工藝創(chuàng)新在航空材料中的作用(編輯修改稿)
2025-02-01 22:37 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 纖維表面光滑，截面均勻，還可防止斷絲。目前已用此法獲得直徑為 10?m的不銹鋼超細(xì)纖維?！窭淅?xì)纖維與碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等組合成混合纖維，加入到樹(shù)脂基體中制成復(fù)合材料可發(fā)揮綜合性能優(yōu)勢(shì)，獲得飛機(jī)設(shè)計(jì)師們的青睞。 凝固成形工藝的典例 金屬型精鑄工藝●美 Howmet公司和 PW 公司聯(lián)合推出， 1991年開(kāi)始用于高溫合金，后來(lái)又用于鈦合金?！穹?GMM（重力金屬型鑄造）和 VDC（真空金屬模鑄造）?！衽c陶瓷型熔模鑄造相比，節(jié)省成本 40～ 50% ，減少了污染，提高了性能（見(jiàn)圖）。鈦合金金屬型鑄件與陶瓷型鑄件、鍛件的性能對(duì)比●已用 GMM工藝制造了 F119發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)第 5級(jí)阻燃鈦合金可調(diào)式導(dǎo)流葉片精鑄件（見(jiàn)圖） ?！翊蛩阌?VDC工藝制造鈦合金風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片，如能實(shí)現(xiàn)，則更是一個(gè)重大突破。F119發(fā)動(dòng)機(jī)（ F/A22用） F119發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)第 5級(jí)阻燃鈦合金可調(diào)式導(dǎo)流葉片金屬型鑄件●小型件 → 大型整體發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣 → 大型復(fù)雜整體飛機(jī)結(jié)構(gòu)件●應(yīng)用典例之一 ——V22 Osprey 垂直起落飛機(jī)（傾轉(zhuǎn)式旋翼）的轉(zhuǎn)接座（見(jiàn)圖）V22 Osprey飛機(jī) Ti6Al4V 轉(zhuǎn)接座 大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件熔模精鑄●應(yīng)用典例之二 ——F22 飛機(jī)的垂尾方向舵作動(dòng)筒支座F22（ 2023年前開(kāi)始服役）● 為什么要用？主要是為了大幅度減少零件數(shù)而顯著降低成本、縮短周期和減輕結(jié)構(gòu)重量。以 V22轉(zhuǎn)接座為例，降低成本 30%，加工和安裝時(shí)間減少 62%V22轉(zhuǎn)接座前后兩種方案的對(duì)比示意圖主要靠關(guān)鍵技術(shù)及其誘人的效果壯了膽?！袢箨P(guān)鍵技術(shù)： (1)計(jì)算機(jī)技術(shù)（特別是工藝模擬）； (2)熱等靜壓； (3)β熱處理?！裾T人的效果：鑄造系數(shù)從 ～ ；既精確控形，也精確控性。●促進(jìn)了鈦合金鑄件在 F22等飛機(jī)上的大量應(yīng)用， F22就有 6個(gè)大型 Ti6Al4V鑄件，連 F22的側(cè)機(jī)身與機(jī)翼的接頭這種非常關(guān)鍵的零件都采用了 Ti6Al4V鑄件，無(wú)疑這是鈦合金鑄造技術(shù)邁出的非常大的一步！——2023 年初 Howmet公司又接到一批 F22大型鈦鑄件的訂貨合同，總價(jià)值 800萬(wàn)美元?！? 為什么敢用？美國(guó)、英國(guó)與航材院渦輪葉片用高溫合金的發(fā)展 高溫合金葉片材料的發(fā)展史首先是工藝創(chuàng)新的發(fā)展史葉片冷卻方式與渦輪進(jìn)口溫度的關(guān)系● F119發(fā)動(dòng)機(jī) (F22用 )的渦輪轉(zhuǎn)子葉片選用了第二代單晶高溫合金 PWA1484, 該材料本身的最高工作溫度為 1070℃ 左右，由于采用了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序設(shè)計(jì)制造了超級(jí)冷卻葉片，使渦輪轉(zhuǎn)子葉片的工作溫度提高至 1621～ 1677 ℃ （F100發(fā)動(dòng)機(jī)為 1400℃ ）。具有如此復(fù)雜的冷卻孔道的葉片要精鑄成單晶材料，其工藝創(chuàng)新的技術(shù)含量是非常高的，也可從中看到工藝創(chuàng)新在材料發(fā)展中的重要地位。 (a) (b)單晶渦輪空心葉片網(wǎng)格劃分 (a)凝固過(guò)程三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果 (b)無(wú)論是定向凝固還是單晶葉片，可工藝創(chuàng)新之處是很多的。例如型芯材料（定向常用氧化硅，單晶常用氧化鋁），凝固成形過(guò)程的數(shù)值模擬等。大型單晶葉片與較小葉片對(duì)比GE公司用第二代單晶合金 ReneN5鑄出長(zhǎng) 400mm、重 9Kg的 GE90發(fā)動(dòng)機(jī)單晶空心葉片。地面燃機(jī)的單晶葉片更大（見(jiàn)圖）●大型葉片單晶工藝的難度更大 高溫合金整體葉盤(pán)精鑄工藝用于 760℃ 以下工作的高溫合金零件。目的是避免或減少與粗晶伴生的連續(xù)析出碳化物、偏析和微觀縮孔，提高疲勞性能和使用可靠性。細(xì)化途徑：振動(dòng)法、熱控法、細(xì)化劑法● 細(xì)晶精鑄工藝斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)器細(xì)晶葉盤(pán)。 BIAM采用機(jī)械振動(dòng)法 +熱控法制成，使用 1000次以上仍不損壞，而從英國(guó)進(jìn)口的葉輪使用 900次以下就損壞細(xì)晶葉盤(pán)與普通葉盤(pán)的晶粒度對(duì)比高溫合金定向葉片 /細(xì)晶輪轂整體葉盤(pán)● 雙性能精鑄工藝 粉末成形工藝的典例 高溫合金渦輪盤(pán)材料的發(fā)展史同樣離不開(kāi)工藝創(chuàng)新的重要貢獻(xiàn)● 隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高 ,渦輪盤(pán)材料的關(guān)鍵性地位越來(lái)越突出。有人把它譽(yù)為 “發(fā)動(dòng)機(jī)的皇冠 ”（渦輪葉片則譽(yù)為 “皇冠上的眾多明珠 ”）?！瘛≡瓉?lái)采用變形工藝的渦輪盤(pán)材料，由于偏析等問(wèn)題很難妥善解決，其高溫蠕變抗力和疲勞性能等難以滿足較高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，于是美國(guó)創(chuàng)立了新的粉末盤(pán)的工藝路線?！窀邷睾辖鸱勰┍P(pán)的工藝路線GE公司早期沒(méi)有采用 PW 公司的超塑性鍛造工藝，而采用了熱等靜壓工藝。 1980年，用熱等靜壓工藝制成的F404發(fā)動(dòng)機(jī) Rene’95粉末渦輪盤(pán)破裂而導(dǎo)致一等事故。后來(lái)歐美的粉末盤(pán)都采用了 “擠壓開(kāi)坯 +超塑性鍛造 ”的工藝，以保證消除尺寸過(guò)大的陶瓷夾雜和改善組織性
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