کدام هفت ماده جدید پیشرفته در پیشرفته ترین موتورهای هوای جهان استفاده می شود؟

تولید هوانوردی متمرکزترین رشته فناوری پیشرفته و متعلق به فناوری پیشرفته تولید است. به عنوان مثال، موتور F119 توسعه یافته توسط پرت و ویتنی از ایالات متحده، موتور F120 شرکت جنرال الکتریک، موتور M{3}} شرکت SNECMA فرانسه، و موتور EJ200 به طور مشترک توسط بریتانیا، آلمان توسعه یافته است. ، ایتالیا و اسپانیا. شایان ذکر است که این موتورهای هوائی که نشان دهنده پیشرفته ترین سطح جهان هستند، ویژگی مشترک استفاده از مواد جدید، فرآیندهای جدید و فناوری های جدید را دارند. هفت ماده جدید مورد استفاده به ترتیب به شرح زیر معرفی می شوند:

کامپوزیت کربن/کربن

کامپوزیت های کربن/کربن چیست؟ این یک ماده کامپوزیت ماتریس کربن است که توسط فیبر کربن و پارچه آن تقویت شده است، با چگالی کم (<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.

اگرچه کامپوزیت‌های کربن/کربن دارای خواص بسیار عالی در دمای بالا هستند، اما در یک محیط هوازی با دمای بالاتر از 400 درجه تحت واکنش‌های اکسیداسیون قرار می‌گیرند و در نتیجه خواص مواد به شدت کاهش می‌یابد. بنابراین، استفاده از کامپوزیت های کربن/کربن در محیط های هوازی با دمای بالا باید دارای اقدامات حفاظتی در برابر اکسیداسیون باشد. حفاظت از اکسیداسیون کامپوزیت‌های کربن/کربن عمدتاً از طریق دو روش زیر انجام می‌شود، یعنی اصلاح ماتریس و غیرفعال‌سازی نقاط فعال سطحی می‌تواند برای محافظت از کامپوزیت‌های کربن/کربن در دماهای پایین‌تر استفاده شود. با افزایش دما، روش پوشش باید برای جداسازی مواد کامپوزیت کربن/کربن از تماس مستقیم با اکسیژن استفاده شود تا به هدف حفاظت از اکسیداسیون دست یابد. در حال حاضر روش پوشش بیشترین استفاده را دارد. با پیشرفت مداوم علم و فناوری، اتکای بیشتر و بیشتری بر عملکرد دمای فوق العاده بالا مواد کامپوزیت کربن/کربن وجود دارد و تنها راه حل عملی حفاظت از اکسیداسیون تحت شرایط دمای فوق العاده بالا فقط می تواند محافظت از پوشش باشد. .

شایان ذکر است که مواد کامپوزیتی بر پایه C/C ماده ای جدید با مقاومت دمایی بالاتر است که در سال های اخیر بیشترین توجه را در جهان به خود جلب کرده است. زیرا تنها مواد کامپوزیت C/C به عنوان تنها مواد جانشین پره‌های روتور توربین با نسبت رانش به وزن بیش از 20 و دمای ورودی موتور 1930-2227 درجه در نظر گرفته می‌شوند. بالاترین هدف استراتژیک که توسط کشورهای صنعتی پیشرفته دنبال می شود.

مواد کامپوزیت مبتنی بر C/C یک ماده کامپوزیت پایه کربنی تقویت شده با فیبر کربن است که خواص نسوز کربن را با استحکام بالا و سفتی بالای فیبر کربن ترکیب می کند و آن را غیر شکننده می کند. از آنجایی که مواد کامپوزیتی مبتنی بر C/C وزن سبک، استحکام بالا، پایداری حرارتی عالی و رسانایی حرارتی عالی دارند، امروزه ایده‌آل‌ترین مواد مقاوم در برابر دمای بالا، به ویژه در محیط‌های با دمای بالا 1000-1300 درجه سانتی‌گراد هستند. نه تنها قدرت کاهش پیدا نکرد، بلکه توانست افزایش یابد. به خصوص زمانی که دمای آن زیر 1650 درجه باشد، همچنان استحکام و زیبایی را در دمای اتاق حفظ می کند. بنابراین، کامپوزیت های مبتنی بر C/C پتانسیل توسعه زیادی در تولید هوافضا دارند.

شایان ذکر است که یکی از مشکلات اصلی مواد کامپوزیتی بر پایه C/C در کاربرد موتورهای هوا، مقاومت ضعیف در برابر اکسیداسیون است. بنابراین، در سال های اخیر، ایالات متحده یک سری اقدامات تکنولوژیک برای حل این مشکل اتخاذ کرده است و به تدریج در موتور جدید اعمال می شود. به عنوان مثال، نازل دم پس سوز در موتور F119 آمریکایی، نازل و نازل محفظه احتراق موتور F100 و برخی از قسمت های محفظه احتراق دستگاه تأیید F120 از مواد کامپوزیت مبتنی بر C/C ساخته شده است. مثال دیگر موتور M88-2 فرانسوی است و میله تزریق سوخت پس سوز، محافظ حرارتی و نازل موتور Mirage 2000 نیز از مواد کامپوزیتی مبتنی بر C/C استفاده می کند.

مواد جدید از فولاد با استحکام فوق العاده بالا

فولاد با استحکام فوق العاده بالا چیست؟ در اواسط-1940، ایالات متحده فولاد Cr-Mo (AISI4130) و Cr-Ni-Mo فولاد (AISI 4340) را توسعه داد. استحکام کششی پس از کوئنچ و تمپر در دمای پایین به ترتیب 170 و 190 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع بود. در اوایل دهه 1950، Si و V به فولاد AISI 4340 اضافه شد تا 300M با مقاومت کششی 190 تا 210 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع ساخته شود. در سال 1960، شرکت بین المللی نیکل فولاد ماراژینگ را با استحکام کششی حدود 180 کیلوگرم بر میلی متر مربع، چقرمگی شکست تا 390 کیلوگرم بر میلی متر ساخت. در دهه 1970، ایالات متحده C را کاهش داد و Si را بر اساس 300M افزایش داد، چقرمگی را بهبود بخشید و به فولاد HP310 تبدیل شد. بر اساس فولاد ماراژینگ، به فولاد AF1410 با استحکام کششی 170 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع و چقرمگی شکست 400 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع تبدیل شد.

تصویر
شایان ذکر است که فولاد فوق العاده با استحکام باید استحکام کششی بالایی داشته باشد و چقرمگی کافی را حفظ کند. همچنین به استحکام ویژه بزرگ (نسبت استحکام به چگالی) و نسبت تسلیم بالا (σs/σb) برای کاهش وزن جزء نیاز دارد و باید جوش‌پذیری و شکل‌پذیری و سایر خواص فرآیندی را داشته باشد. فولاد با استحکام فوق العاده بالا دارای الزامات بسیار بالایی در کیفیت متالورژیکی است و اغلب توسط کوره قوس الکتریکی و ذوب مجدد الکتروسرباره ذوب می شود. انواع فولادی که به خلوص بالا نیاز دارند بیشتر در کوره های القایی خلاء یا کوره های قوس الکتریکی مصرفی خلاء ذوب می شوند. فولادهای با استحکام فوق العاده متوسط و کم آلیاژ باید از کربن زدایی در طی عملیات حرارتی جلوگیری شود. فولادهای ماراژینگ و فولادهای زنگ نزن سخت شونده رسوبی را می توان در کوره های گرمایش معمولی با محلول جامد تصفیه کرد. برای جوشکاری باید از جوشکاری گاز محافظ یا جوشکاری با قوس تنگستن آرگون استفاده شود. برخی از فولادهای کم آلیاژ با مقاومت فوق العاده بالا با محتوای کربن بالا (حدود 0.4 درصد) باید بلافاصله پس از جوشکاری بدون تنش آنیل شوند.

شایان ذکر است که از فولاد بسیار مقاوم به عنوان ماده ای برای ارابه فرود هواپیما استفاده می شود. به عنوان مثال، ارابه فرود مورد استفاده در هواپیمای نسل دوم از فولاد 30CrMnSiNi2A با مقاومت کششی 1700 مگاپاسکال ساخته شده است. این نوع ارابه فرود عمر کوتاهی در حدود 2000 ساعت پرواز دارد.

مثال دیگر این است که برای طراحی جت جنگنده نسل سوم، طول عمر ارابه فرود بیش از 5،{2}} ساعت پرواز است. در عین حال، به دلیل افزایش تجهیزات هوابرد، ضریب وزن ساختار هواپیما کاهش می یابد و الزامات بالاتری برای انتخاب مواد ارابه فرود و فناوری ساخت قرار می گیرد. هم ایالات متحده و هم جنگنده های نسل سوم ما از فناوری ساخت ارابه فرود فولاد 300M (استحکام کششی 1950MPa) استفاده می کنند.

در واقع، بهبود فناوری کاربرد مواد باعث افزایش بیشتر عمر ارابه فرود و گسترش سازگاری می شود. به عنوان مثال، ارابه فرود هواپیمای ایرباس A380 اروپایی از فناوری فورج فورج انتگرال فوق العاده بزرگ، فناوری جدید عملیات حرارتی حفاظت از جو و فناوری پاشش شعله با سرعت بالا استفاده می کند، به طوری که عمر ارابه فرود می تواند الزامات طراحی را برآورده کند. بنابراین، معرفی مواد جدید و تکنیک های ساخت، جایگزینی هواپیماها را تضمین کرد.

تصویر
همانطور که همه ما می دانیم، طراحی طولانی مدت هواپیما در یک محیط مقاوم در برابر خوردگی، نیازهای بالاتری را برای مواد ایجاد می کند. به عنوان مثال، فولاد AerMet100 دارای سطح مقاومتی برابر با فولاد 300M است، اما مقاومت عمومی در برابر خوردگی و مقاومت در برابر خوردگی تنشی آن به طور قابل توجهی بهتر از فولاد 300M است. فناوری ساخت ارابه فرود منطبق برای هواپیماهای پیشرفته مانند F/A-18E/F، F-22 و F-35 اعمال شده است. فولاد Aermet310 با استحکام بالاتر، چقرمگی شکست کمتری دارد و به طور مداوم در حال توسعه و بهبود است. نرخ رشد ترک خوردگی فولاد بسیار مقاوم AF1410 مقاوم در برابر آسیب بسیار آهسته است که می تواند به عنوان محل اتصال محرک بال هواپیمای B-1 که 10.6 درصد سبک تر از Ti است استفاده شود. -6Al{17}}V، با 60 درصد افزایش در عملکرد پردازش و 30.3 درصد کاهش در هزینه. به عنوان مثال، مقدار فولاد ضد زنگ با استحکام بالا در Smig-1.42 روسیه به 30 درصد می رسد. PH{25}}Mo تنها فولاد زنگ نزن مارتنزیتی با مقاومت بالا است که به طور گسترده به عنوان اجزای مقاوم در برابر خوردگی استفاده می شود. فولادهای دنده ای با مقاومت بسیار بالا نیز در سطح بین المللی مانند CSS{31}}L، Gearmet C69 و غیره توسعه یافته اند و در موتورها، هلیکوپترها و هوافضا استفاده شده اند.

مواد آلیاژی با دمای بالا

مواد سوپرآلیاژی چیست؟ آلیاژهای با دمای بالا در واقع به سه نوع مواد تقسیم می شوند: مواد با دمای بالا 760 درجه، مواد با دمای بالا 1200 درجه و مواد با دمای بالا 1500 درجه، با مقاومت کششی 800 مگاپاسکال. به عبارت دیگر، به مواد فلزی با دمای بالا اطلاق می شود که برای مدت طولانی در شرایط 760-1500 درجه و شرایط تنش خاصی کار می کنند. ویژگی های مهم آن: دارای استحکام عالی در دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی حرارتی، عملکرد خستگی خوب، چقرمگی شکست و سایر خواص جامع است و به یک ماده کلیدی غیر قابل تعویض برای قسمت های داغ موتورهای توربین گاز برای نظامی و غیرنظامی تبدیل شده است. در سراسر جهان استفاده کنید.

مواد 760 درجه با دمای بالا از اواخر دهه 1930، بریتانیا، آلمان، ایالات متحده و سایر کشورها شروع به مطالعه سوپرآلیاژها کردند. در طول جنگ جهانی دوم، به منظور پاسخگویی به نیازهای موتورهای هوایی جدید، تحقیق و استفاده از سوپرآلیاژها وارد دوره توسعه سریع شد. در اوایل دهه 1940، انگلستان برای اولین بار مقدار کمی آلومینیوم و تیتانیوم را به آلیاژ 80Ni{6}}کرم اضافه کرد تا یک فاز (گاما پرایم) برای تقویت تشکیل دهد، و اولین آلیاژ مبتنی بر نیکل را با مقادیر زیاد تولید کرد. -قدرت دما در این دوره، به منظور رفع نیازهای توسعه توربوشارژر برای موتورهای هوایی پیستونی، ایالات متحده شروع به استفاده از آلیاژهای مبتنی بر کبالت ویتالیم برای ساخت پره کرد.

تصویر
شایان ذکر است که ایالات متحده آلیاژهای مبتنی بر نیکل اینکونل را نیز برای ساخت محفظه های احتراق برای موتورهای جت ساخته است. بعداً، به منظور بهبود بیشتر استحکام آلیاژ در دمای بالا، متالورژی ها عناصری مانند تنگستن، مولیبدن و کبالت را به آلیاژ پایه نیکل اضافه کردند تا محتوای آلومینیوم و تیتانیوم را افزایش دهند و یک سری آلیاژها را توسعه دادند. به عنوان "Nimonic" در انگلستان و "Nimonic" در ایالات متحده. "Mar-M" و "IN" و غیره؛ افزودن نیکل، تنگستن و سایر عناصر به آلیاژهای مبتنی بر کبالت برای تولید انواع آلیاژهای با دمای بالا، مانند X-45، HA{7}}، FSX-414 و غیره. کمبود منابع کبالت، توسعه سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت محدود است.

در دهه 1940 سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن نیز ساخته شدند. در دهه 1950، گریدهایی مانند A-286 و Incoloy901 ظاهر شدند، اما به دلیل پایداری ضعیف در دمای بالا، توسعه به کندی انجام شد. اتحاد جماهیر شوروی سابق در سال 1950 شروع به تولید سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل با نام تجاری "ЭИ" کرد و بعداً سری "ЭП" از سوپرآلیاژهای تغییر شکل یافته و سری ЖС از سوپرآلیاژهای ریخته گری تولید کرد. در دهه 1970، ایالات متحده همچنین فرآیند تولید جدیدی را برای تولید پره های کریستالیزاسیون جهت دار و دیسک های توربین متالورژی پودری اتخاذ کرد و اجزای آلیاژی با دمای بالا مانند تیغه های تک کریستال را برای پاسخگویی به نیازهای افزایش مداوم دمای ورودی هوا توسعه داد. -توربین های موتوری

سوپرآلیاژها برای برآوردن نیازهای بسیار سخت موتورهای جت بر روی مواد توسعه یافته اند و به یک ماده کلیدی غیرقابل جایگزین برای اجزای داغ موتور توربین گازی نظامی و غیرنظامی تبدیل شده اند. در موتورهای پیشرفته هوا، نسبت آلیاژهای با دمای بالا به بیش از 50 درصد رسیده است.

توسعه آلیاژهای با دمای بالا ارتباط نزدیکی با پیشرفت فناوری موتورهای هوا دارد، به ویژه دیسک توربین، مواد پره توربین و فرآیند ساخت قطعات داغ موتور از نمادهای مهم توسعه موتور هستند. با توجه به الزامات بالا برای مقاومت در برابر دمای بالا و ظرفیت تحمل تنش مواد، آلیاژ Ni3 (Al, Ti) تقویت شده Nimonic80 در روزهای اولیه در انگلستان توسعه یافت که به عنوان ماده برای پره توربین استفاده می شد. موتور توربوجت علاوه بر این، آلیاژ سری Nimonic به طور مداوم توسعه یافت. ایالات متحده آلیاژهای مبتنی بر نیکل تقویت شده با پراکندگی حاوی آلومینیوم و تیتانیوم، مانند سری آلیاژهای Inconel، Mar-M و Udmit را توسعه داده است که به ترتیب توسط شرکت معروف پرت اند ویتنی، شرکت جنرال الکتریک و شرکت فلزات خاص ساخته شده اند.

تصویر
در فرآیند توسعه سوپرآلیاژها، فرآیند ساخت نقش زیادی در ارتقای توسعه آلیاژها دارد. با توجه به ظهور تکنولوژی ذوب خلاء، حذف ناخالصی ها و گازهای مضر در آلیاژها، به ویژه کنترل دقیق ترکیب آلیاژ، به طور مستمر باعث بهبود عملکرد سوپرآلیاژها شده است. به طور خاص، تحقیقات موفقیت آمیز فناوری های جدید مانند انجماد جهت، رشد تک بلور، متالورژی پودر، آلیاژ مکانیکی، هسته سرامیکی، فیلتراسیون سرامیکی و آهنگری همدما باعث توسعه سریع سوپرآلیاژها شده است. در میان آنها، فناوری انجماد جهت دار برجسته ترین است. آلیاژ جهت دار و تک کریستال تولید شده توسط فرآیند انجماد جهت دار دارای دمای سرویس نزدیک به 90 درصد نقطه ذوب اولیه است. بنابراین، پره‌های موتورهای هوابرد پیشرفته در سراسر جهان از آلیاژهای تک کریستالی جهت دار برای تولید پره‌های توربین استفاده می‌کنند. از دیدگاه جهانی، سوپرآلیاژهای ریخته‌گری مبتنی بر نیکل، کریستال‌های هم محور، کریستال‌های ستونی جامد جهت‌دار و سیستم‌های آلیاژ تک کریستال را تشکیل داده‌اند. سوپرآلیاژهای پودری نیز از نسل اول دیسک های توربین پودری 650 درجه تا 750 درجه، 850 درجه و دیسک های پودری با عملکرد دوگانه برای موتورهای پیشرفته با کارایی بالا ساخته شده اند.

کامپوزیت های زمینه سرامیکی

کامپوزیت های ماتریس سرامیکی چیست؟ نوعی ماده کامپوزیت است که از سرامیک به عنوان ماتریس و الیاف مختلف استفاده می کند. ماتریس سرامیکی می تواند سرامیک های ساختاری با دمای بالا مانند نیترید سیلیکون و کاربید سیلیکون باشد. این سرامیک های پیشرفته دارای خواص عالی مانند مقاومت در برابر دمای بالا، استحکام و استحکام بالا، وزن نسبتا سبک و مقاومت در برابر خوردگی هستند. ضعف مهلک این است که آنها شکننده هستند. وقتی تحت استرس هستند، ترک می‌خورند یا حتی می‌شکنند تا باعث خرابی مواد شوند. استفاده از فیبر و کامپوزیت ماتریسی با مقاومت بالا و الاستیک بالا روشی موثر برای بهبود چقرمگی و قابلیت اطمینان سرامیک ها است. الیاف می توانند از گسترش ترک ها جلوگیری کنند، بنابراین کامپوزیت های زمینه سرامیکی تقویت شده با الیاف با چقرمگی عالی به دست می آیند.

تصویر
کامپوزیت های ماتریس سرامیکی به عنوان نازل موتور موشک مایع، رادوم موشک، مخروط دماغه شاتل فضایی، دیسک ترمز هواپیما و دیسک ترمز خودروهای پیشرفته و غیره مورد استفاده قرار گرفته اند و به شاخه مهمی از مواد جدید با فناوری پیشرفته تبدیل شده اند.

از آنجا که مواد سرامیکی دارای مقاومت در برابر سایش عالی، سختی بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب هستند، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند. با این حال، بزرگترین عیب سرامیک ها این است که شکننده و حساس به ترک و منافذ هستند. از دهه 1980، کامپوزیت های زمینه سرامیکی که با افزودن ذرات، سبیل ها و الیاف به مواد سرامیکی به دست می آیند، چقرمگی سرامیک ها را تا حد زیادی بهبود بخشیده اند.

کامپوزیت های زمینه سرامیکی دارای استحکام بالا، مدول بالا، چگالی کم، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی و چقرمگی خوب هستند و در ابزارهای برش با سرعت بالا و اجزای موتور احتراق داخلی استفاده می شوند. با این حال، توسعه این نوع مواد نسبتا دیر است، و پتانسیل آن هنوز بیشتر توسعه نیافته است. تمرکز تحقیقات بر روی مواد با دمای بالا و مواد مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی است، مانند توربین های تقویت شده برای موتورهای احتراق داخلی پرقدرت، اجزای حرارتی برای وسایل نقلیه هوافضا، و موتورهای وسایل نقلیه به جای فلزات، ظروف پتروشیمی. ، تجهیزات سوزاندن زباله و غیره

وقتی صحبت از سرامیک می شود، مردم به طور طبیعی به شکنندگی آن فکر می کنند. بیش از ده سال پیش اگر به عنوان یک قطعه باربر در زمینه مهندسی استفاده می شد، پذیرش آن برای کسی غیر ممکن بود. تا به حال، وقتی صحبت از مواد کامپوزیت سرامیکی به میان می‌آید، ممکن است برخی افراد به این فکر نباشند که سرامیک و فلزات در اصل دو ماده بی‌ربط هستند. با این حال، از آنجایی که مردم به طور هوشمندانه سرامیک و فلزات را با هم ترکیب کردند، مفهوم مردم از این ماده دستخوش تغییر اساسی شده است که کامپوزیت های زمینه سرامیکی است.

مواد کامپوزیت ماتریس سرامیکی یک ماده ساختاری جدید بسیار امیدوار کننده در زمینه صنعت هوانوردی است، به ویژه در کاربرد ساخت موتورهای هوائی، منحصر به فرد خود را به طور فزاینده ای نشان می دهد. علاوه بر مزایای وزن سبک و سختی بالا، کامپوزیت های زمینه سرامیکی همچنین دارای مقاومت عالی در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی در دمای بالا هستند. در حال حاضر کامپوزیت های زمینه سرامیکی از نظر مقاومت در برابر حرارت بالا از مواد مقاوم در برابر حرارت فلز پیشی گرفته اند و خواص مکانیکی و پایداری شیمیایی خوبی دارند. آنها مواد ایده آل و عالی برای مناطق با دمای بالا موتورهای توربین با عملکرد بالا هستند.

تصویر
کشورهای سرتاسر جهان بر روی تحقیقات بر روی نیترید سیلیکون و سرامیک های تقویت شده با کاربید سیلیکون متمرکز شده اند تا نیازهای مواد نسل بعدی موتورهای پیشرفته را برآورده کنند.

مواد، و پیشرفت زیادی داشته است، به ویژه در موتورهای هوایی مدرن. به عنوان مثال، موتور F120 دستگاه تأیید آمریکایی، دستگاه آب بندی توربین فشار قوی آن و برخی از قسمت های اتاق احتراق با دمای بالا همگی از مواد سرامیکی ساخته شده اند. برای مثال دیگر، محفظه احتراق و نازل موتور M{4}} فرانسوی نیز از کامپوزیت های زمینه سرامیکی استفاده می کند.

مواد جدید ترکیبات بین فلزی

ترکیبات بین فلزی چیست؟ ترکیبات فلزات و فلزات یا فلزات و متالوئیدها (مانند H، B، N، S، P، C، Si و غیره). اتم های دو فلز به نسبت معینی با هم ترکیب می شوند تا ترکیب آلیاژی متفاوت از دو شبکه کریستالی اصلی ایجاد کنند. ترکیبات بین فلزی انواع جدیدی از مواد هستند که مورد توجه گسترده قرار گرفته اند.

تصویر
در واقع، توسعه موتورهای هوایی با کارایی بالا و نسبت رانش به وزن بالا، توسعه و کاربرد ترکیبات بین فلزی را ارتقا داده است. ترکیبات بین فلزی به طور کلی ترکیباتی هستند که از عناصر فلزی دوتایی، سه تایی یا چند عنصری تشکیل شده اند. ترکیبات بین فلزی پتانسیل بالایی در کاربردهای ساختاری در دمای بالا دارند. دارای دمای سرویس بالا، استحکام ویژه، هدایت حرارتی و به ویژه در دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام خزش بالا نیز دارد. . علاوه بر این، از آنجا که ترکیب بین فلزی یک ماده جدید بین سوپر آلیاژ و ماده سرامیکی است، شکاف بین دو ماده را پر می کند، بنابراین به یکی از مواد ایده آل برای اجزای با دمای بالا موتورهای هوا تبدیل می شود.

در ساختار جهانی موتور هوا، تحقیق و توسعه عمدتاً بر روی ترکیبات بین فلزی مانند تیتانیوم-آلومینیوم و نیکل-آلومینیوم متمرکز است. این ترکیبات آلومینیوم تیتانیوم اساساً چگالی مشابه تیتانیوم دارند، اما دمای سرویس بالاتری دارند. به عنوان مثال، دمای عملیاتی TiAl به ترتیب 816 درجه و 982 درجه است. ترکیب بین فلزی دارای پیوند قوی بین اتم ها و ساختار بلوری پیچیده است که تغییر شکل آن را دشوار می کند و در دمای اتاق سخت و شکننده است. پس از سالها تحقیق تجربی، نوع جدیدی از آلیاژ با استحکام در دمای بالا، پلاستیسیته و چقرمگی در دمای اتاق با موفقیت ساخته شده و نصب و استفاده شده است و تاثیر بسیار خوبی دارد. به عنوان مثال، موتور F119 با کارایی بالا در ایالات متحده از ترکیبات بین فلزی در محفظه و دیسک های توربین استفاده می کند و تیغه های کمپرسور و دیسک های موتور ماشین تأیید F120 از ترکیبات بین فلزی جدید تیتانیوم-آلومینیوم استفاده می کند.

کامپوزیت های ماتریس رزین

کامپوزیت های ماتریکس رزین چیست؟ این یک ماده تقویت شده با الیاف مبتنی بر یک پلیمر آلی است که معمولاً از تقویت کننده های الیافی مانند الیاف شیشه، فیبر کربن، الیاف بازالت یا الیاف آرامید استفاده می کند. مواد کامپوزیتی بر پایه رزین به طور گسترده در صنایع هوایی، خودروسازی و دریایی استفاده می شود.

تصویر
ماتریس رزین مواد کامپوزیتی عمدتاً رزین گرما سخت است. در اوایل دهه 1940، پلاستیک های تقویت شده با فایبرگلاس به عنوان رادوم در جت های جنگنده و بمب افکن ها استفاده می شد. در دهه 1960، ایالات متحده از رزین اپوکسی تقویت شده با فیبر بور به عنوان سکان، تثبیت کننده افقی، لبه های عقب بال، درهای سکان و غیره در هواپیماهای نظامی مانند F{2}} و F-111 استفاده کرد. از نظر ساخت موشک، در اواخر دهه 1950، در بدنه موتور موشک جامد مرحله دوم موشک زیردریایی میان برد آمریکایی "Polaris A{7}}" از قطعات سیم پیچ رزین اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه استفاده شد که بهتر است. نسبت به روکش های فولادی 27 درصد سبک تر؛ بعداً از الیاف شیشه ای با کارایی بالا به جای الیاف شیشه معمولی برای ساخت "Polaris A{10}} استفاده شد که وزن پوسته را 50 درصد سبک تر از پوسته فولادی کرد، به طوری که محدوده "Polaris A{{ موشک 12}}" از 2700 هزار متر به 4500 کیلومتر افزایش یافت. در دهه 1970، از الیاف آرامید به جای الیاف شیشه برای تقویت رزین اپوکسی استفاده شد و استحکام بسیار بهبود یافت، در حالی که وزن کاهش یافت. کامپوزیت های رزین اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن به طور گسترده در هواپیما، موشک، ماهواره و سایر سازه ها استفاده می شود.

تحقیقات در مورد کاربرد مواد کامپوزیتی مبتنی بر رزین در موتورهای توربوفن هوانوردی در دهه 1950 آغاز شد. پس از بیش از 60 سال توسعه، GE، PW، RR، MTU، SNECMA و سایر شرکت ها انرژی زیادی را در تحقیق و توسعه مواد کامپوزیتی بر پایه رزین سرمایه گذاری کرده اند و پیشرفت های زیادی حاصل شده است و مهندسی آن برای موتورهای توربوفن فعال هوانوردی استفاده شده است و تمایل به گسترش بیشتر کاربرد آن وجود دارد.

دمای سرویس کامپوزیت های ماتریکس رزین معمولاً از 350 درجه تجاوز نمی کند. بنابراین، کامپوزیت های ماتریس رزین عمدتاً در انتهای سرد موتورهای هوا استفاده می شود.

کامپوزیت های زمینه فلزی

کامپوزیت های زمینه فلزی چیست؟ این ماده کامپوزیتی است که به طور مصنوعی با فلز و آلیاژ آن به عنوان ماتریس و یک یا چند تقویت کننده فلزی یا غیرفلزی ترکیب می شود. بیشتر مواد تقویت کننده آن غیر فلزات غیر آلی مانند سرامیک، کربن، گرافیت و بور و غیره است و می توان از سیم های فلزی نیز استفاده کرد. همراه با کامپوزیت های زمینه پلیمری، کامپوزیت های زمینه سرامیکی و کامپوزیت های کربن/کربن، یک سیستم کامپوزیت مدرن را تشکیل می دهد.

تصویر
ویژگی های مواد کامپوزیتی زمینه فلزی: از نظر مکانیکی دارای استحکام عرضی و برشی بالا، خواص مکانیکی جامع خوب مانند چقرمگی و خستگی و همچنین دارای رسانایی حرارتی، هدایت الکتریکی، مقاومت در برابر سایش، ضریب انبساط حرارتی کم، میرایی خوب هستند. بدون جذب رطوبت و بدون مقاومت در برابر خوردگی. مزایایی مانند پیری و عدم آلودگی. به عنوان مثال، استحکام ویژه مواد کامپوزیت آلومینیومی تقویت شده با فیبر کربن 3 ~ 4 × 107 میلی متر و مدول ویژه 6 ~ 8 × 109 میلی متر است. به عنوان مثال، مدول ویژه منیزیم تقویت شده با الیاف گرافیت می تواند به 1.5×1010 میلی متر برسد و ضریب انبساط حرارتی آن تقریباً صفر است.

شایان ذکر است که در مقایسه با مواد کامپوزیتی بر پایه رزین، مواد کامپوزیتی بر پایه فلز چقرمگی خوبی دارند، رطوبت را جذب نمی‌کنند و می‌توانند دماهای نسبتاً بالایی را تحمل کنند. الیاف تقویت کننده کامپوزیت های زمینه فلزی شامل الیاف فلزی مانند فولاد ضد زنگ، تنگستن، سرب، ترکیبات بین فلزی نیکل-آلومینیوم و غیره است. الیاف سرامیکی مانند آلومینا، اکسید سیلیکون، کربن، بور، کاربید سیلیکون و غیره.

مواد ماتریسی کامپوزیت های زمینه فلزی شامل آلومینیوم، آلیاژ آلومینیوم، منیزیم، آلیاژهای چانه و چانه، آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت، آلیاژهای الماس و غیره است که در این میان مواد کامپوزیت بر پایه آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای آهن در حال حاضر انتخاب اصلی هستند. . به عنوان مثال، کامپوزیت های ماتریس آلیاژ چین تقویت شده با الیاف SiC را می توان برای ساخت تیغه های کمپرسور استفاده کرد. کامپوزیت های ماتریس با منیزیم یا آلیاژ منیزیم تقویت شده با فیبر کربن یا فیبر آلومینا می توانند برای تولید تیغه های توربوفن استفاده شوند. مثال دیگر این است که کامپوزیت های ماتریس آلیاژی مبتنی بر نیکل تقویت شده با فیبر نیکل-کروم-آلومینیوم-ایریدیوم می توانند برای تولید عناصر آب بندی توربین ها و کمپرسورها استفاده شوند.

علاوه بر این، محفظه های فن، روتورها، دیسک های کمپرسور و سایر قطعات همگی از کامپوزیت های زمینه فلزی در خارج از کشور ساخته شده اند. اما یکی از بزرگترین مشکلات این نوع مواد کامپوزیتی این است که به راحتی می توان بین فیبر تقویت کننده و فلز ماتریس واکنش نشان داد تا یک فاز شکننده ایجاد شود که عملکرد مواد را بدتر می کند. به خصوص هنگامی که برای مدت طولانی در دمای بالاتر استفاده می شود، واکنش رابط برجسته تر است. راه حل فعلی افزودن پوشش های مناسب بر روی سطح الیاف و آلیاژ فلز زمینه با توجه به الیاف مختلف و بسترهای مختلف است تا سرعت واکنش رابط را کاهش داده و قابلیت اطمینان عملکرد مواد کامپوزیت را حفظ کند.

تصویر
مواد مورد استفاده در پره های فن موتور

تیغه فن موتور نماینده ترین و بسیار مهم ترین قسمت موتور توربوفن است و عملکرد موتور توربوفن ارتباط تنگاتنگی با توسعه آن دارد. در مقایسه با تیغه‌های فن از آلیاژ تیتانیوم، تیغه‌های فن از مواد کامپوزیتی رزینی مزیت بسیار آشکاری در کاهش وزن دارند. علاوه بر مزایای آشکار کاهش وزن، تیغه های فن کامپوزیتی مبتنی بر رزین پس از ضربه تاثیر کمتری بر روی کیس فن دارند، بنابراین بهبود محفظه فن مفید است.

نمایندگان اصلی پره های فن کامپوزیت برای کاربرد تجاری در کشورهای خارجی عبارتند از: موتورهای سری GE90 برای B777، موتورهای GEnx برای B787 و موتورهای LEAP-X برای COMAC C919. در اوایل سال 1995، موتور GE{6}B مجهز به تیغه‌های فن مواد کامپوزیتی مبتنی بر رزین رسماً به بهره‌برداری تجاری رسید که نشان‌دهنده تحقق رسمی کاربرد مهندسی مواد کامپوزیت مبتنی بر رزین در موتورهای هوایی مدرن با کارایی بالا بود. . بر اساس بررسی جامع آیرودینامیک، چرخه‌های خستگی بالا و پایین و سایر عوامل، جنرال الکتریک تیغه فن مرکب جدیدی را برای موتور بعدی GE{10}}B توسعه داده است.

در قرن بیست و یکم، تقاضای شدید موتورهای هوا برای مواد کامپوزیت مقاوم در برابر آسیب بالا، باعث پیشرفت بیشتر فناوری مواد کامپوزیت می‌شود و برآوردن الزامات مواد مقاوم در برابر آسیب با بهبود مستمر چقرمگی فیبر کربن دشوار است. /پیش آغشته به رزین اپوکسی در نتیجه، پره‌های فن مرکب با ساختار سه بعدی شروع به ظاهر شدن کردند.

مواد مورد استفاده در جعبه فن موتور

محفظه فن موتور بزرگترین قسمت ثابت موتور هوا است و کاهش وزن آن مستقیماً بر نسبت رانش به وزن و راندمان موتور هوا تأثیر می گذارد. بنابراین، OEM های پیشرفته موتورهای هوایی خارجی همیشه به کاهش وزن و بهینه سازی ساختاری بدنه فن متعهد بوده اند.

تصویر
مواد مورد استفاده برای روکش فن موتور

از آنجایی که یک جزء اصلی غیر باربر است، روکش فن یکی از اولین قطعات ساخته شده از مواد کامپوزیتی بر روی یک موتور هوا است. روکش فن ساخته شده از مواد کامپوزیتی می تواند وزن سبک تر، ساختار ضد یخ ساده، مقاومت در برابر خوردگی بهتر و مقاومت در برابر خستگی بهتر را ارائه دهد. مانند موتور RB211 شرکت معروف RR، PW1000G شرکت PW و PW4000 از مواد کامپوزیتی بر پایه رزین برای تهیه کلاهک فن استفاده می کنند.

در مقایسه با مین‌فریم‌های موتورهای هوا، مواد کامپوزیتی مبتنی بر رزین فضای کاربردی بسیار گسترده‌ای در ناسل‌های موتور هوا دارند. تولیدکنندگان جهانی از مواد کامپوزیتی مبتنی بر رزین در مقیاس وسیع در ورودی‌های ناسل، فیرینگ‌ها، معکوس‌کننده‌های رانش و پوشش‌های کاهش نویز استفاده کرده‌اند. مواد. از نظر سایر قطعات، مواد کامپوزیتی مبتنی بر رزین نیز به درجات مختلفی در صفحات دونده فن موتور هوا، پوشش های آب بندی بلبرینگ و صفحات پوششی اعمال می شود.