основе никеля в основном используется в направляющих лопатках турбин двигателей, рабочая температура которых может достигать более 1100 градусов, или также может использоваться в лопатках турбин, температура которых ниже температуры соответствующей направляющей лопатки 50-100 градусов. .
Поскольку рабочая температура жаропрочного сплава становится все выше и выше, упрочняющих элементов в сплаве становится все больше и больше, состав усложняется, в результате чего некоторые сплавы могут использоваться только в литом состоянии, не могут подвергаться горячей деформации. Кроме того, увеличение количества легирующих элементов делает сегрегацию состава сплава на основе никеля серьезной после затвердевания, что приводит к неравномерной микроструктуре и свойствам. Использование процесса порошковой металлургии для производства суперсплава может решить вышеуказанные проблемы. Поскольку частицы порошка малы, скорость охлаждения при изготовлении порошка высокая, сегрегация устраняется, способность к горячей обработке улучшается, сплав, который можно только отливать, превращается в деформируемый суперсплав, который можно подвергать горячей обработке, предел текучести и усталостные свойства улучшены, порошковый суперсплав создал новый способ производства высокопрочного сплава. Порошковый суперсплав в основном используется в производстве диска турбины усовершенствованного авиадвигателя с высоким коэффициентом тяги, а также в производстве диска компрессора, вала турбины, дефлектора турбины и других высокотемпературных деталей горячего конца усовершенствованного авиадвигателя.
3) суперсплав на основе кобальта: коррозионная стойкость и другие специальные области имеют широкие перспективы.
Стойкость к окислению суперсплава на основе кобальта низкая, но его термическая коррозионная стойкость лучше, чем у никеля. Суперсплав на основе кобальта также обладает более высокой жаропрочностью, термической коррозионной стойкостью, термической усталостью и сопротивлением ползучести, чем суперсплав на основе никеля, который подходит для изготовления направляющих лопаток и сопел газовых турбин.
Из-за ограниченных ресурсов в нашей стране были разработаны сплавы на основе кобальта, такие как К40, GH188 и L605. С 2001 года исследования GE в области суперсплавов на основе кобальта были сосредоточены на использовании суперсплавов на основе кобальта в качестве материалов подложки для газовых турбин и подготовке покрытий, таких как термобарьерные покрытия, на поверхности сплавов для повышения коррозионной стойкости.
Из-за материальных ограничений кобальт относительно редок и дорог на Земле. В настоящее время накал исследований на основе кобальта снизился, и многие научные исследования остаются на теоретической стадии, например эксперименты по цифровому моделированию.
Первое поколение военного авиационного сплава, двигатель из высокотемпературного сплава или период быстрого увеличения объема
Температурные требования двигателя возрастают. Высокая удельная тяга требует более высокой температуры сопла и материальной поддержки при более высокой рабочей температуре. При разработке суперсплавов в мире материалы для лопаток и дисков двигателей прошли четыре этапа, а именно деформацию, литье, ориентацию и монокристалл. Температура постепенно увеличивается с 600 градусов до более чем 1100 градусов.
Модернизация военных самолетов сопровождалась модернизацией жаропрочных сплавов. Материал сердечника турбовентиляторного двигателя первого поколения представляет собой деформированный суперсплав, а рабочая температура материала сердечника составляет 650 градусов. В турбовентиляторном двигателе четвертого поколения рабочая температура материала сердечника достигает 1200 градусов, и применяется монокристаллический суперсплав. Модернизация военных самолетов сопровождалась модернизацией суперсплава, основного материала двигателя. Модернизация суперсплава требует исследований