Miedź jest plastycznym, ciągliwym i doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Jest stosowany w różnych gałęziach przemysłu, w tym w elektrotechnice, budownictwie, motoryzacji i hydraulice. Istnieją różne gatunki i standardy materiałów miedzianych, a oto niektóre z nich:
W ostatnich latach, przy jednoczesnym zwracaniu uwagi na bezpieczeństwo samolotów i silników, krajowa i zagraniczna społeczność lotnicza jest również coraz bardziej zaniepokojona oszczędzaniem zasobów, redukcją kosztów, ochroną środowiska i innymi kwestiami. W tym kontekście ekologiczny przemysł lotniczy poczynił pewne postępy. Ekologiczne lotnictwo obejmuje cały proces rozwoju i użytkowania statku powietrznego: projektowanie, produkcję, użytkowanie, konserwację, wycofanie z eksploatacji, regenerację itp., obejmujący dziedziny techniczne, w tym ekologiczne materiały, ekologiczną produkcję, ekologiczną konserwację itp.
Tak zwany zielony materiał odnosi się do maksymalizacji wykorzystania zasobów oraz minimalizacji kosztów użytkowania i wpływu na środowisko podczas całego cyklu projektowania materiałów, selekcji surowców, przetwarzania i produkcji, pakowania i transportu, użytkowania, odzysku i ponownego użycia. Nasz kraj zaczął energicznie rozwijać nową technologię materiałową, każda nowa technologia materiałowa była przełomem, badania nad nowymi materiałami lotniczymi przyniosły satysfakcjonujące osiągnięcia. Patrząc w przyszłość, nowe materiały lotnicze będą opracowywane w kierunku wielozadaniowości, wysokiej wydajności, nowych procesów, niskich kosztów i nowych koncepcji. Wraz z poprawą niezależnego poziomu badań i rozwoju Chin w dziedzinie nowych materiałów lotniczych, musimy kompleksowo poprawić poziom techniczny zielonych materiałów lotniczych z aspektów projektowania materiałów, procesu przygotowania, rozwoju materiałów, recyklingu i innych aspektów oraz wspólnie stworzyć lepszą przyszłość ekologicznego lotnictwa.
Po pierwsze, konieczność rozwoju zielonego przemysłu lotniczego
Rok 2021 jest pierwszym rokiem 14. planu pięcioletniego. Oczekuje się, że nowy sektor materiałowy, jako podstawowa pozycja całego łańcucha przemysłu wojskowego, zapoczątkuje większą przestrzeń do rozwoju. Wiek XX to wiek szybkiego rozwoju nowoczesnej nauki i techniki, jednym z ważnych symboli są wspaniałe osiągnięcia człowieka w dziedzinie aeronautyki i astronautyki. W XXI wieku przemysł lotniczy wykazał szersze perspektywy rozwoju, a działalność lotnicza na wysokim lub bardzo wysokim poziomie stała się częstsza. Wielkie osiągnięcia przemysłu lotniczego są nierozerwalnie związane z rozwojem i przełomem technologii materiałów lotniczych. Materiały są fundamentem i prekursorem nowoczesnej wysokiej techniki i przemysłu oraz w dużej mierze warunkują przełom wysokiej techniki. Rozwój materiałów lotniczych odgrywa ważną rolę we wspieraniu i gwarantowaniu technologii lotniczej. Z kolei potrzeby rozwojowe technologii lotniczej znacznie prowadzą i promują rozwój materiałów lotniczych. Można powiedzieć, że postęp materiałowy odgrywa kluczową rolę wspomagającą w modernizacji samolotów.
Materiały lotnicze są nie tylko gwarancją materiałową rozwoju i produkcji wyrobów lotniczych, ale także techniczną podstawą modernizacji produktów lotniczych. Materiały odgrywają ważną rolę w rozwoju przemysłu lotniczego i produktów lotniczych. W XXI wieku materiały lotnicze rozwijają się w kierunku wysokiej wydajności, wysokiej funkcjonalności, wielofunkcyjności, integracji struktury i funkcji, złożonej, inteligentnej, taniej i przyjaznej dla środowiska.
W swoim rządowym raporcie roboczym z 2022 r. były premier Li Keqiang zaproponował ciągłą poprawę środowiska ekologicznego, promowanie ekologicznego i niskoemisyjnego rozwoju, wzmocnienie kontroli zanieczyszczeń oraz ochronę i odbudowę ekologiczną, osiągnięcie równowagi między rozwojem a redukcją emisji oraz promowanie harmonijnego współistnienia między człowiek i przyroda. W ostatnich latach, przy jednoczesnym zwracaniu uwagi na bezpieczeństwo samolotów, krajowa i zagraniczna społeczność lotnicza jest również coraz bardziej zaniepokojona oszczędzaniem zasobów, redukcją kosztów, ochroną środowiska i innymi kwestiami. W tym kontekście ekologiczne lotnictwo poczyniło pewne postępy. Samoloty w kierunku bardziej bezpiecznego i niezawodnego, lekkiego, wytrzymałego, ekologicznego kierunku rozwoju, stawiają w ten sposób coraz wyższe wymagania dotyczące materiałów, ale także promują samolot pod względem prędkości lotu, niezawodności, niskich kosztów, wysokiej wydajności i komfortu oraz innych aspektów modernizacji . W nowej sytuacji przemysłowej opracowanie wysokiej klasy ekologicznych materiałów lotniczych oraz technologii ich przygotowania i przetwarzania ma ogromne znaczenie dla wspierania zrównoważonego rozwoju chińskiego przemysłu lotniczego. Jednym słowem, napędzany szybkim rozwojem światowego nowoczesnego przemysłu, zielony rozwój materiałów lotniczych jest nieuniknionym trendem i pilną potrzebą rozwoju gospodarczego.
II. Postęp badań nad nowymi materiałami lotniczymi
Materiały lotnicze w pewnym stopniu determinują koszt wytworzenia konstrukcji kadłuba samolotu. Ponieważ chiński sprzęt lotniczy został wprowadzony głównie na wczesnym etapie, przy doborze materiałów wykorzystuje głównie system materiałów obcych. W ostatnich latach Chiny zaczęły energicznie rozwijać nową technologię materiałową, a nowa technologia materiałowa dokonywała ciągłych przełomów, a badania nad nowymi materiałami lotniczymi również przyniosły satysfakcjonujące osiągnięcia. Jednak nadal istnieje duża przepaść między ogólnym poziomem przemysłu nowych materiałów lotniczych a międzynarodowym poziomem zaawansowanym.
(A) Stop tytanu: doskonałe właściwości "metalu uniwersalnego"
Tytan charakteryzuje się niskim ciężarem właściwym i wysoką wytrzymałością właściwą, a jego stop ma ogromne znaczenie dla zwiększenia stosunku ciągu do ciężaru samolotów w dziedzinie lotnictwa i jest szeroko stosowany w ostatnich latach. Oprócz dziedzin wojskowych i lotniczych stop tytanu jest również szeroko stosowany w chemii, metalurgii, medycynie, sporcie i rekreacji oraz innych dziedzinach.
Stan rozwoju materiałów ze stopów tytanu dla lotnictwa za granicą
1) Wysokotemperaturowy stop tytanu: wysokotemperaturowy stop tytanu jest stosowany głównie w szynach ślizgowych klap samolotów, obudowie łożyska, wsporniku, pokrywie silnika, tarczy i łopatce sprężarki, obudowie i innych elementach ramy konstrukcyjnej. Elementy te wymagają wysokiej wytrzymałości właściwej, wytrzymałości zmęczeniowej, odporności na pełzanie i stabilności strukturalnej w temperaturze 300 ~ 600 stopni. Obecnie w imieniu międzynarodowego zaawansowanego poziomu marek stopów tytanu o wysokiej temperaturze obejmują głównie Stany Zjednoczone Ti -6242 S, Ti -1100, IMI834, rosyjski BT36 i tak dalej.
2) Stop tytanu o wysokiej wytrzymałości: Stop tytanu o wysokiej wytrzymałości zwykle odnosi się do wytrzymałości na rozciąganie ponad 1000 MPa stopu tytanu, stosowanego głównie do zastąpienia stali konstrukcyjnej o wysokiej wytrzymałości, powszechnie stosowanej w konstrukcjach samolotów, może osiągnąć 10-procentową redukcję masy. Obecnie stopami tytanu o wysokiej wytrzymałości stosowanymi w samolotach są głównie stopy tytanu typu -typu, reprezentatywne dla głównych rodzajów Ti-1023, BT22, Ti-153, -21S i tak dalej.
3) Trudnopalny stop tytanu: Obecnie typowe trudnopalne stopy tytanu to stop C w Stanach Zjednoczonych i BTT{1}} w Rosji. Stop C (Ti-35V-15Cr), opracowany w Stanach Zjednoczonych, jest stopem tytanu o dobrej wytrzymałości w wysokich temperaturach i odporności na utlenianie. Zastosowano go na obudowie sprężarki wysokiego ciśnienia, kierownicy i dyszy wektorowo-ogonowej silnika Fl19. Opracowany w Rosji trudnopalny stop tytanu Ti-Cu-Al BTT{11}} ma dobrą obrabialność termiczną i jest stosowany w obudowach i łopatkach sprężarek silnika.
Stan rozwoju materiałów ze stopów tytanu dla lotnictwa krajowego
1) Wysokotemperaturowy stop tytanu: stop Ti-60 jest niezależnie opracowanym przez nasz kraj stopem tytanu o temperaturze 600 stopni. Stop oparty jest na stopie TAL₂ (Ti{3}}) z dodatkiem pierwiastków Al, Sn, Si o odpowiedniej zawartości, tak aby jeszcze bardziej poprawić stabilność termiczną, pełzanie w wysokiej temperaturze i odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze stopu.
2) Konstrukcyjny stop tytanu o wysokiej wytrzymałości: W latach 70. do 90. niezależnie opracowano partię strukturalnego stopu tytanu o wysokiej wytrzymałości. Wytrzymałość tych stopów tytanu może osiągnąć poziom 1100-1300MPa. Na początku XXI wieku istnieją dwa rodzaje reprezentatywnych stopów tytanu beta: ① prawie tytan Ti-B18, wytrzymałość na rozciąganie może osiągnąć 1150 ~ 1350 MPa; ② Metastabilny stop tytanu Ti-B20, wytrzymałość na rozciąganie do 1200 ~ 1600 MPa.
3) Trudnopalny stop tytanu: Przez lata Chiny prowadziły dogłębne badania nad ognioodpornym stopem tytanu. W odniesieniu do stopu AlloyC zaprojektowano odpowiednio serię trudnopalnych stopów tytanu Ti-V-Cr-Al, Ti-Mo-Cr-Al, Ti-Mo-V-Cr-Al3, a mechanizm przeciwdziałania spalaniu zbadano za pomocą symulacji komputerowej. Ponadto trudnopalne stopy tytanu TF1 (seria Ti-V-Cr-C) i TF2 (seria Ti-Cu) zostały zaprojektowane po systematycznej analizie różnych systemów w Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i Rosji. Stop Ti{20}} (Ti-V-Cr-Si) jest ognioodpornym stopem tytanu opracowanym niezależnie w Chinach. W porównaniu z konwencjonalnym stopem tytanu, stop Ti{25}} ma doskonałe właściwości ognioodporne i mechaniczne. Obecnie badania nad stopami rozwinęły się ze skali laboratoryjnej do skali półprzemysłowej, udało się wytworzyć wlewki Ti40 ton, wielkogabarytowe pręty i odkuwki pierścieniowe.
Ze względu na późny początek krajowego przemysłu lotniczego, zużycie tytanu i stopów tytanu w krajowym lotnictwie nie jest duże, materiały tytanowe stosowane w lotnictwie stanowiły mniej niż 20 procent, znacznie poniżej średniego międzynarodowego poziomu około 50 procent, a przemysł tytanowy w porównaniu z krajami rozwiniętymi nadal istnieje duża luka: po pierwsze, wysokiej klasy produkty ze stopów tytanu są nadal głównie imitacją, poziom rozwoju materiału jest niski, zakres zastosowania jest wąski, wysoka wszechstronna wydajność i niski- koszt opracowania stopu tytanu jest w większości na etapie laboratoryjnym; Po drugie, jakość metalurgii nie jest stabilna, mniej odmian, niekompletne specyfikacje; Po trzecie, postęp badań powiązanych technologii wspomagających jest powolny, a samodzielnie opracowany system materiałów ze stopu tytanu wymaga ulepszenia.
(2) Superstop: skupienie się na potrzebach silników wojskowych
Superstop, do wysokich temperatur
Tradycyjna stal mięknie powyżej 300 stopni Celsjusza i nie radzi sobie z wysokimi temperaturami. Aby osiągnąć wyższą efektywność konwersji energii, dziedzina mocy silnika cieplnego wymaga coraz wyższej temperatury roboczej. W rezultacie nadstopy zostały wyhodowane do stabilnej pracy w temperaturach powyżej 600 stopni Celsjusza, a technologia jest stale ulepszana.
Nadstopy dzieli się na nadstopy na bazie żelaza i nadstopy na bazie niklu według głównych składników stopu. Według Zhiyan Consulting, w 2018 roku produkcja nadstopów na bazie niklu wyniosła 80 procent, nadstopów na bazie żelaza 14,3 procent, a nadstopów na bazie kobaltu 5,7 procent.
Superstop jest kluczowym materiałem w silnikach lotniczych. Superstop jest używany w silnikach lotniczych od samego początku i jest ważnym materiałem do produkcji silników lotniczych. Poziom osiągów silnika w dużej mierze zależy od poziomu osiągów materiału nadstopowego. W nowoczesnych silnikach lotniczych ilość nadstopów stanowi 40–60 procent całkowitej masy silnika. Stosowany jest głównie w czterech gorących elementach końcowych: komorze spalania, prowadnicy, łopatce turbiny i tarczy turbiny. Ponadto jest również stosowany w obudowach, częściach pierścieni, dopalaczu i dyszy ogonowej.
Chiński przemysł stopów wysokotemperaturowych znajduje się obecnie w okresie wzrostu, a przedsiębiorstwa łańcucha przemysłowego mają szeroką przestrzeń rozwojową w przyszłości. Liczba przedsiębiorstw produkujących nadstopy w Chinach jest ograniczona, a poziom produkcji pozostaje w tyle za Stanami Zjednoczonymi, Rosją i innymi krajami. Jednak w ostatnich latach nastąpiła znaczna poprawa zdolności produkcyjnych i wartości produkcji. Wiele projektów zdolności produkcyjnych nadstopów Lianshi Aviation, Western Superconductor i innych firm jest w trakcie budowy i oddanych do eksploatacji.
Właściwości nadstopów do silników lotniczych stale się rozwijają
1) Nadstop na bazie żelaza: jedna z cech chińskiego systemu nadstopów.
Ze względu na brak niklu i niewielkiej ilości kobaltu w chińskich zasobach rozwój, produkcja i zastosowanie superstopów na bazie żelaza stało się znakomitą sceną w latach 60. i 70. XX wieku.
Nadstopy na bazie żelaza są zwykle stosowane w częściach silników o niskich temperaturach roboczych (600 ~ 850 stopni C), takich jak tarcze turbin, obudowy i wały. Jednak nadstop na bazie Fe ma dobre właściwości mechaniczne w średniej temperaturze, porównywalne lub lepsze niż podobne stopy na bazie niklu. Poza tym jest tani i łatwy do odkształcenia podczas obróbki na gorąco. Dlatego nadstop na bazie Fe jest nadal szeroko stosowany jako materiał na tarczę turbiny i łopatkę turbiny w zakresie średnich temperatur.
2) Superstop na bazie niklu: odkształcenie/odlewanie/ulepszenie nowego stopu z pokolenia na pokolenie.
Nadstopy na bazie niklu na ogół działają w określonych warunkach naprężeń powyżej 600 stopni. Mają nie tylko dobrą odporność na utlenianie i korozję w wysokiej temperaturze, ale także wysoką temperaturę, wytrzymałość na pełzanie i trwałość, a także dobrą odporność na zmęczenie. Stosowany jest głównie w przemyśle lotniczym do elementów konstrukcyjnych pracujących w warunkach wysokiej temperatury, takich jak łopatki robocze, tarcze turbin, komory spalania silników lotniczych itp.
Zgodnie z procesem produkcyjnym nadstop na bazie niklu można podzielić na stop zmienny, nadstop odlewniczy, nowy nadstop. Superstop odlewany na bazie niklu jest stosowany głównie w łopatkach prowadzących turbin w silnikach, w których temperatura robocza może osiągnąć ponad 1100 stopni, lub może być również stosowany w łopatkach turbin, których temperatura jest niższa niż odpowiednia łopatka prowadząca 50-100 stopień .
Ponieważ temperatura robocza stopu żaroodpornego jest coraz wyższa, elementy wzmacniające w stopie są coraz większe, skład jest bardziej złożony, w wyniku czego niektóre stopy mogą być stosowane tylko w stanie odlewu, nie mogą być odkształcane podczas pracy na gorąco. Ponadto wzrost zawartości pierwiastków stopowych powoduje, że po zestaleniu stopu na bazie niklu następuje poważna segregacja składu, co skutkuje nierównomierną mikrostrukturą i właściwościami. Wykorzystanie procesu metalurgii proszków do produkcji nadstopów może rozwiązać powyższe problemy. Ponieważ cząstka proszku jest mała, prędkość chłodzenia jest duża, gdy proszek jest wytwarzany, segregacja jest wyeliminowana, poprawia się obrabialność na gorąco, stop, który można odlewać, zmienia się w nadstop odkształcenia, który można obrabiać na gorąco, granica plastyczności i właściwości zmęczeniowe są ulepszone, nadstop proszkowy stworzył nowy sposób produkcji stopu o wyższej wytrzymałości. Nadstop proszkowy jest stosowany głównie do produkcji tarczy turbiny zaawansowanego silnika lotniczego o wysokim współczynniku ciągu, a także do produkcji tarczy sprężarki, wału turbiny, przegrody turbiny i innych wysokotemperaturowych gorących części zaawansowanego silnika lotniczego.
3) nadstop na bazie kobaltu: odporność na korozję i inne specjalne dziedziny mają szerokie perspektywy.
Odporność na utlenianie nadstopu na bazie kobaltu jest słaba, ale jego odporność na korozję termiczną jest lepsza niż niklu. Nadstop na bazie kobaltu ma również większą wytrzymałość w wysokich temperaturach, odporność na korozję termiczną, zmęczenie cieplne i odporność na pełzanie niż nadstop na bazie niklu, który jest odpowiedni do produkcji łopatek i dysz prowadzących turbin gazowych.
Ze względu na ograniczone zasoby w naszym kraju opracowano stopy na bazie kobaltu, takie jak K40, GH188 i L605. Od 2001 roku badania GE nad nadstopami na bazie kobaltu koncentrowały się na wykorzystaniu nadstopów na bazie kobaltu jako materiałów podłoża do turbin gazowych i przygotowaniu powłok, takich jak powłoki bariery termicznej na powierzchni stopów w celu poprawy odporności na korozję.
Ze względu na ograniczenia materiałowe kobalt jest stosunkowo rzadki i drogi na Ziemi. Obecnie ciepło badań opartych na kobalcie spadło, a wiele badań naukowych pozostaje na etapie teoretycznym, takim jak eksperyment modelowania cyfrowego.
Pierwsza generacja stopu samolotów wojskowych, silnik ze stopem wysokotemperaturowym lub wchodzi w okres szybkiej objętości
Rosną wymagania temperaturowe silnika. Wysoki stosunek ciągu do ciężaru wymaga wyższej temperatury dyszy i podłoża materiałowego przy wyższej temperaturze roboczej. W rozwoju nadstopów na świecie materiały łopatek i tarcz silników przeszły cztery etapy, a mianowicie odkształcenie, odlewanie, orientację i tworzenie monokryształu. Temperatura jest stopniowo zwiększana od 600 stopni do ponad 1100 stopni.
Modernizacji samolotów wojskowych towarzyszyła modernizacja superstopów. Materiałem rdzenia silnika turbowentylatorowego pierwszej generacji jest zdeformowany superstop, a temperatura robocza materiału rdzenia wynosi 650 stopni. W silniku turbowentylatorowym czwartej generacji temperatura robocza materiału rdzenia osiągnęła 1200 stopni, a nadstop monokrystaliczny został przyjęty. Modernizacji samolotów wojskowych towarzyszyła modernizacja nadstopu, materiału rdzenia silnika. Ulepszenie nadstopów wymaga badań