<optgroup id="ck6ec"></optgroup>
<center id="ck6ec"></center>
<optgroup id="ck6ec"></optgroup>
<noscript id="ck6ec"><div id="ck6ec"></div></noscript>
<noscript id="ck6ec"><div id="ck6ec"></div></noscript>
<center id="ck6ec"></center>
<center id="ck6ec"></center>
<noscript id="ck6ec"><wbr id="ck6ec"></wbr></noscript>
<noscript id="ck6ec"><tr id="ck6ec"></tr></noscript><optgroup id="ck6ec"></optgroup>
歡迎訪問河北習鐵緊固件有限公司網站!
您當前的位置:首頁>新聞動態

航天新材料的應用及發展新理念

點擊數:16112018-11-20 10:03:14 來源: 河北習鐵緊固件有限公司

新聞摘要:航空用鈦合金近期工程化發展中呈現出一些技術創新的"亮點",其中工藝創新的亮點比成分創新的亮點更多一些。這些亮點包括阻燃鈦合金、鈦基復合材料、纖維/鈦層板、超塑性鈦合金、特大整體結構件鍛造工藝、金屬型精鑄工藝、大型整體結構件精鑄工藝、激光成形工藝、摩擦焊工藝和β熱處理工藝等。

航空用鈦合金近期工程化發展中呈現出一些技術創新的"亮點",其中工藝創新的亮點比成分創新的亮點更多一些。這些亮點包括阻燃鈦合金、鈦基復合材料、纖維/鈦層板、超塑性鈦合金、特大整體結構件鍛造工藝、金屬型精鑄工藝、大型整體結構件精鑄工藝、激光成形工藝、摩擦焊工藝和β熱處理工藝等。

20世紀50年代,軍用飛機進入了超聲速時代,航空發動機相應地進入噴氣發動機時代,原有的鋁、鋼結構已不能滿足新的需求。鈦合金恰恰在這個時候進入了工業性發展階段,由于它具有比強度高、使用溫度范圍寬(-269~600℃)、抗蝕性好和其他一些可利用的特性,因此很快被選用于飛機及航空發動機。50年來的世界鈦市場中最大的用戶始終屬于航空。當前,航空仍然占50%左右市場份額。

受2002年"9.11"事件影響,2003年鈦工業產品發貨量降至15625t(2002年為16071t),日本2003年鈦加工材發貨量則降至13838t(2002年為14481t),而從2000~2004年的鈦加工材銷售量卻一直以很高的速度增長(見表1)。

1993年以后,幾乎看不到新推出的工業性鈦合金,而鈦合金工藝方面的創新卻屢見不鮮。這既與冷戰時代的結束有關,也與工藝創新往往起到事半功倍之效有關。

一、鈦合金在飛機及航空發動機上的用量不斷擴大

1. 飛機機體的鈦用量

表2中列出的F/A-18E/F、F/A-22、F-35三大戰斗/攻擊機和B-2轟炸機是在2015年前保持空中優勢。由表2可知,總的發展趨勢是鈦在飛機機體上的用量不斷擴大。F/A-18在不斷改型的過程中其鈦用量也不斷增多。

民用飛機的鈦用量也在不斷擴大(圖1和表3)。

戰斗機的鈦用量也在不斷擴大:20世紀80年代開始服役的殲八系列的鈦用量為2%,兩種新一代戰斗機的鈦用量分別為4%和15%,更新一代的高性能新型戰斗機的鈦用量將達25%~30%。

2. 航空發動機的鈦用量

從表4和圖2可知,先進發動機上的鈦用量通常保持在20%~35%的水平。早期生產的渦噴發動機均不用鈦,1978年開始研制并于1988年初設計定型的渦噴13發動機的鈦用量達到13%。2002年設計定型的昆侖渦噴發動機是第一個擁有完全自主的航空發動機,鈦用量提高至15%。即將設計定型的第一臺擁有自主知識產權的渦扇發動機又進一步把鈦用量提高到25%的水平。

二、航空用鈦合金近期工程化發展中的一些"亮點"

1. 阻燃鈦合金閃亮登場

為了防止"鈦火",俄羅斯曾研制了含Cu高量的BTT-1和BTT-3阻燃鈦合金,但由于其力學性能和熔鑄性能差而未能工程化。發明的AlloyC(Ti-35V-15Cr)阻燃鈦合金近期已成功地應用于F119發動機(F/A-22戰斗機的動力裝置)的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管。這是高溫鈦合金領域的最新亮點,也是鈦發展

史中進駐航空發動機的β型鈦合金和阻燃鈦合金。Alloy C的阻燃原理有三:其一,一航材料院的研究結果表明,在轉子零件與靜子零件相對摩擦而升溫時,低熔點(675℃)的V2O5的熔化起到了吸熱、潤滑和降低氧化膜內應力的作用;其二,西北有色院的試驗表明,Alloy C的導熱系數遠高于普通鈦合金;其三,北京有色院利用CALPHAD技術計算得到的結果表明,該合金成分設計符合"絕熱燃燒溫度"盡可能低的要求。西北有色院、一航材料院等聯合研制的低成本阻燃鈦合金Ti-40Ti-25V-15Cr-0.2Si 已研制出機匣并裝機,等待試車。利用滲金屬技術形成表面阻燃合金是另一條成本更低的技術途徑。

2. 鈦基復合材料初見曙光

為鈦基復合材料(TMC)的工程化已奮斗很多年,近期終于在F119發動機上獲得了應用,即選用SiC纖維/Ti-6242S復合材料制成矢量噴管驅動器活塞。不久前,荷蘭飛機起落架開發公司SP航宇公司又宣稱,荷蘭空軍試飛了裝有鈦基復合材料主起落架下部后撐桿的F-16。與原用的300M鋼相比,新材料可減重40%,成本也已接近戰斗機設計認可的指標,因此洛克希德·馬丁公司也打算在F-35聯合攻擊機上采用這種TMC材料制造起落架零件。據稱用TMC取代Ti-6Al-4V合金制造的空心寬弦風扇葉片,其成本更低。

3. 纖維/鈦層板嶄露頭角

層間混合材料(如圖3所示)因其比強度和疲勞壽命遠高于單金屬材料且成本遠低于纖維增強的復合材料,已引起人們的廣泛興趣。從20世紀80年代以來該材料已經歷了第一代ARALL(芳綸纖維鋁合金層板)、第二代GLARE(玻璃纖維鋁合金層板)、第三代CARE(碳纖維鋁合金層板)到第四代TiGr(石墨纖維鈦合金層板)的發展過程。一航材料院研制的ARALL已用于殲八Ⅱ的方向舵上,解決了原鋁合金方向舵鉚釘孔處裂紋擴展的問題。GLARE已大面積地用于A380機身壁板和尾翼上,而TiGr則用于制造B7E7的機翼和機身蒙皮。TiGr還可用于蜂窩夾層的面板。實踐表明,自動鋪放的TiGr層板的性能優于手工鋪疊的TiGr層板。CARE因很難解決碳纖維與鋁合金之間的接觸腐蝕問題,迄今無商業化產品。而TiGr既無電化學腐蝕問題,又可進一步提高綜合性能(特別是比強度和高溫性能)。

4. 超塑性鈦合金獨樹一幟

超塑性成形、等溫鍛造、近等溫鍛造等先進工藝技術所具有的優越性促進了自身的發展。然而,鍛造成形溫度過高帶來的模具制造、加熱費用昂貴問題,影響了產品成本的進一步降低和工藝技術進一步的擴大應用。據此,日本推出了SP700(Ti-4.5Al-3V-2Fe-1Mo)合金。這是第一個以SP(超塑的英文縮寫)為型號的鈦合金。與Ti-6Al-4V相比,其等溫鍛造或超塑成形的溫度降低了120℃(即從900℃降至780℃),最佳超塑條件下的延伸率提高一倍(即從1000%增至2000%)。SP700還具有優于Ti-6Al-4V的綜合力學性能、熱處理淬透性和冷加工性。SP700呈現上述優越特性的重要原因之一是在同樣工藝條件下SP700能獲得更細于Ti-6Al-4V的晶粒尺寸(分別為2μm和5μm)。正緣于此,SP700當前已作為一種新型工程合金用于制造高爾夫球頭等體育用品和活動扳手等工具,而且已引起航空界的密切關注,正在考慮應用于飛機及發動機零件的可能性。

5. 特大整體結構件鍛造工藝余音繞梁

為了提高結構效率、減輕結構重量、縮短生產周期和降低生產成本,結構整體化是先進飛機的重要發展方向。F/A-22的機身隔框就采用了整體結構,這就需要提供前所未有的特大規格的鈦合金模鍛件,從而顯著增加了充填成型和組織控制方面的困難。F/A-22的中機身有4個很大的Ti-6Al-4V整體式隔框,其中最大的"583"隔框鍛件重27

70kg,投影面積5.53m2,是迄今為止最大的航空用鈦合金鍛件。F/A-22后機身的一個發動機艙的隔框也很大。魏曼戈登公司在45000t水壓機上生產了該隔框模鍛件,鍛件長3.8 m,寬1.7 m,投影面積5.2 m2,重1590 kg。按通常的Ti-6Al-4V合金的模鍛變形抗力來計算,這么大投影面積的鍛件是不可能模鍛出來的。已知的情況表明,該公司采用以下三大關鍵技術確保特大鈦合金鍛件的形狀尺寸和組織性能:一是采用優良的潤滑劑以降低變形抗力;二是采用計算機有限元方法模擬模鍛時金屬流變、充填情況以確定可保證最終形狀尺寸的工藝(包括模具和預制坯的設計方案);三是搞好全過程(從開坯至最終模鍛)的工藝設計以確保最終鍛件的組織性能。雖然我們可以從中粗略地感覺到"協奏曲"的美妙之處,但仍不能完全理解在45000t水壓機上能模鍛出如此大規格鍛件的理由,還得細細品味其繞梁的余音以探究存在其他"奧妙之處"的可能性。

6. 金屬型精鑄工藝重開天日

很早以前,人們就否定了金屬型(長久性鑄型)用于鈦合金鑄造的可能性。然而,普·惠公司近期的實踐表明,金屬型不僅適用于鈦合金鑄造,而且與陶瓷型(熔模)相比,可以降低40%成本,減少污染,獲得拉伸強度、疲勞強度更好的鈦合金精鑄件,甚至可以和鈦合金鍛件的性能相媲美。普·惠公司已應用金屬型精鑄技術制造了F119發動機的第4、5級高壓壓氣機阻燃鈦合金導流葉片。該公司還打算探索金屬型精鑄工藝用于制造轉子葉片(含風扇葉片)的可能性。

7. 大型整體結構件精鑄工藝方興未艾

航空用鈦合金領域近期工程化發展中最耀眼的"亮點"當屬大型整體結構件熔模精鑄工藝。一些先進發動機都用該工藝制造了整體機匣。更引人注目的是,由Ti-6Al-4V合金制造的F/A-22垂尾方向舵作動筒支座等6個大型整體結構件和V-22傾轉旋翼飛機的轉接座都采用了該新型精鑄工藝。以V-22轉接座為例,原來由43個零件和536個緊固件裝配而成。改為整體精鑄件后則由3個零件和32個緊固件裝配而成,既顯著縮短了生產周期(加工和安裝時間減少62%)和減輕了結構重量,又降低成本30%。F/A-22上最大的兩個整體精鑄件是機翼與機身側邊連接的兩個Ti-6Al-4V接頭(加工后成品重量分別為87 kg和58kg)。如此關鍵的零件都敢選用鑄件主要靠關鍵技術及其顯著的效果。三大關鍵技術:一是高水平和準確的計算機模擬技術,二是熱等靜壓技術(包括大型裝備),三是新型的β熱處理技術。顯著的效果是往往能一次成功地研制出形狀尺寸、組織性能、冶金質量均獲得精確控制的大型復雜精鑄件,其許用應力和安全可靠性可等同于鍛件。

8. 激光成形工藝前程似錦

這是一種由高功率激光鍍覆技術與快速原型技術結合而成的金屬粉末熔化和直接沉積的新工藝,是兩所大學與兩大公司聯合研究成功的。激光成形(Lasform)工藝的主要特點是:不需要模具、工夾具等硬件而在軟件驅動下進行柔性加工;生產周期短,可對各種新設計或改變設計的產品作出快速反應;成本低;近凈成形;特別適用于大型復雜薄壁整體結構件的制造;力學性能達到或超過鍛件水平;可裁縫式地制成"變成分"的材料或零件。F/A-18E/F已選定4個Ti-6Al-4V大型構件應用此工藝。后勤局最近與AeroMet公司簽訂了1900萬美元的協議,用激光成形法為軍用飛機與發動機制造鈦合金結構件的試生產件。[B]西工大、北航等單位也在開展激光成形工藝的研究工作。例如西工大最近研制了某新型戰斗機用的TC4鈦合金典型構件,其室溫拉伸性能達到或超過鍛件水平[/B]。

9. 摩擦焊工藝梅開三度

在CFM56等航空發動機中通常采用鈦合金盤與盤之間的慣性摩擦焊。普·惠公

司已成功地采用線性摩擦焊工藝將轉子葉片與盤連接成整體葉盤(Blisk),并實際應用于F119發動機多級鈦合金風扇和壓氣機轉子。未來摩擦焊將會應用到今后發展的整體葉環(Bling)中。近期發展的攪拌摩擦焊又為摩擦焊工藝在飛機零件中的廣泛應用開辟了道路。北京航空制造工程研究所已購買了焊接研究所有關攪拌摩擦焊的專利,預期也將取得迅速發展。

10. β熱處理工藝一箭三雕

突破傳統的α+β熱處理工藝而采用β熱處理工藝的是高溫鈦合金領域,其初衷是為了提高蠕變抗力(相應地提高使用溫度),這是β熱處理工藝射中的第一"雕"。其次,β熱處理工藝被廣泛應用于高損傷容限鈦合金,其主要目的是大幅度地提高斷裂韌性(KIC)和降低疲勞裂紋擴展速率(da/dN)。例如F/A-22飛機上占結構重量41%的鈦合金,主要是Ti-6Al-4V和Ti-62222(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo)這兩種型號,均大量采用了β熱處理工藝(包括5個特大的Ti-6Al-4V鈦合金隔框鍛件),以適應損傷容限設計的要求。β熱處理工藝射中的第三"雕"是鑄造鈦合金,其主要目的是顯著提高鑄件的疲勞強度,以保證鈦合金鑄件的使用可靠性。這是設計師們敢于在一些關鍵部位選用鈦合金鑄件的重要原因之一。一航材料院以鈦合金傘艙梁和壓氣機盤為對象開展了較系統的研究,創立了具有自己特色的新型β熱處理工藝--BRCT熱處理工藝,其綜合性能優于英、美常用的β熱處理工藝。

航空用鈦合金的發展歷程反映了一個辯證關系:成分創新與工藝創新是材料技術創新主要的兩大途徑。從鈦合金近期工程化發展的情況來看,工藝創新的"亮點"似乎更多一些。航空鈦合金的發展歷程又告訴我們:性能驅動和成本驅動是材料技術發展永恒的兩大動力。兩者不可偏廢,必須綜合考慮,但可根據不同使用對象和不同歷史時期有所側重。從鈦合金近期工程化發展的情況來看,成本驅動的"馬力"似乎更大一些。從一定意義上說,近期發展中工藝創新"亮點"較多的原因主要是工藝創新途徑往往能更好、更快、更省地達到高性能、低成本的效果。

篇二:航空材料發展史

航空材料發展史

第一章 遠古的夢

人類有史以來就向往著能夠自由飛行。古老的神話故事訴說著人類早年的飛行夢,直至1900年10月的一個傍晚,當威爾伯.萊特趴在易碎的滑翔機骨架上,迎著海風飄了起來,直至1903年12月17日,“飛行者一號”試飛成功。人類從此開始了征服藍天的旅程。100多年間,航空領域迅速發展,各式的飛機層出不窮。人類對飛機性能要求越來越高,早期的木質‘飛行者一號’早已經進入了歷史的博物館。

(1903年12月17日萊特兄弟駕駛他們制造的飛行器員進行持續的、有動力的、可操縱的飛行)

最早的飛機機翼是木質骨架帆布蒙皮,其根本是由于材質輕盈。這樣才足以達到升力大于重力而飛行的最基本要求。由于材料過于輕

便,導致天氣因素對于飛行影響較大,天空中總是存在風的,這就使得實現飛機飛行的關鍵在于如何調節飛機前后左右各個方向的受力平衡,特別是飛機的重心和升力受力點之間的關系。如何解決平衡和操縱問題就成了阻礙人類飛行的第一個難題。盡管萊特兄弟的‘飛行者一號’被一陣狂風掀飛遭到嚴重損壞,但是這已經促進了航空商業事業的萌發和未來的發展。

第二章 戰爭的催化

之后人們注意到了飛機在軍事上的重要作用,第一次世界大戰初期,飛機用于戰場上空指引炮兵射擊、偵察和轟炸,飛機逐漸發展為裝備有手槍、手榴彈而后發展成為機槍、炸彈而頗具攻擊性得戰場殺手。這就是殲擊機的鼻祖。限于當時技術的影響,飛機的材料仍然局限于木質和帆布。之后硬鋁的出現給機體結構帶來巨大的變化。1910~1925年開始用鋼管代替木材作機身骨架,用鋁作蒙皮,制造全金屬結構的飛機。金屬結構飛機提高了結構強度,改善了氣動外形,使飛機性能得到了提高。飛機的時代已經開始了。 第一次世界大戰結束后,都沒有停止對全金屬結構的戰斗機的探索,在二戰中,飛機得到了更加廣泛的使用。人們此時更加致力于尋找材料可以使飛機的行動更加敏捷。40年代全金屬結構飛機的時速已超過 600公里。

洛克希德P-38,擊落山本五十六的功臣

然而,在飛機不斷提速過程中,如何冷卻發動機和機身地嚴絲合縫,成為當時的難題。當時發動機主要由鋁合金、鎂合金、高強度鋼和不銹鋼等制造,由于戰爭影響,民用航空飛機始終發展緩慢。在兩次世界大戰之間逐漸發展了全金屬結構的戰斗機,重要的是不銹鋼骨架鋁合金蒙皮的結構,并且出現了翼盒的設計。當然二戰期間由于金屬缺乏都采用過木質結構的飛機,但是不銹鋼骨架鋁合金蒙皮的全金屬飛機 已經成為主流。

鋁合金密度低,但強度比較高,接近或超過優質鋼,塑性好,可加工成各種型材,具有優良的導熱性和抗蝕性,工業上廣泛使用,使用量僅次于鋼。適合用于承載大重量的中等結構材料中。

【責任編輯:(Top) 返回頁面頂端

下一篇:鎳基合金發展新趨勢

上一篇:提高產業鏈準入門檻緊固件才能有序發展

Copyright 2021 河北習鐵緊固件有限公司 All Rights Reserved.   【站點地圖】   技術支持:河北網加思維   冀ICP備18004398號-3
<optgroup id="ck6ec"></optgroup>
<center id="ck6ec"></center>
<optgroup id="ck6ec"></optgroup>
<noscript id="ck6ec"><div id="ck6ec"></div></noscript>
<noscript id="ck6ec"><div id="ck6ec"></div></noscript>
<center id="ck6ec"></center>
<center id="ck6ec"></center>
<noscript id="ck6ec"><wbr id="ck6ec"></wbr></noscript>
<noscript id="ck6ec"><tr id="ck6ec"></tr></noscript><optgroup id="ck6ec"></optgroup>
国产免费三级a在线观看_中文字幕av一区_熟女网_影音先锋人妻每日资源站