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看看航空航天质料,才知道什么是先进质料!

更新时间  2022-09-22 04:09 阅读
本文摘要:航空航天高技术工业的生长与军事应用密切相关,但更重要的是人类在这个工业部门所取得的庞大希望,对国民经济的众多部门和社会生活的许多方面都发生了重大而深远的影响,推动并改变着世界的面目。进入21世纪之后,航空航天高技术工业将为人类认识和驾驭自然注入新的强大动力,航空航天运动的作用将远超科学领域,对政治、经济、军事以至人类社会生活都市发生越发广泛而深远的影响,并不停地缔造出崭新的科技结果和庞大的经济效益。

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航空航天高技术工业的生长与军事应用密切相关,但更重要的是人类在这个工业部门所取得的庞大希望,对国民经济的众多部门和社会生活的许多方面都发生了重大而深远的影响,推动并改变着世界的面目。进入21世纪之后,航空航天高技术工业将为人类认识和驾驭自然注入新的强大动力,航空航天运动的作用将远超科学领域,对政治、经济、军事以至人类社会生活都市发生越发广泛而深远的影响,并不停地缔造出崭新的科技结果和庞大的经济效益。航空航天航行器在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下事情,除了依靠优化的结构设计之外,另有赖于质料所具有的优异特性和功效。

由此可见,航空航天质料在航空航天产物生长中的极其重要的职位和作用。图1 减轻结构所得经济效益(相对值)航行器每减重1kg后所得经济效益与航行速度的关系航天航天产物在追求轻质和减重方面可以说是“克克计算”,上图为航行器每减重1kg所取得的经济效益与航行速度的关系。如对航天飞机来说,每减重1kg的经济效益快要十万美元。

图2 新型质料及革新型质料在军机结构减重中的重要性及生长趋势新型质料及改型质料在军机结构减重中的重要性及生长趋势见图2,从中可见,新型质料和革新型质料与主动载荷控制、颤振抑制、自动化设计及先进结构观点等相比,在航行器结构减重中占有主导职位,也正因为这个原因比强度和比模量这些观点在航空航天领域具有更为重要的意义。图3 飞机和发念头生长对服役温度的需求高温质料是制约航空航天产物性能的另一类关键质料。飞机和发念头的生长对事情温度的需求见图3。

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图4 航空航天质料的耐温性由图可见现在飞机蒙皮的最高温度达1000℃以上,而发念头的事情温度则高达近2000℃,差别的航空航天质料的耐温性见图4。可见,为了支撑航空航天产物提高事情温度的要求,许多新型质料如金属间化合物、陶瓷、碳/碳及种种复合质料正在加速生长之中。高性能航空航天结构质料对于降低结构重量和提高航行器的结构效率、服役可靠性及延长寿命具有极为重要的作用,是航空航天质料的主要生长趋势。航空航天结构质料的高性能主要是:轻质、高强、高模、高韧、耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等性能。

迩来在航空航天产物设计中引入损伤容限设计的观点,意味着对质料的韧性要求更高了,有时宁肯牺牲一点强度,也要确保韧性的要求,这是由于航空航天产物已生长到高可靠性、高耐久性和长寿命的要求。对于航空航天航行器的动力装置来说,特别重要的是耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等性能要求,这险些是结构质料中最高的性能要求。高性能质料在新一代航行器动力装置起到了关键性的作用,如航空发念头中的单晶涡轮叶片质料和航天固体发念头中的高能推进剂质料等。航空发念头相当于飞机的心脏,是确保飞机使用性能、可靠性和经济性的决议因素。

第四代战斗机配套的推重比为10的发念头已投入广泛使用,如美国的F119发念头已装备了F22战斗机。民用大推力涡轮风扇发念头如GE90、PW4073/4084、Trent800等为B777、A380等大型宽体客机所选用。

提高推力重量比或功率重量比、提高涡轮前入口温度、提高压气机平均级压比和降低油耗是高性能军用发念头的生长偏向。与军用发念头相比,民用发念头的推重比虽增加不大,但其涡轮前温度、涵道比和总增压比的增加,已促使耗油率大幅度下降,仅为军用发念头的1/3-1/4。蓬勃国家航空发念头的产值已占整个航空工业产值的25%-30%,其性能水平很大水平上依赖于高温质料的性能水平。如新型高温合金和高温钛合金、金属间化合物及其复合质料、热障涂层质料、金属基复合质料、陶瓷基和碳/碳复合质料等。

在一台先进发念头上,高温合金和钛合金的用量划分要占发念头总结构重量的55%-65%和25%-40%。发念头质料的生长目的和重点见表1。表1 航空发念头对航空质料生长的需求目的和重点液体火箭发念头通常以不锈刚、高温合金、难熔金属及合金加抗氧化涂层或者碳/碳复合质料加涂层质料为主。涡轮泵是液体火箭发念头的关键部件,其中涡轮盘和叶片事情条件最为苛刻,早期曾接纳不锈钢,厥后生长演化为铁基、镍基、钴基的高温合金以及它们的金属间化合物。

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今世高性能固体火箭发念头的主要特征是“高能-轻质-可控”,三者相互关联,而且是以质料和工艺技术为基础集成起来。表2 液体和固体火箭发念头质料的需求先进的质料及新工艺的全面应用是提高固体火箭发念头性能的一项决议性因素。

表2列出液体和固体火箭发念头对质料的需求。从前面枚举的航空航天质料的生长历程和趋向可以看出,先进航空航天产物构件越来越多地接纳高性能的新型质料以满足日益提高的性能要求,特别是在蒙受高温的构件方面,以金属间化合物、高温合金、单晶合金、难熔合金及先进陶瓷质料等为代表的新型质料饰演了日益重要的角色。图5为美国航空航天局对先进航空发念头用材趋势的预测,可以看出,到2020年Ti基复合质料、TiAl及Ni、Fe基金属间化合物、陶瓷复合质料,难熔合金与Ni基高温及单晶合金等将占发念头用质料的百分之八十五左右,其中相当一部门关键高温构件要接纳凝固和塑性加工制备。

就以TiAl基合金来说,GE公司宣布,波音787选用的GENX发念头低压涡轮后两级叶片接纳TiAl合金可减重200公斤,表3为GE公司TiAl基合金的应用情况与生长计划。表3 GE公司等TiAl基合金的应用情况与生长计划我国在航空航天领域2011-2022年先进质料与热工艺技术生长重点计划中也将高性能TiAl合金及冷坩埚熔铸和定向凝固作为研究开发的重点,如表4。表4 2011-2020年先进质料与热工艺技术生长重点泉源:航空制造网专业解读军民融合工业政策、实时推送军民融合工业新闻、独家报道军民融合明星企业。想相识更多相关内容,可关注微信订阅号“军民融合工业圈”。


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