Novi Materiali Per Aeroengines. Pettinemu per elli

Jun 15, 2020

A fabricazione di l'aviazione hè u campu più cuncintratu di tecnulugia alta è nova in l'industria di fabricazione, chì appartene à a tecnulugia di fabricazione avanzata. U mutore F119 sviluppatu da HP in i Stati Uniti, u mutore F120 da GE, u mutore M88-2 da SNECMA in Francia, è u mutore EJ200 sviluppatu cumuna da Gran Bretagna, Germania, Italia è Spagna. A caratteristica cumuna di sti motori aerodinamichi d'alta prestazione, chì rapprisentanu u livellu avanzatu di u mondu, hè l'adopzione generalizata di novi materiali, novi prucessi è tecnulugia novi. Oghje avemu da guardà qualchi materiali novi per i motori aeronautici d'alta prestazione.

Alliatu à alta temperatura

Superalloys sò sviluppati per risponde à i requisiti esigenti di i motori jet nantu à i materiali. Finu a ora, i superalloys sò diventati un tipu di materiali chjave chì ùn ponu esse rimpiazzati per i cumpunenti hot-end di turbine di gas militari è civili. Attualmente, in l'aeronautica avanzata, a quantità di superalloy hà cuntatu più di 50%.

U sviluppu di superalloy hè strettamente ligata à u prugressu tecnicu di aero-mutore, in particulare u discu di turbina, materiale di pale di turbine è u prucessu di fabricazione di cumpunenti hot-end di u mutore sò simboli impurtanti di u sviluppu di u mutore. A causa di l'alti requisiti nantu à a resistenza à a temperatura alta è a tolleranza di stress di i materiali, l'alia Nimonic80 rinfurzata da Ni3 (Al, Ti) hè stata sviluppata in Gran Bretagna in a prima fase per esse usata cum'è materiale di pale di turbina per i turbojet. Intantu, ligami di serie Nimonic sò stati sviluppati successivamente. In i Stati Uniti, sò stati sviluppati alliages basati in nichel rinfurzati à dispersione chì cuntenenu aluminiu è titaniu, cum'è serie di lega Inconel, Mar-M è Udmit sviluppati da Pratt & Whitney, GE è cumpagnie Special Metal rispettivamente.

In u sviluppu di superalloys, u prucessu di fabricazione ghjoca un grande rollu à prumove u sviluppu di ligami. A causa di l'apparizione di a tecnulugia di fusione in vacuum, a rimozione di impurità dannosi è gasi in a lega, in particulare u cuntrollu precisu di a cumpusizioni di a lega, u rendiment di superalloy hè constantemente migliuratu. In seguitu, a ricerca riescita di e novi tecnulugii cum'è a solidificazione direzzione, a crescita di cristalli unichi, a metallurgia di polveri, a lega meccanica, u core ceramicu, a filtrazione di ceramica, a forgiatura isotermica è cusì hà prumuvutu u rapidu sviluppu di superalloys. Trà elli, a tecnulugia di solidificazione direzzione hè a più prominente. A lega direzionale è monocristallina prodotta da u prucessu di solidificazione direzzione hè aduprata à una temperatura vicinu à u 90% di u puntu di fusione iniziale. Dunque, tutte e pale avanzate di u mutore aerodinamicu in u mondu sò fatte di lega direzionale, unicu cristallu. Da u puntu di vista internaziunale, i superleghe di colata basati in nichel anu furmatu cristalli equiaxiali, cristalli colonnari solidificati in direzzione è sistemi di lega di cristalli unichi. A superliga in polvere hè ancu sviluppata da a prima generazione 650 ℃ à 750 ℃, 850 ℃ discu di turbina in polvere è discu di polvere di doppia prestazione per i motori avanzati di altu rendiment.

Sviluppu di superalloy di Cina cù u sviluppu di ricerca di motori d'aeronautica è esigenze di produzzione. Lega d'alta temperatura è l'imprenditorialità in Cina hà iniziatu in l'anni 1970, per via di a dumanda di u mutore di prima è a seconda generazione in u nostru paese, a ricerca è u sviluppu di u nostru paese a deformazione di a serie GH di lega d'alta temperatura è a serie K di colata alta temperatura. Alloy, à u listessu tempu hà sviluppatu parechje tecnulugia di fabricazione nova, cum'è a fusione è a fusione in vacuum, u casting a lama cava, forgiatura isotermale, etc.

Dopu à l'anni 1970, in u sviluppu di superalloys, a Cina hà introduttu a tecnulugia europea è americana, secondu i normi tecnichi stranieri per u sviluppu è a produzzione, a purità di u materiale è a prestazione cumpleta di esigenze più altu, u sviluppu di superalloys di deformazione d'altu rendiment, superalloys casting. In particulare, a ricerca è u sviluppu di a serie DZ in lega di colonna solidificata direzzione è a serie DD in lega di cristallo unicu anu purtatu a tecnulugia di produzzione è u cuntrollu di qualità di u produttu di i superalloys di Cina à un novu livellu.

Acciaio ultra resistente

L'acciaio ultra-alta resistenza hè utilizatu cum'è materiale di l'atterrissimu in l'aviò. U materiale di l'atterrissimu di l'aeronautica di a seconda generazione hè 30CrMnSiNi2A d'acciaio, a forza di trazione di 1700MPa, stu sbarcu hà una vita corta, circa 2000 ore di volu.

A terza generazione di aerei di cumbattimentu hè pensatu per avè una vita di l'atterrissimu di più di 5,000 300 ore di volu. À u listessu tempu, per via di l'aumentu di l'equipaggiu di l'aria, u coefficientu di pesu di a struttura di l'aeronautica diminuisce, chì mette in avanti esigenze più altu nantu à a selezzione di materiale è a tecnulugia di fabricazione di l'atterrissimu. Sia l'aviò di a terza generazione di i Stati Uniti è di a Cina utilizanu a tecnulugia di fabricazione di treni d'atterrissimu in acciaio 1950M (forza di tensione XNUMXMPa).

Hè da nutà chì a migliione di a tecnulugia di l'applicazioni di materiale hè ancu guidata à l'ulteriore estensione di a vita di l'atterrissimu è l'espansione di l'adattabilità. Per esempiu, u trenu di sbarcu di l'Airbus A380 adopta una tecnulugia di forgiatura integrale super-grande, una nova tecnulugia di trattamentu termicu di prutezzione di l'atmosfera è una tecnulugia di spruzzamentu di fiamma à alta velocità, in modu chì a vita di l'atterrissimu pò risponde à i requisiti di cuncepimentu. Cusì, i prugressi in novi materiali è tecnulugia di fabricazione anu assicuratu chì l'aviò sò rimpiazzati.

L'acciaio AerMet100 hà u listessu livellu di forza cumparatu cù l'azzaru 300M, mentre chì a resistenza generale à a corrosione è a resistenza à a corrosione di stress sò significativamente megliu cà l'azzaru 300M. A tecnulugia di fabricazione di l'atterrissimu currispondente hè stata applicata à F/A-18E/F, F-22, F-35 è altri aerei avanzati. L'acciaio Aermet310 di forza più altu hà una resistenza di frattura più bassa è hè in studiu. L'acciaio AF1410 di tolleranza à u dannu ultra-alta resistenza hà un ritmu di crescita di crack assai lento è hè utilizzatu cum'è una articulazione di cilindru d'attuatore d'ala d'aeronautica b-1, chì hè 10.6% più ligera cà TI-6al-4V, 60% più altu in prestazioni di machining è 30.3 % più bassu in u costu. U MIG-1.42 russo usa sin'à 30% in acciaio inox d'alta resistenza. Ph13-8mo hè l'unicu azzaru inossidabile induritu per precipitazione martensitica d'alta resistenza, chì hè largamente utilizatu cum'è cumpunenti resistenti à a corrosione. I risultati preliminari sò stati ottenuti da l'esplorazione di l'acciaio inox ultra-alta resistenza in Cina.

L'acciai d'ingranaggi ultra-alta resistenza (cuscinetti), cum'è CSS-42L è GearmetC69, sò stati sviluppati à l'esteru è pruvati in motori, elicotteri è aerospaziali. A tecnulugia di i materiali di trasmissione di u mutore è di l'elicotteru hè assai arretrata in Cina. L'Istitutu di Ricerca di Materiali Aeronautici di Pechino hà studiatu è sviluppatu indipindentamente un tipu d'acciaio per cuscinetti ultra-alta resistenza.

Cumpostu intermetallicu

U sviluppu di altu rendiment è altu rapportu spinta-à-pesu aero-motore prumove u sviluppu è l'applicazione di cumposti intermetallic. Oghje cumposti intermetallici sò sviluppati in una varietà di famiglie, chì sò generalmente cumposti da elementi metallichi binari, ternari o multielementu. I cumposti intermetallici anu un grande potenziale in l'applicazioni strutturali di alta temperatura, cù alta temperatura di serviziu, forza specifica è conduttività termale, soprattuttu à alta temperatura, è eccellente resistenza à l'ossidazione, resistenza à a corrosione è alta forza di creep. Inoltre, perchè u cumpostu intermetallicu hè un novu materiale trà superalloy è materiale ceramicu, riempia u distaccu trà sti dui materiali, cusì diventa unu di i materiali ideali per i cumpunenti d'alta temperatura di l'aeromotore.

A prisente, cumposti intermetallic cum'è ti-Al è Ni-Al sò principarmenti cunsacrati à a ricerca è u sviluppu di strutture aeroengine. Questi cumposti di titaniu-aluminiu anu quasi a listessa densità di u titaniu, ma anu temperature più altu. Per esempiu, a temperatura di u funziunamentu era 816 ℃ è 982 ℃, rispettivamente. A causa di a forte forza di ubligatoriu trà l'atomi è a struttura cristallina cumplessa, u compostu intermetallicu hè difficiule di deformà è pare dura è fragile à a temperatura di l'ambienti. Attualmente, dopu à parechji anni di ricerca spirimintali, hè statu sviluppatu è stallatu un novu alliatu cù forza d'alta temperatura, plasticità è durezza di a temperatura di l'ambienti. Per esempiu, u mutore F119 d'alta prestazione in i Stati Uniti usa cumposti intermetallici in u so casing esternu è u discu di turbina, mentre chì a pala di compressore è u discu di u mutore F120 in a macchina di verificazione adopta novi cumposti intermetallici in titaniu è aluminiu.

Compositi a matrice ceramica

Quandu si tratta di ceramica, hè naturali di pensà à e caratteristiche fragili. Più di deci anni fà, s'ellu hè aduprata in u campu di l'ingegneria di parti di cuscinetti, hè qualchissia ùn pò micca accettà, finu à avà per i materiali compositi ceramichi, forsi certi persone ùn sanu micca, ancu ùn pensanu micca chì a ceramica è u metale era urigginariamenti dui materiali di basi rilativi, ma dapoi u populu dopu à a cumminazzioni ingenious di ceramica è metallu, face genti cambiamenti fundamentali sò accadutu in u cuncettu di u materiale, chì hè i cumposti matrice ceramica.

I composti di a matrice ceramica sò promettenti novi materiali strutturali in l'industria di l'aviazione, in particulare in a fabricazione di motori aerei. I cumposti di a matrice ceramica ùn anu micca solu i vantaghji di u pesu ligeru è di una durezza alta, ma anu ancu una eccellente resistenza à a corrosione à alta temperatura è alta temperatura. Attualmente, i composti di a matrice ceramica sò più resistenti à l'alta temperatura cà i materiali metallichi, è anu eccellenti proprietà meccaniche è stabilità chimica. Sò materiali ideali per i zoni d'alta temperatura di turbine d'altu rendiment.

Attualmente, tutti i paesi in u mondu sò cuncentrati nantu à a ricerca di materiali ceramichi rinfurzati di nitruru di siliciu è di carburu di siliciu secondu e esigenze di materiale di a prossima generazione di mutori avanzati, è un grande prugressu hè statu fattu. Per esempiu, u mutore F120 di u verificatore americanu, u so dispusitivu di sigillatura di turbine d'alta pressione è alcune parti d'alta temperatura di a camera di combustione sò fatti di materiale ceramicu. francese M88-2 camera di combustione di mutore è ugello sò dinù fattu di cumposti matrice ceramica.

Cumposti di carbone / carbone

Nta l'ultimi anni, u compositu di matrice C / C hè un novu materiale chì hè più resistente à a temperatura alta. Finu a ora, solu u materiale compositu C / C hè cunsideratu cum'è l'unicu materiale successore per i pale di rotore di turbine cù un rapportu di spinta à pesu sopra à 20 è a temperatura di l'ingressu di u mutore finu à 1930-2227 ℃. Hè u materiale resistente à alta temperatura sviluppatu da i Stati Uniti in u 21u seculu è u scopu più altu perseguitu da i paesi industriali avanzati in u mondu. Compositi di matrice C / C, composti basi di carbone rinforzati in fibra di carbonu, combinanu e proprietà fusible di carbone cù l'alta forza è a rigidità di a fibra di carbone per presentà un fallimentu micca fragile. A causa di u so pesu ligeru, alta resistenza, stabilità termale superiore è cunductibilità termale eccellente, hè u materiale più ideale à alta temperatura oghje. In particulare in l'ambienti d'alta temperatura di 1000-1300 ℃, a so forza ùn diminuisce, ma aumenta. Mantene a forza è a grazia di un ambiente à a temperatura di l'ambienti à a temperatura sottu à 1,650 gradi Celsius. Dunque, i composti di matrice C / C anu un grande futuru in l'industria di a fabricazione aerospaziale.

U prublema principali di l'applicazione di a matrice C / C composta in aero-motore hè a so scarsa prestazione antioxidante. Nta l'ultimi anni, i Stati Uniti anu pigliatu una seria di misure tecnulogiche per risolve stu prublema è pocu à pocu appiicatu à novi mutori. Per esempiu, u nozzle afterburner di u mutore F119 in i Stati Uniti, u nozzle è a camera di combustione di u mutore F100, è alcune parti di a camera di combustione di a macchina di verificazione F120 sò stati fatti di materiali compositi di matrice C / C. francese mutore M88-2, Mirage 2000 mutore afterburner fuel rod, scudo calori, nozzle è altri materiali cumposti matrice C / C sò dinù usatu.

Compositi di matrice di resina

Composites di matrice di resina in l'applicazioni aerospaziali di a ricerca di u mutore turbofan cuminciò in l'anni 1950, dopu à più di 60 anni di sviluppu, GE, PW, RR è MTU è a cumpagnia SNECMA hà investitu assai energia per a ricerca è u sviluppu di materiali compositi à matrice di resina, un grande prugressu. hè statu fattu, avarà u so appiicazioni ingegneria à attivu mutore turbofan aviò, è i tendenzi più sviluppatu di sò.

A temperatura di serviziu di i cumposti di matrice di resina generalmente ùn supera i 350 ℃. Per quessa, i cumposti di matrice di resina sò principalmente usati in u fretu di l'aeromotori. I parti principali di l'applicazione di i cumposti di matrice di resina in i mutori di l'aviò avanzati stranieri sò mostrati in a figura.

Fan blade: A pala di ventilatore di u motore hè a parte più rappresentativa è impurtante di u turbofan. U rendiment di u turbofan engine hè strettamente ligatu à u so sviluppu. Paragunatu cù pale di fan in lega di titaniu, pale di fan composite di matrice di resina anu vantaghji evidenti di perdita di pisu. In più di l'evidente vantaghju di perdita di pisu, e pale di fan composite di matrice di resina anu menu impattu nantu à a carcassa di u fan dopu à esse impattu, chì hè favurevule à migliurà l'inclusività di a carcassa di u fan.

Attualmente, i principali rapprisentanti di e pale di fan composite chì sò stati applicati cummerciale à l'esteru sò i motori di a serie GE90 per B777, i motori GEnx per B787 è i motori Leap-X per ComAC C919. In u 1995, u mutore GE90-94B cù pale di fan composite di matrice di resina hè statu messu in opera cummerciale, marcà a realizazione formale di l'applicazioni di l'ingegneria di i composti di a matrice di resina in i mutori aeronautici moderni d'alta prestazione. In basa di una considerazione cumpleta di l'aerodinamica, u ciclu di fatica di ciculu altu-bassu è altri fattori, GE hà sviluppatu novi pale di fan composite per i motori GE90-115B successivi.

In u 21u seculu, a forte dumanda di l'aero-mutore di materiale compositu di tolleranza à i danni elevati guida u sviluppu ulteriore di a tecnulugia di materiale compositu. Tuttavia, hè difficiule à scuntrà u requisitu di tolleranza high-dannu da migliurà a tenacità di fibre di carbone / resina epossidica prepreg. Sutta questu sfondate, hè nata una paleta di fan composite intrecciata 3D.

Custodia di u fan: A carcassa di u fan hè u più grande cumpunente staticu di un aeroengine, è a so riduzzione di pesu affetterà direttamente u rapportu di spinta-pesu è l'efficienza di u aeroengine. Per quessa, l'OEM di u mutore di l'aeronautica avanzata straniera hè stata impegnata à a riduzione di pesu è l'ottimisazione strutturale di a carcassa di u fan. Cum'è mostra in a figura, a tendenza di sviluppu di l'involucri di u fan di l'aeronautica avanzata straniera hè mostrata.

Cappucciu di u fan: Perchè ùn hè micca u principale cumpunente portante, u capu di u fan hè unu di i primi cumpunenti cumposti utilizati in aeroengines. U cappucciu di u fan compositu furnisce un pesu più ligeru, una struttura anti-ghiaccio simplificata, una migliore resistenza à a corrosione è una migliore resistenza à a fatigue.

Attualmente, i composti di matrice di resina sò stati usati per preparà tappi di fan per u mutore RR RB211, PW PW1000G è PW4000.

In cunfrontu cù u mutore principale, i cumposti di a matrice di resina anu un spaziu di applicazione più largu in nacelles aeroengine, cum'è mostra in a figura. Sicondu i dati, i pruduttori straneri anu utilizatu u materiale compositu di a matrice di resina in l'inlet nacl, u fairing, u dispusitivu di spinta in daretu è u fodera di riduzzione di u rumore.

Altre parti sicondu i dati, in a piastra di corridore di u fan di u mutore aero, a tappa di u sigillo di cuscinetti, a piastra di copertura è altre parti ancu in diversi gradi di l'applicazione di a matrice di resina composta.

Composite a matrice metallica

In cunfrontu cù i cumposti di a matrice di resina, i cumposti di a matrice di metallo anu una bona durezza, senza assorbimentu di umidità, è ponu sopra à alta temperatura. I fibri rinfurzati di cumposti di matrice di metalli includenu fibri di metalli, cum'è l'acciaio inossidabile, tungstenu, quilt, ni, ni-Al cumposti intermetallici, etc. Fibra ceramica, cum'è allumina, ossidu di siliciu, carbonu, boru, carburu di siliciu, nitruru di boru, ecc.

I materiali di a matrice di i composti di a matrice di metalli sò aluminiu, lega d'aluminiu, magnesiu, lega Qinhe Qinhe, lega resistente à u calore, lega di perforazione è cusì. Alloy d'aluminium-keng, Qinhe ferroalloy cum'è u materiale compositu di basa hè a scelta principale per u mumentu. Per esempiu, i composti di matrice di Alloy rinfurzati cù fibra di carburu di siliciu pò esse usatu per fabricà pale di compressore. Fibra di carbonu o fibra d'alumina rinfurzata di magnesiu o compositi di matrice di lega di magnesiu ponu esse aduprati per fabricà pale di fan di turbine. Per esempiu, nichel-chrome-aluminium-iridium fibre rinfurzata nichel-base alliage matrix composites ponu esse aduprati per fabricà elementi di sigillatura per turbine è compressori.

L'altri parti, cum'è a carcassa di u fan, u rotore, u discu di compressore, etc., sò fatti di compositu di matrice di metallo à l'esteru. Tuttavia, unu di i prublemi maiò di stu tipu di materiale compositu hè chì a reazione trà a fibra rinfurzata è u metalu di a matrice hè faciule per pruduce una fase fragile, chì face u rendiment di u materiale peghju. In particulare à temperature più altu per un bellu pezzu, a reazione di l'interfaccia hè più prominente. Attualmente, a suluzione hè di aghjunghje un revestimentu apprupriatu nantu à a superficia di a fibra secondu e diverse fibre è una matrice differente, è l'alliage di u metallu di a matrice per rallentà a reazzione di l'interfaccia è mantene l'affidabilità di e proprietà composite.