СПЛАВЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В АВИАЦИИ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

CHARACTERISTICS OF POLYCRYSTALLINE DIAMOND FOR HIGH TECHNOLOGY

Alfina Sadykova

Master's Student, Department of Technological Equipment, Mechanical Engineering and Standardization, Karaganda Technical University named after A. Saginov,

Republic of Kazakhstan, Karaganda

Vasily Yurchenko

Scientific Supervisor, PhD, Karaganda Technical University named after A. Saginov,

Republic of Kazakhstan, Karaganda

АННОТАЦИЯ

Сильная конкуренция в секторе промышленной авиации подталкивает к производству самолетов со сниженными эксплуатационными расходами, а именно с увеличенным сроком службы, лучшей топливной экономичностью, увеличенной полезной нагрузкой и дальностью полета. С этой точки зрения разработка новых материалов и/или материалов с улучшенными характеристиками является одним из ключевых факторов; основными целями являются снижение веса и продление срока службы компонентов и конструкций самолетов. Кроме того, для снижения веса современные материалы должны гарантировать улучшенные характеристики усталости и износа, устойчивость к повреждениям и коррозионную стойкость. В последнее десятилетие большая исследовательская работа была посвящена материалам для применения в авиации, и были достигнуты соответствующие результаты в получении конструкционных и двигательных металлических сплавов с оптимизированными свойствами.

ABSTRACT

Strong competition in the industrial aviation sector pushes for the production of aircraft with reduced operating costs, namely with an extended service life, better fuel efficiency, increased payload and flight range. From this point of view, the development of new materials and/or materials with improved characteristics is one of the key factors; the main goals are to reduce the weight and extend the service life of aircraft components and structures. In addition, to reduce weight, modern materials must guarantee improved fatigue and wear characteristics, damage resistance and corrosion resistance. In the last decade, a lot of research work has been devoted to materials for use in aviation, and corresponding results have been achieved in obtaining structural and propulsion metal alloys with optimized properties.

Ключевые слова: авиация, металл, износ, сплавы, материал, структура.

Keywords: aviation, metal, wear, alloys, material, structure.

В настоящей статье рассматриваются наиболее важные классы металлических материалов, включая сплавы Al, сплавы Ti, сплавы Mg, стали, суперсплавы Ni и композиты с металлической матрицей (MMC), с целью дать обзор последних достижений и осветить текущие проблемы и перспективы, связанные с металлами для авиации [1].

Ключевым вопросом статьи является разработка новых материалов и/или материалов с улучшенными характеристиками.

Выбор материала зависит от типа компонента, в зависимости от конкретных условий нагрузки, геометрических ограничений, окружающей среды, производства и технического обслуживания [2]. В этой работе описывается современное состояние и перспективы использования авиационных конструкционных материалов и материалов для двигателей. Конструкционные материалы должны выдерживать статический вес самолета и дополнительные нагрузки, связанные с рулением, взлетом, посадкой, маневрами, турбулентностью и т.д. Они должны иметь относительно низкую плотность для снижения веса и адекватные механические свойства для конкретного применения. Другим важным требованием является устойчивость к повреждениям, позволяющая выдерживать экстремальные условия температуры, влажности и ультрафиолетового излучения [3].

Выбор материала зависит от рабочей температуры.

Компоненты холодных секций требуют материалов с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, сплавы Ti и Al очень хороши для этих применений. Например, рабочая температура компрессора находится в диапазоне 500-600 ° C, а сплав Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (YS = 640 МПа при 450 ° C; отличная коррозионная стойкость) является наиболее часто используемым материалом.

Кратко опишем, какие сплавы используются в авиационной промышленности:

В течение многих лет сплавы Al были наиболее широко используемыми материалами в аэронавтике, однако роль использования композитов возрастает.

В любом случае, несмотря на растущее использование композитов, сплавы Al по-прежнему остаются материалами, имеющими фундаментальное значение для конструкционных применений из-за их легкого веса, обрабатываемости и относительной низкой стоимости, и соответствующие улучшения были достигнуты, особенно для сплавов 2XXX, 7XXX и Al-Li.

Там, где устойчивость к повреждениям является основным критерием для конструкционных применений, сплавы Al-Cu (серия 2XXX) являются наиболее часто используемыми материалами.

Среди всех металлов Zn обладает самой высокой растворимостью в Al, а результаты по прочности улучшаются за счет увеличения содержания Zn. Сплавы серии 7XXX представляют собой самые прочные сплавы Al и используются для высоконапряженных авиационных компонентов; например, верхняя обшивка крыла, стрингеры и стабилизаторы изготавливаются из сплава 7075 (YS = 510 МПа).

Плотность Li очень низкая (0,54 г / см3); таким образом, она снижает плотность сплавов Al (~ 3% на каждый добавленный 1% Li). Более того, Li является уникальным легирующим элементом, который определяет резкое увеличение модуля упругости (~6% на каждый 1% добавленного Li).

Композиты с металлической, керамической и полимерной матрицей все чаще используются в авиационной промышленности, заменяя другие материалы (см. Таблицу 2). Они представляют значительный интерес для применения как в конструктивных элементах, так и в деталях двигателей самолетов.

Разработка инновационных методов соединения является актуальным аспектом для авиационного применения алюминиевых сплавов.

Благодаря их превосходной удельной прочности и коррозионной стойкости сплавы Ti все чаще используются для изготовления конструктивных деталей самолетов. Они также используются в секциях двигателя, работающих при промежуточной температуре (500-600 °C).

Ti-композиты представляют собой материалы, представляющие большой интерес для применения в авиации, и, в частности, внимание было сосредоточено на материалах, армированных длинными керамическими волокнами.

Mg является самым легким металлом, используемым в конструкциях, и обладает превосходной литейной способностью, хорошей текучестью и меньшей восприимчивостью к водородной пористости, чем другие литые металлы, такие как сплавы Al. Фактически, кованые сплавы Mg обладают лучшими механическими свойствами, чем литейные сплавы; однако более высокая асимметрия пластической деформации представляет серьезную проблему [1].

Сверхвысокопрочные стали (UHSS) обычно используются для изготовления деталей самолетов, таких как шасси, каркасы, компоненты турбин, крепежные детали, валы, пружины, болты, конусы воздушных винтов и оси. Суперсплавы на основе Ni с двухфазной структурой (γ + γ‘) обычно используются для изготовления деталей авиационных двигателей например, лопасти и роторы, работающие в самом высоком температурном диапазоне (1100-1250 °C).

Чтобы повысить эффективность работы авиационных двигателей, они должны работать при более высокой температуре, поэтому высокотемпературные свойства суперсплавов очень важны, особенно микроструктурная и механическая стабильность.

Аспектом, имеющим важное значение для этих материалов, является возможность изготовления авиационных компонентов сложной геометрии.

Трещины могут образовываться в суперсплавах на основе Ni как в процессе производства, так и в течение срока службы в суровых условиях высокой температуры и напряжения в чрезвычайно агрессивной среде. Такие дефекты обычно устраняются с помощью сварки, что приводит к значительной экономии средств.

Разработка новых материалов требует новых технологий, и некоторые из них, имеющие большое значение для авиационной отрасли, были кратко рассмотрены. В будущем микроструктурная и механическая стабильность суперсплавов Ni будут дополнительно исследованы и улучшены за счет тщательного подбора состава для получения более высоких рабочих температур авиационных двигателей. Также ожидаются важные достижения в области конструкционных материалов [4].

Конкуренция с полимерами, армированными углеродным волокном (углепластик), будет стимулировать новые усилия по улучшению механических свойств, особенно усталостной прочности и ударной вязкости, а также коррозионной стойкости алюминиевых сплавов. В случае сплавов Ti основное внимание будет уделяться стойкости к высоким температурам с помощью контроля фаз и термомеханической обработки. Доступность новых типов армирующих частиц и волокон будет использоваться для улучшения свойств MMC. Наконец, разработка методов упрочнения для получения очень прочных сплавов Mg открывает новые горизонты для применения этих материалов в авиации, которые отлично подходят для снижения веса.

Приходим к выводу, что был проведен критический анализ различных видов материалов, включая сплавы Al, сплавы Ti, сплавы Mg, стали, суперсплавы Ni и композиты с металлической матрицей (MMC), с акцентом на взаимосвязи структуры и свойств.

Суть статьи заключается в том, что было проведено исследование новых композиционных сплавов. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы и нуждается в совершенствовании. Трудно предсказать ход событий в будущем, но есть некоторые свидетельства улучшения этой ситуации.

Список литературы:

1. Базров, Б.М. Основы технологии машиностроения: Уч. / Б.М. Базров. - М.: Инфра-М, 2019. - 492 c.
2. Безъязычный, В. Основы технологии машиностроения: Учебник / В. Безъязычный. - М.: Машиностроение, 2013. - 568 c.
3. Бурцев, В.М. Технология машиностроения. В 2-х т.Т. 1. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов / В.М. Бурцев. - М.: МГТУ им. Баумана, 2011. - 478 c.
4. Горохов, В.А. Основы технологии машиностроения и формализованный синтез технологических процессов. В 2-х т.Основы технологии машиностроения и формализованный синтез технологических процессов: Учебник / В.А. Горохов. - Ст. Оскол: ТНТ, 2012. - 1072 c. 688 c.
5. Зубарев, Ю.М. Динамические процессы в технологии машиностроения. Основы конструирования машин: Учебное пособие / Ю.М. Зубарев. - СПб.: Лань, 2018. - 212 c.