مس یک رسانای چکش خوار، انعطاف پذیر و عالی گرما و الکتریسیته است. در صنایع مختلف از جمله برق، ساختمان، خودروسازی و لوله کشی استفاده می شود. درجات و استانداردهای مختلفی برای مواد مس وجود دارد که در اینجا به برخی از آنها اشاره می کنیم:
در سالهای اخیر، جامعه هوانوردی داخلی و خارجی ضمن تداوم توجه به ایمنی هواپیماها و موتورها، به طور فزایندهای نگران صرفهجویی در منابع، کاهش هزینهها، حفاظت از محیطزیست و موارد دیگر شدهاند. در این زمینه، صنعت هوانوردی سبز پیشرفت خاصی داشته است. هوانوردی سبز کل فرآیند توسعه و استفاده از طراحی، ساخت، استفاده، تعمیر و نگهداری، بازنشستگی، بازیابی و غیره هواپیما را شامل می شود که شامل زمینه های فنی از جمله مواد سبز، ساخت سبز، نگهداری سبز و غیره می شود.
مواد سبز به حداکثر رساندن استفاده از منابع و به حداقل رساندن هزینه استفاده و اثرات زیست محیطی در کل چرخه طراحی مواد، انتخاب مواد خام، پردازش و ساخت، بسته بندی و حمل و نقل، استفاده، بازیابی و استفاده مجدد اشاره دارد. کشور ما به شدت شروع به توسعه فناوری مواد جدید کرده است، هر فناوری مواد جدید پیشرفتی ایجاد کرده است، تحقیقات مواد جدید هوانوردی دستاوردهای خوشحال کننده ای داشته است. با نگاهی به آینده، مواد هوانوردی جدید در جهت چند منظوره، کارایی بالا، فرآیندهای جدید، هزینه کم و مفاهیم جدید توسعه خواهند یافت. با بهبود سطح تحقیق و توسعه مستقل چین در زمینه مواد هوانوردی جدید، ما نیاز به بهبود همه جانبه سطح فنی مواد هوانوردی سبز از جنبههای طراحی مواد، فرآیند آمادهسازی، توسعه مواد، بازیافت و سایر جنبهها داریم و به طور مشترک. ایجاد آینده ای بهتر برای هوانوردی سبز
اول، ضرورت توسعه صنعت هوانوردی سبز
سال 2021 اولین سال چهاردهمین برنامه پنج ساله است. به عنوان موقعیت اصلی کل زنجیره صنایع نظامی، انتظار می رود بخش مواد جدید فضای بزرگتری را برای توسعه ایجاد کند. قرن بیستم قرن پیشرفت سریع علم و فناوری مدرن است که یکی از نمادهای مهم آن دستاوردهای درخشان بشر در زمینه هوانوردی و فضانوردی است. در قرن بیست و یکم، صنعت هوافضا چشمانداز وسیعتری برای توسعه نشان داده است و فعالیتهای هوافضایی سطح بالا یا فوقبالا فراوانتر شدهاند. دستاوردهای بزرگ صنعت هوافضا از توسعه و پیشرفت فناوری مواد هوافضا جدا نیست. مواد پایه و پیشرو فناوری و صنعت پیشرفته مدرن هستند و تا حد زیادی پیش نیاز پیشرفت فناوری پیشرفته هستند. توسعه مواد هوافضا نقش مهمی در پشتیبانی و تضمین فناوری هوافضا دارد. به نوبه خود، نیازهای توسعه فناوری هوافضا تا حد زیادی منجر به توسعه مواد هوافضا می شود. می توان گفت پیشرفت مواد نقش مهمی در ارتقاء هواپیماها دارد.
مواد هوانوردی نه تنها ضمانت مادی توسعه و تولید محصولات هوانوردی است، بلکه مبنای فنی ارتقاء محصولات هوانوردی نیز می باشد. مواد نقش مهمی در توسعه صنعت هوانوردی و محصولات هوانوردی دارند. در قرن بیست و یکم، مواد هوانوردی به سمت عملکرد بالا، عملکرد بالا، چند منظوره، ادغام ساختار و عملکرد، ترکیب، هوشمند، کم هزینه و سازگاری با محیط در حال توسعه هستند.
نخست وزیر سابق لی کچیانگ در گزارش کار دولت خود در سال 2022 پیشنهاد کرد که به طور مداوم محیط زیست محیطی را بهبود بخشد، توسعه سبز و کم کربن را ترویج کند، کنترل آلودگی و حفاظت و احیای محیط زیست را تقویت کند، تعادلی بین توسعه و کاهش انتشار و ترویج همزیستی هماهنگ بین ایجاد کند. انسان و طبیعت در سال های اخیر، در حالی که توجه به ایمنی هواپیماها ادامه دارد، جامعه هوانوردی داخلی و خارجی نیز به طور فزاینده ای نگران صرفه جویی در منابع، کاهش هزینه ها، حفاظت از محیط زیست و سایر مسائل هستند. در این زمینه، هوانوردی سبز پیشرفت خاصی داشته است. هواپیما به سمت توسعه ایمن تر و قابل اعتماد تر، سبک وزن تر، سخت تر و سبزتر است، بنابراین نیازهای بالاتر و بالاتری را برای مواد مطرح می کند، اما همچنین هواپیما را در سرعت پرواز، قابلیت اطمینان، هزینه کم، راندمان بالا و راحتی و سایر جنبه های ارتقاء ارتقا می دهد. . در شرایط صنعتی جدید، توسعه مواد سبز هوانوردی پیشرفته و فناوری آمادهسازی و پردازش آن برای حمایت از توسعه پایدار صنعت هوانوردی چین اهمیت زیادی دارد. در یک کلام، با توسعه سریع صنعت مدرن جهانی، توسعه سبز مواد هوانوردی یک روند اجتناب ناپذیر و یک نیاز فوری توسعه اقتصادی است.
دوم پیشرفت تحقیق در مورد مواد جدید هوانوردی
مواد هواپیما تا حدودی هزینه ساخت بدنه هواپیما را تعیین می کند. از آنجایی که تجهیزات هوانوردی چین عمدتاً در مراحل اولیه معرفی شد، عمدتاً از سیستم مواد خارجی در انتخاب مواد استفاده می کند. در سالهای اخیر، چین به شدت شروع به توسعه فناوری مواد جدید کرده است، و فناوری مواد جدید پیشرفتهای مستمری داشته است، و تحقیق در مورد مواد جدید هوانوردی نیز دستاوردهای خوشحالکنندهای داشته است. با این حال، هنوز فاصله زیادی بین سطح کلی صنعت مواد جدید هوانوردی و سطح پیشرفته بین المللی وجود دارد.
(الف) آلیاژ تیتانیوم: خواص عالی "فلز جهانی"
تیتانیوم دارای ویژگی های وزن مخصوص کم و استحکام ویژه بالا است و آلیاژ آن برای افزایش نسبت رانش به وزن هواپیما در زمینه هوافضا اهمیت زیادی دارد و در سال های اخیر به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر زمینه های نظامی و هوافضا، آلیاژ تیتانیوم نیز به طور گسترده در زمینه های شیمیایی، متالورژی، پزشکی، ورزش و اوقات فراغت و سایر زمینه ها استفاده می شود.
وضعیت توسعه مواد آلیاژ تیتانیوم برای هوانوردی در خارج از کشور
1) آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا: آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا عمدتا در ریل کشویی فلپ هواپیما، محفظه یاتاقان، براکت، هود موتور، دیسک و تیغه کمپرسور، پوشش و سایر قطعات قاب ساختاری استفاده می شود. این اجزا به استحکام ویژه بالا، استحکام خستگی، مقاومت در برابر خزش و پایداری ساختاری در 300 تا 600 درجه نیاز دارند. در حال حاضر، به نمایندگی از سطح پیشرفته بین المللی مارک های آلیاژ تیتانیوم با درجه حرارت بالا، عمدتاً شامل Ti-6242S، Ti-1100 ایالات متحده، IMI834، BT36 روسیه و غیره است.
2) آلیاژ تیتانیوم با استحکام بالا: آلیاژ تیتانیوم با استحکام بالا معمولاً به استحکام کششی بیش از 1000MPa آلیاژ تیتانیوم اشاره دارد که عمدتاً برای جایگزینی فولاد ساختاری با استحکام بالا که معمولاً در ساختار هواپیما استفاده می شود استفاده می شود و می تواند 10 درصد کاهش وزن را به دست آورد. در حال حاضر، آلیاژهای تیتانیوم با استحکام بالا که در هواپیما استفاده میشوند، عمدتاً از نوع آلیاژهای تیتانیوم هستند که نماینده اصلیترین Ti-1023، BT22، Ti-153، -21S و غیره هستند.
3) آلیاژ تیتانیوم بازدارنده شعله: در حال حاضر آلیاژهای تیتانیوم ضد شعله معمولی آلیاژ C در ایالات متحده و BTT-1 در روسیه هستند. آلیاژ C (Ti{2}}V-15Cr)، ساخته شده در ایالات متحده، یک آلیاژ تیتانیوم از نوع با استحکام خوب در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون است. این روی بدنه کمپرسور فشار بالا، پره راهنما و نازل دم برداری موتور Fl19 اعمال شده است. آلیاژ تیتانیوم ضد شعله Ti-Cu-Al BTT{11}} که در روسیه تولید شده است، کارایی حرارتی خوبی دارد و در پوشش و تیغه های کمپرسور موتور استفاده شده است.
وضعیت توسعه مواد آلیاژ تیتانیوم برای هوانوردی داخلی
1) آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا: آلیاژ Ti{1}} آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا ۶۰۰ درجه است که به طور مستقل توسط کشور ما ساخته شده است. این آلیاژ بر اساس آلیاژ TAl2 (Ti-55) است که عناصر Al، Sn، Si را با محتوای مناسب اضافه میکند تا پایداری حرارتی، خزش در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا را بهبود بخشد.
2) آلیاژ تیتانیوم ساختاری با استحکام بالا: دسته ای از آلیاژ تیتانیوم ساختاری با استحکام بالا به طور مستقل در دهه 1970 تا 1990 ساخته شد. استحکام این آلیاژهای تیتانیوم می تواند به سطح 1100-1300MPa برسد. در آغاز قرن بیست و یکم، دو نوع آلیاژ تیتانیوم بتا وجود دارد: ① تقریباً تیتانیوم Ti-B18، استحکام کششی می تواند به 1150 ~ 1350MPa برسد. ② آلیاژ تیتانیوم متقابل Ti-B20، استحکام کششی تا 1200 ~ 1600MPa.
3) آلیاژ تیتانیوم بازدارنده شعله: در طول سال ها، چین تحقیقات عمیقی روی آلیاژ تیتانیوم بازدارنده شعله انجام داده است. با اشاره به آلیاژ آلیاژ C، سری های Ti-V-Cr-Al، Ti-Mo-Cr-Al، Ti-Mo-V-Cr-Al3 از آلیاژهای تیتانیوم بازدارنده شعله طراحی و مکانیسم ضد احتراق با ابزار مورد مطالعه قرار گرفت. شبیه سازی کامپیوتری علاوه بر این، آلیاژهای تیتانیوم ضد شعله TF1 (سری Ti-V-Cr-C) و TF2 (سری Ti-Cu) پس از تجزیه و تحلیل سیستماتیک سیستمهای مختلف ایالات متحده، بریتانیا و روسیه طراحی شدند. آلیاژ Ti{20}} (Ti-V-Cr-Si) یک آلیاژ تیتانیوم مقاوم در برابر شعله است که به طور مستقل در چین توسعه یافته است. در مقایسه با آلیاژ تیتانیوم معمولی، آلیاژ Ti{25}} دارای خواص ضد شعله و مکانیکی عالی است. در حال حاضر، تحقیقات آلیاژی از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس نیمه صنعتی توسعه یافته است، توانسته است شمش Ti40 تنی، میله اندازه بزرگ و آهنگری حلقه را تهیه کند.
با توجه به شروع دیرهنگام صنعت ساخت هوانوردی داخلی، مصرف مواد تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم در زمینه هوانوردی داخلی زیاد نیست، مواد تیتانیوم مورد استفاده در زمینه هوانوردی کمتر از 20 درصد است که بسیار کمتر از سطح متوسط بین المللی حدود 50 است. درصد، و صنعت تیتانیوم در مقایسه با کشورهای توسعه یافته هنوز شکاف بزرگی وجود دارد: اول، محصولات آلیاژ تیتانیوم سطح بالا هنوز هم عمدتاً تقلید هستند، سطح توسعه مواد کم است، دامنه کاربرد باریک، عملکرد جامع بالا و پایین است. هزینه توسعه آلیاژ تیتانیوم بیشتر در مرحله آزمایشگاهی است. دوم، کیفیت متالورژی پایدار نیست، انواع کمتر، مشخصات ناقص است. سوم، پیشرفت تحقیقاتی فناوریهای پشتیبانی مرتبط کند است و سیستم مواد آلیاژ تیتانیوم خود توسعه یافته باید بهبود یابد.
(2) سوپرآلیاژ: تمرکز بر نیازهای موتورهای نظامی
سوپر آلیاژ، برای دمای بالا
فولاد سنتی بالای 300 درجه سانتیگراد نرم می شود و نمی تواند با دماهای بالا مقابله کند. به منظور دنبال کردن راندمان تبدیل انرژی بالاتر، زمینه قدرت موتور حرارتی به دمای کاری بالاتر و بالاتر نیاز دارد. در نتیجه، سوپرآلیاژها برای عملکرد پایدار در دمای بالای 600 درجه سانتیگراد پرورش داده شده اند و این فناوری همچنان در حال پیشرفت است.
سوپرآلیاژها بر اساس عناصر اصلی آلیاژ به سوپرآلیاژهای پایه آهن و سوپرآلیاژهای پایه نیکل تقسیم می شوند. به گفته شرکت مشاور ژیان، تقسیم بر فرآیند محصول در سال 2018، خروجی سوپرآلیاژ پایه نیکل 80 درصد، سوپرآلیاژ پایه آهن 14.3 درصد و سوپرآلیاژ پایه کبالت 5.7 درصد بوده است.
سوپرآلیاژ ماده کلیدی موتورهای هوایی است. سوپرآلیاژ از بدو تولد در موتورهای هوایی مورد استفاده قرار گرفته است و ماده مهمی برای ساخت موتورهای هوافضا است. سطح عملکرد موتور تا حد زیادی به سطح عملکرد مواد سوپرآلیاژی بستگی دارد. در موتورهای هوای مدرن، مقدار مواد سوپرآلیاژی 40 تا 60 درصد وزن کل موتور را تشکیل می دهد. این عمدتا در چهار جزء داغ استفاده می شود: محفظه احتراق، راهنما، تیغه توربین و دیسک توربین. علاوه بر این، در پوشش، قطعات حلقه، پس سوز و نازل دم نیز استفاده می شود.
صنعت آلیاژ با دمای بالا چین در حال حاضر در دوره رشد است و شرکت های زنجیره ای صنعتی فضای توسعه گسترده ای در آینده دارند. تعداد شرکت های تولید سوپرآلیاژ در چین محدود است و سطح تولید از ایالات متحده، روسیه و سایر کشورها عقب است. با این حال، در سال های اخیر، ظرفیت تولید و ارزش خروجی به طور قابل توجهی بهبود یافته است. بسیاری از پروژه های ظرفیت تولید سوپرآلیاژ Lianshi Aviation، Western Superconductor و سایر شرکت ها در حال ساخت و بهره برداری هستند.
خواص سوپرآلیاژ برای موتورهای هوایی به طور مداوم در حال توسعه است
1) سوپرآلیاژ پایه آهن: یکی از ویژگی های سیستم سوپرآلیاژ چینی است.
به دلیل کمبود نیکل و کبالت کمی در منابع چینی، توسعه، تولید و کاربرد سوپرآلیاژ پایه آهن به صحنه ای درخشان در دهه های 1960 و 1970 تبدیل شد.
سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن معمولاً در قطعات موتور با دمای عملیاتی پایین (600 تا 850 درجه سانتیگراد) مانند دیسکهای توربین، پوشش و شفت استفاده میشوند. با این حال، سوپرآلیاژ پایه آهن دارای خواص مکانیکی خوبی در دمای متوسط است که با آلیاژهای پایه نیکل مشابه یا بهتر از آن قابل مقایسه است. علاوه بر این، ارزان است و به راحتی در کار گرم تغییر شکل می دهد. بنابراین، سوپرآلیاژ پایه آهن هنوز به طور گسترده به عنوان دیسک توربین و مواد پره توربین در زمینه دمای متوسط استفاده می شود.
2) سوپرآلیاژ پایه نیکل: تغییر شکل / ریخته گری / ارتقاء آلیاژ جدید بر اساس نسل.
سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل عموماً تحت شرایط تنش خاص بالای 600 درجه کار می کنند. آنها نه تنها مقاومت اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی در دمای بالا دارند، بلکه دارای استحکام دمایی بالا، استحکام خزش و استحکام پایدار و همچنین مقاومت در برابر خستگی خوبی هستند. این عمدتا در زمینه هوافضا برای اجزای ساختاری که در شرایط دمای بالا کار می کنند، مانند تیغه های کار، دیسک های توربین، محفظه های احتراق موتورهای هوایی و غیره استفاده می شود.
با توجه به فرآیند تولید، سوپر آلیاژ پایه نیکل را می توان به آلیاژ متغیر، سوپرآلیاژ ریخته گری، سوپرآلیاژ جدید تقسیم کرد. سوپرآلیاژ ریخته گری مبتنی بر نیکل عمدتاً در تیغه های راهنمای توربین در موتورها استفاده می شود، جایی که دمای کار می تواند به بیش از 1100 درجه برسد یا همچنین می تواند در پره های توربین که دمای آنها کمتر از تیغه راهنمای مربوطه 50-100 درجه است استفاده شود. .
از آنجایی که دمای کار آلیاژ مقاوم در برابر حرارت بالاتر و بالاتر است، عناصر تقویت کننده در آلیاژ بیشتر و بیشتر می شوند، ترکیب پیچیده تر است، در نتیجه برخی از آلیاژها فقط در حالت ریخته گری قابل استفاده هستند، نمی توانند تغییر شکل کار گرم داشته باشند. علاوه بر این، افزایش عناصر آلیاژی باعث می شود که جداسازی ترکیب آلیاژ پایه نیکل پس از انجماد جدی شود و در نتیجه ریزساختار و خواص ناهموار ایجاد شود. استفاده از فرآیند متالورژی پودر برای تولید سوپرآلیاژ می تواند مشکلات فوق را حل کند. از آنجایی که ذرات پودر کوچک است، سرعت خنکسازی هنگام تولید پودر سریع است، جداسازی حذف میشود، کارایی گرم بهبود مییابد، آلیاژی که فقط میتواند ریختهگری شود به سوپرآلیاژ تغییر شکلی تبدیل میشود که میتوان آن را گرم کرد، استحکام تسلیم و خواص خستگی بهبود یافته است، سوپر آلیاژ پودر راه جدیدی برای تولید آلیاژ با استحکام بالاتر ایجاد کرده است. سوپرآلیاژ پودری عمدتاً در ساخت دیسک توربین موتورهای هوای پیشرفته با نسبت رانش بالا و همچنین در تولید دیسک کمپرسور، شفت توربین، بافل توربین و سایر قسمتهای انتهای داغ با دمای بالا موتور هوا پیشرفته استفاده میشود.
3) سوپر آلیاژ مبتنی بر کبالت: مقاومت در برابر خوردگی و سایر زمینه های خاص چشم انداز گسترده ای دارند.
مقاومت اکسیداسیون سوپر آلیاژ مبتنی بر کبالت ضعیف است، اما مقاومت در برابر خوردگی حرارتی آن بهتر از نیکل است. سوپرآلیاژ مبتنی بر کبالت همچنین دارای استحکام در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی حرارتی، خستگی حرارتی و مقاومت در برابر خزش نسبت به سوپرآلیاژ پایه نیکل است که برای تولید پره ها و نازل های راهنمای توربین گاز مناسب است.
به دلیل محدودیت منابع، آلیاژهای پایه کبالت مانند K40، GH188 و L605 در کشور ما تولید شده است. از سال 2001، تحقیقات GE در سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت بر استفاده از سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت به عنوان مواد زیرلایه توربینهای گاز و تهیه پوششهایی مانند پوششهای مانع حرارتی روی سطح آلیاژها برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی متمرکز شده است.
به دلیل محدودیت های مواد، کبالت در زمین نسبتا کمیاب و گران است. در حال حاضر حرارت تحقیقات مبتنی بر کبالت کاهش یافته است و بسیاری از تحقیقات علمی مانند آزمایش مدلسازی دیجیتال در مرحله نظری باقی مانده است.
اولین نسل از آلیاژ هواپیماهای نظامی، موتور با آلیاژ دمای بالا یا وارد دوره حجم سریع می شود
دمای مورد نیاز موتور در حال افزایش است. نسبت رانش به وزن بالا به دمای نازل بالاتر و پشتیبانی مواد در دمای عملیاتی بالاتر نیاز دارد. در توسعه سوپرآلیاژ در جهان، مواد تیغه و دیسک موتور چهار مرحله تغییر شکل، ریخته گری، جهت گیری و تک کریستالی را تجربه کرده اند. دما به تدریج از 600 درجه به بیش از 1100 درجه افزایش می یابد.
ارتقاء هواپیماهای نظامی با ارتقاء سوپرآلیاژها همراه بوده است. مواد هسته موتور توربوفن نسل اول سوپرآلیاژ تغییر شکل یافته است و دمای کار مواد هسته 650 درجه است. با موتور توربوفن نسل چهارم، دمای کار مواد هسته به 1200 درجه رسیده است و سوپرآلیاژ تک کریستال پذیرفته شده است. ارتقاء هواپیماهای نظامی با ارتقاء سوپرآلیاژ، ماده اصلی موتور همراه بوده است. ارتقاء سوپرآلیاژ نیاز به تحقیق دارد