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2、波音客机离奇事故,地面试车发动机爆炸,零件射入对面发动机
军事工业用新材料大盘点,你知道什么是隐身材料吗?
镁合金在军工装备上有诸多应用,如坦克座椅骨架、车长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机,战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵,歼击机、轰炸机、直升机、运输机、机载雷达、地空导弹,镁合金重量轻、比强度和刚度好、减振性能好、电磁干扰。
在航空航天和国防建设中占有十分重要的地位,是飞行器,卫星,导弹,以及战斗机和战车等武器装备所需的关键结构材料,3、纳米材料,近年来,国内外对军用发动机用结构陶瓷进行了内容广泛的研究工。
如发动机增压器小型涡轮已经实用化,美国将陶瓷板镶嵌在活塞顶部,使活塞的使用寿命大幅度提高,同时也提高了发动机的热效率,德国在排气口镶嵌陶瓷构件,提高了排气口的使用效能,国外红外热成像仪上的微型斯特林制冷机活塞套和气缸套。
其寿命长达2000小时,导弹用陀螺仪的动力靠火药燃气供给,但燃气中的火药残渣对陀螺仪有严重损伤,为消除燃气中的残渣并提高导弹的命中精度,需研究适于导弹火药气体在2000oC下工作的陶瓷过。
在兵器工业领域,结构陶瓷广泛应用于主战坦克发动机增压器涡轮、活塞顶,是新型武器装备的关键材料,目前,20~30毫米口径机关枪的射频要求达到1200发/,这使炮管的烧蚀极为严重。
利用陶瓷的高熔点和高温化学稳定性能有效地抑制了严重,陶瓷材料具有高的抗压和抗蠕变特性,通过合理设计,使陶瓷材料保持三向压缩状态,克服其脆性。
保证陶瓷衬管的安全使用,1.1铝合金,阻尼是指一个自由振动的固体即使与外界完全隔离,它的机械性能也会转变为热能的现象,采用高阻尼功能材料的目的是减震降噪,因此阻尼减震材料在军事工业中具有十分重要的意义。
镁合金作为最轻的工程金属材料,具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼性及导热性好,电磁屏蔽能力强、以及减振性好等一系列独特的性质,极大的满足了航空航天、现代武器装备等军工领域的需求,陶瓷材料是当今世界上发展最快的高技术材料。
它已经由单相陶瓷发展到多相复合陶瓷,结构陶瓷材料因其耐高温、低密度、耐磨损及低的热膨胀,在军事工业中有着良好的应用前景,光电功能材料是指在光电子技术中使用的材料,它能将光电结合的信息传输与处理,是现代信息科技的重要组成部分,光电功能材料在军事工业中有着广泛的应用。
碲镉汞、锑化铟是红外探测器的重要材料,硫化锌、硒化锌、砷化镓主要用于制作飞行器、导弹以及,氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力,它是较好的红外透射材料,激光晶体和激光玻璃是高功率和高能量固体激光器的材料。
典型的激光材料有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石、半导体,1.4.1树脂基复合材料,目前,世界上正在研制的第四代超音速歼击机,其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层。
使其真正具有了隐身功能,而电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已开始在隐身飞机,美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用轻质、宽频带吸收、,可以预见,隐身技术的研究和应用已成为世界各国国防技术中最重要,碳-碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材,碳-碳复合材料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强,碳-碳复合材料的发展是和航空航天技术所提出的苛刻要。
80年代以来,碳-碳复合材料的研究进入了提高性能和扩大应用的阶段,在军事工业中,碳-碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳,用量最大的碳-碳产品是超音速飞机的刹车片,碳-碳复合材料在宇航方面主要用作烧蚀材料和热结构材,具体而言。
它是用作洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭喷管和航天飞,目前先进的碳-碳喷管材料密度为1.87~1.97克,环向拉伸强度为75~115兆帕,近期研制的远程洲际导弹端头帽几乎都采用了碳-碳复合,铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料,铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点,作为结构材料。
因其加工性能优良,可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等,以充分发挥材料的潜力,提高构件刚、强度,所以,铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料,1.5超高强度钢,1、军用结构材料。
钛合金具有较高的抗拉强度(441~1470MPa),较低的密度(4.5g/cm3),优良的抗腐蚀性能和在300~550℃温度下有一定的,是一种理想的轻质结构材料,钛合金具有超塑性的功能特点,采用超塑成形-扩散连接技术,可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和。
现代攻击武器的发展,特别是精确打击武器的出现,使武器装备的生存力受到了极大的威胁,单纯依靠加强武器的防护能力已不实际,采用隐身技术,使敌方的探测、制导、侦察系统失去功效,从而尽可能地隐蔽自己,掌握战场的主动权。
抢先发现并消灭敌人,已成为现代武器防护的重要发展方向,隐身技术的最有效手段是采用隐身材料,国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期间,起源在德国,发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯等先进国家。
目前,美国在隐身技术和材料研究方面处于领先水平,在航空领域,许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身,在常规兵器方面,美国对坦克、导弹的隐身也已开展了不少工作,并陆续用于装备。
如美国M1A1坦克上采用了雷达波和红外波隐身材料,前苏联T-80坦克也涂敷了隐身材料,1.6先进高温合金,1.4.2金属基复合材料,1.3钛合金,钨的熔点在金属中最高。
其突出的优点是高熔点带来材料良好的高温强度与耐蚀性,在军事工业特别是武器制造方面表现出了优异的特性,在兵器工业中它主要用于制作各种穿甲弹的战斗部,钨合金通过粉末预处理技术和大变形强化技术,细化了材料的晶粒,拉长了晶粒的取向。
以此提高材料的强韧性和侵彻威力,我国研制的主战坦克125Ⅱ型穿甲弹钨芯材料为W-N,采用变密度压坯烧结工艺,平均性能达到抗拉强度1200兆帕,延伸率为15%以上,战技指标为2000米距离击穿600毫米厚均质钢装甲,目前钨合金广泛应用于主战坦克大长径比穿甲弹、中小口。
这使各种穿甲弹具有更为强大的击穿威力,国外金属阻尼材料的应用主要集中在船舶、航空、航天等,美国海军已采用Mn-Cu高阻尼合金制造潜艇螺旋桨,取得了明显的减震效果,在西方,阻尼材料及技术在武器上的应用研究工作受到了极大的关,一些发达国家专门成立了阻尼材料在武器装备上应用的研,80年代后。
国外阻尼减震降噪技术有了更大的发展,他们借助CAD/CAM在减震降噪技术中的应用,把设计-材料-工艺-试验一体化,进行了整体结构的阻尼减震降噪设计,我国在70年代前后进行了阻尼减震降噪材料的研究工作,并取得了一定的成果,但与发达国家相比,仍有一定的差距。
阻尼材料在航空航天领域主要用于制造火箭、导弹、喷气,在船舶工业中,阻尼材料用于制造推进器、传动部件和舱室隔板,有效地降低了来自于机械零件啮合过程中表面碰撞产生的,在兵器工业中,坦克传动部分(变速箱,传动箱)的振动是一个复杂振动。
频率范围较宽,高性能阻尼锌铝合金和减振耐磨表面熔敷材料技术的应用,大大减轻了主战坦克传动部分产生的振动和噪声,军事高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料,在这种条件下,国在先进复合材料的研制和应用方面取得了很大的成绩,它在“十五”期间的发展会更加引人注目,21世纪复合材料的发展方向是低成本、高性能、多功能。
纳米技术是现代科学和技术相结合的产物,它不仅涉及到现有的一切基础性科学技术领域,而且在军事工业中有着广泛的应用前景,随着未来战争突然性的急剧增大,各种探测手段越来越先进,为适应现代化战争的需要,隐身技术在军事领域占有十分重要的地位。
纳米材料对雷达波的吸收率较高,从而为兵器隐身技术的发展提供了物质基础,(复材在线,不代表瞭望智库观点),陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体,与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成的材料的。
由此可见,陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组元构成的多,它克服了陶瓷材料固有的脆性,已成为当前材料科学研究中最为活跃的一个方面,陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热机械性能和抗,是未来军事工业发展的关键支撑材料之一。
陶瓷材料的高温性能虽好,但其脆性大,改善陶瓷材料脆性的方法包括相变增韧、微裂纹增韧、弥,陶瓷基复合材料主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀,它在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的,金属间化合物具有长程有序的超点阵结构,保持很强的金属键结合。
使它们具有许多特殊的理化性质和力学性能,金属间化合物具有优异的热强性,近年来已成为国内外积极研究的重要的新型高温结构材料,在军事工业中,金属间化合物已被用于制造承受热负荷的零部件上,如美国普奥公司制造了JT90燃气涡轮发动机叶片。
美国空军用钛铝制造小型飞机发动机转子叶片等,俄罗斯用钛铝金属间化合物代替耐热合金作活塞顶,大幅度地提高了发动机的性能,在兵器工业领域,坦克发动机增压器涡轮材料为K18镍基高温合金,因其比重大、起动惯量大而影响了坦克的加速性能,应用钛铝金属间化合物及其由氧化铝、碳化硅纤维增强的。
可以大大改善坦克的起动性能,提高战场上的生存能力,此外,金属间化合物还可用于多种耐热部件,减轻重量,提高可靠性与战技指标,2.4隐身材料,2.2贮氢材料。
随着现代航空技术的发展,飞机装载质量不断增加,飞行着陆速度不断提高,对飞机的紧急制动提出了更高的要求,碳-碳复合材料质量轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能,用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中,在兵器工业中,坦克车辆使用的铅酸蓄电池因容量低、自放电率高而需经。
此时维护和搬运十分不便,放电输出功率容易受电池寿命、充电状态和温度的影响,在寒冷的气候条件下,坦克车辆起动速度会显著减慢,甚至不能起动,这样就会影响坦克的作战能力。
贮氢合金蓄电池具有能量密度高、耐过充、抗震、低温性,在未来主战坦克蓄电池发展过程中具有广阔的应用前景,材料技术一直是世界各国科技发展规划之中的一个十分重,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的。
材料高技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,也是一个国家国防力量最重要的物质基础,国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者,新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起,1.2镁合金,1.4.4碳-碳复合材料。
某些过渡簇金属,合金和金属间化合物,由于其特殊的晶格结构的原因,氢原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中,形成了金属氢化物,这种材料称为贮氢材料,1.7钨合金。
近年来,国外在提高与改进传统隐身材料的同时,正致力于多种新材料的探索,晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、手性材料、导电高分子,使涂层更加薄型化、轻量化,纳米材料因其具有极好的吸波特性。
同时具备了宽频带、兼容性好、厚度薄等特点,发达国家均把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和开,国内毫米波隐身材料的研究起步于80年代中期,研究单位主要集中在兵器系统,经过多年的努力,预研工作取得了较大进展,该项技术可用于各类地面武器系统的伪装和隐身。
如主战坦克、155毫米先进加榴炮系统及水陆两用坦克,1.8金属间化合物,应用于军事工业中的新材料均具有较高的技术含量,因而军用新材料的产业化速度普遍比较缓慢,世界范围内的军用新材料正向功能化、超高能化、复合轻,由此看来,钛合金、复合材料和纳米材料在军事工业中具有十分良好,二、军用新材料的战略意义。
军用新材料是新一代武器装备的物质基础,也是当今世界军事领域的关键技术,而军用新材料技术则是用于军事领域的新材料技术,是现代精良武器装备的关键,是军用高技术的重要组成部分。
世界各国对军用新材料技术的发展给予了高度重视,加速发展军用新材料技术是保持军事领先的重要前提,新材料,又称先进材料(Advanced Materials,是指新近研究成功的和正在研制中的具有优异特性和功能,能满足高技术需求的新型材料。
人类历史的发展表明,材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的里程碑,2.1光电功能材料,隐身材料有毫米波结构吸波材料、毫米波橡胶吸波材料和,它们不仅能够降低毫米波雷达和毫米波制导系统的发现、。
而且能够兼容可见光、近红外伪装和中远红外热迷彩的效,钛是20世纪五十年代发展起来的一种性能优异、资源丰,随着军事工业对高强低密度材料需求的日益迫切,钛合金的产业化进程显著加快,在国外。
先进飞机上钛材重量已达到飞机结构总重的30~35%,我国在“九五”期间,为满足航空、航天、舰艇等部门需要,国家把钛合金作为新材料的发展重点之一,预计“十五”将成为我国钛合金新材料新工艺的高速发展。
四、我国军用新材料的产业化趋势,1.4.3陶瓷基复合材料,一、前言,1、钛合金,铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长。
在航天工业中,铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料,在兵器领域,铝合金已成功地用于步兵战车和装甲运输车上,最近研制的榴弹炮炮架也大量采用了新型铝合金材料,高温合金是航空航天动力系统的关键材料,高温合金是在600~1200oC高温下能承受一定应,它是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。
按照基体组元的不同,高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类,发动机涡轮盘在60 年代前一直是用锻造高温合金制造,典型的牌号有A286和Inconel 718,70年代。
美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了,大大增加了它的推重比,使用温度显著提高,从此,粉末冶金涡轮盘得以迅速发展,最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮。
与粉末高温合金相比,工序简单,成本降低,具有良好的锻造加工性能,是一种有极大发展潜力的制备技术,1.4复合材料,军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类。
主要应用于航空工业、航天工业、兵器工业和船舰工业中,2.3阻尼减震材料,1.9结构陶瓷,超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200兆帕,它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开,超高强度钢大量用于制造火箭发,压容器和一些常规武器。
由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大,钢在飞机上用量有所减少,但是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造,目前,在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M,是典型的飞机起落架用钢,此外。
低合金超高强度钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体,超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时,不断提高韧性和抗应力腐蚀能力,树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高,广泛应用于军事工业中,树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类,热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体。
加入各种增强纤维复合而成的一类复合材料,而热塑性树脂则是一类线性高分子化合物,它可以溶解在溶剂中,也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体,冷却后硬化成为固体,树脂基复合材料具有优异的综合性能。
制备工艺容易实现,原料丰富,在航空工业中,树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和,在航天领域,树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料。
而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体,也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料,近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强,微波介电性能佳,尺寸稳定性好等优点,广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达,瞭望智库是新华社批准成立的、瞭望周刊社旗下的政策分。
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50年代初,在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板,60年代,钛合金在飞机结构上的应用扩大到襟翼滑轧、承力隔框、,70年代以来。
钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加,从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机,它在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%,在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和,80年代以后,钛合金材料和工艺技术达到了进一步发展,一架B1B飞机需要90402公斤钛材。
现有的航空航天用钛合金中,应用最广泛的是多用途的a+b型Ti-6Al-4V合,近年来,西方和俄罗斯相继研究出两种新型钛合金,它们分别是高强高韧可焊及成形性良好的钛合金和高温高,这两种先进钛合金在未来的航空航天业中具有良好的应用,随着现代战争的发展。
陆军部队需求具有威力大、射程远、精度高、有快速反应,先进加榴炮系统的关键技术之一是新材料技术,自行火炮炮塔、构件、轻金属装甲车用材料的轻量化是武,在保证动态与防护的前提下,钛合金在陆军武器上有着广泛的应用,155火炮制退器采用钛合金后不仅可以减轻重量,还可以减少火炮身管因重力引起的变形,有效地提高了射击精度。
在主战坦克及直升机-反坦克多用途导弹上的一些形状复,这既能满足产品的性能要求又可减少部件的加工费用,近年来,铝合金在航空航天业中的用量有所减少,但它仍是军事工业中主要的结构材料之一,铝合金的发展趋势是追求高纯、高强、高韧和耐高温。
在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金(,三、军用新材料的现状与发展,先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材,它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材,它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。
先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗,是国防工业发展中最重要的一类工程材料,在过去相当长的时间里,钛合金由于制造成本昂贵,应用受到了极大的限制,近年来,世界各国正在积极开发低成本的钛合金,在降低成本的同时。
还要提高钛合金的性能,在我国,钛合金的制造成本还比较高,随着钛合金用量的逐渐增大,寻求较低的制造成本是发展钛合金的必然趋势。
新型铝锂合金应用于航空工业中,预测飞机重量将下降8~15%,铝锂合金同样也将成为航天飞行器和薄壁导弹壳体的候选,随着航空航天业的迅速发展,铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向的韧性差和降低,金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高,铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体,而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类。
其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证,如用于F-16战斗机作为腹鳍代替铝合金,其刚度和寿命大幅度提高,碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时,还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性,成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨,可用于制作火箭、导弹构件,红外及激光制导系统构件,精密航空电子器件等,碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化,是高推重比发动机的理想结构材料,目前已进入先进发动机的试车阶段。
在兵器工业领域,金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托,反直升机 / 反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部,以此来减轻战斗部重量,提高作战能力,2军用功能材料,2、复合材料。
波音客机离奇事故,地面试车发动机爆炸,零件射入对面发动机
最终结果,调查人员认为,发动机高压涡轮第1级轮盘是由1条微小的晶间裂纹导致,而且涡轮盘设计不够完善,榫槽底部后圆角处有1个高应力区。
使此处的应力非常接近材料的极限强度,只要有一点点微小损伤,就可能导致裂纹,最终发展后引发涡轮盘破裂,最让人无法接受的是疲劳裂纹起始于榫槽底部后缘圆角处,这是罪魁祸首,但是在对涡轮盘的加工与装配过程进行了分析后,仍未找出原因。
这一次事故最大的幸运在于,虽然发动机爆炸,但是飞机上没有旅客,而且在地面,没有造成任何人员损失,航空发动机难度很大,随便一个很小细节失误都可能造成严重后果。
美国发动机也并非百分百可靠,CF6-80作为一款运行时间超过1亿小时的先进发动,GE公司做的设计试验时间和使用时间也足够长,但是谁都想不到,这么一个小小的圆角设计不当,就造成了巨大的发动机爆炸事故。
调查人员将过去几次CF6-80发动机事故串联起来,发现2000年9月22日,2002年12月28日,同样是波音767飞机,同样的这款发动机,在地面试车,以及飞机爬升过程中也发生发动机爆炸。
涡轮零件喷出的恶性事故,但是飞机成功迫降,无人伤亡,同时调查人员也发现,另有5个航空公司报告CF6-80发动机涡轮盘榫槽底,设计工作寿命在15000次循环,但是在5000到9000次就有裂纹发生,大家都知道。
美国发动机设计先进,质量可靠,这是美国飞机大卖的核心点,当年美俄冷战期间,俄制发动机成了最大的短板,尤其民用发动机,在耗油率,安全性。
维修性上都差距美国非常大的距离,冷战结束后,俄罗斯大量引进美国欧洲民用飞机,采用了大量的美国先进发动机,这次事故发生后,美国交通运输部立即展开了调查。
事故经过如下,事情起因是飞行员向机务反映当飞机从11000m爬升,左侧发动机和右侧不一致,大约小2%,于是机务就对飞机进行地面测试。
谁都没想到,当发动机从最大工况拉回到慢车过程中,左侧发动机减速到 95%N1转速时,听到爆炸声,左侧发动机起火,而且连带左右机翼后的机身相继起火,3名机务立即关闭发动机,消防员紧急赶到灭火。
经过调查破裂的高压涡轮第 1 级盘的零件号为 93,生产序列号为MPOT8749,由 Inconel 718镍合金制成,表面用等离子喷涂 1层 T4()0 (钴基合金 ),用于防锈与抗磨,认真检查后发现该轮盘的材料没问题,不管成分 、晶粒大小 、微结构以及硬度均符合要求,而且开裂部位:榫槽底部后端圆角半径符合高压涡轮盘设。
CF6-80发动机是一款非常成熟的发动机,安装在多款宽体飞机上,机型包括A300,A310,A330。
波音747,波音767,MD11客机上,可以说是一款上世纪80到90年代尖端发动机,最大推力在20-30吨量级。
制造总数超过3000台,运行时间超过1亿1千万小时,为何发生这次事故,这是很让人吃惊的,这个倒不见得,2006年6月2日。
美国美洲航空公司的一架波音767-223(ER)客,在洛杉矶机场试车时,忽然发生爆炸,左侧发动机涡轮盘解体飞出,结果穿透发动机机匣,射入了右侧发动机喷管内,幸好没有造成人员伤亡,经过检查。
左侧发动机涡轮断成前后两节,高压涡轮2级甩出发动机,一块从地面反弹,打坏了飞机下机身左下梁和右下梁,更离奇的是。
这个碎片穿透机身,击中了14米之外的右侧发动机,插入喷管内,另外一个大块碎片,越过一条跑道和滑行道,飞行了760米才停下,另外一块打坏了左翼和右翼的油箱。
最终引起飞机机身起火燃烧,CF6-80是美国GE公司的产品,安装在多款宽体客机上,美国民用发动机现在就无懈可击吗。
「科技动态」3D打印即将“起飞”
图6 EOS M290金属3D打印机生产的火箭发动,图3 位于布拉格GE航空试验设施中上的GE Cat,空客以其他方式扩大了对增材制造的使用,五年前,公司开始使用3D打印或所谓的“添加层制造(ALM),空客表示这是逐步引入ALM技术的长期战略的第一步,在过去五年中。
空客逐渐增加了ALM在批量生产和在役飞机中的应用数,公司已经生产并在空客飞机上安装了7万多个3D打印零,大多数零件都是用聚合物打印的,但用钛和镍基合金的越来越多,CFM LEAP发动机的燃油喷嘴系统于2015年在,这是首批因3D打印而广为人知的航空航天系统之一,去年,该工厂生产了第30000个燃油喷嘴头。
该工艺也用于GEnx PDOS支架,GE还开发了GE Catalyst,这是一种涡轮螺旋桨发动机,可将855个常规零件组合成12个组件,而GE9X则将300多个常规零件组合成仅7个3D打,GE航空表示已经确认了80多个要使用3D打印的零件,图5 空客3D打印支架装配件。
引发根本性的改变,快速制造备件,对于EOS,关键的航空航天市场是火箭发动机,客户之一是2017年成立的Launcher,致力于研发用于发射卫星的火箭,去年,Launcher成功地测试了在EOS机床上打印的3。
EOS已经与Launcher一起研究了发动机开发的,期望在将来制造有效载荷非常大的发动机,越来越多的私人公司涉足火箭,3D打印加速了这一发展——人们可以在今天或一两个星,实际上可以还在办公桌上摆放零件,并且可以对其进行一些测试。
火箭行业现在看起来非常令人兴奋,不再有“很多废料”,GE还通过收购德国概念激光公司和瑞典Arcam A,投资了这项技术,随着GE增材制造部门的发展,其业务可以在数小时而不是数月内给出反馈并进行调整。
随着公司继续发展增材制造工程和制造能力,这些投资使GE航空成为了更好的增材制造设备供应商,ORNL认为GE为推动3D打印在航空航天领域的发展,另一位EOS客户能够通过3D打印减轻重量,他们把装在卫星内部一块面包大小的铝制小盒子,通过增材制造,使其重量减少了20%左右,那也许不超过一两磅。
但是当你谈论有效载荷时,每磅就代表数千美元,ExOne在航空航天领域也很活跃,自2002年以来,ExOne的Sand 3D打印机已进入包括航空航天,它们制造用于金属铸造的型芯。
现在设计一个模具、获得一个好零件的时间已经能够从数,除了增加复杂性而不增加成本和模具存储之外,3D打印还允许快速的设计迭代,铸造厂正在走向3D打印,3D打印砂型铸造已被积极采用,ExOne发明了一种冲蚀工装用于层压复合材料(包括,ExOne开发了一种用水冲洗3D打印工装的工艺。
材料在高达180摄氏度时仍保持水溶性,该工艺正用于为洛克希德·马丁公司的子公司西科斯基以,ExOne还提供了完整的金属3D打印机系列,可以直接打印诸如Inconel 718之类的金属,它还可以打印诸如碳化硅之类的陶瓷,3D打印已经能够渗透到航空航天领域。
人们倾向于拥有更复杂的铸件,ExOne与西科斯基做了很多工作,3D打印也被视为使用较轻材料的一种方式,除钛外,此类材料还包括铝、碳纤维和复合材料。
对于某些零件,重量可以减少约一半,轻量化至关重要——东西越重,将其保持在空中所需的能量就越大,航空航天工业愿意为增材制造零件支付溢价,所有的航空航天企业都做过计算,并宣称增材制造是如何提高其竞争力的。
图7 正在激光增材机床中生产的零件,空客正在与Autodesk的生成设计合作,使用人工智能重新设计面向其它制造技术设计而现在要用,2015年,空客推出了所谓的“仿生隔板”,这是一种金属3D打印墙和后座支撑结构。
将客舱和飞机厨房分隔开,该隔板比常规制造的隔板轻约45%,空客打算为A320飞机生产该隔板,不过,空客预计金属3D打印的成本将下降得更快,Autodesk正在稍微修改设计。
使其具有许多相同的优点,这第二种设计要求3D打印隔板的塑料模具,该模具将用已经鉴定可以飞行的合金铸造,模具仍然允许设计为更复杂的形状,该隔板的第二个版本正在认证过程中,通用电气公司一直是最主要的增材制造采用者之一,CFM是GE航空与法国赛峰集团之间的平股合资企业。
拥有四个经过美国联邦航空管理局认证的3D打印零件,它们是用于GE90-94B的T25传感器和CFM ,以及GEnx-2B电动门开启系统(PDOS)支架和,航空航天迎来新金属,GE航空的增材制造从大量新产品的引入开始,但是已经将重点转移到了降低现有产品成本的基础上,增材制造为GE工程师提供了全新的创造自由度,从根本上改变了他们进行设计的方式。
制造成本和设计复杂性之间的范式已经颠覆,使用增材制造,可以优化设计以提高性能,3D打印可以加速零件生产和试验,由于零件产出更快。
公司提前六个月完成了Catalyst燃烧室的台架试,出于各种原因,航空航天被增材制造所吸引,首先,航空工业广泛使用昂贵的金属。
例如钛,在传统的减法制造中,超过90%的材料被去除,从而导致严峻的买飞比(BFT:buy to fly,3D打印能够实现新形状,这意味着需要制造的零件数量将减少,通过3D打印,材料的浪费也更少。
橡树岭国家实验室(ORNL)认为,航空航天产品必须使用大量的钛,会得到很多废料,在切削工具方面钛是残酷的,钛很难加工,增加了停机时间和刀具成本,但钛容易3D打印,增材制造公司正在努力满足航空航天市场的需求。
例如,EOS是使用直接金属激光烧结的工业3D打印机制造商,已开始引入更多金属进行打印,过去五年,公司又开发出10种金属,这个数量不是很多。
人们想确保可以制造出高质量的零件,并且总是存在挑战,开发它们确实需要时间,这种好处是双向的,航空航天企业的兴趣也鼓励了3D打印的进步,航空航天工业对增材制造的功能有强烈的需求,全世界的大型航空航天制造商都在讲述他们的3D打印故,它得到了验证。
这使人们能够更认真地对待要求更高的应用,图4 3D打印无人机THOR进行飞行试验,预计3D打印在未来五年中将取得更多进展,它会被测试、测试并重新测试,增材供应链实际上也将在未来五年内增长,空客表示将遵循其计划,并逐步扩大应用领域和相关的价值创造机遇,与传统技术相比。
竞争力和市场份额将随着新应用的兴起而逐步增长,ORNL认为3D打印在航空航天领域会越做越大,大型结构组件是一些公司已经开始研究的领域,人们对航空航天工业的信心与日俱增,增材制造确实会带来巨大的改变。
(本文发表于民机战略观察微信公众号 作者:航空工业,空中客车集团是另一家采用3D打印的飞行器制造商,自2015年以来,空客对其“在现实中试验高科技目标”(缩写THOR,即北欧神话中的雷神托尔)小型无人机进行了试飞。
它的大约90%的结构组件是由塑性聚酰胺粉末3D打印,空客公司将THOR描述为“一个在实际飞行条件下实现,”空客利用增材制造技术提高了THOR的开发速度,花了七个星期的时间打印了60个结构部分,又花了一个星期组装该飞机,图1 ORNL 3D打印的777X机翼加工工装,由聚合物制成的3D打印备件已经用在了A350 XW,一些A320neo和A350 XWB试验飞机配备了。
公司表示,更多的金属零件正在认证过程中,空客使用的特殊增材制造技术,包括细丝沉积和粉末床聚合物技术、金属粉末床和金属线,目前。
空客对可用于3D打印的材料数量感到满意,在航空工业中使用ALM的合格鉴定工作在成本和时间上,因此,空客公司的重点是在确认了价值创造机遇的几种知名金属,图2 位于布拉格试验台上的GE Catalyst发,航空航天工业一直寻求增材制造以提高效率、减少浪费。
成为增材制造早期且热情的采用者,增材制造技术已用于飞行器内部制造支架,已用于打印发动机零件,从而大大减少了组件数量,甚至被用于生产21公斤的无人机。
以试验新技术,让“雷神”翱翔,粘合剂喷射增材制造技术公司ExOne认为,由3D打印技术制成的零件通常用于航空航天产品,西科斯基CH-53重型直升机就是一个例子,它使用由ExOne 3D打印工具制成的复合材料空气,减轻每一磅都很重要,发明可冲蚀的工装。
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