تصنيع الطيران هو المجال الأكثر تركيزًا للتكنولوجيا الفائقة وينتمي إلى تكنولوجيا التصنيع المتقدمة. على سبيل المثال ، محرك F119 الذي طورته شركة Pratt & Whitney من الولايات المتحدة ، ومحرك F120 التابع لشركة General Electric ، والمحرك M 88-2 لشركة SNECMA في فرنسا ، ومحرك EJ200 الذي تم تطويره بالاشتراك مع المملكة المتحدة وألمانيا وايطاليا واسبانيا. ومن الجدير بالذكر أن هذه المحركات الهوائية التي تمثل المستوى الأكثر تقدمًا في العالم لها ميزة مشتركة تتمثل في استخدام مواد جديدة وعمليات جديدة وتقنيات جديدة. يتم تقديم المواد السبع الجديدة المستخدمة على التوالي على النحو التالي:
1
مركب الكربون / الكربون
ما هي مركبات الكربون / الكربون؟ إنها مادة مركبة مصفوفة كربونية معززة بألياف الكربون ونسيجها ، بكثافة منخفضة (<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.
على الرغم من أن مركبات الكربون / الكربون لها العديد من الخصائص الممتازة لدرجات الحرارة العالية ، إلا أنها تخضع لتفاعلات الأكسدة في بيئة هوائية بدرجة حرارة أعلى من 400 درجة ، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في خصائص المادة. لذلك ، يجب أن يكون لتطبيق مركبات الكربون / الكربون في البيئات الهوائية عالية الحرارة تدابير حماية من الأكسدة. تتم حماية أكسدة مركبات الكربون / الكربون بشكل أساسي من خلال الطريقتين التاليتين ، أي ، يمكن استخدام تعديل المصفوفة وتخميل النقاط النشطة السطحية لحماية مركبات الكربون / الكربون عند درجات حرارة منخفضة ؛ مع ارتفاع درجة الحرارة ، يجب استخدام طريقة الطلاء لعزل مادة الكربون / الكربون المركبة من الاتصال المباشر بالأكسجين ، وذلك لتحقيق الغرض من الحماية من الأكسدة. في الوقت الحاضر ، طريقة الطلاء هي الطريقة الأكثر استخدامًا. مع التقدم المستمر للعلم والتكنولوجيا ، هناك المزيد والمزيد من الاعتماد على أداء درجات الحرارة العالية للغاية للمواد المركبة من الكربون / الكربون ، والحل الوحيد الممكن لحماية الأكسدة في ظل ظروف درجات الحرارة العالية للغاية يمكن أن يكون حماية الطلاء فقط. .
ومن الجدير بالذكر أن المواد المركبة القائمة على C / C هي مادة جديدة ذات مقاومة أعلى لدرجة الحرارة وقد حظيت بأكبر قدر من الاهتمام في العالم في السنوات الأخيرة. نظرًا لأن المواد المركبة C / C هي فقط المواد الوريثة الوحيدة لريش التوربينات الدوارة بنسبة دفع إلى وزن تزيد عن 20 ودرجة حرارة مدخل المحرك 1930-2227 درجة. أعلى هدف استراتيجي تسعى إليه الدول الصناعية المتقدمة.
ما يسمى بالمواد المركبة القائمة على C / C هي مادة مركبة أساسية من الكربون المقوى بألياف الكربون ، والتي تجمع بين الخصائص الحرارية للكربون والقوة العالية والصلابة العالية لألياف الكربون ، مما يجعلها غير هشة. نظرًا لأن المواد المركبة القائمة على C / C تتميز بخفة الوزن وقوة عالية واستقرار حراري فائق وموصلية حرارية ممتازة ، فهي أكثر المواد مقاومة لدرجات الحرارة العالية المثالية اليوم ، خاصة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية التي تبلغ 1000-1300 درجة مئوية .. لم تنقص القوة فقط بل استطاعت أن تزداد. خاصة عندما تكون أقل من 1650 درجة ، فإنها لا تزال تحافظ على القوة والأناقة في درجة حرارة الغرفة. لذلك ، تتمتع المركبات القائمة على C / C بإمكانيات تطوير كبيرة في صناعة الطيران.
من الجدير بالذكر أن إحدى المشاكل الرئيسية للمواد المركبة القائمة على C / C في تطبيقات المحركات الهوائية هي ضعف مقاومة الأكسدة. لذلك ، في السنوات الأخيرة ، تبنت الولايات المتحدة سلسلة من الإجراءات التكنولوجية لحل هذه المشكلة ، وطبقت تدريجياً على المحرك الجديد. على سبيل المثال ، فوهة الذيل للحارق اللاحق على المحرك الأمريكي F119 ، والفوهة وفوهة غرفة الاحتراق للمحرك F100 ، وبعض أجزاء غرفة الاحتراق لآلة التحقق F120 مصنوعة من مواد مركبة تعتمد على C / C. مثال آخر هو محرك M 88-2 الفرنسي ، كما يستخدم قضيب حقن الوقود اللاحق ، والدرع الحراري ، وفوهة محرك Mirage 2000 المواد المركبة القائمة على C / C.
2
مادة جديدة من الفولاذ فائق القوة
ما هو الفولاذ فائق القوة؟ في منتصف -1940 طورت الولايات المتحدة فولاذ Cr-Mo (AISI4130) وفولاذ Cr-Ni-Mo (AISI 4340). بعد التسقية والتلطيف بدرجة الحرارة المنخفضة ، كانت قوة الشد 170 و 190 كجم / مم 2 على التوالي. في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، تمت إضافة Si و V إلى فولاذ AISI 4340 لصنع 300 متر بقوة شد تتراوح بين 190 ~ 210 كجم / ملم 2. في عام 1960 ، صنعت شركة النيكل الدولية فولاذ ماراجنج بقوة شد تبلغ حوالي 180 كجم / مم 2 ، وصلابة تكسير تصل إلى 390 كجم / مم. في السبعينيات ، خفضت الولايات المتحدة C وزادت Si على أساس 300 متر ، وحسنت المتانة ، وتطورت إلى فولاذ HP310 ؛ على أساس الصلب المصلب ، تم تطويره إلى فولاذ AF1410 ، مع قوة شد تبلغ 170 كجم / مم 2 وصلابة كسر 400 كجم / مم 2 مم.
صورة
تجدر الإشارة إلى أن الفولاذ شديد القوة يجب أن يتمتع بقوة شد عالية وأن يحافظ على المتانة الكافية. يتطلب أيضًا قوة محددة كبيرة (نسبة القوة إلى الكثافة) ونسبة إنتاجية عالية (σs / b) لتقليل وزن المكون ، ويجب أن يتمتع بإمكانية لحام جيدة وقابلية للتشكيل وخصائص عملية أخرى. يحتوي الفولاذ عالي القوة على متطلبات عالية جدًا من حيث الجودة المعدنية ، وغالبًا ما يتم صهره بواسطة فرن القوس الكهربائي وإعادة الصهر بالكهرباء. غالبًا ما يتم صهر أنواع الصلب التي تتطلب درجة نقاء عالية في أفران الحث الفراغي أو أفران القوس الكهربائي القابلة للاستهلاك. يجب منع الفولاذ عالي القوة ذو السبائك المتوسطة والمنخفضة من نزع الكربنة أثناء المعالجة الحرارية ؛ يمكن أن يكون الفولاذ المصلد والفولاذ المقاوم للصدأ المصلب للترسيب محلول صلب معالج في أفران التسخين العادية. يجب استخدام اللحام بغاز التدريع أو لحام القوس التنغستن الأرجون في اللحام. يجب تلدين بعض أنواع الفولاذ منخفض الصلابة عالي الصلابة والمحتوى العالي من الكربون (حوالي 0. 4 في المائة) بعد اللحام مباشرة.
ومن الجدير بالذكر أن الفولاذ شديد الصلابة يستخدم كمواد لهبوط الطائرات على متن الطائرة. على سبيل المثال ، فإن جهاز الهبوط المستخدم في طائرات الجيل الثاني مصنوع من فولاذ 30CrMnSiNi2A بقوة شد تبلغ 1700 ميجا باسكال. هذا النوع من معدات الهبوط له عمر خدمة قصير يبلغ حوالي 2000 ساعة طيران.
مثال آخر هو أن تصميم الجيل الثالث من الطائرات المقاتلة يتطلب أن يتجاوز عمر جهاز الهبوط 5 ، 000 ساعات طيران. في الوقت نفسه ، بسبب الزيادة في المعدات المحمولة جواً ، ينخفض معامل الوزن لهيكل الطائرة ، ويتم وضع متطلبات أعلى على اختيار مواد معدات الهبوط وتكنولوجيا التصنيع. يستخدم كل من الولايات المتحدة ومقاتلينا من الجيل الثالث تقنية تصنيع معدات الهبوط 300 متر من الصلب (قوة الشد 1950 ميجا باسكال).
في الواقع ، يعمل تحسين تقنية تطبيق المواد على تعزيز إطالة عمر معدات الهبوط وتوسيع القدرة على التكيف. على سبيل المثال ، يعتمد جهاز الهبوط للطائرة الأوروبية إيرباص A380 على تقنية تزوير متكاملة كبيرة جدًا ، وتكنولوجيا جديدة للمعالجة الحرارية لحماية الغلاف الجوي وتكنولوجيا رش اللهب عالية السرعة ، بحيث يمكن أن تفي حياة معدات الهبوط بمتطلبات التصميم. لذلك ، أدى إدخال مواد جديدة وتقنيات التصنيع إلى ضمان استبدال الطائرات.
صورة
كما نعلم جميعًا ، فإن التصميم طويل العمر للطائرة في بيئة مقاومة للتآكل يضع متطلبات أعلى للمواد. على سبيل المثال ، يتمتع فولاذ AerMet100 بنفس مستوى القوة مثل 300M فولاذ ، ولكن مقاومته العامة للتآكل ومقاومة تآكل الإجهاد أفضل بكثير من الفولاذ 300M. تم تطبيق تقنية تصنيع معدات الهبوط المطابقة على الطائرات المتقدمة مثل الطائرات / الطائرات -18 E / F ، و -22 ، و F -35. يتمتع فولاذ Aermet310 ذو القوة العالية بمتانة أقل للكسر ويتم تطويره وتحسينه باستمرار. معدل نمو الشقوق للصلب فائق القوة الذي يتحمل الضرر AF1410 بطيء للغاية ، والذي يمكن استخدامه كمفصل لمشغل جناح الطائرة B -1 ، وهو أخف بنسبة 10.6 بالمائة من Ti -6 Al -4 V ، مع زيادة بنسبة 60 بالمائة في أداء المعالجة وخفض التكلفة بنسبة 30.3 بالمائة. على سبيل المثال ، كمية الفولاذ المقاوم للصدأ عالي القوة المستخدم في Smig الروسي -1. 42 تصل إلى 30 بالمائة. PH 13-8 Mo هو الفولاذ المقاوم للصدأ الوحيد ذو الصلابة المرتفعة المتصلب للترسيب بالمارتنسيت والمستخدم على نطاق واسع كمكونات مقاومة للتآكل. تم أيضًا تطوير فولاذ التروس (المحمل) فائق القوة دوليًا ، مثل CSS -42 L و Gearmet C69 وما إلى ذلك ، وقد تم استخدامه في المحركات وطائرات الهليكوبتر والفضاء.
3
مادة سبائك عالية الحرارة
ما هي مواد السبائك الفائقة؟ تنقسم السبائك عالية الحرارة إلى ثلاثة أنواع من المواد: مواد ذات درجة حرارة عالية 760 درجة ، ومواد ذات درجة حرارة عالية 1200 درجة ، ومواد ذات درجة حرارة عالية 1500 درجة ، مع قوة شد تبلغ 800 ميجا باسكال. بمعنى آخر ، يشير إلى المواد المعدنية ذات درجة الحرارة العالية التي تعمل لفترة طويلة تحت درجة 760-1500 وظروف إجهاد معينة. ميزاتها الهامة: لديها قوة ممتازة في درجات الحرارة العالية ، ومقاومة جيدة للأكسدة ومقاومة للتآكل الحراري ، وأداء جيد للتعب ، ومتانة للكسر وغيرها من الخصائص الشاملة ، وقد أصبحت مادة أساسية لا يمكن الاستغناء عنها للأجزاء الساخنة لمحركات التوربينات الغازية للعسكريين والمدنيين استخدام في جميع أنحاء العالم.
مواد ذات درجة حرارة عالية تبلغ 760 درجة منذ أواخر الثلاثينيات ، بدأت بريطانيا وألمانيا والولايات المتحدة ودول أخرى في دراسة السبائك الفائقة. خلال الحرب العالمية الثانية ، من أجل تلبية احتياجات المحركات الهوائية الجديدة ، دخل البحث عن السبائك الفائقة واستخدامها في فترة من التطور السريع. في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي ، أضافت المملكة المتحدة لأول مرة كمية صغيرة من الألمنيوم والتيتانيوم إلى سبيكة 80Ni -20 Cr لتشكيل "طور (gamma prime) للتقوية ، وطورت أول سبيكة مستندة إلى النيكل مع ارتفاع عالٍ -قوة درجة الحرارة. خلال هذه الفترة ، من أجل تلبية احتياجات تطوير الشواحن التوربينية للمحركات الهوائية ذات المكبس ، بدأت الولايات المتحدة في استخدام سبائك Vitallium القائمة على الكوبالت لصنع الشفرات.
صورة
جدير بالذكر أن الولايات المتحدة طورت أيضًا سبائك Inconel المصنوعة من النيكل لصنع غرف احتراق للمحركات النفاثة. في وقت لاحق ، من أجل زيادة تحسين قوة السبيكة في درجات الحرارة العالية ، أضاف علماء المعادن عناصر مثل التنجستن والموليبدينوم والكوبالت إلى السبائك القائمة على النيكل لزيادة محتوى الألمنيوم والتيتانيوم ، وطوروا سلسلة من السبائك ، مثل باسم "Nimonic" في المملكة المتحدة ، و "Nimonic" في الولايات المتحدة. "Mar-M" و "IN" ، إلخ ؛ إضافة النيكل والتنغستن وعناصر أخرى إلى السبائك القائمة على الكوبالت لتطوير مجموعة متنوعة من السبائك عالية الحرارة ، مثل X -45 و HA -188 و FSX -414 ، وما إلى ذلك. نقص موارد الكوبالت ، وتطوير السبائك الفائقة القائمة على الكوبالت محدود.
في الأربعينيات من القرن الماضي ، تم تطوير السبائك الفائقة القائمة على الحديد أيضًا. في الخمسينيات من القرن الماضي ، ظهرت درجات مثل A -286 و Incoloy901 ، ولكن نظرًا لضعف استقرار درجة الحرارة المرتفعة ، كان التطور بطيئًا. بدأ الاتحاد السوفيتي السابق في إنتاج السبائك الفائقة ذات العلامة التجارية "ЭИ" في عام 1950 ، ثم أنتج لاحقًا سلسلة "ЭП" من السبائك الفائقة المشوهة وسلسلة السبائك الفائقة المصبوبة. في سبعينيات القرن الماضي ، تبنت الولايات المتحدة أيضًا عملية إنتاج جديدة لتصنيع شفرات التبلور الاتجاهية وأقراص توربينات المسحوق ، وطورت مكونات سبائك عالية الحرارة مثل الشفرات البلورية المفردة لتلبية احتياجات الزيادة المستمرة في درجة حرارة مدخل الهواء. - توربينات المحرك.
تم تطوير السبائك الفائقة لتلبية المتطلبات الصعبة للغاية للمحركات النفاثة على المواد ، وأصبحت مادة أساسية لا يمكن الاستغناء عنها للمكونات الساخنة لمحركات التوربينات الغازية العسكرية والمدنية. في المحركات الهوائية المتقدمة ، وصلت نسبة السبائك عالية الحرارة إلى أكثر من 50 بالمائة.
يرتبط تطوير السبائك ذات درجة الحرارة العالية ارتباطًا وثيقًا بالتقدم التكنولوجي للمحركات الهوائية ، وخاصة قرص التوربينات ومواد شفرة التوربينات وعملية تصنيع الأجزاء الساخنة للمحرك وهي رموز مهمة لتطوير المحرك. نظرًا للمتطلبات العالية لمقاومة درجات الحرارة العالية وقدرة تحمل الإجهاد للمادة ، تم تطوير سبيكة Ni3 (Al ، Ti) المعززة Nimonic80 في الأيام الأولى في المملكة المتحدة ، والتي تم استخدامها كمواد لشفرة التوربينات في محرك نفاث. بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير سبيكة سلسلة Nimonic بشكل مستمر. طورت الولايات المتحدة سبائك النيكل المعززة بالتشتت والتي تحتوي على الألومنيوم والتيتانيوم ، مثل سلسلة سبائك Inconel و Mar-M و Udmit التي طورتها شركة Pratt & Whitney و GE Company و Special Metals Company على التوالي.
صورة
في عملية تطوير السبائك الفائقة ، تلعب عملية التصنيع دورًا كبيرًا في تعزيز تطوير السبائك. نظرًا لظهور تقنية الصهر بالفراغ ، أدت إزالة الشوائب والغازات الضارة في السبائك ، وخاصة التحكم الدقيق في تكوين السبائك ، إلى تحسين أداء السبائك الفائقة باستمرار. على وجه الخصوص ، عزز البحث الناجح للتقنيات الجديدة مثل التصلب الاتجاهي ، ونمو الكريستال الأحادي ، وعلم المعادن بالمسحوق ، والسبائك الميكانيكية ، ولب السيراميك ، والترشيح الخزفي ، والتزوير المتساوي الحرارة ، التطور السريع للسبائك الفائقة. من بينها ، تقنية التصلب الاتجاهي هي الأبرز. سبيكة الكريستال الاتجاهية والمفردة التي تنتجها عملية التصلب الاتجاهي لها درجة حرارة خدمة قريبة من 90 بالمائة من نقطة الانصهار الأولية. لذلك ، تستخدم شفرات المحركات الهوائية المتقدمة حول العالم سبائك اتجاهية أحادية البلورة لتصنيع شفرات التوربينات. من منظور عالمي ، شكلت السبائك الفائقة المصبوبة بالنيكل بلورات متساوية المحاور وبلورات عمودية صلبة اتجاهيًا وأنظمة سبيكة بلورية مفردة. كما تم تطوير السبائك الفائقة للمسحوق من الجيل الأول من 650 درجة إلى 750 درجة ، وأقراص التوربينات البودرة 850 درجة وأقراص المسحوق ثنائية الأداء لتلك المحركات المتقدمة عالية الأداء.
4
مركبات مصفوفة السيراميك
ما هي مركبات مصفوفة السيراميك؟ إنه نوع من المواد المركبة التي تستخدم السيراميك كمصفوفة وألياف مختلفة. يمكن أن تكون المصفوفة الخزفية عبارة عن سيراميك إنشائي عالي الحرارة مثل نيتريد السيليكون وكربيد السيليكون. تتميز هذه الخزفيات المتقدمة بخصائص ممتازة مثل مقاومة درجات الحرارة العالية والقوة والصلابة العالية والوزن الخفيف نسبيًا ومقاومة التآكل. الضعف القاتل هو أنها هشة. عندما يتعرضون للإجهاد ، فإنهم سوف يتشققون أو حتى ينكسرون لإحداث عطل مادي. يعد استخدام الألياف عالية القوة والمرونة ومركب المصفوفة طريقة فعالة لتحسين صلابة وموثوقية السيراميك. يمكن للألياف أن تمنع الشقوق من التمدد ، وبالتالي الحصول على مركبات مصفوفة سيراميك مقواة بالألياف بمتانة ممتازة.
صورة
تم استخدام مركبات المصفوفة الخزفية كفوهات لمحركات الصواريخ السائلة ، ورادومات الصواريخ ، ومخاريط أنف مكوك الفضاء ، وأقراص مكابح الطائرات ، وأقراص مكابح السيارات المتطورة ، وما إلى ذلك ، لتصبح فرعًا مهمًا من المواد الجديدة عالية التقنية.
نظرًا لأن مواد السيراميك تتميز بمقاومة تآكل ممتازة وصلابة عالية ومقاومة جيدة للتآكل ، فقد تم استخدامها على نطاق واسع. ومع ذلك ، فإن أكبر عيب للسيراميك هو أنه هش وحساس للتشققات والمسام. منذ الثمانينيات ، أدت مركبات المصفوفة الخزفية التي تم الحصول عليها عن طريق إضافة الجسيمات والشعيرات والألياف إلى مواد السيراميك إلى تحسين صلابة السيراميك بشكل كبير.
تتميز مركبات المصفوفة الخزفية بالقوة العالية ، والمعامل العالي ، والكثافة المنخفضة ، ومقاومة درجات الحرارة العالية ، ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل ، والمتانة الجيدة ، وقد تم استخدامها في أدوات القطع عالية السرعة ومكونات محرك الاحتراق الداخلي. ومع ذلك ، فإن تطوير هذا النوع من المواد متأخر نسبيًا ، ولم يتم تطوير إمكاناته بعد. ينصب تركيز البحث على تطبيقه على المواد ذات درجة الحرارة العالية والمواد المقاومة للتآكل والمقاومة للتآكل ، مثل التوربينات المحسنة لمحركات الاحتراق الداخلي عالية الطاقة والمكونات الحرارية لمركبات الفضاء ومحركات المركبات بدلاً من المعادن وحاويات البتروكيماويات ، معدات حرق النفايات ، إلخ.
عندما يتعلق الأمر بالسيراميك ، من الطبيعي أن يفكر الناس في هشاشته. منذ أكثر من عشر سنوات ، إذا تم استخدامه كجزء محمل في المجال الهندسي ، كان من المستحيل على أي شخص قبوله. حتى الآن ، عندما يتعلق الأمر بمواد السيراميك المركبة ، قد لا يكون بعض الناس واضحين ، معتقدين أن السيراميك والمعادن هما في الأصل مادتان غير مهمتين. ومع ذلك ، نظرًا لأن الناس قاموا بذكاء بدمج السيراميك والمعادن ، فقد خضع مفهوم الناس لهذه المادة لتغيير جوهري ، وهو مركبات مصفوفة السيراميك.
مادة مصفوفة السيراميك هي مادة هيكلية جديدة واعدة للغاية في مجال صناعة الطيران ، لا سيما في تطبيقات تصنيع المحركات الهوائية ، وهي تظهر بشكل متزايد تفردها. بالإضافة إلى مزايا الوزن الخفيف والصلابة العالية ، تتمتع مركبات المصفوفة الخزفية أيضًا بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية ومقاومة عالية للتآكل في درجات الحرارة. في الوقت الحاضر ، تجاوزت مركبات المصفوفة الخزفية المواد المعدنية المقاومة للحرارة من حيث مقاومة درجات الحرارة العالية ، ولها خصائص ميكانيكية جيدة واستقرار كيميائي. إنها مواد مثالية وممتازة للمناطق ذات درجات الحرارة العالية لمحركات التوربينات عالية الأداء.
صورة
تركز البلدان في جميع أنحاء العالم على البحث في السيراميك المقوى بنتريد السيليكون وكربيد السيليكون لتلبية متطلبات المواد للجيل القادم من المحركات المتقدمة
المواد ، وحققت تقدمًا كبيرًا ، خاصة في المحركات الهوائية الحديثة. على سبيل المثال ، محرك F120 لآلة التحقق الأمريكية ، وجهاز ختم التوربينات عالي الضغط ، وبعض الأجزاء ذات درجة الحرارة العالية من غرفة الاحتراق كلها مصنوعة من مواد خزفية. على سبيل المثال آخر ، غرفة الاحتراق وفوهة المحرك الفرنسي 88-2 تستخدم أيضًا مركبات مصفوفة من السيراميك.
5
مواد جديدة من المركبات المعدنية
ما هي المركبات المعدنية؟ مركبات المعادن والفلزات أو المعادن والفلزات (مثل H ، B ، N ، S ، P ، C ، Si ، إلخ). يتم دمج ذرات المعدنين بنسبة معينة لتشكيل تركيبة سبيكة تختلف عن المشبكتين البلوريتين الأصليتين. المركبات بين المعادن هي أنواع جديدة من المواد التي حظيت باهتمام واسع النطاق.
صورة
في الواقع ، أدى تطوير محركات هوائية عالية الأداء وعالية الدفع إلى الوزن إلى تعزيز تطوير وتطبيق المركبات المعدنية. المركبات بين الفلزات بشكل عام هي مركبات تتكون من عناصر معدنية ثنائية أو ثلاثية أو متعددة العناصر. المركبات المعدنية لها إمكانات كبيرة في التطبيقات الهيكلية ذات درجات الحرارة العالية. لديها درجة حرارة خدمة عالية ، وقوة محددة ، وموصلية حرارية ، وخاصة في درجات الحرارة العالية ، كما أنها تتمتع بمقاومة أكسدة جيدة ، ومقاومة للتآكل وقوة زحف عالية. . بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن المركب المعدني عبارة عن مادة جديدة بين السبائك الفائقة والمادة الخزفية ، فإنه يملأ الفجوة بين المادتين ، وبالتالي يصبح أحد المواد المثالية للمكونات عالية الحرارة للمحركات الهوائية.
في هيكل المحرك الهوائي العالمي ، يركز البحث والتطوير بشكل أساسي على المركبات المعدنية مثل التيتانيوم والألومنيوم والنيكل والألمنيوم. تتميز مركبات الألومنيوم المصنوعة من التيتانيوم بنفس كثافة التيتانيوم ، ولكن لها درجة حرارة خدمة أعلى. على سبيل المثال ، درجات حرارة التشغيل لـ TiAl هي 816 درجة و 982 درجة على التوالي. يحتوي المركب بين المعادن على رابطة قوية بين الذرات وهيكل بلوري معقد ، مما يجعل من الصعب تشوهه ، كما أنه صلب وهش في درجة حرارة الغرفة. بعد سنوات من البحث التجريبي ، تم تطوير نوع جديد من السبائك بقوة درجة حرارة عالية ، ودرجة حرارة الغرفة اللدونة والمتانة بنجاح ، وتم تثبيته واستخدامه ، والتأثير جيد جدًا. على سبيل المثال ، يستخدم محرك F119 عالي الأداء في الولايات المتحدة مركبات بين المعادن في الغلاف وأقراص التوربينات ، وتستخدم شفرات وأقراص الضاغط لآلة التحقق F120 مركبات جديدة من التيتانيوم والألومنيوم.
6
مركبات مصفوفة الراتنج
ما هي مركبات مصفوفة الراتنج؟ إنها مادة مقواة بالألياف تعتمد على بوليمر عضوي ، وعادة ما تستخدم تعزيزات الألياف مثل الألياف الزجاجية ، وألياف الكربون ، وألياف البازلت أو ألياف الأراميد. تستخدم المواد المركبة القائمة على الراتنج على نطاق واسع في صناعات الطيران والسيارات والصناعات البحرية.
صورة
مصفوفة الراتنج للمواد المركبة هي أساسًا راتينج بالحرارة. في وقت مبكر من الأربعينيات من القرن الماضي ، تم استخدام البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية كرادوم على الطائرات المقاتلة والقاذفات. في الستينيات ، استخدمت الولايات المتحدة راتنجات الإيبوكسي المقواة بألياف البورون كدفات ، ومثبتات أفقية ، وحواف خلفية الجناح ، وأبواب دفة ، وما إلى ذلك على الطائرات العسكرية مثل F -4 و F -111. فيما يتعلق بتصنيع الصواريخ ، في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، استخدم غلاف المحرك الصاروخي الصلب من المرحلة الثانية لصاروخ الغواصة الأمريكي متوسط المدى "Polaris A -2" أجزاء متعرجة من راتنج الإيبوكسي المقوى بالألياف الزجاجية ، وهي أفضل من أغلفة الصلب. أخف بنسبة 27 في المائة ؛ في وقت لاحق ، تم استخدام الألياف الزجاجية عالية الأداء بدلاً من الألياف الزجاجية العادية لصنع "Polaris A -3" ، مما جعل وزن الغلاف أخف بنسبة 50 بالمائة من وزن الغلاف الفولاذي ، بحيث أصبح نطاق "Polaris A {{ 12}} "الصاروخ تم تغييره من 2700 ألف متر وزاد إلى 4500 كم. في السبعينيات ، تم استخدام ألياف الأراميد بدلاً من الألياف الزجاجية لتعزيز راتنجات الايبوكسي ، وتحسنت القوة بشكل كبير ، بينما تم تقليل الوزن. تستخدم مركبات راتنجات الايبوكسي المقوى بألياف الكربون على نطاق واسع في الطائرات والصواريخ والأقمار الصناعية وغيرها من الهياكل.
بدأ البحث حول تطبيق المواد المركبة القائمة على الراتنج في محركات الطائرات المروحية في الخمسينيات من القرن الماضي. بعد أكثر من 60 عامًا من التطوير ، استثمرت GE و PW و RR و MTU و SNECMA وغيرها من الشركات الكثير من الطاقة في البحث والتطوير للمواد المركبة القائمة على الراتينج ، وحققت تقدمًا كبيرًا ، وتم تحقيق هندستها تم تطبيقه على المحركات المروحية المروحية للطيران النشط ، وهناك اتجاه لتوسيع نطاق تطبيقه.
لا تتجاوز درجة حرارة خدمة مركبات مصفوفة الراتينج بشكل عام 350 درجة. لذلك ، تُستخدم مركبات مصفوفة الراتينج بشكل أساسي في النهاية الباردة للمحركات الهوائية.
7
مركبات المصفوفة المعدنية
ما هي مركبات المصفوفة المعدنية؟ إنها مادة مركبة يتم دمجها بشكل مصطنع مع المعدن وسبائكه كمصفوفة وواحد أو أكثر من التعزيزات المعدنية أو غير المعدنية. معظم مواد التسليح الخاصة بها هي غير معادن غير عضوية ، مثل السيراميك والكربون والجرافيت والبورون ، وما إلى ذلك ، ويمكن أيضًا استخدام الأسلاك المعدنية. إلى جانب مركبات مصفوفة البوليمر ومركبات مصفوفة السيراميك ومركبات الكربون / الكربون ، فإنها تشكل نظامًا مركبًا حديثًا.
صورة
خصائص المواد المركبة ذات المصفوفة المعدنية: من حيث الميكانيكا ، تتميز بقوة عرضية وقص عالية ، وخصائص ميكانيكية شاملة جيدة مثل المتانة والتعب ، ولديها أيضًا الموصلية الحرارية ، والتوصيل الكهربائي ، ومقاومة التآكل ، ومعامل التمدد الحراري الصغير ، والتخميد الجيد ، لا امتصاص للرطوبة ، ولا مقاومة للتآكل. مزايا مثل الشيخوخة وعدم التلوث. على سبيل المثال ، القوة المحددة لمواد الألمنيوم المقوى بألياف الكربون هي 3 ~ 4 × 107 مم ، والمعامل المحدد هو 6 ~ 8 × 109 مم. على سبيل المثال ، يمكن أن يصل المعامل المحدد للمغنيسيوم المقوى بألياف الجرافيت إلى 1.5 × 1010 مم ، ومعامل التمدد الحراري الخاص به هو صفر تقريبًا.
من الجدير بالذكر أنه بالمقارنة مع المواد المركبة القائمة على الراتنج ، فإن المواد المركبة ذات الأساس المعدني تتمتع بمتانة جيدة ، ولا تمتص الرطوبة ، ويمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا. تشمل ألياف تقوية مركبات المصفوفة المعدنية الألياف المعدنية ، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ ، والتنغستن ، والرصاص ، والمركبات المعدنية بين النيكل والألومنيوم ، وما إلى ذلك ؛ ألياف السيراميك ، مثل الألومينا وأكسيد السيليكون والكربون والبورون وكربيد السيليكون ، إلخ.
تشمل مواد المصفوفة لمركبات المصفوفة المعدنية الألومنيوم وسبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والذقن وسبائك الذقن والسبائك المقاومة للحرارة وسبائك الماس وما إلى ذلك ، من بينها ، المواد المركبة القائمة على سبائك الألومنيوم وسبائك الألومنيوم وسبائك الحديد هي حاليًا الخيارات الرئيسية . على سبيل المثال ، يمكن استخدام مركبات مصفوفة سبائك الذقن المقواة بألياف SiC لصنع شفرات الضاغط. يمكن استخدام مركبات مصفوفة من ألياف الكربون أو ألياف الألومينا المقواة بألياف المغنيسيوم أو سبائك المغنيسيوم لتصنيع شفرات المروحة التوربينية. مثال آخر هو أن مركبات مصفوفة سبائك النيكل المقواة بألياف النيكل والكروم والألومنيوم والإيريديوم يمكن استخدامها لتصنيع عناصر مانعة للتسرب للتوربينات والضواغط.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن أغلفة المروحة والدوارات وأقراص الضاغط وأجزاء أخرى كلها مصنوعة من مركبات مصفوفة معدنية في الخارج. لكن واحدة من أكبر المشاكل مع هذا النوع من المواد المركبة هي أنه من السهل التفاعل بين الألياف المقواة ومعدن المصفوفة لإنتاج مرحلة هشة ، مما يؤدي إلى تدهور أداء المادة. خاصة عندما يتم استخدامه لفترة طويلة في درجة حرارة أعلى ، يكون تفاعل الواجهة أكثر وضوحًا. يتمثل الحل الحالي في إضافة طلاءات مناسبة على سطح الألياف وسبيكة معدن المصفوفة وفقًا للألياف المختلفة والركائز المختلفة ، وذلك لإبطاء تفاعل الواجهة والحفاظ على موثوقية أداء المواد المركبة.
صورة
المواد المستخدمة في شفرات مروحة المحرك
تعتبر شفرة مروحة المحرك الجزء الأكثر تمثيلاً والأكثر أهمية في المحرك المروحي ، ويرتبط أداء المحرك المروحي ارتباطًا وثيقًا بتطوره. بالمقارنة مع شفرات المروحة المصنوعة من سبائك التيتانيوم ، تتمتع شفرات المروحة المصنوعة من مادة مصفوفة الراتنج بميزة واضحة جدًا في تقليل الوزن. بالإضافة إلى المزايا الواضحة لخفض الوزن ، فإن شفرات المروحة المركبة القائمة على الراتنج لها تأثير أقل على علبة المروحة بعد الصدمة ، لذلك من المفيد تحسين احتواء علبة المروحة.
الممثلون الرئيسيون لشفرات المروحة المركبة للتطبيقات التجارية في البلدان الأجنبية هم: محركات سلسلة GE90 لمحركات B777 ومحركات GEnx لمحركات B787 ومحركات LEAP-X لمحركات COMAC C919. في وقت مبكر من عام 1995 ، تم وضع محرك GE 90-94 B المجهز بشفرات مروحة مصنوعة من مادة مركّبة من الراتينج حيز التشغيل التجاري رسميًا ، وهو ما يمثل الإدراك الرسمي للتطبيق الهندسي للمواد المركبة القائمة على الراتينج في المحركات الهوائية الحديثة عالية الأداء . على أساس دراسة شاملة للديناميكا الهوائية ودورات التعب ذات الدورة العالية والمنخفضة وعوامل أخرى ، طورت GE شفرة مروحة مركبة جديدة لمحرك GE التالي 90-115 B.
في القرن الحادي والعشرين ، أدى الطلب القوي على المحركات الهوائية للمواد المركبة عالية التحمل للضرر إلى زيادة تطوير تكنولوجيا المواد المركبة ، ومن الصعب تلبية متطلبات المواد عالية التحمل من خلال التحسين المستمر لمتانة ألياف الكربون / راتنجات الايبوكسي. نتيجة لذلك ، بدأت شفرات المروحة ثلاثية الأبعاد ذات الهيكل المنسوج في الظهور.
المواد المستخدمة في علبة مروحة المحرك
يعد غلاف مروحة المحرك أكبر جزء ثابت في المحرك الهوائي ، وسيؤثر خفض الوزن بشكل مباشر على نسبة الدفع إلى الوزن وكفاءة المحرك الهوائي. لذلك ، التزم مصنعو المعدات الأصلية الأجانب المتقدمون للمحركات الهوائية دائمًا بتخفيض الوزن والتحسين الهيكلي لغلاف المروحة.
صورة
المواد المستخدمة في أغطية مروحة المحرك
نظرًا لأنه مكون غير محمل رئيسي ، فإن غطاء المروحة هو أحد الأجزاء الأولى المصنوعة من مواد مركبة في محرك هوائي. يمكن أن يوفر غطاء المروحة المصنوع من مواد مركبة وزنًا أخف ، وهيكل مبسط مضاد للتجمد ، ومقاومة أفضل للتآكل ومقاومة أفضل للإجهاد. مثل محرك RB211 الخاص بشركة RR الشهيرة ، و PW1000G لشركة PW ، و PW4000 تستخدم المواد المركبة القائمة على الراتنج لإعداد أغطية المروحة.
بالمقارنة مع الإطارات الرئيسية ذات المحرك الهوائي ، فإن المواد المركبة القائمة على الراتينج لها مساحة تطبيق واسعة جدًا في أغطية المحرك الهوائي. استخدم المصنعون العالميون المواد المركبة القائمة على الراتينج على نطاق واسع في مداخل الكرات ، والإنسيابات ، وعكسات الدفع ، وبطانات تقليل الضوضاء. مادة. فيما يتعلق بالأجزاء الأخرى ، يتم أيضًا استخدام المواد المركبة القائمة على الراتينج بدرجات متفاوتة في ألواح مروحة المحرك الهوائية ، وأغطية المحامل المانعة للتسرب ، وألواح الغطاء.
