Aeromotorrentzako material berriak. Orraz ditzagun Horietatik

Jun 15, 2020

Abiazioko fabrikazioa manufaktura-industriako teknologia berrien eta goi-arlorik kontzentratuena da, fabrikazio-teknologia aurreratuari dagokiona. AEBetan HPk garatutako F119 motorra, GEk F120 motorra, SNECMAk Frantzian M88-2 motorra eta Britainia Handiak, Alemaniak, Italiak eta Espainiak elkarrekin garatutako EJ200 motorra. Mundu maila aurreratua adierazten duten errendimendu handiko aeromotor hauen ezaugarri komuna material berriak, prozesu berriak eta teknologia berriak oso hedatuta hartzea da. Gaur errendimendu handiko aeromotorrentzako material berri batzuk aztertuko ditugu.

Tenperatura handiko aleazioa

Superaleazioak materialetan erreakzio-motorren eskakizun zorrotzak asetzeko garatzen dira. Orain arte, superaleazioak gas-turbinetako motor militar eta zibilen osagai beroetan ordezkatu ezin diren funtsezko materialak bihurtu dira. Gaur egun, aeromotor aurreratuan, superaleazio kopurua % 50 baino gehiago izan da.

Superaleazioaren garapena aeromotorren aurrerapen teknikoarekin oso lotuta dago, batez ere turbinaren diskoa, turbinaren pala materiala eta motor beroko osagaien fabrikazio-prozesua motorraren garapenaren ikur garrantzitsuak dira. Materialen tenperatura altuko erresistentziari eta tentsio-tolerantziari buruzko eskakizun handiak direla eta, Nimonic80 aleazioa Ni3 (Al, Ti) sendotutako NimonicXNUMX aleazioa garatu zen hasieran Britainia Handian, turbina erreakzio-motorrentzako pala material gisa erabiltzeko. Bien bitartean, Nimonic serieko aleazioak segidan garatu ziren. Estatu Batuetan, aluminioa eta titanioa duten nikel-oinarritutako sakabanaketa indartutako aleazioak garatu dira, hala nola Pratt & Whitney, GE eta Special Metal enpresek, hurrenez hurren, Inconel, Mar-M eta Udmit aleazio-serieak.

Superaleazioen garapenean, fabrikazio prozesuak zeresan handia du aleazioen garapena sustatzeko. Hutsean urtzeko teknologiaren itxura dela eta, aleazioko ezpurutasun eta gas kaltegarriak kentzea, batez ere aleazio-konposizioaren kontrol zehatza, superaleazioen errendimendua etengabe hobetzen da. Ondoren, teknologia berrien ikerketa arrakastatsuak, hala nola, norabide solidotzea, kristal bakarreko hazkuntza, hauts metalurgia, aleazio mekanikoa, zeramikazko nukleoa, zeramikazko iragazketa, forja isotermikoa eta abar superaleazioen garapen azkarra sustatu du. Horien artean, norabideko solidotze teknologia da nabarmenena. Norabidezko solidotze-prozesuaren bidez sortutako aleazio direzionala eta kristal bakarrekoa hasierako urtze-puntuaren %90etik gertu dagoen tenperaturan erabiltzen da. Hori dela eta, munduko aero-motorreko pala aurreratu guztiak norabide bakarreko aleaziozko kristalez eginak daude. Nazioarteko ikuspuntutik, nikelean oinarritutako galdaketa-superaleazioek kristal ekiaxialak, norabidean solidotutako zutabe-kristalak eta kristal bakarreko aleazio-sistemak osatu dituzte. Hauts superaleazioa 650 ℃ eta 750 ℃, 850 ℃ hauts-turbina-diskoa eta errendimendu bikoitzeko hauts-diskoa garatzen dira errendimendu handiko motor aurreratuetarako.

Txinako superaleazioen garapena hegazkinen motorraren ikerketa eta ekoizpen eskakizunen garapenarekin. Tenperatura altuko aleazioa eta ekintzailetza Txinan 1970eko hamarkadan hasi ziren, gure herrialdeko lehen eta bigarren belaunaldiko motorren eskaria dela eta, gure herrialdearen ikerketa eta garapena tenperatura altuko aleazioen GH seriearen deformazioa eta tenperatura altuko galdaketaren K seriearen ondorioz. aleazioak, aldi berean, fabrikazio-teknologia berri asko garatu zituen, hala nola, hutsean urtzea eta galdaketa, pala hutsezko galdaketa, forja isotermikoa, etab.

1970eko hamarkadaren ondoren, superaleazioen garapenean, Txinak Europako eta Amerikako teknologia sartu zuen, garatzeko eta ekoizteko atzerriko estandar teknikoen arabera, materialaren garbitasuna eta eskakizun handiagoen errendimendu integrala, errendimendu handiko deformazio superaleazioen garapena, galdaketa superaleazioen arabera. Bereziki, DZ serieko norabide solidotutako zutabe aleazioen eta DD serieko kristal bakarreko aleazioen ikerketak eta garapenak Txinako superaleazioen ekoizpen teknologia eta produktuen kalitatearen kontrola maila berri batera eraman ditu.

Erresistentzia handiko altzairua

Erresistentzia handiko altzairua lurreratzeko material gisa erabiltzen da hegazkinetan. Bigarren belaunaldiko hegazkinaren lurreratzeko materiala 30CrMnSiNi2A altzairua da, 1700MPa-ko trakzio-erresistentzia, lurreratzeko tren honek bizitza laburra du, 2000 hegaldi ordu inguru.

Ehiza-hegazkinen hirugarren belaunaldia lurreratzeko trenaren bizitza 5,000 hegaldi ordu baino gehiagokoa izateko diseinatuta dago. Aldi berean, aireko ekipamenduen hazkundea dela eta, hegazkinaren egituraren pisu-koefizientea gutxitzen da, eta horrek baldintza handiagoak ezartzen ditu lurreratzeko materialak aukeratzeko eta fabrikatzeko teknologiari dagokionez. AEBek eta Txinako hirugarren belaunaldiko hegazkinek 300M altzairuzko (trakzio-ersistentzia 1950MPa) lurreratze-trenak fabrikatzeko teknologia erabiltzen dute.

Kontuan izan behar da materialen aplikazioaren teknologiaren hobekuntzak lurreratzeko trenaren bizitza gehiago luzatzea eta moldagarritasuna hedatzea ere bultzatzen duela. Esate baterako, airbus A380 lurreratzeko trenak forjaketa integral handiko teknologia, atmosfera babesteko tratamendu termikorako teknologia berria eta abiadura handiko sugarra ihinztatzeko teknologia hartzen ditu, lurreratze-trenaren bizitzak diseinu-eskakizunak bete ditzan. Hala, material berrien eta fabrikazio teknologien aurrerapenek hegazkinak ordezkatzea bermatu dute.

AerMet100 altzairuak indar-maila bera du 300M altzairuarekin alderatuta, eta korrosioarekiko erresistentzia orokorra eta estresaren korrosioarekiko erresistentzia 300M altzairua baino nabarmen hobeak dira. Bat datozen lurreratze-trenak fabrikatzeko teknologia F/A-18E/F, F-22, F-35 eta beste hegazkin aurreratu batzuei aplikatu zaie. Erresistentzia handiagoko Aermet310 altzairuak hausturaren gogortasun txikiagoa du eta aztertzen ari da. Kalte-tolerantzia erresistentzia handiko AF1410 altzairuak pitzadura-hazkuntza-tasa oso motela du eta b-1 hegazkinaren hegal-eragilearen zilindro-juntura gisa erabiltzen da, hau da, TI-10.6al-6V baino % 4 arinagoa, mekanizazio-errendimenduan % 60 handiagoa eta 30.3. kostua % txikiagoa. Errusiako MIG-1.42 erresistentzia handiko altzairu herdoilgaitza %30 arte ERABILTZEN DU. Ph13-8mo erresistentzia handiko prezipitazioarekin gogortutako altzairu herdoilgaitz martensitiko bakarra da, korrosioaren aurkako osagai gisa oso erabiltzen dena. Erresistentzia handiko altzairu herdoilgaitza Txinan esploratuz lortu dira aurretiazko emaitzak.

Erresistentzia handiko engranajeak (errodamenduak) altzairuak, hala nola CSS-42L eta GearmetC69, atzerrian garatu dira eta motor, helikoptero eta aeroespazialetan probatu dira. Motor eta helikopteroen transmisio materialen teknologia oso atzeratua dago Txinan. Beijing Aeronautical Materials Research Institute-k modu independentean ikertu eta garatu du erresistentzia ultra-altuko errodamendu-engranaje altzairu mota bat.

Konposatu intermetalikoa

Errendimendu handiko eta bultzada-pisu-erlazio handiko aero-motorren garapenak konposatu intermetalikoen garapena eta aplikazioa sustatzen du. Gaur egun, konposatu intermetalikoak hainbat familiatan garatu dira, oro har, elementu metaliko bitar, ternario edo elementu anitzekoez osatuta daudenak. Konposatu intermetalikoek potentzial handia dute tenperatura altuko egitura-aplikazioetan, zerbitzu-tenperatura altuarekin, indar espezifikoarekin eta eroankortasun termikoarekin, batez ere tenperatura altuetan, eta oxidazio-erresistentzia bikaina, korrosioarekiko erresistentzia eta erresistentzia handiko erresistentzia. Horrez gain, konposatu intermetalikoa superaleazio eta zeramikazko materialaren arteko material berria denez, bi material horien arteko hutsunea betetzen du eta, beraz, aeromotorren tenperatura altuko osagaietarako material aproposetako bat bihurtzen da.

Gaur egun, ti-Al eta Ni-Al bezalako konposatu intermetalikoak batez ere aeromotorren egituren ikerketa eta garapenera bideratzen dira. Titanio-aluminio konposatu hauek titanioaren dentsitate bera dute gutxi gorabehera, baina tenperatura altuagoak dituzte. Adibidez, funtzionamendu-tenperatura 816 ℃ eta 982 ℃ zen, hurrenez hurren. Atomoen eta kristal egitura konplexuaren arteko lotura-indar handia dela eta, konposatu intermetalikoa zaila da deformatzen eta gogorra eta hauskorra dirudi giro-tenperaturan. Gaur egun, urte askotako ikerketa esperimentalaren ondoren, tenperatura altuko erresistentzia, giro-tenperaturako plastikotasuna eta gogortasuna dituen aleazio berri bat garatu eta instalatu da efektu onarekin. Adibidez, Estatu Batuetako errendimendu handiko F119 motorrak konposatu intermetalikoak ERABILTZEN DITU kanpoko karkasan eta turbinaren diskoan, eta egiaztapen-makinan F120 motorraren konpresore-pala eta diskoak titanio eta aluminiozko konposatu intermetaliko berriak hartzen ditu.

Matrize zeramikazko konposatuak

Zeramikari dagokionez, naturala da ezaugarri hauskorretan pentsatzea. Duela hamar urte baino gehiago, errodamendu-piezen ingeniaritza arloan erabiltzen bada, inork ezin du onartu, orain arte zeramikazko material konposatuetarako, agian batzuek ez dakite, ez dute uste zeramika eta metala zenik. jatorriz erlazionatutako oinarrizko bi material, baina zeramikazko eta metalaren konbinazio adimentsua izan ondoren jendeak funtsezko aldaketak egin ditu materialaren kontzeptuan, hau da, zeramikazko matrize konposatuak.

Matrize zeramikazko konposatuak egiturazko material berriak itxaropentsuak dira hegazkingintzan, batez ere aeromotorren fabrikazioan. Zeramikazko matrize-konpositeek pisu arina eta gogortasun handiko abantailak izateaz gain, tenperatura altuko eta tenperatura altuko korrosioarekiko erresistentzia bikaina dute. Gaur egun, zeramikazko matrize-konpositeek tenperatura altuarekiko erresistenteagoak dira metalezko materialak baino, eta propietate mekaniko eta egonkortasun kimiko bikainak dituzte. Material ezin hobeak dira errendimendu handiko turbina-motorretako tenperatura altuko guneetarako.

Gaur egun, munduko herrialde guztiak silizio nitruroa eta silizio karburoa indartutako zeramikazko materialen ikerketan zentratzen ari dira hurrengo belaunaldiko motor aurreratuen material eskakizunen arabera, eta aurrerapen handiak egin dira. Esate baterako, egiaztatzaile amerikarraren F120 motorra, bere presio handiko turbina zigilatzeko gailua eta errekuntza-ganberaren tenperatura altuko pieza batzuk zeramikazko materialez eginda daude. Frantziako M88-2 motorraren errekuntza-ganbera eta pita ere matrize zeramikazko konposatuez eginda daude.

Karbono/karbono konposatuak

Azken urteotan, C/C matrize konposatua tenperatura altuarekiko erresistenteagoa den material berria da. Orain arte, C/C material konposatua bakarrik hartzen da oinordeko material bakarra 20tik gorako bultzada-pisu erlazioa duten turbinetako errotoreen palen eta motorraren sarrerako tenperatura 1930-2227 ℃ artekoa. mendean Estatu Batuek garatutako tenperatura altuko material erresistentea da eta munduko herrialde industrial aurreratuek bilatzen duten helbururik altuena. C/C matrize-konpositeek, karbono-zuntzez indartutako karbono-oinarrizko konpositeek, karbonoaren propietate fusibleak karbono-zuntzaren indar eta zurruntasun handiarekin konbinatzen dituzte porrot hauskorra ez izateko. Pisu arina, erresistentzia handia, egonkortasun termiko handia eta eroankortasun termiko bikaina direla eta, tenperatura altuko material idealena da gaur egun. Batez ere 21-1000 ℃-ko tenperatura altuko ingurunean, bere indarra ez da murrizten, handitu baizik. Giro-tenperaturako ingurune baten indarra eta grazia mantentzen ditu 1300 gradu Celsius azpiko tenperaturetan. Horregatik, C/C matrize-konpositeek etorkizun handia dute fabrikazio aeroespazialeko industrian.

Aeromotorretan C/C matrize konposatuak aplikatzearen arazo nagusia bere errendimendu antioxidatzaile eskasa da. Azken urteotan, Estatu Batuek hainbat neurri teknologiko hartu dituzte arazo hori konpontzeko eta pixkanaka motor berrietan aplikatu. Esate baterako, Estatu Batuetako F119 motorraren osteko pita, F100 motorraren pita eta errekuntza-ganberaren pita eta F120 egiaztapen-makinaren errekuntza-ganberaren zati batzuk C/C matrizeko material konposatuekin egin dira. Frantziako M88-2 motorra, Mirage 2000 motor erregaiaren ondorengo erregaia, bero-ezkutua, pita eta beste C/C matrizeko material konposatuak ere erabiltzen dira.

Erretxina matrize konposatuak

Erretxina-matrize-konpositeek turbofan-motorren ikerketaren aplikazio aeroespazialetan 1950eko hamarkadan hasi ziren, 60 urte baino gehiagoko garapenaren ondoren, GE, PW, RR eta MTU eta SNECMA konpainiak energia asko inbertitu zuten erretxina-matrizeko materialen konposatuen ikerketa eta garapenerako, aurrerapen handia. egin da, bere ingeniaritza-aplikazioa izango du hegazkinen turbofan motor aktiborako, eta are gehiago garatzen ari diren joerak.

Erretxina matrize-konpositeen zerbitzu-tenperaturak, oro har, ez du 350 ℃ gainditzen. Hori dela eta, erretxina-matrize-konpositeak gehienbat aeromotorren mutur hotzetan erabiltzen dira. Atzerriko hegazkin-motor aurreratuetan erretxina matrize-konpositeen aplikazio zati nagusiak irudian agertzen dira.

Haizagailuaren pala: Motorraren haizagailuaren pala turbofan motorren zatirik adierazgarriena eta garrantzitsuena da. Turbofan motorren errendimendua oso lotuta dago bere garapenarekin. Titaniozko aleazioko haizagailuen palekin alderatuta, erretxina matrizeko haizagailu konposatuetako palek pisua galtzeko abantaila nabariak dituzte. Pisua galtzearen abantaila nabariaz gain, erretxina matrize konposatu haizagailuen palek eragin txikiagoa dute haizagailuaren karkasan eragin ondoren, eta horrek haizagailuaren karkasaren inklusioa hobetzeko lagungarria da.

Gaur egun, atzerrian komertzialki aplikatu diren haizagailu konposatuen palen ordezkari nagusiak GE90 serieko motorrak dira B777rako, GEnx motorrak B787rako eta Leap-X motorrak ComAC C919rako. 1995ean, GE90-94B motorra erretxina-matrize konposatu haizagailuen palak merkataritza-funtzionamenduan jarri zen, errendimendu handiko aeromotor modernoetan erretxina-matrize-konpositeen ingeniaritza-aplikazioen gauzatze formala markatuz. Aerodinamika, ziklo altuko neke-ziklo baxuko eta beste faktore batzuk kontuan hartuta, GE-k haizagailu-pala berriak garatu zituen ondorengo GE90-115B motorretarako.

XXI.mendean, aero-motorrak kalte-tolerantzia handiko material konposatuaren eskaera handia bultzatzen du material konposatuen teknologiaren garapena gehiago. Hala ere, zaila da kalte handiko tolerantziaren eskakizuna betetzea karbono zuntz/epoxi erretxina prepreg-aren gogortasuna hobetuz. Atzealde horren azpian, 21D txirikordatutako haizagailu konpositearen pala sortu zen.

Haizagailuen karkasa: haizagailuen karkasa aeromotor baten osagai estatiko handiena da, eta bere pisuaren murrizketak zuzenean eragingo du aeromotorraren bultzada-pisu erlazioan eta eraginkortasunean. Hori dela eta, atzerriko hegazkin-motor aurreratu OEM-ek haizagailuen karkasaren pisua murrizteko eta optimizatzeko konpromisoa hartu du. Irudian ikusten den bezala, atzerriko aeromotor aurreratuen haizagailuen karkasaren garapen joera erakusten da.

Haizagailuaren txanoa: karga-jasapenaren osagai nagusia ez denez, haizagailuaren txanoa aeromotorretan erabilitako lehen osagai konposatuetako bat da. Haizagailu konposatuak pisu arinagoa, izotzaren aurkako egitura sinplifikatua, korrosioarekiko erresistentzia hobea eta nekearekiko erresistentzia hobea eskaintzen ditu.

Gaur egun, erretxina matrize konposatuak erabili dira RR RB211 motorraren, PW PW1000G eta PW4000 haizagailuen tapoiak prestatzeko.

Motor nagusiarekin alderatuta, erretxina-matrize-konpositeek aplikazio-espazio zabalagoa dute aeromotorreko nabeletan, irudian ikusten den moduan. Datuen arabera, atzerriko fabrikatzaileek erretxina matrizeko material konposatua erabili dute nacl sarreran, karenetan, bultzada atzera gailuan eta zarata murrizteko estalduran.

Datuen arabera, beste zati batzuk, aeromotorearen haizagailuaren plakan, errodamenduen zigiluaren estalkian, estalki-plakan eta beste zati batzuetan ere erretxina matrize konposatuaren aplikazioaren gradu desberdinetan.

Matrize metalikoen konposatuak

Erretxina-matrize-konpositeekin alderatuta, metal-matrize-konpositeek gogortasun ona dute, hezetasuna xurgatzen ez dute eta tenperatura altua jasan dezakete. Matrize metalikoko konpositeen zuntz indartuen artean zuntz metalikoak daude, hala nola altzairu herdoilgaitza, wolframioa, edredoia, ni, ni-Al konposatu intermetalikoak, etab. Zeramikazko zuntzak, hala nola alumina, silizio oxidoa, karbonoa, boroa, silizio karburoa, boro nitruroa, etab.

Matrize metaliko konposatuen matrize-materialak aluminioa, aluminiozko aleazioa, magnesioa, Qinhe Qinhe aleazioa, beroarekiko erresistentea den aleazioa, zulagailu-aleazioa eta abar dira. Aluminio-keng aleazioa, Qinhe ferroaleazioa oinarrizko material konposatua da gaur egun aukera nagusia. Esate baterako, silizio karburo zuntzez indartutako Aleazio-matrize konposatuak erabil daitezke konpresore-palak fabrikatzeko. Karbono-zuntzez edo alumina-zuntzez indartutako magnesio- edo magnesio-aleazio-matrize konposatuak erabil daitezke turbina haizagailuen palak fabrikatzeko. Esate baterako, nikel-kromo-aluminio-iridio zuntzez indartutako nikel-oinarrizko aleazio-matrize konposatuak erabil daitezke turbinetarako eta konpresoreetarako zigilatzeko elementuak fabrikatzeko.

Beste pieza batzuk, hala nola haizagailuen karkasa, errotorea, konpresore diskoa, etab., metalezko matrize konposatuaz eginak daude atzerrian. Hala ere, material konposatu mota honen arazo handienetako bat da zuntz indartuaren eta matrize metalaren arteko erreakzioa fase hauskorra ekoizteko erraza dela eta horrek materialaren errendimendua okerragoa dela. Batez ere, tenperatura altuagoetan denbora luzez, interfazearen erreakzioa nabarmenagoa da. Gaur egun, irtenbidea zuntz gainazalean estaldura egokia gehitzea da, zuntz ezberdinen eta matrize ezberdinen arabera, eta matrizearen metala aleatzea interfazearen erreakzioa moteltzeko eta konposatuen propietateen fidagarritasuna mantentzeko.