Bakar je savitljiv, duktilan i odličan provodnik toplote i struje. Koristi se u raznim industrijama, uključujući električnu, građevinsku, automobilsku i vodovodnu. Postoje različite klase i standardi bakrenih materijala, a evo nekih od njih:
Posljednjih godina, uz kontinuirano obraćanje pažnje na sigurnost aviona i motora, domaća i strana avijacijska zajednica sve više brine o uštedi resursa, smanjenju troškova, zaštiti okoliša i drugim pitanjima. U tom kontekstu, zelena vazduhoplovna industrija je postigla određeni napredak. Zelena avijacija pokriva cijeli proces razvoja i korištenja dizajna, proizvodnje, upotrebe, održavanja, penzionisanja, oporavka, itd., uključujući tehnička polja uključujući zelene materijale, zelenu proizvodnju, zeleno održavanje itd.
Takozvani zeleni materijal odnosi se na maksimiziranje korištenja resursa i minimiziranje troškova korištenja i utjecaja na okoliš tokom cijelog ciklusa dizajna materijala, odabira sirovina, prerade i proizvodnje, pakovanja i transporta, upotrebe, oporavka i ponovne upotrebe. Naša zemlja je počela energično da razvija novu tehnologiju materijala, svaka nova tehnologija materijala je bila proboj, istraživanje novih materijala u vazduhoplovstvu je postiglo zadovoljavajuća dostignuća. Gledajući u budućnost, novi avionski materijali će se razvijati u pravcu višenamjenskih, visokih performansi, novih procesa, niske cijene i novih koncepata. Sa poboljšanjem kineskog nezavisnog nivoa istraživanja i razvoja u oblasti novih vazduhoplovnih materijala, moramo sveobuhvatno poboljšati tehnički nivo zelenih vazduhoplovnih materijala sa aspekta dizajna materijala, procesa pripreme, razvoja materijala, recikliranja i drugih aspekata, i zajednički stvoriti bolju budućnost zelene avijacije.
Prvo, neophodnost razvoja zelene vazduhoplovne industrije
2021. je prva godina 14. petogodišnjeg plana. Kao ključna pozicija čitavog lanca vojne industrije, očekuje se da će novi sektor materijala uvesti veći prostor za razvoj. 20. vek je vek brzog razvoja moderne nauke i tehnologije, a jedan od važnih simbola su briljantna dostignuća koja su ljudska bića ostvarila u oblasti aeronautike i astronautike. U 21. veku, vazduhoplovna industrija je pokazala širu perspektivu za razvoj, a avio-kosmičke aktivnosti visokog ili ultra visokog nivoa su postale sve učestalije. Velika dostignuća vazduhoplovne industrije neodvojiva su od razvoja i proboja tehnologije vazduhoplovnih materijala. Materijali su temelj i preteča moderne visoke tehnologije i industrije, te su u velikoj mjeri preduvjet za proboj visoke tehnologije. Razvoj vazduhoplovnih materijala igra snažnu ulogu u podršci i garantovanju vazduhoplovne tehnologije. Zauzvrat, razvojne potrebe vazduhoplovne tehnologije uveliko vode i promovišu razvoj vazduhoplovnih materijala. Može se reći da napredak materijala igra ključnu pomoćnu ulogu u nadogradnji aviona.
Vazduhoplovni materijali nisu samo materijalna garancija za razvoj i proizvodnju vazduhoplovnih proizvoda, već i tehnička osnova za nadogradnju vazduhoplovnih proizvoda. Materijali igraju važnu ulogu u razvoju zrakoplovne industrije i zrakoplovnih proizvoda. U 21. veku, vazduhoplovni materijali se razvijaju u pravcu visokih performansi, visoke funkcije, multifunkcionalne, strukturne i funkcionalne integracije, složene, inteligentne, niske cene i kompatibilnosti sa okruženjem.
U svom izvještaju o radu vlade iz 2022. godine, bivši premijer Li Keqiang predložio je kontinuirano poboljšanje ekološkog okruženja, promoviranje zelenog i niskougljičnog razvoja, jačanje kontrole zagađenja i ekološke zaštite i obnove, uspostavljanje ravnoteže između razvoja i smanjenja emisija i promoviranje harmonične koegzistencije između čovjeka i prirode. Posljednjih godina, uz kontinuirano obraćanje pažnje na sigurnost aviona, domaća i strana avijacijska zajednica sve više brine o uštedi resursa, smanjenju troškova, zaštiti okoliša i drugim pitanjima. U tom kontekstu, zelena avijacija je postigla određeni napredak. Zrakoplov ka sigurnijem i pouzdanijem, lakšem, čvršćem, zelenom smjeru razvoja, tako postavlja sve veće zahtjeve za materijalima, ali i promovira avion u brzini leta, pouzdanosti, niskoj cijeni, visokoj efikasnosti i udobnosti i drugim aspektima nadogradnje. . U novoj industrijskoj situaciji, razvoj vrhunskih vazduhoplovnih zelenih materijala i tehnologije njihove pripreme i prerade od velikog je značaja za podršku održivom razvoju kineske avio industrije. Jednom riječju, potaknut brzim razvojem globalne moderne industrije, zeleni razvoj avio materijala je neizbježan trend i hitan zahtjev ekonomskog razvoja.
Ii. Napredak istraživanja novih aeronautičkih materijala
Materijali za avione u određenoj mjeri određuju troškove izrade strukture karoserije aviona. Budući da je kineska avijacijska oprema uglavnom uvedena u ranoj fazi, ona uglavnom koristi sistem stranog materijala u odabiru materijala. Posljednjih godina Kina je počela energično razvijati novu tehnologiju materijala, a nova tehnologija materijala činila je kontinuirani napredak, a istraživanje novih materijala za zrakoplovstvo također je postiglo zadovoljavajuća dostignuća. Međutim, još uvijek postoji veliki jaz između ukupnog nivoa industrije novih materijala u avijaciji i međunarodnog naprednog nivoa.
(A) Legura titanijuma: odlična svojstva "univerzalnog metala"
Titanijum ima karakteristike niske specifične težine i velike specifične čvrstoće, a njegova legura je od velikog značaja za povećanje omjera potiska i težine aviona u aerokosmičkoj oblasti, a posljednjih godina se široko koristi. Osim u vojnim i vazduhoplovnim oblastima, legura titanijuma se takođe široko koristi u hemijskoj, metalurgiji, medicini, sportu i rekreaciji i drugim oblastima.
Status razvoja materijala od legura titanijuma za vazduhoplovstvo u inostranstvu
1) Visokotemperaturna legura titanijuma: legura titana visoke temperature uglavnom se koristi u kliznoj šini aviona, kućištu ležaja, nosaču, haubi motora, disku i lopatici kompresora, kućištu i drugim delovima strukturnog okvira. Ove komponente zahtijevaju visoku specifičnu čvrstoću, čvrstoću na zamor, otpornost na puzanje i strukturnu stabilnost na 300 ~ 600 stepeni. Trenutno, u ime međunarodnog naprednog nivoa visokotemperaturnih legura titanijuma, brendovi uglavnom uključuju Ti-6242S, Ti-1100, IMI834, ruski BT36 i tako dalje.
2) Legura titana visoke čvrstoće: legura titana visoke čvrstoće obično se odnosi na vlačnu čvrstoću od više od 1000 MPa legure titana, koja se uglavnom koristi za zamjenu konstrukcijskog čelika visoke čvrstoće koji se obično koristi u konstrukciji aviona, može postići smanjenje težine od 10 posto. Trenutno, legure titana visoke čvrstoće koje se koriste u avionima su uglavnom legure titanijuma tipa, reprezentativne za glavne Ti-1023, BT22, Ti-153, -21S i tako dalje.
3) Legura titanijuma otpornog na vatru: Trenutno, tipične legure titanijuma otporne na vatru su legura C u Sjedinjenim Državama i BTT-1 u Rusiji. Legura C (Ti-35V-15Cr), razvijena u Sjedinjenim Državama, je legura titanijuma sa dobrom čvrstoćom na visokim temperaturama i otpornošću na oksidaciju. Primijenjen je na kućište kompresora visokog pritiska, vodeću lopaticu i vektorsku repnu mlaznicu motora Fl19. Ti-Cu-Al BTT{11}} legura titanijuma koja usporava plamen razvijena u Rusiji ima dobru termičku obradivost i koristi se u kućištu i lopaticama kompresora motora.
Status razvoja materijala od legura titanijuma za domaće vazduhoplovstvo
1) Visokotemperaturna legura titanijuma: Ti-60 legura je legura titana na visokoj temperaturi od 600 stepeni koju je samostalno razvila naša zemlja. Legura je zasnovana na TAL₂ (Ti-55) leguri uz dodavanje elemenata Al, Sn, Si sa odgovarajućim sadržajem, kako bi se dodatno poboljšala termička stabilnost, visokotemperaturno puzanje i otpornost legure na oksidaciju na visokim temperaturama.
2) Strukturna legura titanijuma visoke čvrstoće: serija strukturne legure titanijuma visoke čvrstoće je nezavisno razvijena od 1970-ih do 1990-ih. Čvrstoća ovih titanijumskih legura može dostići nivo od 1100-1300MPa. Na početku 21. stoljeća, postoje dvije vrste reprezentativne beta titanijumske legure: ① skoro titanijum Ti-B18, zatezna čvrstoća može doseći 1150 ~ 1350MPa; ② Metastabilna legura titanijuma Ti-B20, zatezna čvrstoća do 1200 ~ 1600MPa.
3) Legura titanijuma otporna na vatru: Kina je tokom godina provela dubinsko istraživanje legure titanijuma otporne na vatru. Pozivajući se na legure AlloyC, dizajnirane su redom Ti-V-Cr-Al, Ti-Mo-Cr-Al, Ti-Mo-V-Cr-Al3 serije legura titanijuma koji usporavaju plamen, a mehanizam protiv sagorevanja je proučavan pomoću kompjuterske simulacije. Osim toga, TF1 (Ti-V-Cr-C serija) i TF2 (Ti-Cu serija) legure titanijuma otporne na plamen dizajnirane su nakon sistematske analize različitih sistema Sjedinjenih Država, Britanije i Rusije. Ti{20}} (Ti-V-Cr-Si) legura je tip legura titanijuma koja usporava plamen, nezavisno razvijena u Kini. U poređenju sa konvencionalnom legurom titanijuma, legura Ti-40 ima odlične otporne na vatru i mehanička svojstva. Trenutno se istraživanje legura razvilo od laboratorijske do poluindustrijske razmjere, bilo je u stanju pripremiti ingote od 40 tona, šipke velike veličine i otkovke za prstenove.
Zbog kasnog pokretanja domaće industrije vazduhoplovstva, potrošnja titanijuma i legura titanijuma u domaćem vazduhoplovstvu nije velika, titanijumski materijali koji se koriste u oblasti vazduhoplovstva činili su manje od 20 posto, daleko ispod međunarodnog proseka od oko 50 posto , a industrija titana u odnosu na razvijene zemlje i dalje postoji veliki jaz: prvo, proizvodi od legure titana visoke klase i dalje su uglavnom imitacije, nivo razvoja materijala je nizak, raspon primjene je uzak, visoke sveobuhvatne performanse i niske trošak razvoja legure titana je uglavnom u laboratorijskoj fazi; Drugo, kvalitet metalurgije nije stabilan, manje sorti, nepotpune specifikacije; Treće, napredak istraživanja povezanih pratećih tehnologija je spor, a sistem materijala od legure titanijuma koji je sam razvio treba poboljšati.
(2) Superlegura: fokusiranje na potrebe vojnih motora
Superlegura, za visoke temperature
Tradicionalni čelik omekšava iznad 300 stepeni Celzijusa i ne može da se nosi sa visokim temperaturama. Da bi se ostvarila veća efikasnost konverzije energije, polju snage termičkih motora potrebna je sve veća radna temperatura. Kao rezultat toga, superlegure su uzgojene da stabilno rade na temperaturama iznad 600 stepeni Celzijusa, a tehnologija se nastavlja poboljšavati.
Superlegure se dijele na superlegure na bazi željeza i superlegure na bazi nikla prema glavnim elementima legure. Prema Zhiyan Consulting-u, podijeljenom po proizvodnom procesu u 2018., proizvodnja superlegure na bazi nikla iznosila je 80 posto, superlegure na bazi željeza 14,3 posto i superlegure na bazi kobalta 5,7 posto.
Superlegura je ključni materijal za avio-motor. Superlegura se koristi u aeromotorima od svog rođenja i važan je materijal za proizvodnju zrakoplovnih motora. Nivo performansi motora u velikoj meri zavisi od nivoa performansi materijala superlegure. U modernim avio-motorima, količina materijala superlegure čini 40% ~ 60% ukupne težine motora. Uglavnom se koristi u četiri hot end komponente: komora za sagorijevanje, vodilica, lopatica turbine i turbinski disk. Osim toga, koristi se i za kućište, prstenaste dijelove, naknadno sagorijevanje i repnu mlaznicu.
Kineska industrija visokotemperaturnih legura trenutno je u periodu rasta, a preduzeća industrijskog lanca imaju širok razvojni prostor u budućnosti. Broj preduzeća za proizvodnju superlegura u Kini je ograničen, a nivo proizvodnje zaostaje za onim u Sjedinjenim Državama, Rusiji i drugim zemljama. Međutim, posljednjih godina, proizvodni kapacitet i vrijednost proizvodnje značajno su poboljšani. Mnogi projekti kapaciteta proizvodnje superlegura Lianshi Aviation, Western Superconductor i drugih kompanija su u izgradnji i pušteni u rad.
Svojstva superlegure za avio-motore kontinuirano se razvijaju
1) Superlegura na bazi željeza: jedna od karakteristika kineskog sistema superlegura.
Zbog nedostatka nikla i malo kobalta u kineskim resursima, razvoj, proizvodnja i primjena superlegure na bazi željeza postala je briljantna scena 1960-ih i 1970-ih.
Superlegure na bazi gvožđa se generalno koriste u delovima motora sa niskim radnim temperaturama (600~850 stepeni C), kao što su turbinski diskovi, kućište i vratila. Međutim, superlegura na bazi Fe ima dobra mehanička svojstva na srednjoj temperaturi, uporediva ili bolja od sličnih legura na bazi nikla. Osim toga, jeftin je i lako se deformiše pri vrućoj obradi. Stoga se superlegura na bazi Fe još uvijek široko koristi kao materijal za diskove i lopatice turbine u području srednje temperature.
2) Superlegura na bazi nikla: deformacija/lijevanje/nadogradnja nove legure po generaciji.
Superlegure na bazi nikla uglavnom rade pod određenim uslovima naprezanja iznad 600 stepeni. Oni ne samo da imaju dobru otpornost na oksidaciju i otpornost na koroziju na visokim temperaturama, već imaju i visoku temperaturnu čvrstoću, čvrstoću puzanja i trajnu čvrstoću, kao i dobru otpornost na zamor. Uglavnom se koristi u vazduhoplovstvu za strukturne komponente koje rade u uslovima visoke temperature, kao što su radne lopatice, turbinski diskovi, komore za sagorevanje avio-motora, itd.
Prema proizvodnom procesu, superlegura na bazi nikla može se podijeliti na varijabilnu leguru, superleguru za livenje, novu superleguru. Lijevana superlegura na bazi nikla se uglavnom koristi u lopaticama turbina u motorima, gdje radna temperatura može dostići više od 1100 stepeni, ili se također može koristiti u lopaticama turbina, čija je temperatura niža od odgovarajuće vodeće lopatice 50-100 stepen .
Kako je radna temperatura legure otporne na toplinu sve viša i viša, ojačavajući elementi u leguri su sve više i više, sastav je složeniji, što rezultira da se neke legure mogu koristiti samo u livenom stanju, ne može doći do vruće radne deformacije. Osim toga, povećanje legirajućih elemenata čini segregaciju sastava legure na bazi nikla ozbiljnom nakon skrućivanja, što rezultira neujednačenom mikrostrukturom i svojstvima. Korištenje procesa metalurgije praha za proizvodnju superlegure može riješiti gore navedene probleme. Budući da je čestica praha mala, brzina hlađenja je velika kada se prah pravi, segregacija je eliminisana, obradivost u vrućoj je poboljšana, legura koja se može samo lijevati se mijenja u deformacijsku superleguru koja se može vruće obrađivati, granica tečenja i poboljšana svojstva zamora, superlegura u prahu je proizvela novi način za proizvodnju legure veće čvrstoće. Superlegura u prahu se uglavnom koristi u proizvodnji turbinskih diskova naprednog avio-motora sa visokim omjerom potiska, kao i u proizvodnji diska kompresora, osovine turbine, pregrade turbine i drugih visokotemperaturnih vrućih dijelova naprednog avio-motora.
3) superlegura na bazi kobalta: otpornost na koroziju i druge posebne oblasti imaju široke izglede.
Otpornost na oksidaciju superlegure na bazi kobalta je loša, ali je njena otpornost na termičku koroziju bolja od nikla. Superlegura na bazi kobalta takođe ima jaču čvrstoću pri visokim temperaturama, otpornost na termičku koroziju, toplotni zamor i otpornost na puzanje od superlegura na bazi nikla, koja je pogodna za proizvodnju lopatica i mlaznica gasnih turbina.
Zbog ograničenih resursa u našoj zemlji su razvijene legure na bazi kobalta kao što su K40, GH188 i L605. Od 2001. godine, GE-ovo istraživanje superlegura na bazi kobalta fokusiralo se na korištenje superlegura na bazi kobalta kao materijala supstrata za plinske turbine i pripremu premaza kao što su prevlake za termičku barijeru na površini legura za poboljšanje otpornosti na koroziju.
Zbog materijalnih ograničenja, kobalt je relativno rijedak i skup na Zemlji. Trenutno se žar istraživanja zasnovanih na kobaltu smanjio, a mnoga naučna istraživanja ostaju u teorijskoj fazi, kao što je eksperiment digitalnog modeliranja.
Prva generacija legure vojnih aviona, motor sa visokotemperaturnom legurom ili ulazi u period brzog volumena
Temperaturni zahtjevi motora se povećavaju. Visok omjer potiska i težine zahtijeva višu temperaturu mlaznice i materijalnu potporu na višoj radnoj temperaturi. U razvoju superlegura u svijetu, materijali lopatica i diskova motora prošli su četiri faze, a to su deformacija, livenje, orijentacija i monokristal. Temperatura se postepeno povećava sa 600 stepeni na više od 1100 stepeni.
Nadogradnju vojnih aviona pratila je i nadogradnja superlegura. Materijal jezgre prve generacije turboventilatorskog motora je deformisana superlegura, a radna temperatura materijala jezgra je 650 stepeni. Do četvrte generacije turboventilatorskog motora, radna temperatura materijala jezgre dostigla je 1200 stepeni, a usvojena je monokristalna superlegura. Unapređenje vojnih aviona je praćeno nadogradnjom superlegure, osnovnog materijala motora. Nadogradnja superlegure zahtijeva istraživanje