Heb je je ooit afgevraagd uit welke materialen de krachtige motoren bestaan die vliegtuigen door de lucht voortstuwen? In deze blogpost verkennen we de fascinerende wereld van materialen voor vliegtuigmotoren, van legeringen met een hoge sterkte tot hittebestendig keramiek. Ontdek hoe deze materialen zorgvuldig worden geselecteerd en ontworpen om de extreme omstandigheden van de vlucht te weerstaan en de veiligheid en betrouwbaarheid van de moderne luchtvaart te garanderen.
Lucht- en ruimtevaartindustrie is het meest geconcentreerde gebied van hightech in de productie en behoort tot de geavanceerde productietechnologie.
Opmerkelijke producten zijn onder andere de F119 motor ontwikkeld door Hewlett-Packard in de Verenigde Staten, de F120 motor van General Electric, de M88-2 motor van het Franse SNECMA bedrijf en de EJ200 motor die gezamenlijk is ontwikkeld door het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, Italië en Spanje.
Dit zijn 's werelds meest geavanceerde krachtige luchtvaartmotoren en hun overeenkomst is het wijdverbreide gebruik van nieuwe materialen, nieuwe processen en nieuwe technologieën. Laten we eens kijken naar deze nieuwe materialen die worden gebruikt in krachtige luchtvaartmotoren.
Hoge-temperatuurlegeringen werden ontwikkeld om te voldoen aan de strenge materiaalvereisten van straalmotoren en zijn een onvervangbare klasse geworden van belangrijke materialen voor zowel militaire als civiele hot-end componenten van gasturbinemotoren.
Momenteel bestaat meer dan 50% van het gebruikte materiaal in geavanceerde luchtvaartmotoren uit hoge-temperatuurlegeringen.
De ontwikkeling van hogetemperatuurlegeringen is nauw verbonden met de technologische vooruitgang van luchtvaartmotoren, vooral de materialen voor turbineschijven en turbinebladen en de fabricageprocessen voor hete motoronderdelen, die belangrijke indicatoren zijn voor de ontwikkeling van motoren.
Vanwege de hoge eisen die worden gesteld aan de bestendigheid tegen hoge temperaturen en de belastbaarheid van het materiaal, ontwikkelde het Verenigd Koninkrijk aanvankelijk de met Ni3(Al, Ti) versterkte legering Nimonic80 voor gebruik als turbine voor straalmotoren. bladmateriaal. Het ontwikkelde ook achtereenvolgens de Nimonic legeringen.
De Verenigde Staten ontwikkelden aluminium en titanium bevattende dispersie versterkte nikkel gebaseerde legeringen, zoals de Inconel, Mar-M, en Udmit legeringen series ontwikkeld door respectievelijk Pratt & Whitney, General Electric, en Special Metals Corporation.
Tijdens de ontwikkeling van hogetemperatuurlegeringen speelden fabricageprocessen een belangrijke rol in de ontwikkeling van de legering. Met de opkomst van de vacuümsmelttechnologie heeft de verwijdering van schadelijke onzuiverheden en gassen uit legeringen, met name de nauwkeurige controle van de samenstelling van de legering, de prestaties van hogetemperatuurlegeringen voortdurend verbeterd.
Hierna heeft het succesvolle onderzoek naar nieuwe processen zoals directioneel stollen, enkelvoudige kristalgroei, poedermetallurgie, mechanisch legeren, keramische kerntypes, keramisch filteren, isotherm smeden, enz. de snelle ontwikkeling van hoge-temperatuurlegeringen gestimuleerd.
Hiervan springt de technologie van directioneel stollen eruit; legeringen die met dit proces worden geproduceerd - directionele, éénkristallijne legeringen - kunnen worden gebruikt bij temperaturen die 90% van hun initiële smeltpunt benaderen.
Als gevolg hiervan worden de turbinebladen van de huidige geavanceerde luchtvaartmotoren uit verschillende landen vervaardigd met richtingsgebonden, enkelvoudige kristallegeringen. Wereldwijd zijn equiaxed kristal-, richtingsgestolde zuilvormige kristal- en éénkristallegeringssystemen gevormd uit op nikkel gebaseerde gegoten hogetemperatuurlegeringen.
Poederlegeringen voor hoge temperaturen hebben zich ook ontwikkeld van de eerste generatie bij 650°C tot 750°C en 850°C poederturbineschijven en dual-performance poederschijven, die worden gebruikt in geavanceerde motoren met hoge prestaties.
Ultrasterk staal wordt gebruikt als landing tandwielmateriaal in vliegtuigen. De tweede generatie vliegtuigen gebruikte 30CrMnSiNi2A staal voor het landingsgestel, met een treksterkte van 1700 MPa. De levensduur van dit landingsgestel was echter relatief kort, ongeveer 2000 vlieguren.
Voor het ontwerp van de derde generatie gevechtsvliegtuigen wordt verwacht dat het landingsgestel een levensduur heeft van meer dan 5000 vlieguren. Door een toename van de boordapparatuur en een afname van het gewicht van de vliegtuigconstructie, worden er hogere eisen gesteld aan de selectie en fabricagetechnologie van het landingsgestel.
Zowel Amerikaanse als Chinese gevechtsvliegtuigen van de derde generatie gebruiken 300M staal (met een treksterkte van 1950 MPa) voor de productie van landingsgestellen.
Er moet op worden gewezen dat de verbetering in de technologie voor materiaaltoepassing ook de verdere verlenging van de levensduur van het landingsgestel en de verbreding van het aanpassingsvermogen stimuleert.
Het landingsgestel van de Airbus A380 maakt bijvoorbeeld gebruik van de ultra-grote integrale smeedtechnologie, nieuwe atmosferische warmtebehandelingstechnologie en hogesnelheidsvlambespuitingstechnologie, wat ervoor zorgt dat de levensduur van het landingsgestel voldoet aan de ontwerpeisen. Daarom zorgt de vooruitgang van nieuwe materialen en productietechnologieën voor de vernieuwing en modernisering van vliegtuigen.
Het ontwerp van vliegtuigen met een lange levensduur in corrosieve omgevingen stelt hogere eisen aan materialen. In vergelijking met 300M staal biedt AerMet100 staal een gelijkwaardig sterkteniveau, maar het vertoont een superieure algemene corrosieweerstand en weerstand tegen spanningscorrosie.
De bijbehorende productietechnologie voor landingsgestellen is toegepast in geavanceerde vliegtuigen zoals de F/A-18E/F, F-22 en F-35. Het staal met een hogere sterkte Aermet310, dat een lagere breuktaaiheid heeft, wordt momenteel onderzocht.
Het ultrasterke AF1410-staal, bekend om zijn extreem trage scheurgroei, wordt gebruikt in de vleugelaandrijvingsverbinding van het B-1-vliegtuig, met een gewichtsbesparing van 10,6% en een verbetering van de bewerkbaarheid van 60% in vergelijking met Ti-6Al-4V, en een kostenbesparing van 30,3%. Het hoge-sterktestaal dat gebruikt wordt in de Russische MiG-1.42 vertegenwoordigt 30% van het totaal.
PH13-8Mo is het enige martensitische precipitatiehardende roestvaste staal met hoge sterkte dat op grote schaal wordt gebruikt voor corrosiebestendige componenten.
Internationaal is de ontwikkeling van ultrasterk tandwiel(lager)staal, zoals CSS-42L en GearmetC69, getest in motoren, helikopters en de ruimtevaart.
De ontwikkeling van krachtige vliegtuigmotoren met een hoge stuwkracht en gewichtsverhouding heeft de ontwikkeling en toepassing van intermetallische verbindingen bevorderd. Vandaag de dag zijn intermetallische verbindingen geëvolueerd tot een diverse familie, meestal samengesteld uit binaire, ternaire of multi-element metaalverbindingen.
Intermetallische verbindingen hebben een aanzienlijk potentieel voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen en bieden hoge gebruikstemperaturen, hoge specifieke sterkte en thermische geleidbaarheid. Vooral bij hoge temperaturen hebben ze een uitstekende oxidatieweerstand, hoge corrosiebestendigheid en hoge kruipsterkte.
Aangezien intermetallische verbindingen een nieuw materiaal dat de kloof overbrugt tussen legeringen voor hoge temperaturen en keramische materialen, zijn ze een van de ideale materialen geworden voor onderdelen voor hoge temperaturen in vliegtuigmotoren.
Momenteel ligt binnen de structuur van vliegtuigmotoren de primaire focus van onderzoek en ontwikkeling op intermetallische verbindingen, met een bijzondere nadruk op titaanaluminium en nikkelaluminium. Deze titaanaluminiumverbindingen hebben een vergelijkbare dichtheid als titanium, maar een aanzienlijk hogere gebruikstemperatuur.
Hun gebruikstemperaturen zijn bijvoorbeeld respectievelijk 816℃ en 982℃. De sterke interatomaire bindingen en complexe kristalstructuren van intermetallische verbindingen leiden tot moeilijke vervorming en vertonen harde en brosse eigenschappen bij kamertemperatuur.
Na jaren van experimenteel onderzoek is een nieuwe legering met hoge temperatuursterkte en plasticiteit en taaiheid bij kamertemperatuur met succes ontwikkeld en met geweldige resultaten geïnstalleerd. De goed presterende F119-motor uit de Verenigde Staten gebruikt bijvoorbeeld intermetallische verbindingen in de motorbehuizing en turbineschijf. De compressorbladen en de schijf van de F120 testmotor zijn gemaakt van een nieuwe titanium aluminium intermetallische verbinding.
Als je aan keramiek denkt, denk je natuurlijk aan brosheid. Een paar decennia geleden was het ondenkbaar om het te gebruiken voor dragende onderdelen in de techniek. Zelfs nu nog, als we het hebben over keramische composieten, begrijpen sommige mensen het misschien niet, omdat ze denken dat keramiek en metaal fundamenteel ongerelateerde materialen zijn. Maar de ingenieuze combinatie van keramiek en metaal heeft onze perceptie van dit materiaal fundamenteel veranderd en heeft geleid tot keramische matrix composieten.
Keramische matrixcomposieten zijn een veelbelovend nieuw constructiemateriaal in de lucht- en ruimtevaartindustrie, vooral bij de productie van vliegtuigmotoren, waar hun unieke eigenschappen steeds duidelijker worden. Keramische matrixcomposieten zijn niet alleen licht en hard, ze zijn ook uitzonderlijk bestand tegen hoge temperaturen en corrosie bij hoge temperaturen.
Momenteel hebben composieten met keramische matrix de hittebestendigheid overtroffen. metaalachtige materialen in het weerstaan van hoge temperaturen, met uitstekende mechanische eigenschappen en chemische stabiliteit, waardoor ze een ideaal materiaal zijn voor de zones met hoge temperaturen van krachtige turbinemotoren.
Momenteel richten landen over de hele wereld hun onderzoek op met siliciumnitride en siliciumcarbide versterkte keramiek om te voldoen aan de materiaalvereisten van de volgende generatie geavanceerde motoren, en ze hebben al aanzienlijke vooruitgang geboekt. Sommige zijn al begonnen met het verwerken van deze materialen in moderne vliegtuigmotoren.
De F120 testmotor uit de Verenigde Staten gebruikt bijvoorbeeld keramische materialen in de afdichtingen van de hogedrukturbine en in sommige hogetemperatuuronderdelen van de verbrandingskamer. De Franse M88-2 motor gebruikt ook composieten met een keramische matrix in de verbrandingskamer en de straalpijp.
Koolstof-koolstof (C/C) composietmaterialen, die de laatste jaren opkomen als de meest opmerkelijke hittebestendige materialen, zijn momenteel de enige materialen die geschikt worden geacht voor gebruik in turbinerotorbladen, met een stuwkracht-gewichtsverhouding van meer dan 20 en motorinlaattemperaturen van 1930-2227°C.
Deze materialen zijn een belangrijk aandachtsgebied voor de Verenigde Staten in de 21e eeuw en een belangrijk doel dat wordt nagestreefd door geavanceerde industriële naties wereldwijd. C/C composietmaterialen, of koolstofvezelversterkte koolstofmatrixcomposieten, combineren op unieke wijze de vuurvaste aard van koolstof met de hoge sterkte en stijfheid van koolstofvezels, wat leidt tot niet-brosse breuk.
Met hun lichte gewicht, hoge sterkte, superieure thermische stabiliteit en uitstekende thermische geleidbaarheid zijn ze vandaag de dag de meest ideale hittebestendige materialen. Met name bij hoge temperaturen van 1000-1300°C neemt hun sterkte niet af, maar juist toe. Zelfs bij temperaturen lager dan 1650°C behouden ze hun sterkte en vorm bij kamertemperatuur. Bijgevolg hebben C/C composietmaterialen een aanzienlijk potentieel voor ontwikkeling in de ruimtevaartindustrie.
Het belangrijkste probleem bij de toepassing van C/C composietmaterialen in luchtvaartmotoren is hun slechte oxidatieweerstand. De afgelopen jaren hebben de Verenigde Staten dit probleem echter geleidelijk opgelost door middel van een reeks procesmaatregelen en deze geleidelijk toegepast op nieuwe motoren.
De uitlaatpijpen van de naverbrander van de F119 motor, de straalpijpen en verbrandingskamerbuizen van de F100 motor en bepaalde delen van de verbrandingskamer van de F120 validatiemotor zijn nu bijvoorbeeld gemaakt met C/C-composieten. Ook de M88-2 en Mirage 2000 motoren uit Frankrijk, inclusief hun naverbrandingsbrandstofstaven, hitteschilden en kanalen, maken gebruik van C/C-composieten.
Het onderzoek naar de toepassing van composietmaterialen op harsbasis in vliegtuigturbofanmotoren begon in de jaren 1950. Na meer dan 60 jaar ontwikkeling hebben bedrijven als GE, PW, RR, MTU en SNECMA aanzienlijke inspanningen geleverd op het gebied van onderzoek en ontwikkeling van deze materialen en daarbij aanzienlijke vooruitgang geboekt. Ze hebben deze composieten met succes ontwikkeld voor turbofanmotoren voor actieve luchtvaart en er is een trend om het gebruik ervan verder uit te breiden.
De gebruikstemperatuur van composietmaterialen op harsbasis is over het algemeen niet hoger dan 350°C. Daarom worden deze materialen voornamelijk gebruikt in de koude kant van luchtvaartmotoren. De belangrijkste toepassingsgebieden van composietmaterialen op harsbasis in geavanceerde buitenlandse luchtvaartmotoren worden hieronder geïllustreerd.
Ventilatorblad: Het ventilatorblad van de motor is een representatief kritisch onderdeel van de turbofanmotor, dat nauw samenhangt met de prestaties. Vergeleken met titaniumlegering ventilatorbladen hebben composiet ventilatorbladen op harsbasis een duidelijk voordeel wat betreft gewichtsvermindering. Naast de duidelijke gewichtsvermindering is de impact op de ventilatorbehuizing kleiner nadat het op hars gebaseerde composiet ventilatorblad is geraakt, wat gunstig is voor het verbeteren van de opvangcapaciteit van de ventilatorbehuizing.
Momenteel zijn de belangrijkste vertegenwoordigers van commercieel toegepaste composiet ventilatorbladen in het buitenland de GE90-serie motoren voor de B777, de GEnx-motoren voor de B787 en de LEAP-X-motoren voor de C919 van de Chinese Commercial Aircraft Corporation.
In 1995 werd de GE90-94B motor, uitgerust met composiet ventilatorbladen op harsbasis, officieel commercieel in gebruik genomen. Dit betekende de formele technische toepassing van composietmaterialen op harsbasis in moderne, krachtige luchtvaartmotoren. Rekening houdend met factoren zoals aerodynamica en hoge en lage cyclusmoeheid, heeft GE nieuwe composiet ventilatorbladen ontwikkeld voor de volgende GE90-115B motor.
Aan het begin van de 21e eeuw heeft de sterke vraag naar composieten met een hoge schadetolerantie in luchtvaartmotoren de verdere ontwikkeling van composiettechnologie gestimuleerd. Het is echter een steeds grotere uitdaging geworden om aan de eisen voor hoge schadebestendigheid te voldoen door de taaiheid van koolstofvezel/epoxyhars prepreg voortdurend te verbeteren. In deze context zijn 3D geweven structuur composiet ventilatorbladen ontstaan.
Ventilatorkast: De ventilatorkast is het grootste stationaire onderdeel van een luchtvaartmotor. Gewichtsvermindering heeft een directe invloed op de verhouding tussen stuwkracht en gewicht en de efficiëntie van de motor. Daarom hebben OEM's van buitenlandse geavanceerde luchtvaartmotoren zich altijd ingezet voor gewichtsvermindering en structurele optimalisatie van de ventilatorkast. De ontwikkelingstrend van ventilatorbehuizingen in geavanceerde buitenlandse luchtvaartmotoren wordt weergegeven in de figuur.
Ventilatorkap: Omdat het geen primair lastdragend onderdeel is, was de ventilatorkap een van de eerste onderdelen van een vliegtuigmotor dat gemaakt werd van composietmaterialen. Het gebruik van deze materialen voor ventilatorkappen zorgt voor een lichter gewicht, een vereenvoudigde structuur tegen ijsvorming, een superieure weerstand tegen corrosie en een betere weerstand tegen vermoeiing.
Momenteel worden de composietmaterialen op harsbasis gebruikt voor de constructie van ventilatorkappen in de RB211-motoren van Rolls-Royce en de PW1000G- en PW4000-motoren van Pratt & Whitney.
Vergeleken met de hoofdromp van vliegtuigmotoren hebben composieten op harsbasis een bredere toepassing in korte motorkappen, zoals te zien is in de figuur. Volgens bronnen hebben buitenlandse fabrikanten op grote schaal composieten op harsbasis toegepast in luchtinlaten van korte motorkappen, stroomlijnkappen, straalomkeerders en geluiddempende bekledingen.
Composieten op harsbasis worden ook in verschillende mate toegepast in andere onderdelen van de vliegtuigmotor, zoals de schoepen van de ventilatorstroomgeleider, lagerafdichtingen en afdekplaten, afhankelijk van de bronnen.
Metaalmatrixcomposieten hebben in vergelijking met composieten op harsbasis een uitstekende taaiheid, zijn niet vochtabsorberend en zijn bestand tegen relatief hoge temperaturen. De versterkende vezels van composieten met een metaalmatrix omvatten metaalvezels zoals roestvrij staal, wolfraam en intermetallische verbindingen van nikkel en aluminium; keramische vezels zoals aluminiumoxide, silica, koolstof, boor en siliciumcarbide.
De matrixmaterialen van metaalmatrixcomposieten omvatten aluminium, aluminiumlegeringenmagnesium, titanium en titaniumlegeringen en hittebestendige legeringen. Composieten op basis van aluminium-magnesiumlegeringen, titanium en ijzerlegeringen zijn momenteel de belangrijkste keuzes. Composieten op basis van siliciumcarbidevezels versterkt met titaniumlegeringen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om compressorbladen te maken.
Met koolstofvezel of aluminiumoxidevezel versterkt magnesium of magnesiumlegering composieten kunnen worden gebruikt om turbine ventilatorbladen te produceren. Composieten van nikkel-chroom-aluminium-iridiumvezelversterkte nikkellegering kunnen worden gebruikt om afdichtingen voor turbines en compressoren te maken.
Andere onderdelen zoals ventilatorbehuizingen, rotors en compressorschijven worden in het buitenland gemaakt met metaalmatrixcomposieten. Een van de grootste problemen met deze composieten is echter dat de versterkende vezels en de basismetalen de neiging hebben om te reageren en brosse fasen te vormen, waardoor de kwaliteit van het materiaal verslechtert. materiaaleigenschappen.
Dit is vooral uitgesproken bij langdurig gebruik bij hogere temperaturen. De huidige oplossingen omvatten het aanbrengen van een geschikte coating op het vezeloppervlak op basis van verschillende vezels en matrices, evenals het legeren van de metaalmatrix om de interfacereactie te vertragen en de betrouwbaarheid van de composietmaterialen te behouden.