Магниевые сплавы в аэрокосмической промышленности: Преимущества и применение | MachineMFG

Магниевые сплавы в аэрокосмической промышленности: Преимущества и области применения

0
(0)

С начала XX века мир захлестнула волна освоения космоса, и в эту сферу пришли крупнейшие державы.

В области освоения человеком космоса открываются широкие возможности для развития - от производства спутников до пилотируемых космических полетов. Однако, несмотря на многочисленные достижения, мы по-прежнему сталкиваемся со многими трудностями и проблемами, а исследования различных технологий все еще находятся на ранних стадиях.

Одной из существенных трудностей в аэрокосмической области является выбор аэрокосмические материалычто значительно влияет на его развитие.

Цель данной статьи - предоставить информацию о подходящих металлических сплавах для аэрокосмической отрасли и сосредоточиться на магниевом сплаве.

После длительных исследований в качестве ключевого компонента был выбран магниевый сплав. аэрокосмические материалы. В этой статье рассматриваются жесткие требования к условиям обитания космических аппаратов в космосе, исключительные свойства магниевых сплавов и причины, по которым магниевые сплавы подходят для изготовления космических аппаратов в аэрокосмической отрасли.

Давайте погрузимся в него с головой.

Магний - один из самых легких металлов, используемых в промышленности, и в результате разработанные магниевые сплавы стали самыми легкими по плотности среди промышленных металлических сплавов.

Похожие статьи: Топ-10 мировых рейтингов прочности металлов

Германия начала промышленное производство магниевых сплавов в 1980-х годах, а впервые использовала их в автомобилестроении в 1930-х годах. Советский Союз последовал этому примеру и применил магниевые сплавы в авиастроении в середине 1930-х годов.

В связи с быстрым ростом спроса все мировые державы уделяют большое внимание разработке, исследованию и использованию магниевых сплавов, реализуя различные исследовательские проекты.

Магниевые сплавы обладают рядом преимуществ, включая низкую плотность, высокую удельную прочность, хорошую теплопроводность и малый вес. Однако традиционные методы обработки могут привести к плохой пластичности, поэтому различные методы литья были разработаны для различных областей применения.

В настоящее время магниевые сплавы играют важнейшую роль в различных областях исследований. В автомобильной промышленности они широко используются для изготовления таких компонентов, как система курсовой устойчивости, корпус коробки передач, приборная панель, капот двигателя, рама, дверь и другие во многих развитых странах.

В области электронных коммуникаций превосходные характеристики магниевых сплавов делают их идеальными для использования в легких и тонких изделиях, давая надежду на разработку сверхлегких и сверхтонких продуктов. Многие широко используемые электронные компоненты, такие как камеры, телевизоры, ноутбуки, плазменные дисплеи и мобильные телефоны, изготавливаются из магниевых сплавов.

В области медицины хорошая коррозионная стойкость, химическая и физическая стабильность магниевых сплавов делают их идеальными для использования в качестве клинических медицинских имплантатов.

Магниевые сплавы также играют важную роль во многих других областях, и их ценность неизмерима.

Материалы для космических аппаратов должны обладать отличными антивозрастными и антикоррозийными свойствами, выдерживать и адаптироваться к экстремальным условиям космического пространства, а также обеспечивать стабильное существование аппарата в космосе. Основные требования к этим материалам - высокая плотность, прочность и жесткость.

Использование материалов из магниевых сплавов позволяет снизить расход топлива, увеличить дальность полета и продолжительность полета. Кроме того, для самолетов требуются более высокие удельные прочность и жёсткость и должны выдерживать статические и переменные нагрузки, возникающие под воздействием различных факторов, таких как взлет и посадка, маневренный полет и порывы. Поэтому усталостная прочность имеет большое значение для авиационных материалов.

Благодаря малому весу, удельной прочности, низкой плотности, хорошей теплопроводности и другим отличным характеристикам материалы из магниевых сплавов отвечают требованиям, предъявляемым к материалам для аэрокосмической промышленности.

Япония, США, Великобритания и другие мировые державы увеличивают свои инвестиции в исследования материалов из магниевых сплавов. В настоящее время все страны мира наращивают производство магниевых сплавов.

Китай занимает первое место в мире по запасам магния, его происхождению и экспорту, а также обладает крупнейшими запасами металлического магния. Однако в промышленном производстве и изготовлении магниевых сплавов в Китае все еще существует множество проблем.

Технология производства магниевых сплавов в Китае является относительно устаревшей, что приводит к низкой производительности, высокому энергопотреблению и снижению экономической ценности. Доля экспорта магниевых сплавов в Китае также невелика, почти все экспортируемые изделия производятся под иностранными брендами.

Ключевые технологии и оборудование, используемые в производстве и обработке магниевых сплавов, редко разрабатываются самостоятельно, вместо этого используются зарубежные передовые технологии и оборудование.

Требования к эксплуатационным характеристикам материалов для аэрокосмической промышленности

Материалы, используемые в аэрокосмической отрасли, часто должны отвечать требованиям сверхвысокой температуры, высокой температуры и высокого вакуума. В таких экстремальных условиях, как высокое давление, сильная коррозия и вес, материалы должны иметь минимальный объем и массу, но при этом отвечать своим функциональным требованиям.

Некоторые материалы должны работать в атмосфере или в космосе в течение длительного времени без обслуживания, поэтому они должны обладать высокой надежностью и гарантией качества.

Требования к эксплуатационным характеристикам аэрокосмических материалов зависят от условий их работы.

Космические аппараты испытывают аэродинамический нагрев в высокотемпературной среде, газовые двигатели и солнечное излучение, что приводит к длительному пребыванию в воздухе, иногда на скоростях, в три раза превышающих скорость звука.

Материалы, используемые в таких средах, должны обладать прочностью при высоких температурах, прочностью при ползучести, термической прочностью. усталостная прочностьУстойчивость к воздействию воздуха, окислению, термической коррозии и агрессивных сред, стабильные структуры, способные работать при высоких температурах в течение длительного времени.

Ракетные двигатели могут достигать температуры более 3000°C и скорости более 10 чисел Маха. Когда в ракетном двигателе смешиваются газ твердого ракетного топлива и твердые частицы, головная часть баллистической ракеты снова входит в атмосферу со скоростью более 20 чисел Маха, что иногда приводит к эрозии частиц.

Поэтому высокотемпературные среды в области космической техники обычно связаны с высокой температурой и высокоскоростным воздушным потоком, а также эрозией частиц. В случаях, когда материалы необходимо использовать для выделения тепла, применяются высокотемпературные и высоковязкие материалы в сочетании с такими физическими свойствами, как теплота и сублимация.

Высокая температура и солнечная радиация вызывают колебания температуры на поверхностях спутников и дирижаблей в космосе, что требует контроля температуры и изоляционных покрытий для поддержания низких температур для природных и низкотемпературных топлив.

При полетах в стратосфере на дозвуковых скоростях температура поверхности самолета опускается примерно до 50°C. В полярном круге температура зимой может быть ниже 40°C. Для предотвращения охрупчивания деталей необходимы металлические или резиновые шины. В жидкостных ракетах в качестве топлива используются жидкий кислород (температура кипения -183°C) и жидкий водород (температура кипения -253°C), что создает еще более суровые условия для материалов.

Большинство металлические материалы и полимерные материалы становятся хрупкими в этих условиях, но разработка или выбор подходящих материалов, таких как чистый алюминий и алюминиевые сплавы, титановые сплавы, низкотемпературная сталь, политетрафторэтилен, полиимид и перфторполиэфир, позволяет смягчить влияние различных сред и атмосферных условий на коррозию и старение материалов, температурную несущую способность и проблемы герметизации конструкций. К ним относятся топливо (например, бензин и керосин), контактирующее с аэрокосмическими материалами, ракетное топливо, а также различные смазочные и гидравлические масла.

Похожие статьи: Виды алюминия и алюминиевых сплавов

Большинство материалов подвержены сильной коррозии как металлических, так и неметаллических веществ.

Под воздействием солнечного излучения в атмосфере они расширяются и размываются ветром и дождем.

Рост плесени может значительно ускорить процесс старения полимерных материалов при длительном хранении в подземной влажной среде.

Для использования в аэрокосмической промышленности материалы должны обладать хорошей устойчивостью к коррозии, старению и плесени.

Уникальные характеристики космической среды включают в себя высокий вакуум (1,33 x 10 МПа) и облучение космическими лучами.

В высоком вакууме, металлические материалы вступают в тесный контакт друг с другом, по мере очищения поверхности ускоряется процесс молекулярной диффузии, что приводит к возникновению "холодной сварки".

Высокий вакуум и облучение космическими лучами могут вызвать неметаллические материалы быстро улетучиваются и стареют.

В некоторых случаях это может привести к загрязнению оптических линз летучими веществами и разрушению уплотнений из-за старения.

Материалы для использования в космосе обычно выбираются и разрабатываются путем моделирования и испытаний, проводимых на земле.

Цель проектирования летательных аппаратов - выбрать материалы, максимально облегченные и при этом обеспечивающие абсолютную надежность, безопасность и запас прочности. Это необходимо для адаптации к космической среде.

Когда летательные аппараты, такие как ракеты или снаряды, используются только в течение короткого периода времени, эксплуатационные характеристики материалов ограничены.

Чтобы полностью использовать прочность материала и обеспечить безопасность, для металлических материалов используется "принцип устойчивости к повреждениям". Это требует, чтобы материалы обладали не только высокой удельной прочностью, но и высокой вязкостью разрушения.

Для материалов, используемых в моделируемых условиях, определяются такие показатели, как срок зарождения трещины и скорость ее роста, рассчитываются допустимая длина трещины и соответствующий срок службы.

Органические неметаллические материалы должны проходить испытания на естественное старение и искусственное ускоренное старение, чтобы определить срок их службы и страховой период. Это является важной основой для проектирования и производства.

Свойства и характеристики магниевых сплавов

(1) Высокая плотность

Проблема снижения топливной нагрузки уже давно является актуальной в аэрокосмической отрасли.

Среди доступных инженерных металлических сплавов магниевый сплав выделяется низкой плотностью - около 1,8 г/см3, что составляет примерно две трети от плотности алюминия и четверть от плотности стали.

Такая низкая плотность делает возможным использование магниевого сплава в аэрокосмической промышленности.

Обладая самым легким удельным весом среди всех конструкционных сплавов, магниевый сплав позволяет снизить вес алюминиевых или железных деталей без ущерба для прочности.

Поэтому магниевые сплавы, обладая небольшим весом, широко используются в аэрокосмической промышленности.

Это не только значительно снижает вес фюзеляжа самолета, но и существенно уменьшает загрузку топливом, что существенно влияет на полет самолета.

(2) Высокий коэффициент прочности

Магниевые сплавы обладают высокой удельной прочностью и плотностью.

По сравнению с алюминиевыми сплавами и сталью магниевые сплавы обладают превосходными свойствами по удельной прочности и плотности.

Поэтому материалы из магниевых сплавов можно использовать при сборке самолетов, для производства компонентов, которые должны выдерживать большие нагрузки, например, кабин космических аппаратов и деталей двигателей.

(3) Хорошее рассеивание тепла

По сравнению с другими сплавами магниевые сплавы имеют явное преимущество в плане теплоотдачи.

Это связано с тем, что разница температур воздуха между основанием и верхней частью радиатора из магниевого сплава значительно выше, чем у радиаторов из других сплавов, что приводит к ускорению диффузии воздуха в конвективном радиаторе и значительно повышает эффективность теплоотдачи радиатора.

При постоянной температуре радиатору из магниевого сплава требуется в два раза меньше времени для отвода тепла, чем радиатору из алюминиевого сплава.

(4) Хороший эффект амортизации

В упругом диапазоне при ударе магниевые сплавы испытывают относительно небольшую упругую деформацию и поглощают большое количество энергии, что приводит к снижению вибрации при ударе.

Благодаря этому магниевые сплавы обладают хорошей амортизационной способностью.

Это также приводит к снижению шума, возникающего при столкновениях, благодаря чему магниевые сплавы обладают превосходными шумоподавляющими свойствами. Это позволяет эффективно смягчать различные негативные последствия шума для самолетов.

Исключительная способность магниевых сплавов к поглощению ударов и снижению шума имеет решающее значение для обеспечения безопасности самолетов.

(5) Хорошая переделка

В начале 1900-х гг, литьё под давлением Технология была применена для получения магниевых сплавов.

Однако традиционные методы литья под давлением не позволяли устранить дефекты поверхности и улучшить внутреннее качество отливок. В результате были предприняты усилия по совершенствованию процесса и развитию технологии литья под давлением магниевых сплавов.

Магниевые сплавы обладают благоприятными свойствами переплавки, что делает их идеальными для изготовления конструкционных деталей с сложные формы и малой несущей способностью, например, комплектующие двигателя и тормоза.

(6) Устойчивость к коррозии

Воздействие различных сред и атмосферных условий на материалы проявляется, прежде всего, в виде коррозии и старения.

Аэрокосмические материалы подвержены контакту с авиационным топливом (таким как бензин и керосин), ракетным топливом (таким как концентрированная азотная кислота, азотный тетроксид и гидразин), различными смазочными материалами и гидравлическим маслом, а также другими веществами.

Большинство из этих веществ оказывают сильное коррозионное или экспансивное воздействие на металлические и неметаллические материалы.

Процесс старения полимерных материалов может ускориться в результате длительного воздействия плесени в атмосфере, эрозии плесени под воздействием ветра и дождя, а также плесени в подземной влажной среде.

Поэтому устойчивость к коррозии, старению и плесени - важнейшие свойства аэрокосмических материалов.

Магний, будучи самым реакционноспособным металлом, делает магниевые сплавы подверженными коррозии из-за реакций на их поверхности, вызывающих значительные повреждения.

Поэтому защита поверхностей магниевых сплавов имеет большое значение.

В прошлом магниевые сплавы защищались в основном с помощью химического окисления, но с быстрым развитием технологии анодного окисления в 1980-х годах этот метод заменил традиционное химическое окисление.

При исследовании технологии атмосферного литья CO2+SF6 газ и защитный механизм SF6 газовой матрицы магниевого сплава, обнаруживается, что на поверхности магниевого сплава образуется слой приоритетной и пленочной формы Mg.

Ионы F могут быть использованы в качестве средних частиц MgO и внутреннего жидкого Mg для дальнейшего получения MgF2.

Материал защищает пространство между пленкой и матрицей, делая защитную пленку более компактной.

Из-за экологических проблем исследователи продолжают искать другие газы с меньшим загрязнением, а также содержащие F, чтобы заменить SF.6.

Магниевые сплавы сильно подвержены коррозии под воздействием многих щелочных веществ, в то время как космические аппараты обладают высокой устойчивостью в щелочной среде.

(7) Некоторые химические свойства стабильны

Магниевые сплавы демонстрируют высокую устойчивость в некоторых органических соединениях, таких как бензин и керосин.

Поэтому магниевые сплавы могут использоваться в производстве топливных баков для бензина и керосина, а также компонентов, контактирующих с бензином, таких как шестерни двигателя и тормоза.

Изделия из магниевых сплавов широко используются как в гражданских, так и в военных самолетах, особенно в бомбардировщиках. Например, корпус бомбардировщика B-25 изготовлен из магниевого сплава: 90 кг прессованных деталей и более 200 кг литых.

Магниевые сплавы также используются в ракетах и некоторых компонентах спутников, таких как приборная кабина, хвостовая кабина и двигатель китайской ракеты класса "земля-воздух" Red Flag.

(8) Температурная устойчивость Магниевый сплав обладает определенной устойчивостью к высокой и низкой температуре, и в целом может адаптироваться к условиям жизни космического корабля в воздухе.

Другие металлические материалы склонны к плавлению в определенных высокотемпературных областях космоса.

Высокая термостойкость магниевых сплавов позволяет им выдерживать высокие температуры.

В то же время алюминиевые сплавы способны адаптироваться к низкотемпературным условиям и проявляют сильные теплоизоляционные свойства, защищая нормальную работу внутренних компонентов самолета.

Магниевые сплавы также обладают хорошими механическими свойствами при высоких температурах и демонстрируют отличные механические свойства в космосе, обеспечивая прочную основу для космических полетов.

В аэрокосмической промышленности требования к материалам для производства самолетов чрезвычайно строги, и каждая деталь самолета должна соответствовать строгим стандартам.

Удовлетворение этих требований при использовании промышленных материалов может оказаться непростой задачей. Однако выдающиеся свойства магниевых сплавов хорошо согласуются с потребностями аэрокосмической промышленности в материалах для изготовления космических аппаратов.

Магниевые сплавы хорошо подходят для широкого спектра применений, от деталей кузова до деталей двигателя.

Высокая плотность магния значительно снижает топливную нагрузку космических аппаратов, что позволяет увеличить продолжительность полета.

Высокая удельная прочность и удельная жесткость обеспечивают устойчивость космического корабля и создают отличные возможности для защиты в космосе.

Его хорошие модификационные свойства способствуют изготовлению компонентов космических аппаратов.

Его высокий демпфирующий эффект обеспечивает надежную гарантию для космических аппаратов.

Благодаря своей коррозионной стойкости, устойчивости к высоким температурам и сильной совместимости с алюминиевыми сплавами магниевые сплавы имеют большой потенциал для использования в космосе.

Выдающиеся свойства магниевых сплавов делают их важным игроком в аэрокосмической промышленности.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх