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        航空航天材料及設計_航空航天材料加工

        瀏覽: 時間:2021-09-10
        航空航天材料及規劃

          在以前的15年里,無論是從商業仍是技術的角度來看,航空航天業已經成為了一個注重的焦點。2003年,國際上出現了榜首架首要以運用  復合材料為主的飛機,Eurofighter。美國緊隨其后推出了可以稱為當時國際上最先進的戰斗機F-22,它的功能由于運用了先進的材料和制造方法得到了很大的前進。與此一同,商業航空范疇也見證了兩架具有革命性含義的飛機:波音787和空客A350投入運用。發動機原始設備制造商(OEMs)正在進行制造技術的晉級。先進的材料和優化的結構幫忙CFM國際公司(CFM International)的LEAP 56發動機和普惠公司(Pratt & Whitney)的齒輪渦輪電扇發動機(GTF)下降了15%的燃油消耗。這些立異的發動機促進波音公司(Boeing)和空客公司(Airbus)放置了運用薄板窄體機身的方案,而采用了立刻替換發動機的解決方案。在未來的10到15年又會產生什么呢?   

         原材料的需求    

        根據CFM國際公司(CFM International)的查詢研討閃現,2014年用于軍用和商用飛機出產、維護、修補和大修(MRO)的原材料總量大約是680,000噸,其間三分之二是由波音和空客運用的。由于在出產的進程中存在必定的低效率問題,估量每出產1磅可以在飛機上運用的畢竟材料都需求運用大約6磅的材料進行銑削制造,這個現象用工作術語來說就是收購到翱翔的比率為6:1。每個預成型的加工制造進程(鑄造、鑄造、擠出、加工電鍍)都會構成很多的材料丟失。與  碳纖維  復合材料(CFRP)挨近1.5:1的收購到翱翔比率比較,大多數合金材料都具有較高的收購到翱翔比率。航空業不斷地注重閉合恢復程序和近凈成形制造工藝。近凈成型制造工藝的優勢是可以減少對難以加工的超高溫合金和鈦合金的加工步驟。  


          總的來說,鋁是最常運用的材料,占到了工業材料運用率的47%,合金鋼以18%位列第二。超高溫合金和鈦合金所占份額分別為15%和11%。雖然  碳纖維復合材料(CFRP)只占到了總需求量的4%,但是它是添加最快的。根據ICF的猜測,碳纖維復合材料(CFRP)的需求量估量每年會添加6.5%,鈦合金將添加4.5%,超高溫合金將添加2%。鋁和合金鋼的添加率估量在未來十年將堅持平穩。    


        下一代    由于碳纖維復合材料(CFRP)的畢竟機械功能還具有可變性,因此抱負的碳纖維復合材料(CFRP)規劃還需求進一步地進行優化。下一代航空運輸飛機的全新規劃可能會將金屬(可能是鋁-鋰合金)機身與碳纖維復合材料(CFRP)機翼、尾翼結合起來。運用碳纖維復合材料(CFRP)——一種恰當寶貴的材料——制造機翼的目的在于它在重量、幾許結構、涂層和剛度(為了到達更高的高寬比) 等方面都具有功能上的優勢。采用碳纖維復合材料(CFRP)結構的一個應戰是危害的檢測和批改——金屬機身常常會受到來自扶梯服務車輛的沖撞然后構成危害。假如不是波音公司的(737 MAX)和空客公司(A320neo)為晉級發動機所做出的盡力,這些飛機可能要到十年以后才會出現。      

          數據來歷ICFI (LHS)    下一代的材料包括先進的鋁-鋰合金以及各種衍生品。包括2000和7000系列熱處理鋁合金。美國聯邦航空管理局(FAA)在以前的十年里認證的合金數量比前五十年加在一同的都多,首要是一些定制的鋁合金材料。纖維增強鋁還處于查詢研討的階段。研討的關鍵是非金屬包裹的非高壓釜熱固性復合材料和熱塑性擠壓制品,比方縱向加強條等。固化復合材料需求運用巨大的高壓釜以及高于華氏750°F的溫度進行制造。研討人員正在研討碳納米管薄膜,這種薄膜只需運用慣例加工方法總能源消耗的1%就可以產生很高的熱能。 

           陶瓷基復合材料(CMCs) 

           用于制造燃氣渦輪機的高溫部件,陶瓷基復合材料(CMCs)——由碳化硅陶瓷纖維和陶瓷樹脂制成——這種材料與超高溫合金比較重量只有它的三分之一,卻能接受其兩倍的強度而且可以前進20%的熱容量。較難進行加工和高出產本錢是這種材料被廣泛運用的首要障礙。  

          在以前的20年里,通用航空公司(GE Aviation)在這項技術上的出資花費了超越10億美元,其間的1.25億美元用于建設在北卡羅萊納州阿什維爾的制造工廠。這種材料將在LEAP發動機榜首階段高壓(HP)壓縮機覆板上初次投入運用。通用航空公司(GE Aviation)正在HP渦輪機和GE9X的燃燒室上測驗陶瓷基復合材料(CMCs)。2015年2月,通用航空公司(GE Aviation)成功地在F414軍用發動機上以低壓渦輪葉片(LP)的形式測驗了陶瓷基復合材料(CMCs)制成的旋轉部件。這種材料憑仗在ADVENT軍用發動機中的優秀功能表現幫忙該公司發明了壓縮機和渦輪最高溫度的記載。勞斯萊斯公司(Rolls Royce)現在也在測驗陶瓷基復合材料(CMCs)在覆板上的運用,然后是靜態的結構,最終是旋轉的部件。普惠公司(P&W)將關鍵研討陶瓷基復合材料(CMCs)在渦輪葉片和燃燒室中的運用。一同,航空航天工作也在考慮陶瓷基復合材料(CMCs)在渦輪圓盤中的運用。   

         鈦鋁合金(TiAl)   

         鈦-鋁合金(TiAl)的強度和許多超高溫合金相同但是重量卻只有它們的一半,但是由于鈦-鋁合金較低的延展性使其很難進行加工。通用航空公司(GE Aviation)的子公司Avio Aero公司正在評價通過添加制造的方法出產鈦鋁合金低壓渦輪葉片。這種加工進程可以使材料在冷卻后構成復雜的內部幾許結構,并最大極限地減少材料在加工進程中的丟失。勞斯萊斯公司(Rolls Royce)正在為制造他們下一代的Trent發動機對鈦鋁合金渦輪葉片進行評價。   

         金屬粉末  

          粉末冶金技術可以減輕在慣例的鑄造或鑄造進程中所產生的材料內部微觀結構不均勻的現象。從歷史上來看,在航空航天的運用中,氣體霧化粉末從前用于涂層和等溫鑄造圓盤上,這項技術是在19世紀80年代研制的。每一家發動機原始設備制造商(OEMs)都有自己的專用粉末?,F在的關鍵是添加制造技術的運用,這種技術首要用于鈦和超高溫合金的制造,這些材料將用于發動機和飛機的結構之中。新的粉末種類也正在進行研制。制造商們正專注于下降本錢和質量操控以完成大批量的出產。 

               商用飛機產量的添加,空中客車公司(Airbus)在阿拉巴馬州的移動裝配線,給航空材料的需求 帶來了壓力。(圖片來歷: Airbus)    鈦的壓力   

         在發動機溫度較低的部分,鈦合金風機葉片的統治地位也受到了應戰。CFM國際公司(CFM International)和普惠公司(P&W)將分別在他們制造的下一代窄體發動機電扇葉片和電扇箱中運用碳纖維復合材料(CFRP)和鋁鋰合金。由于CFM的LEAP發動機和普惠的GTF發動機在直徑上大了約35%,因此需求運用重量較輕的電扇。勞斯萊斯公司(Rolls Royce)也宣布他們方案為下一代的發動機規劃一個碳鈦合金復合材料制成的電扇。較輕的質量使得其所需的旋轉動能也越少。此外,在發動機葉片上減輕了重量意味著一同為發動機吊架和葉片結構減輕了重量。  

          一般來說,在接下來的十年里不太會再出現重要的新材料開發項目了。工作的首要精力將集中在下降本錢(下降收購到翱翔的比率),先進的集成加工技術,添加制造技術和自動化等方面。鑒于波音公司和空客公司連續8年的產量積壓,他們急切地期望可以前進產量,把注重的關鍵放在程序履行和本錢操控上,這是契合邏輯的。波音787研制制構本錢的嚴重超支以及空客A380項目菲薄的盈余使得原始設備制造商(OEMs)依然非常注重贏利的添加。航空業是一個保守的工作。以前的十年是一個破例。原始設備制造商(OEMs)現在雖然可以通過現有的技術盈余——但是慣例的供貨商和新式的競爭對手也可以。  


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