Il rame è un conduttore malleabile, duttile ed eccellente di calore ed elettricità. È utilizzato in vari settori, tra cui elettrico, edile, automobilistico e idraulico. Esistono diversi gradi e standard di materiali in rame, eccone alcuni:
Negli ultimi anni, pur continuando a prestare attenzione alla sicurezza degli aeromobili e dei motori, la comunità aeronautica nazionale ed estera è anche sempre più preoccupata per il risparmio di risorse, la riduzione dei costi, la protezione dell'ambiente e altre questioni. In questo contesto, l'industria dell'aviazione verde ha compiuto alcuni progressi. L'aviazione verde copre l'intero processo di sviluppo e utilizzo della progettazione, produzione, uso, manutenzione, ritiro, recupero, ecc. degli aeromobili, coinvolgendo campi tecnici tra cui materiali verdi, produzione verde, manutenzione verde, ecc.
Il cosiddetto materiale verde si riferisce alla massimizzazione dell'utilizzo delle risorse e alla minimizzazione dei costi di utilizzo e dell'impatto ambientale durante l'intero ciclo di progettazione del materiale, selezione delle materie prime, lavorazione e produzione, imballaggio e trasporto, utilizzo, recupero e riutilizzo. Il nostro paese ha iniziato a sviluppare vigorosamente la nuova tecnologia dei materiali, ogni nuova tecnologia dei materiali è stata una svolta, la ricerca sui nuovi materiali per l'aviazione ha ottenuto risultati gratificanti. Guardando al futuro, nuovi materiali aeronautici saranno sviluppati nella direzione di multiuso, alte prestazioni, nuovi processi, basso costo e nuovi concetti. Con il miglioramento del livello di ricerca e sviluppo indipendente della Cina nel campo dei nuovi materiali per l'aviazione, dobbiamo migliorare in modo completo il livello tecnico dei materiali per l'aviazione verde dagli aspetti della progettazione dei materiali, del processo di preparazione, dello sviluppo dei materiali, del riciclaggio e di altri aspetti, e congiuntamente creare un futuro migliore dell'aviazione verde.
In primo luogo, la necessità di sviluppare un'industria aeronautica verde
Il 2021 è il primo anno del 14° piano quinquennale. In quanto posizione centrale dell'intera catena dell'industria militare, il nuovo settore dei materiali dovrebbe inaugurare uno spazio più ampio per lo sviluppo. Il XX secolo è un secolo di rapido sviluppo della scienza e della tecnologia moderne, uno dei simboli importanti sono le brillanti conquiste che gli esseri umani hanno ottenuto nel campo dell'aeronautica e dell'astronautica. Nel 21° secolo, l'industria aerospaziale ha mostrato una più ampia prospettiva di sviluppo e le attività aerospaziali di alto o altissimo livello sono diventate più frequenti. I grandi successi dell'industria aerospaziale sono inseparabili dallo sviluppo e dalla svolta della tecnologia dei materiali aerospaziali. I materiali sono il fondamento e il precursore dell'alta tecnologia e dell'industria moderna e in larga misura sono il prerequisito per la svolta dell'alta tecnologia. Lo sviluppo di materiali aerospaziali gioca un ruolo importante nel supportare e garantire la tecnologia aerospaziale. A loro volta, le esigenze di sviluppo della tecnologia aerospaziale guidano e promuovono notevolmente lo sviluppo di materiali aerospaziali. Si può affermare che il progresso dei materiali svolge un ruolo chiave di supporto nell'aggiornamento degli aeromobili.
I materiali aeronautici non sono solo la garanzia materiale per lo sviluppo e la produzione di prodotti aeronautici, ma anche la base tecnica per l'aggiornamento dei prodotti aeronautici. I materiali svolgono un ruolo importante nello sviluppo dell'industria aeronautica e dei prodotti aeronautici. Nel 21° secolo, i materiali aeronautici si stanno sviluppando nella direzione di alte prestazioni, alta funzionalità, multifunzionalità, integrazione di strutture e funzioni, composti, intelligenti, a basso costo e compatibilità ambientale.
Nel suo rapporto di lavoro del governo del 2022, l'ex premier Li Keqiang ha proposto di migliorare continuamente l'ambiente ecologico, promuovere uno sviluppo verde e a basse emissioni di carbonio, rafforzare il controllo dell'inquinamento e la protezione e il ripristino ecologici, trovare un equilibrio tra sviluppo e riduzione delle emissioni e promuovere una coesistenza armoniosa tra uomo e natura. Negli ultimi anni, pur continuando a prestare attenzione alla sicurezza degli aeromobili, la comunità dell'aviazione nazionale ed estera è anche sempre più preoccupata per il risparmio di risorse, la riduzione dei costi, la protezione dell'ambiente e altre questioni. In questo contesto, l'aviazione verde ha compiuto alcuni progressi. Velivoli verso una direzione di sviluppo più sicura e affidabile, leggera, dura, ecologica, proponendo così requisiti sempre più elevati per i materiali, ma promuovono anche la velocità di volo, l'affidabilità, il basso costo, l'alta efficienza e il comfort dell'aeromobile e altri aspetti dell'aggiornamento . Nella nuova situazione industriale, lo sviluppo di materiali verdi per l'aviazione di fascia alta e la sua tecnologia di preparazione e lavorazione è di grande importanza per sostenere lo sviluppo sostenibile dell'industria aeronautica cinese. In una parola, spinto dal rapido sviluppo dell'industria moderna globale, lo sviluppo verde dei materiali aeronautici è una tendenza inevitabile e un requisito urgente dello sviluppo economico.
II. Avanzamento della ricerca di nuovi materiali aeronautici
I materiali aeronautici in una certa misura determinano il costo di produzione della struttura della carrozzeria dell'aeromobile. Poiché l'attrezzatura aeronautica cinese è stata introdotta principalmente nella fase iniziale, utilizza principalmente il sistema di materiale estraneo nella selezione del materiale. Negli ultimi anni, la Cina ha iniziato a sviluppare vigorosamente la nuova tecnologia dei materiali e la nuova tecnologia dei materiali ha fatto progressi continui e anche la ricerca sui nuovi materiali per l'aviazione ha ottenuto risultati gratificanti. Tuttavia, esiste ancora un ampio divario tra il livello generale dell'industria dei nuovi materiali per l'aviazione e il livello avanzato internazionale.
(A) Lega di titanio: eccellenti proprietà del "metallo universale"
Il titanio ha le caratteristiche di basso peso specifico e alta resistenza specifica e la sua lega è di grande importanza per aumentare il rapporto peso-spinta degli aeromobili nel campo aerospaziale ed è stata ampiamente utilizzata negli ultimi anni. Oltre ai campi militare e aerospaziale, la lega di titanio è ampiamente utilizzata anche in chimica, metallurgia, medicina, sport e tempo libero e in altri campi.
Stato di sviluppo dei materiali in lega di titanio per l'aviazione all'estero
1) Lega di titanio ad alta temperatura: la lega di titanio ad alta temperatura viene utilizzata principalmente nella guida di scorrimento delle alette degli aeromobili, nell'alloggiamento dei cuscinetti, nella staffa, nel cofano motore, nel disco e nella lama del compressore, nell'involucro e in altre parti strutturali del telaio. Questi componenti richiedono un'elevata resistenza specifica, resistenza alla fatica, resistenza allo scorrimento e stabilità strutturale a 300 ~ 600 gradi. Allo stato attuale, per conto del livello avanzato internazionale dei marchi di leghe di titanio ad alta temperatura includono principalmente gli Stati Uniti Ti-6242S, Ti-1100, IMI834, BT36 della Russia e così via.
2) Lega di titanio ad alta resistenza: la lega di titanio ad alta resistenza di solito si riferisce alla resistenza alla trazione di una lega di titanio superiore a 1000 MPa, utilizzata principalmente per sostituire l'acciaio strutturale ad alta resistenza comunemente utilizzato nella struttura degli aeromobili, può ottenere una riduzione del peso del 10%. Attualmente, le leghe di titanio ad alta resistenza utilizzate negli aerei sono principalmente leghe di titanio di tipo -, rappresentative dei principali Ti-1023, BT22, Ti-153, -21S e così via.
3) Lega di titanio ignifuga: Attualmente, le tipiche leghe di titanio ignifughe sono la lega C negli Stati Uniti e la BTT-1 in Russia. La lega C (Ti-35V{-15Cr), sviluppata negli Stati Uniti, è una lega di titanio di tipo - con buona resistenza alle alte temperature e resistenza all'ossidazione. È stato applicato all'involucro del compressore ad alta pressione, all'aletta di guida e all'ugello di coda vettoriale del motore Fl19. La lega di titanio ritardante di fiamma Ti-Cu-Al BTT-1 sviluppata in Russia ha una buona lavorabilità termica ed è stata utilizzata nella carcassa e nelle pale del compressore del motore.
Stato di sviluppo dei materiali in lega di titanio per l'aviazione domestica
1) Lega di titanio ad alta temperatura: la lega Ti -60 è una lega di titanio ad alta temperatura a 600 gradi sviluppata in modo indipendente dal nostro paese. La lega è basata sulla lega TAl₂ (Ti{-55) che aggiunge elementi Al, Sn, Si con contenuto appropriato, in modo da migliorare ulteriormente la stabilità termica, lo scorrimento ad alta temperatura e la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura della lega.
2) Lega di titanio strutturale ad alta resistenza: un lotto di lega di titanio strutturale ad alta resistenza è stato sviluppato in modo indipendente tra gli anni '70 e '90. La resistenza di queste leghe di titanio può raggiungere il livello di 1100-1300MPa. All'inizio del 21 ° secolo, ci sono due tipi di lega di beta titanio rappresentativa: ① quasi titanio Ti-B18, la resistenza alla trazione può raggiungere 1150 ~ 1350 MPa; ② Lega di titanio metastabile Ti-B20, resistenza alla trazione fino a 1200 ~ 1600 MPa.
3) Lega di titanio ignifuga: nel corso degli anni, la Cina ha condotto ricerche approfondite sulla lega di titanio ignifuga. Facendo riferimento alla lega AlloyC, sono state progettate rispettivamente le serie di leghe di titanio ritardanti di fiamma Ti-V-Cr-Al, Ti-Mo-Cr-Al, Ti-Mo-V-Cr-Al3 e il meccanismo anti-combustione è stato studiato mediante della simulazione al computer. Inoltre, le leghe di titanio ignifughe TF1 (serie Ti-V-Cr-C) e TF2 (serie Ti-Cu) sono state progettate dopo un'analisi sistematica di diversi sistemi di Stati Uniti, Gran Bretagna e Russia. La lega Ti-40 (Ti-V-Cr-Si) è una lega di titanio ritardante di fiamma sviluppata in modo indipendente in Cina. Rispetto alla lega di titanio convenzionale, la lega Ti-40 ha eccellenti proprietà ignifughe e meccaniche. Allo stato attuale, la ricerca sulle leghe si è sviluppata dalla scala di laboratorio alla scala semi-industriale, è stata in grado di preparare lingotti Ti40 ton, barre di grandi dimensioni e forgiati ad anello.
A causa dell'inizio tardivo dell'industria manifatturiera dell'aviazione nazionale, i materiali in titanio e lega di titanio nel settore dell'aviazione nazionale non sono grandi, i materiali in titanio utilizzati nel settore dell'aviazione hanno rappresentato meno del 20 percento, molto al di sotto del livello medio internazionale di circa 50 per cento e l'industria del titanio rispetto ai paesi sviluppati c'è ancora un grande divario: in primo luogo, i prodotti in lega di titanio di fascia alta sono ancora principalmente imitazioni, il livello di sviluppo del materiale è basso, la gamma di applicazioni è ristretta, prestazioni complete elevate e basso- costo lo sviluppo della lega di titanio è per lo più in fase di laboratorio; In secondo luogo, la qualità della metallurgia non è stabile, meno varietà, specifiche incomplete; In terzo luogo, il progresso della ricerca delle tecnologie di supporto correlate è lento e il sistema di materiali in lega di titanio auto-sviluppato deve essere migliorato.
(2) Superlega: concentrandosi sulle esigenze dei motori militari
Superlega, per alte temperature
L'acciaio tradizionale si ammorbidisce oltre i 300 gradi Celsius e non può sopportare le alte temperature. Al fine di perseguire una maggiore efficienza di conversione energetica, il campo della potenza del motore termico richiede temperature di lavoro sempre più elevate. Di conseguenza, le superleghe sono state allevate per funzionare stabilmente a temperature superiori a 600 gradi Celsius e la tecnologia continua a migliorare.
Le superleghe si dividono in superleghe a base di ferro e superleghe a base di nichel in base ai principali elementi della lega. Secondo Zhiyan Consulting, divisa per processo di prodotto nel 2018, la produzione di superlega a base di nichel rappresentava l'80%, la superlega a base di ferro il 14,3% e la superlega a base di cobalto il 5,7%.
La superlega è il materiale chiave del motore aeronautico. La superlega è stata utilizzata nei motori aeronautici sin dalla sua nascita ed è un materiale importante per la produzione di motori aerospaziali. Il livello di prestazioni del motore dipende in gran parte dal livello di prestazioni del materiale superlega. Nei moderni motori aeronautici, la quantità di materiale in superlega rappresenta il 40% ~ 60% del peso totale del motore. Viene utilizzato principalmente in quattro componenti dell'estremità calda: camera di combustione, guida, pala della turbina e disco della turbina. Inoltre, viene utilizzato anche nell'involucro, nelle parti ad anello, nel postcombustore e nell'ugello di coda.
L'industria cinese delle leghe ad alta temperatura è attualmente nel periodo di crescita e le imprese della catena industriale hanno un ampio spazio di sviluppo in futuro. Il numero di imprese di produzione di superleghe in Cina è limitato e il livello di produzione è inferiore a quello di Stati Uniti, Russia e altri paesi. Tuttavia, negli ultimi anni, la capacità produttiva e il valore della produzione sono stati notevolmente migliorati. Molti progetti di capacità di produzione di superleghe di Lianshi Aviation, Western Superconductor e altre società sono in costruzione e messi in funzione.
Le proprietà della superlega per motori aeronautici sono in continuo sviluppo
1) Superleghe a base di ferro: una delle caratteristiche del sistema di superleghe cinesi.
A causa della mancanza di nichel e poco cobalto nelle risorse cinesi, lo sviluppo, la produzione e l'applicazione della superlega a base di ferro divennero una scena brillante negli anni '60 e '70.
Le superleghe a base di ferro sono generalmente utilizzate nelle parti del motore con basse temperature di esercizio (600~850 gradi C), come i dischi delle turbine, la carcassa e gli alberi. Tuttavia, la superlega a base di Fe ha buone proprietà meccaniche a media temperatura, paragonabili o migliori di simili leghe a base di nichel. Inoltre, è economico e facile da deformare nella lavorazione a caldo. Pertanto, la superlega a base di Fe è ancora ampiamente utilizzata come materiali per dischi di turbine e pale di turbine nel campo delle medie temperature.
2) Superleghe a base di nichel: deformazione/fusione/upgrade di nuove leghe per generazione.
Le superleghe a base di nichel generalmente funzionano in determinate condizioni di stress superiori a 600 gradi. Non solo hanno una buona resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura, ma hanno anche resistenza alle alte temperature, resistenza allo scorrimento e resistenza duratura, nonché buona resistenza alla fatica. Viene utilizzato principalmente in campo aerospaziale per componenti strutturali che lavorano in condizioni di alta temperatura, come le pale di lavoro, i dischi delle turbine, le camere di combustione dei motori aeronautici, ecc.
Secondo il processo di fabbricazione, la superlega a base di nichel può essere suddivisa in lega variabile, superlega di colata, nuova superlega. La superlega fusa a base di nichel viene utilizzata principalmente nelle pale guida delle turbine nei motori, dove la temperatura di esercizio può raggiungere più di 1100 gradi, oppure può essere utilizzata anche nelle pale delle turbine, la cui temperatura è inferiore alla corrispondente lama guida 50-100 gradi .
Poiché la temperatura di lavorazione della lega resistente al calore è sempre più alta, gli elementi di rinforzo nella lega sono sempre di più, la composizione è più complessa, con il risultato che alcune leghe possono essere utilizzate solo allo stato fuso, non possono essere deformate a caldo. Inoltre, l'aumento degli elementi di lega rende grave la segregazione della composizione della lega a base di nichel dopo la solidificazione, con conseguente microstruttura e proprietà non uniformi. L'utilizzo del processo di metallurgia delle polveri per produrre superleghe può risolvere i problemi di cui sopra. Poiché la particella di polvere è piccola, la velocità di raffreddamento è elevata quando viene prodotta la polvere, la segregazione viene eliminata, la lavorabilità a caldo è migliorata, la lega che può essere fusa solo viene trasformata nella superlega di deformazione che può essere lavorata a caldo, la resistenza allo snervamento e le proprietà a fatica sono migliorate, la superlega in polvere ha prodotto un nuovo modo per la produzione di leghe ad alta resistenza. La superlega in polvere viene utilizzata principalmente nella produzione di dischi turbina di motori aeronautici avanzati con elevato rapporto di spinta, e anche nella produzione di dischi compressori, alberi turbine, deflettori turbine e altre parti calde ad alta temperatura di motori aeronautici avanzati.
3) superlega a base di cobalto: la resistenza alla corrosione e altri campi speciali hanno ampie prospettive.
La resistenza all'ossidazione della superlega a base di cobalto è scarsa, ma la sua resistenza alla corrosione termica è migliore del nichel. La superlega a base di cobalto ha anche una maggiore resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione termica, affaticamento termico e resistenza allo scorrimento rispetto alla superlega a base di nichel, che è adatta per la produzione di pale e ugelli di guida per turbine a gas.
A causa delle risorse limitate, nel nostro paese sono state sviluppate leghe a base di cobalto come K40, GH188 e L605. Dal 2001, la ricerca di GE sulle superleghe a base di cobalto si è concentrata sull'utilizzo di superleghe a base di cobalto come materiali di substrato per le turbine a gas e sulla preparazione di rivestimenti come i rivestimenti di barriera termica sulla superficie delle leghe per migliorare la resistenza alla corrosione.
A causa delle limitazioni materiali, il cobalto è relativamente raro e costoso sulla Terra. Al momento, il calore della ricerca basata sul cobalto è diminuito e molte ricerche scientifiche rimangono nella fase teorica come l'esperimento di modellazione digitale.
La prima generazione di lega per aerei militari, motore con lega ad alta temperatura o entra nel periodo di volume rapido
I requisiti di temperatura del motore stanno aumentando. Un elevato rapporto spinta/peso richiede una temperatura dell'ugello più elevata e un supporto del materiale a una temperatura di esercizio più elevata. Nello sviluppo della superlega nel mondo, i materiali delle pale del motore e del disco hanno subito quattro fasi, vale a dire deformazione, fusione, orientamento e cristallo singolo. La temperatura è gradualmente aumentata da 600 gradi a più di 1100 gradi.
L'aggiornamento degli aerei militari è stato accompagnato dall'aggiornamento delle superleghe. Il materiale del nucleo del motore turbofan di prima generazione è una superlega deformata e la temperatura di esercizio del materiale del nucleo è di 650 gradi. Con il motore turbofan di quarta generazione, la temperatura di lavoro del materiale del nucleo ha raggiunto i 1200 gradi e viene adottata la superlega a cristallo singolo. Il potenziamento degli aerei militari è stato accompagnato dal potenziamento della superlega, il materiale di base del motore. L'aggiornamento della superlega necessita di ricerca