La fabricación aeronáutica es el campo más concentrado de alta tecnología y pertenece a la tecnología de fabricación avanzada. Por ejemplo, el motor F119 desarrollado por Pratt & Whitney de los Estados Unidos, el motor F120 de General Electric Company, el motor M88-2 de SNECMA Company de Francia y el motor EJ200 desarrollado conjuntamente por el Reino Unido, Alemania , Italia y España. Cabe mencionar que estos aeromotores que representan el nivel más avanzado del mundo tienen como característica común el uso de nuevos materiales, nuevos procesos y nuevas tecnologías. Los siete nuevos materiales utilizados se presentan respectivamente de la siguiente manera:
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Compuesto de carbono/carbono
¿Qué son los compuestos carbono/carbono? Es un material compuesto de matriz de carbono reforzado por fibra de carbono y su tejido, de baja densidad (<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.
Aunque los compuestos de carbono/carbono tienen muchas propiedades excelentes a altas temperaturas, experimentan reacciones de oxidación en un entorno aeróbico con una temperatura superior a 400 grados, lo que provoca una fuerte disminución de las propiedades del material. Por lo tanto, la aplicación de compuestos carbono/carbono en ambientes aeróbicos de alta temperatura debe contar con medidas de protección contra la oxidación. La protección contra la oxidación de los compuestos de carbono/carbono se realiza principalmente a través de las siguientes dos formas, es decir, la modificación de la matriz y la pasivación de los puntos activos superficiales se pueden utilizar para proteger los compuestos de carbono/carbono a temperaturas más bajas; a medida que aumenta la temperatura, se debe usar el método de recubrimiento para aislar el material compuesto de carbono/carbono del contacto directo con el oxígeno, a fin de lograr el propósito de protección contra la oxidación. En la actualidad, el método de recubrimiento es el método más utilizado. Con el avance continuo de la ciencia y la tecnología, cada vez se confía más en el rendimiento de temperatura ultra alta de los materiales compuestos de carbono/carbono, y la única solución factible de protección contra la oxidación en condiciones de temperatura ultra alta solo puede ser la protección del recubrimiento. .
Vale la pena mencionar que los materiales compuestos a base de C/C son un nuevo material con mayor resistencia a la temperatura que ha recibido la mayor atención en el mundo en los últimos años. Porque solo los materiales compuestos C/C se consideran los únicos materiales sucesores de las palas de rotor de turbina con una relación empuje-peso de más de 20 y una temperatura de entrada del motor de 1930-2227 grados. El objetivo estratégico más alto que persiguen los países industriales avanzados.
El llamado material compuesto basado en C/C es un material compuesto básico de carbono reforzado con fibra de carbono, que combina las propiedades refractarias del carbono con la alta resistencia y rigidez de la fibra de carbono, lo que la hace no frágil. Debido a que los materiales compuestos basados en C/C tienen peso ligero, alta resistencia, estabilidad térmica superior y excelente conductividad térmica, son los materiales resistentes a altas temperaturas más ideales en la actualidad, especialmente en entornos de alta temperatura de 1000-1300 grados C No solo la fuerza no disminuyó, sino que pudo aumentar. Especialmente cuando está por debajo de 1650 grados, aún mantiene la fuerza y la gracia a temperatura ambiente. Por lo tanto, los compuestos basados en C/C tienen un gran potencial de desarrollo en la fabricación aeroespacial.
Vale la pena mencionar que uno de los principales problemas de los materiales compuestos basados en C/C en la aplicación de motores aeronáuticos es la baja resistencia a la oxidación. Por lo tanto, en los últimos años, Estados Unidos ha adoptado una serie de medidas tecnológicas para solucionar este problema, y las ha aplicado gradualmente al nuevo motor. Por ejemplo, la tobera de cola del postquemador del motor American F119, la tobera y la tobera de la cámara de combustión del motor F100 y algunas partes de la cámara de combustión de la máquina de verificación F120 se fabricaron con materiales compuestos a base de C/C. Otro ejemplo es el motor francés M88-2, y la varilla de inyección de combustible del postquemador, el escudo térmico y la boquilla del motor Mirage 2000 también usan materiales compuestos basados en C/C.
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Nuevo material de acero de ultra alta resistencia
¿Qué es el acero de ultra alta resistencia? A mediados-1940, Estados Unidos desarrolló el acero Cr-Mo (AISI 4130) y el acero Cr-Ni-Mo (AISI 4340). Después del templado y el revenido a baja temperatura, las resistencias a la tracción fueron de 170 y 190 kgf/mm2 respectivamente. A principios de la década de 1950, se agregaron Si y V al acero AISI 4340 para fabricar 300M con una resistencia a la tracción de 190~210 kgf/mm2. En 1960, la International Nickel Company fabricó acero martensítico con una resistencia a la tracción de aproximadamente 180 kgf/mm2 y una resistencia a la fractura de hasta 390 kgf/mm. En la década de 1970, los Estados Unidos redujeron el C y aumentaron el Si sobre la base de 300M, mejoraron la tenacidad y desarrollaron el acero HP310; Sobre la base del acero martensítico, se convirtió en acero AF1410, con una resistencia a la tracción de 170 kgf/mm2 y una tenacidad a la fractura de 400 kgf/mm2 mm.
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Vale la pena señalar que el acero de ultra alta resistencia debe tener una alta resistencia a la tracción y mantener suficiente tenacidad. También requiere una gran resistencia específica (relación entre resistencia y densidad) y una alta relación de elasticidad (σs/σb) para reducir el peso del componente, y debe tener buena soldabilidad y formabilidad y otras propiedades del proceso. El acero de ultra alta resistencia tiene requisitos muy altos en cuanto a calidad metalúrgica y, a menudo, se funde mediante horno de arco eléctrico y refundición con electroescoria. Los tipos de acero que requieren alta pureza se funden principalmente en hornos de inducción al vacío o en hornos de arco eléctrico consumibles al vacío. Debe evitarse la descarburación de los aceros de ultra alta resistencia de media y baja aleación durante el tratamiento térmico; Los aceros martensíticos y los aceros inoxidables endurecidos por precipitación pueden tratarse en solución sólida en hornos de calentamiento ordinarios. Para la soldadura se debe utilizar soldadura con gas de protección o soldadura por arco de argón y tungsteno. Algunos aceros de ultra alta resistencia y baja aleación con alto contenido de carbono (alrededor de 0.4 por ciento) deben someterse a un recocido para aliviar la tensión inmediatamente después de la soldadura.
Vale la pena mencionar que el acero de ultra alta resistencia se utiliza como material para el tren de aterrizaje de los aviones. Por ejemplo, el tren de aterrizaje utilizado en el avión de segunda generación está hecho de acero 30CrMnSiNi2A con una resistencia a la tracción de 1700MPa. Este tipo de tren de aterrizaje tiene una corta vida útil de unas 2000 horas de vuelo.
Otro ejemplo es que el diseño del avión de combate de tercera generación requiere que la vida útil del tren de aterrizaje supere las 5,000 horas de vuelo. Al mismo tiempo, debido al aumento en el equipo aerotransportado, el coeficiente de peso de la estructura de la aeronave disminuye y se imponen requisitos más altos en la selección de los materiales del tren de aterrizaje y la tecnología de fabricación. Tanto los cazas estadounidenses como los de tercera generación utilizan tecnología de fabricación de trenes de aterrizaje de acero 300M (resistencia a la tracción de 1950 MPa).
De hecho, la mejora de la tecnología de aplicación de materiales está promoviendo una mayor extensión de la vida útil del tren de aterrizaje y la expansión de la adaptabilidad. Por ejemplo, el tren de aterrizaje del avión europeo Airbus A380 adopta una tecnología de forja de forja integral súper grande, una nueva tecnología de tratamiento térmico de protección de la atmósfera y una tecnología de rociado de llama de alta velocidad, de modo que la vida útil del tren de aterrizaje pueda cumplir con los requisitos de diseño. Por lo tanto, la introducción de nuevos materiales y técnicas de fabricación aseguró la sustitución de aviones.
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Como todos sabemos, el diseño de aeronaves de larga duración en un entorno resistente a la corrosión plantea mayores requisitos para los materiales. Por ejemplo, el acero AerMet100 tiene el mismo nivel de resistencia que el acero 300M, pero su resistencia general a la corrosión y la resistencia a la corrosión bajo tensión son significativamente mejores que las del acero 300M. La tecnología de fabricación del tren de aterrizaje correspondiente se ha aplicado a aeronaves avanzadas como F/A-18E/F, F-22 y F-35. El acero Aermet310 de mayor resistencia tiene menor tenacidad a la fractura y se desarrolla y mejora continuamente. La tasa de crecimiento de grietas del acero de ultra alta resistencia AF1410 tolerante a los daños es extremadamente lenta, lo que puede usarse como la unión del actuador del ala del avión B-1, que es un 10,6 % más liviano que el Ti -6Al-4V, con un aumento del 60 % en el rendimiento del procesamiento y una reducción del 30,3 % en el costo. Por ejemplo, la cantidad de acero inoxidable de alta resistencia que se usa en Smig-1.42 de Rusia llega al 30 por ciento. PH13-8Mo es el único acero inoxidable martensítico endurecido por precipitación de alta resistencia ampliamente utilizado como componentes resistentes a la corrosión. Los aceros para engranajes (cojinetes) de ultra alta resistencia también se han desarrollado internacionalmente, como CSS-42L, Gearmet C69, etc., y se han utilizado en motores, helicópteros y aeroespacial.
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material de aleación de alta temperatura
¿Qué son los materiales de superaleación? Las aleaciones de alta temperatura en realidad se dividen en tres tipos de materiales: materiales de alta temperatura de 760 grados, materiales de alta temperatura de 1200 grados y materiales de alta temperatura de 1500 grados, con una resistencia a la tracción de 800MPa. En otras palabras, se refiere a materiales metálicos de alta temperatura que funcionan durante mucho tiempo bajo 760-1500 grados y ciertas condiciones de estrés. Sus características importantes: tiene una excelente resistencia a altas temperaturas, buena resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión térmica, buen rendimiento de fatiga, resistencia a la fractura y otras propiedades integrales, y se ha convertido en un material clave insustituible para las partes calientes de los motores de turbina de gas para militares y civiles. usar en todo el mundo.
Materiales de alta temperatura de 760 grados Desde finales de la década de 1930, Gran Bretaña, Alemania, Estados Unidos y otros países comenzaron a estudiar las superaleaciones. Durante la Segunda Guerra Mundial, para satisfacer las necesidades de nuevos motores aeronáuticos, la investigación y el uso de superaleaciones entró en un período de rápido desarrollo. A principios de la década de 1940, el Reino Unido añadió por primera vez una pequeña cantidad de aluminio y titanio a la aleación 80Ni-20Cr para formar una fase (gamma prima) para el fortalecimiento y desarrolló la primera aleación a base de níquel con alto -resistencia a la temperatura. Durante este período, con el fin de satisfacer las necesidades del desarrollo de turbocompresores para motores aeronáuticos de pistón, Estados Unidos comenzó a utilizar aleaciones a base de cobalto Vitallium para fabricar palas.
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Cabe mencionar que Estados Unidos también ha desarrollado aleaciones a base de níquel Inconel para fabricar cámaras de combustión para motores a reacción. Posteriormente, para mejorar aún más la resistencia a altas temperaturas de la aleación, los metalúrgicos agregaron elementos como tungsteno, molibdeno y cobalto a la aleación a base de níquel para aumentar el contenido de aluminio y titanio, y desarrollaron una serie de aleaciones, como como "Nimonic" en el Reino Unido y "Nimonic" en los Estados Unidos. "Mar-M" y "IN", etc.; agregando níquel, tungsteno y otros elementos a las aleaciones a base de cobalto para desarrollar una variedad de aleaciones de alta temperatura, como X-45, HA-188, FSX-414, etc. Debido a Debido a la falta de recursos de cobalto, el desarrollo de superaleaciones a base de cobalto es limitado.
En la década de 1940, también se desarrollaron superaleaciones a base de hierro. En la década de 1950, aparecieron grados como A-286 e Incoloy901, pero debido a la mala estabilidad a altas temperaturas, el desarrollo fue lento. La antigua Unión Soviética comenzó a producir superaleaciones a base de níquel de la marca "ЭИ" en 1950, y luego produjo la serie "ЭП" de superaleaciones deformadas y la serie ЖС de superaleaciones fundidas. En la década de 1970, Estados Unidos también adoptó un nuevo proceso de producción para fabricar álabes de cristalización direccional y discos de turbina de pulvimetalurgia, y desarrolló componentes de aleación de alta temperatura, como álabes monocristalinos, para satisfacer las necesidades del aumento continuo de la temperatura de entrada de los aerogeneradores. -turbinas de motor.
Las superaleaciones se desarrollan para cumplir con los requisitos muy exigentes de los motores a reacción en cuanto a materiales, y se han convertido en un material clave insustituible para los componentes de extremo caliente de motores de turbina de gas militares y civiles. En motores aeronáuticos avanzados, la proporción de aleaciones de alta temperatura ha llegado a más del 50 por ciento.
El desarrollo de aleaciones de alta temperatura está estrechamente relacionado con el progreso tecnológico de los motores aeronáuticos, especialmente el disco de la turbina, el material de los álabes de la turbina y el proceso de fabricación de las partes calientes del motor son símbolos importantes del desarrollo del motor. Debido a los altos requisitos de resistencia a altas temperaturas y capacidad de carga del material, la aleación Nimonic80 reforzada con Ni3 (Al, Ti) se desarrolló en los primeros días en el Reino Unido, que se utilizó como material para el álabe de la turbina del motor turborreactor. Además, la aleación de la serie Nimonic se desarrolló continuamente. Estados Unidos ha desarrollado aleaciones a base de níquel reforzadas por dispersión que contienen aluminio y titanio, como las series de aleaciones Inconel, Mar-M y Udmit desarrolladas por las famosas Pratt & Whitney Company, GE Company y Special Metals Company, respectivamente.
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En el proceso de desarrollo de superaleaciones, el proceso de fabricación juega un papel importante en la promoción del desarrollo de aleaciones. Debido a la aparición de la tecnología de fusión al vacío, la eliminación de impurezas y gases nocivos en las aleaciones, especialmente el control preciso de la composición de la aleación, ha mejorado continuamente el rendimiento de las superaleaciones. En particular, la exitosa investigación de nuevas tecnologías, como la solidificación direccional, el crecimiento monocristalino, la pulvimetalurgia, la aleación mecánica, el núcleo cerámico, la filtración cerámica y la forja isotérmica, ha promovido el rápido desarrollo de las superaleaciones. Entre ellos, la tecnología de solidificación direccional es la más destacada. La aleación monocristalina y direccional producida por el proceso de solidificación direccional tiene una temperatura de servicio cercana al 90 por ciento del punto de fusión inicial. Por lo tanto, las palas de motores aeronáuticos avanzados de todo el mundo utilizan aleaciones direccionales monocristalinas para fabricar palas de turbinas. Desde una perspectiva global, las superaleaciones fundidas a base de níquel han formado cristales equiaxiales, cristales columnares solidificados direccionalmente y sistemas de aleaciones monocristalinas. También se han desarrollado superaleaciones de polvo a partir de la primera generación de discos de turbina de polvo de 650 grados a 750 grados, de 850 grados y discos de polvo de doble rendimiento para esos motores avanzados de alto rendimiento.
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compuestos de matriz cerámica
¿Qué son los composites de matriz cerámica? Es un tipo de material compuesto que utiliza como matriz la cerámica y diversas fibras. La matriz cerámica puede ser cerámica estructural de alta temperatura, como nitruro de silicio y carburo de silicio. Estas cerámicas avanzadas tienen excelentes propiedades, como resistencia a altas temperaturas, alta resistencia y rigidez, peso relativamente ligero y resistencia a la corrosión. La debilidad fatal es que son frágiles. Cuando están bajo estrés, se agrietarán o incluso se romperán y provocarán fallas en el material. El uso de materiales compuestos de fibra y matriz de alta resistencia y alta elasticidad es un método eficaz para mejorar la tenacidad y la fiabilidad de la cerámica. Las fibras pueden evitar la expansión de las grietas, obteniendo así compuestos de matriz cerámica reforzados con fibra con una excelente tenacidad.
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Los compuestos de matriz cerámica se han utilizado como boquillas de motores de cohetes líquidos, cúpulas de misiles, conos de morro de transbordadores espaciales, discos de freno de aviones y discos de freno de automóviles de alta gama, etc., convirtiéndose en una rama importante de los nuevos materiales de alta tecnología.
Debido a que los materiales cerámicos tienen una excelente resistencia al desgaste, alta dureza y buena resistencia a la corrosión, se han utilizado ampliamente. Sin embargo, la mayor desventaja de las cerámicas es que son frágiles y sensibles a las grietas y los poros. Desde la década de 1980, los compuestos de matriz cerámica obtenidos mediante la adición de partículas, bigotes y fibras a los materiales cerámicos han mejorado considerablemente la tenacidad de la cerámica.
Los compuestos de matriz cerámica tienen alta resistencia, alto módulo, baja densidad, resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, y buena tenacidad, y se han utilizado en herramientas de corte de alta velocidad y componentes de motores de combustión interna. Sin embargo, el desarrollo de este tipo de material es relativamente tardío y su potencial aún debe desarrollarse más. El enfoque de la investigación es aplicarlo a materiales de alta temperatura y materiales resistentes al desgaste y a la corrosión, como turbinas mejoradas para motores de combustión interna de alta potencia, componentes térmicos para vehículos aeroespaciales y motores de vehículos en lugar de metales, contenedores petroquímicos , equipos de incineración de residuos, etc.
Cuando se trata de cerámica, la gente piensa naturalmente en su fragilidad. Hace más de diez años, si se usaba como pieza portante en el campo de la ingeniería, era imposible que nadie lo aceptara. Hasta ahora, cuando se trata de materiales compuestos cerámicos, algunas personas pueden no tenerlo claro, pensando que la cerámica y los metales son originalmente dos materiales irrelevantes. Sin embargo, desde que la gente combinó hábilmente la cerámica y los metales, el concepto de la gente sobre este material ha sufrido un cambio fundamental, que son los compuestos de matriz cerámica.
El material compuesto de matriz cerámica es un nuevo material estructural muy prometedor en el campo de la industria de la aviación, especialmente en la aplicación de la fabricación de motores aeronáuticos, que muestra cada vez más su singularidad. Además de las ventajas de peso ligero y alta dureza, los compuestos de matriz cerámica también tienen una excelente resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión a altas temperaturas. En la actualidad, los compuestos de matriz cerámica han superado a los materiales metálicos resistentes al calor en términos de resistencia a altas temperaturas y tienen buenas propiedades mecánicas y estabilidad química. Son materiales ideales y excelentes para áreas de alta temperatura de motores de turbina de alto rendimiento.
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Los países de todo el mundo se están centrando en la investigación sobre cerámicas reforzadas con nitruro de silicio y carburo de silicio para cumplir con los requisitos de materiales de la próxima generación de motores avanzados.
materiales, y ha hecho grandes progresos, especialmente en motores aeronáuticos modernos. Por ejemplo, el motor F120 de la máquina de verificación estadounidense, su dispositivo de sellado de turbina de alta presión y algunas partes de alta temperatura de la cámara de combustión están hechos de materiales cerámicos. Para otro ejemplo, la cámara de combustión y la tobera del motor francés M88-2 también utilizan compuestos de matriz cerámica.
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Nuevos materiales de compuestos intermetálicos
¿Qué son los compuestos intermetálicos? Compuestos de metales y metales o metales y metaloides (tales como H, B, N, S, P, C, Si, etc.). Los átomos de los dos metales se combinan en cierta proporción para formar una composición de aleación que es diferente de las dos redes cristalinas originales. Los compuestos intermetálicos son nuevos tipos de materiales que han recibido una amplia atención.
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De hecho, el desarrollo de motores aeronáuticos de alto rendimiento y alta relación empuje-peso ha promovido el desarrollo y la aplicación de compuestos intermetálicos. Los compuestos intermetálicos son generalmente compuestos compuestos por elementos metálicos binarios, ternarios o de elementos múltiples. Los compuestos intermetálicos tienen un gran potencial en aplicaciones estructurales de alta temperatura. Tiene alta temperatura de servicio, resistencia específica, conductividad térmica y, especialmente a alta temperatura, también tiene buena resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión y alta resistencia a la fluencia. . Además, debido a que el compuesto intermetálico es un material nuevo entre la superaleación y el material cerámico, llena el espacio entre los dos materiales, por lo que se convierte en uno de los materiales ideales para componentes de alta temperatura de motores aeronáuticos.
En la estructura mundial de motores aeronáuticos, la investigación y el desarrollo se centran principalmente en compuestos intermetálicos como titanio-aluminio y níquel-aluminio. Estos compuestos de titanio y aluminio tienen básicamente la misma densidad que el titanio, pero tienen una temperatura de servicio más alta. Por ejemplo, las temperaturas de operación de TiAl son 816 grados y 982 grados respectivamente. El compuesto intermetálico tiene un fuerte vínculo entre los átomos y una estructura cristalina compleja, lo que lo hace difícil de deformar, y es duro y quebradizo a temperatura ambiente. Después de años de investigación experimental, se ha desarrollado con éxito un nuevo tipo de aleación con resistencia a altas temperaturas, plasticidad a temperatura ambiente y tenacidad, y se ha instalado y utilizado, y el efecto es muy bueno. Por ejemplo, el motor F119 de alto rendimiento en los Estados Unidos utiliza compuestos intermetálicos en la carcasa y los discos de la turbina, y los álabes y discos del compresor del motor F120 de la máquina de verificación utilizan nuevos compuestos intermetálicos de titanio y aluminio.
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compuestos de matriz de resina
¿Qué son los composites de matriz de resina? Es un material reforzado con fibra a base de un polímero orgánico, generalmente utilizando refuerzos de fibra como fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de basalto o fibra de aramida. Los materiales compuestos a base de resina se utilizan ampliamente en las industrias de la aviación, el automóvil y la marina.
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La matriz de resina de los materiales compuestos es principalmente resina termoendurecible. Ya en la década de 1940, los plásticos reforzados con fibra de vidrio se usaban como cúpulas en aviones de combate y bombarderos. En la década de 1960, Estados Unidos utilizó resina epoxi reforzada con fibra de boro como timones, estabilizadores horizontales, bordes de salida de alas, puertas de timón, etc. en aviones militares como F-4 y F-111. En cuanto a la fabricación de misiles, a fines de la década de 1950, la carcasa del motor de cohete sólido de segunda etapa del misil submarino estadounidense de mediano alcance "Polaris A-2" utilizaba piezas de bobinado de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio, que son mejores que las carcasas de acero. 27 por ciento más ligero; más tarde, se usó fibra de vidrio de alto rendimiento en lugar de la fibra de vidrio normal para hacer "Polaris A-3", lo que hizo que el peso de la carcasa fuera un 50 % más ligero que el de la carcasa de acero, por lo que la gama de "Polaris A{{ 12}}" se cambió el misil de 2700 mil metros aumentado a 4500 km. En la década de 1970, se utilizó fibra de aramida en lugar de fibra de vidrio para reforzar la resina epoxi, y la resistencia mejoró considerablemente, mientras que el peso se redujo. Los compuestos de resina epoxi reforzada con fibra de carbono se utilizan ampliamente en aviones, misiles, satélites y otras estructuras.
La investigación sobre la aplicación de materiales compuestos a base de resina en motores turbofan de aviación comenzó en la década de 1950. Después de más de 60 años de desarrollo, GE, PW, RR, MTU, SNECMA y otras empresas han invertido mucha energía en la investigación y el desarrollo de materiales compuestos a base de resina y han logrado un gran progreso y su ingeniería ha se ha aplicado a los motores turboventiladores de aviación activa, y existe una tendencia a ampliar aún más su aplicación.
La temperatura de servicio de los compuestos de matriz de resina generalmente no excede los 350 grados. Por lo tanto, los compuestos de matriz de resina se utilizan principalmente en el extremo frío de los motores aeronáuticos.
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compuestos de matriz metálica
¿Qué son los compuestos de matriz metálica? Es un material compuesto que se combina artificialmente con metal y su aleación como matriz y uno o varios refuerzos metálicos o no metálicos. La mayoría de sus materiales de refuerzo son no metales inorgánicos, como cerámica, carbono, grafito y boro, etc., y también se pueden utilizar alambres metálicos. Junto con los compuestos de matriz polimérica, los compuestos de matriz cerámica y los compuestos de carbono/carbono, forma un sistema compuesto moderno.
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Las características de los materiales compuestos de matriz metálica: en términos de mecánica, tienen alta resistencia transversal y al corte, buenas propiedades mecánicas integrales como tenacidad y fatiga, y también tienen conductividad térmica, conductividad eléctrica, resistencia al desgaste, pequeño coeficiente de expansión térmica, buena amortiguación , sin absorción de humedad y sin resistencia a la corrosión. Ventajas como el envejecimiento y la no contaminación. Por ejemplo, la resistencia específica de los materiales compuestos de aluminio reforzado con fibra de carbono es de 3~4×107 mm y el módulo específico es de 6~8×109 mm. Por ejemplo, el módulo específico del magnesio reforzado con fibra de grafito puede alcanzar 1,5 × 1010 mm y su coeficiente de expansión térmica es casi cero.
Vale la pena mencionar que, en comparación con los materiales compuestos a base de resina, los materiales compuestos a base de metal tienen buena tenacidad, no absorben la humedad y pueden soportar temperaturas relativamente altas. Las fibras de refuerzo de los compuestos de matriz metálica incluyen fibras metálicas, como acero inoxidable, tungsteno, plomo, compuestos intermetálicos de níquel-aluminio, etc.; fibras cerámicas, como alúmina, óxido de silicio, carbono, boro, carburo de silicio, etc.
Los materiales de matriz de los compuestos de matriz metálica incluyen aluminio, aleaciones de aluminio, magnesio, aleaciones Chin y Chin, aleaciones resistentes al calor, aleaciones de diamante, etc. Entre ellos, los materiales compuestos basados en aleaciones de aluminio, aleaciones de aluminio y aleaciones de hierro son actualmente las principales opciones. . Por ejemplo, los compuestos de matriz de aleación de Chin reforzados con fibra de SiC se pueden usar para fabricar álabes de compresor. Los compuestos de matriz de aleación de magnesio o magnesio reforzados con fibra de carbono o fibra de alúmina se pueden usar para fabricar palas de turboventilador. Otro ejemplo es que los materiales compuestos de matriz de aleación a base de níquel reforzados con fibra de níquel-cromo-aluminio-iridio se pueden utilizar para fabricar elementos de sellado para turbinas y compresores.
Además, las carcasas de los ventiladores, los rotores, los discos de los compresores y otras partes están todos hechos de materiales compuestos de matriz metálica en el exterior. Pero uno de los mayores problemas con este tipo de material compuesto es que es fácil reaccionar entre la fibra de refuerzo y el metal matriz para producir una fase quebradiza, lo que deteriora el rendimiento del material. Especialmente cuando se usa durante mucho tiempo a una temperatura más alta, la reacción de la interfaz es más prominente. La solución actual es agregar recubrimientos apropiados en la superficie de la fibra y alear el metal de la matriz de acuerdo con diferentes fibras y diferentes sustratos, para ralentizar la reacción de la interfaz y mantener la confiabilidad del rendimiento del material compuesto.
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Materiales utilizados en las aspas del ventilador del motor.
El aspa del ventilador del motor es la parte más representativa y muy importante del motor turboventilador, y el rendimiento del motor turboventilador está estrechamente relacionado con su desarrollo. En comparación con las aspas del ventilador de aleación de titanio, las aspas del ventilador de material compuesto de matriz de resina tienen una ventaja muy obvia en la reducción de peso. Además de las ventajas obvias de la reducción de peso, las aspas del ventilador compuestas a base de resina tienen menos impacto en la carcasa del ventilador después del impacto, por lo que es beneficioso mejorar la contención de la carcasa del ventilador.
Los principales representantes de los álabes de ventilador compuestos para aplicación comercial en el extranjero son: motores de la serie GE90 para B777, motores GEnx para B787 y motores LEAP-X para COMAC C919. Ya en 1995, el motor GE90-94B equipado con aspas de ventilador de material compuesto a base de resina se puso oficialmente en operación comercial, marcando la realización oficial de la aplicación de ingeniería de materiales compuestos a base de resina en motores aeronáuticos modernos de alto rendimiento. . Sobre la base de una consideración exhaustiva de la aerodinámica, los ciclos de fatiga de ciclo alto y bajo y otros factores, GE ha desarrollado una nueva pala de ventilador compuesta para el motor GE90-115B subsiguiente.
En el siglo XXI, la fuerte demanda de materiales compuestos de alta tolerancia a los daños por parte de los motores aeronáuticos impulsa un mayor desarrollo de la tecnología de materiales compuestos, y es difícil cumplir con los requisitos de los materiales de alta tolerancia a los daños mediante la mejora continua de la dureza de la fibra de carbono. /prepregs de resina epoxi. Como resultado, comenzaron a aparecer aspas de ventilador compuestas de estructura tejida 3D.
Materiales utilizados en la carcasa del ventilador del motor
La carcasa del ventilador del motor es la parte estacionaria más grande de un motor aeronáutico, y su reducción de peso afectará directamente la relación empuje-peso y la eficiencia de un motor aeronáutico. Por lo tanto, los OEM extranjeros de motores aeronáuticos avanzados siempre se han comprometido con la reducción de peso y la optimización estructural de la carcasa del ventilador.
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Materiales utilizados para las cubiertas del ventilador del motor
Debido a que no es un componente de soporte de carga principal, la cubierta del ventilador es una de las primeras piezas fabricadas con materiales compuestos en un motor aeronáutico. La cubierta del ventilador hecha de materiales compuestos puede proporcionar un peso más ligero, una estructura antihielo simplificada, mejor resistencia a la corrosión y mejor resistencia a la fatiga. Como el motor RB211 de la famosa compañía RR, el PW1000G y el PW4000 de la compañía PW, se utilizan materiales compuestos a base de resina para preparar las tapas de los ventiladores.
En comparación con los mainframes de motores aeronáuticos, los materiales compuestos a base de resina tienen un espacio de aplicación muy amplio en las góndolas de motores aeronáuticos. Los fabricantes mundiales han utilizado materiales compuestos a base de resina a gran escala en las entradas de la góndola, los carenados, los inversores de empuje y los revestimientos de reducción de ruido. Material. En términos de otras piezas, los materiales compuestos a base de resina también se aplican en diversos grados en placas de soporte de ventiladores de motores aeronáuticos, cubiertas de sellado de cojinetes y placas de cubierta.
