ייצור תעופה הוא תחום ההיי-טק המרוכז ביותר ושייך לטכנולוגיית ייצור מתקדמת. לדוגמה, מנוע ה-F119 שפותח על ידי פראט אנד וויטני מארצות הברית, מנוע ה-F120 של חברת ג'נרל אלקטריק, מנוע ה-M88-2 של חברת SNECMA הצרפתית, ומנוע ה-EJ200 שפותח במשותף על ידי בריטניה, גרמניה , איטליה וספרד. ראוי להזכיר שלמנועי אוויר אלו המייצגים את הרמה המתקדמת בעולם יש תכונה משותפת של שימוש בחומרים חדשים, תהליכים חדשים וטכנולוגיות חדשות. שבעת החומרים החדשים שבהם נעשה שימוש מוצגים בהתאמה כדלקמן:
1
פחמן/פחמן מרוכב
מהם חומרי פחמן/פחמן מרוכבים? זהו חומר מרוכב מטריצת פחמן מחוזק על ידי סיבי פחמן והבד שלו, עם צפיפות נמוכה (<2.0g/cm3), high strength, high specific modulus, high thermal conductivity, low expansion coefficient, good friction performance, and good thermal shock resistance , high dimensional stability, etc., especially the few candidate materials used above 1650 °C, the highest theoretical temperature is as high as 2600 °C, so it is considered to be one of the most promising high-temperature materials in the world.
למרות שלחומרי פחמן/פחמן מרוכבים יש הרבה תכונות מצוינות בטמפרטורה גבוהה, הם עוברים תגובות חמצון בסביבה אירובית עם טמפרטורה גבוהה מ-400 מעלות, וכתוצאה מכך ירידה חדה בתכונות החומר. לכן, היישום של חומרים מרוכבים פחמן/פחמן בסביבות אירוביות בטמפרטורה גבוהה חייב להיות בעל אמצעי הגנה מפני חמצון. הגנת החמצון של חומרי פחמן/פחמן מרוכבים היא בעיקר באמצעות שתי הדרכים הבאות, כלומר, ניתן להשתמש בשינוי המטריצה ובפסיבציה של נקודות פעילות פני השטח כדי להגן על חומרי פחמן/פחמן בטמפרטורות נמוכות יותר; ככל שהטמפרטורה עולה, יש להשתמש בשיטת הציפוי כדי לבודד את החומר המרוכב של פחמן/פחמן ממגע ישיר עם חמצן, כדי להשיג את המטרה של הגנה מפני חמצון. כיום, שיטת הציפוי היא השיטה הנפוצה ביותר. עם התקדמות מתמשכת של המדע והטכנולוגיה, יש יותר ויותר הסתמכות על ביצועי הטמפרטורה הגבוהה במיוחד של חומרים מרוכבים מפחמן/פחמן, והפתרון היחיד האפשרי להגנת חמצון בתנאי טמפרטורה גבוהים במיוחד יכול להיות רק הגנה על ציפוי. .
ראוי להזכיר כי חומרים מרוכבים על בסיס C/C הם חומר חדש בעל עמידות לטמפרטורות גבוהות יותר שזכה לתשומת הלב הגדולה ביותר בעולם בשנים האחרונות. מכיוון שרק חומרים מרוכבים C/C נחשבים לחומרים היורשים היחידים עבור להבי רוטור טורבינה עם יחס דחף למשקל של יותר מ-20 וטמפרטורת כניסת מנוע של 1930-2227 מעלות. היעד האסטרטגי הגבוה ביותר שרודפות אחריהם מדינות תעשייתיות מתקדמות.
מה שנקרא חומר מרוכב מבוסס C/C הוא חומר מרוכב בסיסי פחמן מחוזק בסיבי פחמן, המשלב את תכונות עקשן של פחמן עם החוזק הגבוה והקשיחות הגבוהה של סיבי פחמן, מה שהופך אותו ללא שביר. מכיוון שלחומרים מרוכבים המבוססים על C/C יש משקל קל, חוזק גבוה, יציבות תרמית מעולה ומוליכות תרמית מצוינת, הם החומרים העמידים ביותר לטמפרטורות גבוהות כיום, במיוחד בסביבות טמפרטורות גבוהות של 1000-1300 מעלות C לא רק שהכוח לא ירד, אלא שהוא הצליח לגדול. במיוחד כאשר הוא מתחת ל-1650 מעלות, הוא עדיין שומר על החוזק והחן בטמפרטורת החדר. לכן, לחומרים מרוכבים מבוססי C/C יש פוטנציאל פיתוח גדול בייצור תעופה וחלל.
ראוי להזכיר שאחת הבעיות העיקריות של חומרים מרוכבים מבוססי C/C ביישום של מנועי אוויר היא עמידות ירודה לחמצון. לכן, בשנים האחרונות, ארצות הברית אימצה שורה של אמצעים טכנולוגיים כדי לפתור בעיה זו, והחלה בהדרגה על המנוע החדש. לדוגמה, פיית הזנב של מבער האפטר במנוע ה-F119 האמריקאי, פיית הזרבובית ותא הבעירה של מנוע ה-F100, וחלקים מסוימים של תא הבעירה של מכונת האימות F120 היו עשויים מחומרים מרוכבים מבוססי C/C. דוגמה נוספת היא מנוע ה-M88-2 הצרפתי, ומוט הזרקת הדלק לאחר מבער, מגן החום והזרבובית של מנוע ה-Mirage 2000 משתמשים גם בחומרים מרוכבים מבוססי C/C.
2
חומר חדש של פלדה בעלת חוזק גבוה במיוחד
מהי פלדה חזקה במיוחד? באמצע-1940השנים, ארצות הברית פיתחה פלדת Cr-Mo (AISI4130) ופלדת Cr-Ni-Mo (AISI 4340). לאחר כיבוי וטמפרטורת טמפרטורות נמוכות, חוזק המתיחה היה 170 ו-190 kgf/mm2 בהתאמה. בתחילת שנות ה-50, Si ו-V נוספו לפלדה AISI 4340 כדי ליצור 300M עם חוזק מתיחה של 190~210kgf/mm2. בשנת 1960, חברת ניקל הבינלאומית ייצרה פלדה מראג'ינג עם חוזק מתיחה של כ-180 ק"ג/מ"מ, קשיחות שבר עד 390 ק"ג/מ"מ. בשנות ה-70, ארצות הברית הפחיתה את C והגדילה את ה-Si על בסיס 300M, שיפרה את הקשיחות והתפתחה לפלדה HP310; על בסיס פלדה מריג'ינג, היא התפתחה לפלדת AF1410, בעלת חוזק מתיחה של 170 ק"ג/מ"מ וקשיחות שבר של 400 ק"ג/מ"מ.
תְמוּנָה
ראוי לציין כי פלדה בעלת חוזק גבוה חייבת להיות בעלת חוזק מתיחה גבוה ולשמור על קשיחות מספקת. זה גם דורש חוזק ספציפי גדול (יחס בין חוזק לצפיפות) ויחס תפוקה גבוה (σs/σb) כדי להפחית את משקל הרכיב, וחייב להיות בעל יכולת ריתוך וצורה טובה ותכונות תהליך אחרות. לפלדה בעלת חוזק גבוה במיוחד יש דרישות גבוהות מאוד לאיכות מתכת, ולעיתים קרובות היא מותכת על ידי תנור קשת חשמלי והמסה מחדש של אלקטרוסג. סוגי פלדה הדורשים טוהר גבוה מותכים בעיקר בתנורי אינדוקציה ואקום או בתנורי קשת חשמליים המתכלים בוואקום. יש למנוע מפלדות בעלות חוזק אולטרה-גבוה בסגסוגת בינונית ונמוכה מפירוק במהלך טיפול בחום; פלדות מריג'ינג ופלדות אל חלד מתקשות משקעים יכולות להיות מטופלות בפתרון מוצק בתנורי חימום רגילים. יש להשתמש בריתוך גז מגן או ריתוך ארגון טונגסטן לריתוך. חלק מפלדות סגסוגת נמוכה בעלות חוזק אולטרה-גבוה עם תכולת פחמן גבוהה (בערך 0.4 אחוזים ) צריכות להיות משוחררות ממתח מיד לאחר הריתוך.
ראוי להזכיר כי פלדה בעלת חוזק גבוה במיוחד משמשת כחומר לנחיתה במטוסים. לדוגמה, גלגלי הנחיתה המשמשים במטוסי הדור השני עשויים מפלדת 30CrMnSiNi2A עם חוזק מתיחה של 1700MPa. לסוג זה של גלגלי נחיתה יש חיי שירות קצרים של כ-2000 שעות טיסה.
דוגמה נוספת היא שהתכנון של מטוס הקרב מהדור השלישי מחייב את חיי גלגלי הנחיתה לעלות על 5,000 שעות טיסה. יחד עם זאת, עקב הגידול בציוד מוטס, מקדם המשקל של מבנה המטוס יורד, ומוטלות דרישות גבוהות יותר לבחירת חומרי הנחיתה וטכנולוגיית הייצור. גם ארה"ב וגם מטוסי הקרב מהדור השלישי שלנו משתמשים בטכנולוגיית ייצור ציוד נחיתה מפלדה 300M (חוזק מתיחה 1950MPa).
למעשה, השיפור בטכנולוגיית יישום החומר מקדם הארכה נוספת של חיי גלגלי הנחיתה והרחבת יכולת ההסתגלות. לדוגמה, גלגלי הנחיתה של מטוס האיירבוס A380 האירופאי מאמצים טכנולוגיית פרזול אינטגרלית סופר-גדולה, טכנולוגיה חדשה לטיפול בחום להגנת אווירה וטכנולוגיית ריסוס להבה במהירות גבוהה, כך שחיי גלגל הנחיתה יכולים לעמוד בדרישות התכנון. לכן, הכנסת חומרים וטכניקות ייצור חדשות הבטיחה את החלפת המטוסים.
תְמוּנָה
כפי שכולנו יודעים, עיצוב אורך חיים ארוך של מטוס בסביבה עמידה בפני קורוזיה מציב דרישות גבוהות יותר לחומרים. לדוגמה, פלדת AerMet100 היא בעלת רמת חוזק זהה לפלדת 300M, אך העמידות הכללית שלה בפני קורוזיה ועמידות בפני קורוזיה במתח טובים משמעותית מפלדה של 300M. טכנולוגיית ייצור גלגלי הנחיתה התואמים יושמה על מטוסים מתקדמים כגון F/A-18E/F, F-22 ו-F-35. פלדת Aermet310 בעלת חוזק גבוה יותר היא בעלת קשיחות שבר נמוכה יותר והיא נמצאת בפיתוח ושיפור מתמיד. קצב צמיחת הסדקים של הפלדה AF1410 בעלת חוזק אולטרה-גבוה הוא איטי ביותר, אשר יכול לשמש כמפרק של מפעיל הכנף של מטוס B-1, שהוא קל ב-10.6 אחוזים מ-Ti -6אל-4V, עם עלייה של 60 אחוז בביצועי העיבוד והפחתה של 30.3 אחוז בעלויות . לדוגמה, הכמות של פלדת אל-חלד בעלת חוזק גבוה בשימוש ב- Smig -1.42 של רוסיה מגיעה ל-30 אחוזים. PH13-8Mo היא הפלדת אל-חלד היחידה בעלת חוזק גבוה המתקשות משקעים מרטנסיטית בשימוש נרחב כרכיבים עמידים בפני קורוזיה. פלדות ציוד (מיסב) בעלות חוזק אולטרה-גבוה פותחו גם הן בינלאומיות, כגון CSS-42L, Gearmet C69 וכו', והיו בשימוש במנועים, מסוקים ותעופה וחלל.
3
חומר סגסוגת בטמפרטורה גבוהה
מהם חומרי סגסוגת על? סגסוגות בטמפרטורה גבוהה מחולקות למעשה לשלושה סוגי חומרים: חומרים בטמפרטורה גבוהה של 760 מעלות, חומרים בטמפרטורה גבוהה של 1200 מעלות וחומרים בטמפרטורה גבוהה של 1500 מעלות, עם חוזק מתיחה של 800MPa. במילים אחרות, זה מתייחס לחומרי מתכת בטמפרטורה גבוהה שעובדים במשך זמן רב תחת 760-1500 מעלות ובתנאי לחץ מסוימים. התכונות החשובות שלו: יש לו חוזק מעולה בטמפרטורה גבוהה, עמידות טובה לחמצון ועמידות בפני קורוזיה תרמית, ביצועי עייפות טובים, קשיחות שברים ותכונות מקיפות אחרות, והפך לחומר מפתח שאין לו תחליף לחלקים החמים של מנועי טורבינת גז לצבא ולאזרחי. להשתמש בכל העולם.
חומרים בטמפרטורה גבוהה של 760 מעלות מאז סוף שנות ה-30, בריטניה, גרמניה, ארצות הברית ומדינות אחרות החלו ללמוד סגסוגות-על. במהלך מלחמת העולם השנייה, על מנת לענות על הצרכים של מנועי אוויר חדשים, המחקר והשימוש בסגסוגות-על נכנסו לתקופה של התפתחות מהירה. בתחילת שנות ה-40, הממלכה המאוחדת הוסיפה לראשונה כמות קטנה של אלומיניום וטיטניום לסגסוגת 80Ni-20Cr כדי ליצור פאזה (גמא פריים) לחיזוק, ופיתחה את הסגסוגת הראשונה על בסיס ניקל עם גבוה גבוה -חוזק טמפרטורה. במהלך תקופה זו, על מנת לענות על צורכי הפיתוח של מגדשי טורבו למנועי אוויר בוכנה, החלה ארצות הברית להשתמש בסגסוגות מבוססות קובלט ויטליום לייצור להבים.
תְמוּנָה
ראוי להזכיר כי ארצות הברית פיתחה גם סגסוגות מבוססות ניקל של Inconel לייצור תאי בעירה למנועי סילון. מאוחר יותר, על מנת לשפר עוד יותר את חוזק הסגסוגת בטמפרטורה גבוהה, הוסיפו מתכות אלמנטים כמו טונגסטן, מוליבדן וקובלט לסגסוגת המבוססת על ניקל כדי להגדיל את תכולת האלומיניום והטיטניום, ופיתחו סדרה של סגסוגות, כגון בתור "Nimonic" בבריטניה, ו"Nimonic" בארצות הברית. "מר-מ" ו"IN" וכו'; הוספת ניקל, טונגסטן ואלמנטים אחרים לסגסוגות המבוססות על קובלט כדי לפתח מגוון של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה, כגון X-45, HA-188, FSX-414 וכו'. היעדר משאבי קובלט, הפיתוח של סגסוגות-על מבוססות קובלט מוגבל.
בשנות ה-40 פותחו גם סגסוגות-על מבוססות ברזל. בשנות ה-50 הופיעו דרגות כמו A-286 ו-Incoloy901, אך עקב יציבות ירודה של טמפרטורות גבוהות, ההתפתחות הייתה איטית. ברית המועצות לשעבר החלה לייצר סגסוגות-על מבוססות ניקל של המותג "ЭИ" בשנת 1950, ומאוחר יותר ייצרה סדרת "ЭП" של סגסוגות-על מעוותות וסדרת ЖС של סגסוגות-על יצוקות. בשנות ה-70, גם ארצות הברית אימצה תהליך ייצור חדש לייצור להבי התגבשות כיוונית ודיסקים לטורבינת מתכות אבקת, ופיתחה רכיבי סגסוגת בטמפרטורה גבוהה כגון להבי גביש בודדים כדי לענות על הצרכים של העלייה המתמשכת בטמפרטורת הכניסה של אוויר. -טורבינות מנוע.
סגסוגות-על פותחו כדי לעמוד בדרישות המאוד תובעניות של מנועי סילון בחומרים, והפכו לחומר מפתח שאין לו תחליף עבור רכיבים חמים של מנועי טורבינת גז צבאיים ואזרחיים. במנועי אוויר מתקדמים, שיעור הסגסוגות בטמפרטורה גבוהה הגיע ליותר מ-50 אחוז.
הפיתוח של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה קשור קשר הדוק להתקדמות הטכנולוגית של מנועי תעופה, במיוחד דיסק הטורבינה, חומר להבי הטורבינה ותהליך הייצור של החלקים החמים של המנוע הם סמלים חשובים לפיתוח המנוע. בשל הדרישות הגבוהות לעמידות הטמפרטורה הגבוהה וכושר נשיאת הלחץ של החומר, פותחה בימים הראשונים בבריטניה סגסוגת ה-Nimonic80 המחוזקת Ni3 (Al, Ti), אשר שימשה כחומר ללהב הטורבינה של מנוע טורבו-סילון. בנוסף, סגסוגת סדרת Nimonic פותחה ברציפות. ארצות הברית פיתחה סגסוגות מבוססות ניקל מחוזקות בפיזור המכילות אלומיניום וטיטניום, כמו סדרת הסגסוגות Inconel, Mar-M ו-Udmit שפותחו על ידי חברת Pratt & Whitney המפורסמת, GE Company וחברת מתכות מיוחדות בהתאמה.
תְמוּנָה
בתהליך הפיתוח של סגסוגות על, תהליך הייצור ממלא תפקיד גדול בקידום הפיתוח של סגסוגות. בשל הופעתה של טכנולוגיית המסת הוואקום, הסרת זיהומים וגזים מזיקים בסגסוגות, במיוחד השליטה המדויקת על הרכב הסגסוגת, שיפרה ללא הרף את הביצועים של סגסוגות-על. בפרט, המחקר המוצלח של טכנולוגיות חדשות כגון מיצוק כיווני, צמיחת גביש בודד, מתכות אבקה, סגסוגת מכנית, ליבה קרמית, סינון קרמי ופרזול איזותרמי קידם את הפיתוח המהיר של סגסוגות-על. ביניהם, טכנולוגיית המיצוק הכיווני היא הבולטת ביותר. לסגסוגת הכיוונית והגבישית החד-פעמית המיוצרת בתהליך ההתמצקות הכיוונית יש טמפרטורת שירות קרובה ל-90 אחוז מנקודת ההיתוך הראשונית. לכן, להבי מנועי אוויר מתקדמים ברחבי העולם משתמשים בסגסוגות חד-גבישיות כיווניות לייצור להבי טורבינה. מנקודת מבט גלובלית, סגסוגות-על יצוקות על בסיס ניקל יצרו גבישים בעלי שווי-צירים, גבישים עמודים מוצקים כיוונית ומערכות סגסוגת גביש בודדת. סגסוגות-על של אבקה פותחו גם מהדור הראשון של 650 מעלות עד 750 מעלות, דיסקים לטורבינת אבקה של 850 מעלות ודיסקי אבקה בעלי ביצועים כפולים עבור אותם מנועים מתקדמים בעלי ביצועים גבוהים.
4
חומרי מטריצה קרמיים
מהם חומרי מטריקס קרמיים? זהו סוג של חומר מרוכב המשתמש בקרמיקה כמטריצה ובסיבים שונים. המטריצה הקרמית יכולה להיות קרמיקה מבנית בטמפרטורה גבוהה כגון סיליקון ניטריד וסיליקון קרביד. לקרמיקה מתקדמת אלו תכונות מצוינות כגון עמידות בטמפרטורה גבוהה, חוזק וקשיחות גבוהים, משקל קל יחסית ועמידות בפני קורוזיה. החולשה הקטלנית היא שהם שבירים. כאשר הם תחת לחץ, הם יסדקו או אפילו ישברו כדי לגרום לכשל חומרי. השימוש בחוזק גבוה, סיבים אלסטיים ובקומפוזיט מטריקס הוא שיטה יעילה לשיפור הקשיחות והאמינות של קרמיקה. סיבים יכולים למנוע מהסדקים להתרחב, ובכך להשיג חומרים מרוכבים מטריצות קרמיות מחוזקות בסיבים עם קשיחות מעולה.
תְמוּנָה
חומרים מרוכבים של מטריקס קרמיים שימשו כחירי מנועי רקטות נוזליים, רדומי טילים, חרוטים של מעבורות חלל, דיסקי בלמים למטוסים ודיסקי בלמים מתקדמים לרכב וכו', והפכו לענף חשוב של חומרים חדשים בהייטק.
מכיוון שלחומרים קרמיים יש עמידות מעולה בפני שחיקה, קשיות גבוהה ועמידות טובה בפני קורוזיה, נעשה בהם שימוש נרחב. עם זאת, החיסרון הגדול ביותר של קרמיקה הוא שהם שבירים ורגישות לסדקים ונקבוביות. מאז שנות ה-80, חומרים מרוכבים מטריצות קרמיות שהושגו על ידי הוספת חלקיקים, שפם וסיבים לחומרים קרמיים שיפרו מאוד את הקשיחות של קרמיקה.
לחומרי מטריצה קרמיים חוזק גבוה, מודול גבוה, צפיפות נמוכה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני קורוזיה, וקשיחות טובה, והם שימשו בכלי חיתוך מהירים ורכיבי מנוע בעירה פנימית. עם זאת, הפיתוח של סוג זה של חומר מאוחר יחסית, והפוטנציאל שלו עדיין לא פותח. מוקד המחקר הוא ליישם אותו על חומרים בטמפרטורה גבוהה וחומרים עמידים בפני שחיקה ועמידים בפני קורוזיה, כגון טורבינות משופרות למנועי בעירה פנימית בעלי הספק גבוה, רכיבים תרמיים לכלי תעופה וחלל, ומנועי רכב במקום מתכות, מיכלים פטרוכימיים. , ציוד לשריפת פסולת וכו'.
כשזה מגיע לקרמיקה, אנשים חושבים באופן טבעי על הפריכות שלה. לפני יותר מעשר שנים, אם הוא שימש כחלק נושא מטען בתחום ההנדסי, אי אפשר היה לאף אחד לקבל את זה. עד עכשיו, כשמדובר בחומרים מרוכבים קרמיים, ייתכן שחלק מהאנשים לא היו ברורים, וחושבים שקרמיקה ומתכות הם במקור שני חומרים לא רלוונטיים. עם זאת, מאז שאנשים שילבו בחוכמה קרמיקה ומתכות, התפיסה של אנשים לגבי החומר הזה עברה שינוי מהותי, שהוא תרכובות מטריצות קרמיות.
חומר מרוכב מטריצה קרמי הוא חומר מבני חדש ומבטיח מאוד בתחום התעשייה האווירית, במיוחד ביישום של ייצור מנועי אוויר, הוא מראה יותר ויותר את הייחודיות שלו. בנוסף ליתרונות של משקל קל וקשיות גבוהה, לחומרי מטריצה קרמיים יש גם עמידות מצוינת בטמפרטורה גבוהה ועמידות בפני קורוזיה בטמפרטורה גבוהה. כיום, חומרים מרוכבים מטריצות קרמיות עלו על חומרים עמידים בחום מתכת במונחים של עמידות בטמפרטורה גבוהה, ויש להם תכונות מכניות טובות ויציבות כימית. הם חומרים אידיאליים ומעולים לאזורים בטמפרטורה גבוהה של מנועי טורבינה בעלי ביצועים גבוהים.
תְמוּנָה
מדינות ברחבי העולם מתמקדות במחקר על קרמיקה מחוזקת סיליקון ניטריד וקרמיקה סיליקון קרביד כדי לעמוד בדרישות החומר של הדור הבא של המנועים המתקדמים
חומרים, ועשה התקדמות רבה, במיוחד במנועי אוויר מודרניים. לדוגמה, מנוע ה-F120 של מכונת האימות האמריקאית, מכשיר איטום הטורבינה בלחץ גבוה וכמה חלקים בטמפרטורה גבוהה של תא הבעירה עשויים כולם מחומרים קרמיים. לדוגמא נוספת, תא הבעירה והזרבובית של מנוע ה-M88-2 הצרפתי משתמשים גם הם ברכיבי מטריצה קרמיים.
5
חומרים חדשים של תרכובות בין-מתכתיות
מהן תרכובות בין-מתכתיות? תרכובות של מתכות ומתכות או מתכות ומטאלואידים (כגון H, B, N, S, P, C, Si וכו'). האטומים של שתי המתכות משולבים בפרופורציה מסוימת ליצירת הרכב סגסוגת השונה משני סריגי הגביש המקוריים. תרכובות בין-מתכתיות הן סוגים חדשים של חומרים שזכו לתשומת לב רחבה.
תְמוּנָה
למעשה, הפיתוח של מנועים אוויריים בעלי ביצועים גבוהים ויחס גבוה של דחף למשקל קידם את הפיתוח והיישום של תרכובות בין-מתכתיות. תרכובות בין-מתכתיות הן בדרך כלל תרכובות המורכבות מיסודות מתכת בינארים, משולשים או מרובי-אלמנטים. לתרכובות בין-מתכתיות יש פוטנציאל רב ביישומים מבניים בטמפרטורה גבוהה. יש לו טמפרטורת שירות גבוהה, חוזק ספציפי, מוליכות תרמית, ובמיוחד בטמפרטורה גבוהה, יש לו גם עמידות טובה לחמצון, עמידות בפני קורוזיה וחוזק זחילה גבוה. . בנוסף, מכיוון שהתרכובת הבין-מתכתית היא חומר חדש בין הסגסוגת העל לחומר הקרמי, היא ממלאת את הפער בין שני החומרים, ולכן היא הופכת לאחד החומרים האידיאליים לרכיבים בטמפרטורה גבוהה של מנועי אוויר.
במבנה מנועי האוויר העולמי, המחקר והפיתוח מתמקדים בעיקר בתרכובות בין-מתכתיות כגון טיטניום-אלומיניום וניקל-אלומיניום. לתרכובות אלומיניום טיטניום אלו יש בעצם אותה צפיפות כמו טיטניום, אך יש להן טמפרטורת שירות גבוהה יותר. לדוגמה, טמפרטורות הפעולה של TiAl הן 816 מעלות ו-982 מעלות בהתאמה. לתרכובת הבין-מתכתית יש קשר חזק בין אטומים ומבנה גבישי מורכב, המקשה על העיוות, והיא קשה ושבירה בטמפרטורת החדר. לאחר שנים של מחקר ניסיוני, פותח בהצלחה סוג חדש של סגסוגת עם חוזק בטמפרטורה גבוהה, פלסטיות וקשיחות בטמפרטורת החדר, והוא הותקן והשתמש בו, והאפקט טוב מאוד. לדוגמה, מנוע ה-F119 בעל הביצועים הגבוהים בארצות הברית משתמש בתרכובות בין-מתכתיות במארזים ובדיסקות הטורבינה, ולהבי המדחס והדיסקים של מנוע מכונת האימות F120 משתמשים בתרכובות בין-מתכתיות חדשות של טיטניום-אלומיניום.
6
חומרים מרוכבים מטריצת שרף
מהם חומרים מרוכבים של מטריצת שרף? זהו חומר מחוזק בסיבים המבוססים על פולימר אורגני, לרוב באמצעות חיזוקי סיבים כמו סיבי זכוכית, סיבי פחמן, סיבי בזלת או סיבי ארמיד. חומרים מרוכבים המבוססים על שרף נמצאים בשימוש נרחב בתעשיות התעופה, הרכב והים.
תְמוּנָה
מטריצת השרף של חומרים מרוכבים היא בעיקר שרף תרמוסטי. כבר בשנות הארבעים של המאה הקודמת, פלסטיק מחוזק בפיברגלס שימש כראדומים במטוסי קרב ומפציצים. בשנות ה-60, ארצות הברית השתמשה בשרף אפוקסי מחוזק בסיבי בורון כהגאים, מייצבים אופקיים, קצוות כנפיים נגררים, דלתות הגה וכו' במטוסים צבאיים כגון F-4 ו-F-111. במונחים של ייצור טילים, בסוף שנות ה-50, המעטפת של מנוע הטילים המוצק השלב השני של טיל הצוללת האמריקאי לטווח בינוני "Polaris A-2" השתמש בחלקי פיתול שרף אפוקסי מחוזקים בסיבי זכוכית, שהם טובים יותר מאשר מארזי פלדה. 27 אחוז קל יותר; מאוחר יותר, נעשה שימוש בסיבי זכוכית בעלי ביצועים גבוהים במקום סיבי זכוכית רגילים לייצור "Polaris A-3", מה שהפך את משקל המעטפת לקל ב-50 אחוזים מזה של מעטפת הפלדה, כך שהטווח של "Polaris A{{ טיל 12}}" שונה מ-2700 אלף מטר שהוגדל ל-4500 ק"מ. בשנות ה-70 נעשה שימוש בסיבי ארמיד במקום בסיבי זכוכית לחיזוק שרף אפוקסי, והחוזק השתפר מאוד, תוך ירידה במשקל. חומרי שרף אפוקסי מחוזקים בסיבי פחמן נמצאים בשימוש נרחב במטוסים, טילים, לוויינים ומבנים אחרים.
המחקר על יישום חומרים מרוכבים מבוססי שרף במנועי טורבו-פאן תעופה החל בשנות ה-50. לאחר יותר מ-60 שנות פיתוח, GE, PW, RR, MTU, SNECMA וחברות אחרות השקיעו אנרגיה רבה במחקר ופיתוח של חומרים מרוכבים מבוססי שרף, והשיגו התקדמות רבה, וההנדסה שלו יושמה על מנועי טורבו-פאן תעופה אקטיביים, וקיימת נטייה להרחיב עוד יותר את היישום שלו.
טמפרטורת השירות של חומרים מרוכבים מטריצת שרף בדרך כלל אינה עולה על 350 מעלות. לכן, חומרים מרוכבים מטריצת שרף משמשים בעיקר בקצה הקר של מנועי אוויר.
7
חומרי מטריצת מתכת מרוכבים
מהם חומרים מרוכבים של מטריצות מתכת? זהו חומר מרוכב המשולב באופן מלאכותי עם מתכת וסגסוגת שלה כמטריקס וחיזוק מתכת או לא מתכת אחד או כמה. רוב חומרי החיזוק שלו הם לא-מתכות אנאורגניות, כגון קרמיקה, פחמן, גרפיט ובורון וכו', וניתן להשתמש גם בחוטי מתכת. יחד עם חומרים מרוכבים של מטריקס פולימריים, מרוכבי מטריקס קרמיים וחומרי פחמן/פחמן, הוא יוצר מערכת מרוכבת מודרנית.
תְמוּנָה
המאפיינים של חומרים מרוכבים מטריצת מתכת: מבחינת מכניקה, יש להם חוזק רוחבי וגזירה גבוה, תכונות מכניות מקיפות טובות כמו קשיחות ועייפות, ויש להם גם מוליכות תרמית, מוליכות חשמלית, עמידות בפני שחיקה, מקדם התפשטות תרמית קטן, שיכוך טוב ללא ספיגת לחות וללא עמידות בפני קורוזיה. יתרונות כמו הזדקנות וללא זיהום. לדוגמה, החוזק הספציפי של חומרים מרוכבים מאלומיניום מחוזקים בסיבי פחמן הוא 3~4×107 מ"מ, והמודול הספציפי הוא 6~8×109 מ"מ. לדוגמה, המודולוס הספציפי של מגנזיום מחוזק בסיבי גרפיט יכול להגיע ל-1.5×1010 מ"מ, ומקדם ההתפשטות התרמית שלו הוא כמעט אפס.
ראוי להזכיר כי בהשוואה לחומרים מרוכבים על בסיס שרף, לחומרים מרוכבים על בסיס מתכת יש קשיחות טובה, אינם סופגים לחות ויכולים לעמוד בטמפרטורות גבוהות יחסית. סיבי החיזוק של חומרים מרוכבים של מטריצת מתכת כוללים סיבי מתכת, כגון נירוסטה, טונגסטן, עופרת, תרכובות בין-מתכתיות של ניקל-אלומיניום וכו'; סיבים קרמיים, כגון אלומינה, תחמוצת סיליקון, פחמן, בורון, סיליקון קרביד וכו'.
חומרי המטריצה של חומרים מרוכבים מתכת כוללים אלומיניום, סגסוגת אלומיניום, מגנזיום, סגסוגות סנטר וסנטר, סגסוגות עמידות חום, סגסוגות יהלומים ועוד. ביניהם, חומרים מרוכבים המבוססים על סגסוגות אלומיניום, סגסוגות אלומיניום וסגסוגות ברזל הם כיום הבחירות העיקריות . לדוגמה, ניתן להשתמש ברכיבים מרוכבים ממטריקסים מסגסוגת סנטר מחוזקים בסיבי SiC לייצור להבי מדחס. ניתן להשתמש ברכיבים מרוכבים של מטריצת מגנזיום או סגסוגת מגנזיום מחוזקים בסיבי פחמן או בסיבי אלומינה לייצור להבי טורבו. דוגמה נוספת היא שניתן להשתמש בחומרי סגסוגת מטריצת סגסוגת על בסיס ניקל מחוזקים בסיבי ניקל-כרום-אלומיניום-אירידיום לייצור רכיבי איטום עבור טורבינות ומדחסים.
בנוסף, מארזי מאווררים, רוטורים, דיסקים מדחסים וחלקים אחרים עשויים כולם מתכת מרוכבים מטריקס בחו"ל. אבל אחת הבעיות הגדולות ביותר עם סוג זה של חומר מרוכב היא שקל להגיב בין סיב החיזוק למתכת המטריצה כדי לייצר שלב שביר, אשר מדרדר את ביצועי החומר. במיוחד כאשר משתמשים בו לאורך זמן בטמפרטורה גבוהה יותר, התגובה של הממשק בולטת יותר. הפתרון הנוכחי הוא הוספת ציפויים מתאימים על פני הסיבים וסגסוגת מתכת המטריצה לפי סיבים שונים ומצעים שונים, כדי להאט את תגובת הממשק ולשמור על אמינות ביצועי החומר המרוכב.
תְמוּנָה
חומרים המשמשים להבי מאוורר מנוע
להב מאוורר המנוע הוא החלק המייצג והחשוב ביותר במנוע הטורבו-פאן, והביצועים של מנוע הטורבו-פאן קשורים קשר הדוק להתפתחותו. בהשוואה ללהבי מאווררים מסגסוגת טיטניום, להבי מאוורר מחומר מרוכב ממטריקס של שרף יש יתרון ברור מאוד בהפחתת משקל. בנוסף ליתרונות הברורים של הפחתת משקל, להבי המאוורר המרוכבים על בסיס שרף משפיעים פחות על מארז המאוורר לאחר הפגיעה, כך שמועיל לשפר את הבלימה של מארז המאוורר.
הנציגים העיקריים של להבי מאווררים מרוכבים ליישום מסחרי במדינות זרות הם: מנועי סדרת GE90 עבור B777, מנועי GEnx עבור B787, ומנועי LEAP-X עבור COMAC C919. כבר בשנת 1995, מנוע GE90-94B מצויד בלהבי מאוורר חומר מרוכב על בסיס שרף הוכנס רשמית לפעולה מסחרית, מסמן את המימוש הרשמי של היישום ההנדסי של חומרים מרוכבים מבוססי שרף במנועי אוויר מודרניים עתירי ביצועים . על בסיס שיקול מקיף של אווירודינמיקה, מחזורי עייפות במחזור גבוה ונמוך וגורמים אחרים, GE פיתחה להב מאוורר מרוכב חדש למנוע GE90-115B הבא.
במאה ה-21, הדרישה החזקה של מנועי תעופה לחומרים מרוכבים בעלי סבילות גבוהה לנזק מניע את המשך הפיתוח של טכנולוגיית חומרים מרוכבים, וקשה לעמוד בדרישות של חומרים בעלי סבילות גבוהה לנזק על ידי שיפור מתמיד של הקשיחות של סיבי פחמן. /prepregs שרף אפוקסי. כתוצאה מכך, החלו להופיע להבי מאווררים מורכבים ממבנה ארוגים בתלת מימד.
חומרים המשמשים במארז מאוורר המנוע
מארז מאוורר המנוע הוא החלק הנייח הגדול ביותר של מנוע תעופה, והפחתת המשקל שלו תשפיע ישירות על יחס הדחף למשקל והיעילות של מנוע תעופה. לכן, יצרני OEM מתקדמים זרים עם מנועי תעופה תמיד היו מחויבים להפחתת המשקל ולאופטימיזציה מבנית של מעטפת המאוורר.
תְמוּנָה
חומרים המשמשים לכיסויי מאוורר מנוע
מכיוון שזהו רכיב שאינו נושא עומס ראשי, כיסוי המאוורר הוא אחד החלקים הראשונים העשויים מחומרים מרוכבים במנוע תעופה. כיסוי המאוורר עשוי מחומרים מרוכבים יכול לספק משקל קל יותר, מבנה פשוט נגד הקרח, עמידות טובה יותר בפני קורוזיה ועמידות טובה יותר בפני עייפות. כמו מנוע RB211 של חברת RR המפורסמת, PW1000G של חברת PW ו-PW4000 משתמשים בחומרים מרוכבים מבוססי שרף להכנת מכסי מאווררים.
בהשוואה למסגרות מרכזיות של מנועי תעופה, לחומרים מרוכבים המבוססים על שרף יש מרחב יישום רחב מאוד במנועי תעופה. יצרנים עולמיים השתמשו בחומרים מרוכבים המבוססים על שרף בקנה מידה גדול בפתחי פתחי תא, יריעות, היפוכי דחף ובבטנות הפחתת רעש. חוֹמֶר. במונחים של חלקים אחרים, חומרים מרוכבים מבוססי שרף מיושמים גם בדרגות שונות בלוחות הפעלת מאוורר מנוע תעופה, כיסויי איטום נושאים ולוחות כיסוי.
