航空材料 - 知識

銅は可鍛性、延性があり、熱と電気の優れた伝導体です。電気、建設、自動車、配管などのさまざまな業界で使用されています。銅材料にはさまざまなグレードと規格があり、その一部を以下に示します。

近年、国内外の航空業界では、航空機やエンジンの安全性への関心が高まる一方、資源の節約、コストの削減、環境保護などへの関心も高まっています。このような背景の下、グリーン航空産業は一定の進歩を遂げてきました。グリーン航空は、航空機の設計、製造、使用、メンテナンス、退役、回収などの開発と使用のプロセス全体をカバーしており、グリーン材料、グリーン製造、グリーンメンテナンスなどの技術分野が含まれます。

いわゆるグリーンマテリアルとは、材料設計、原材料の選択、加工と製造、梱包と輸送、使用、回収、再利用の全サイクルにおいて、資源利用を最大化し、使用コストと環境への影響を最小化することを指します。我が国は新材料技術の開発に精力的に取り組み始めており、各新材料技術は画期的な進歩を遂げ、航空新材料研究は満足すべき成果をあげている。将来を見据えて、新しい航空材料は、多目的、高性能、新しいプロセス、低コスト、新しいコンセプトの方向に開発されるでしょう。新しい航空材料分野における中国の自主的な研究開発レベルの向上に伴い、材料設計、準備プロセス、材料開発、リサイクルなどの側面からグリーン航空材料の技術レベルを包括的に向上させ、共同で開発する必要があります。グリーン航空のより良い未来を創造します。

第一に、グリーン航空産業の発展の必要性

2021年は第14次5カ年計画の初年度に当たる。軍事産業チェーン全体の中核的な位置として、新素材部門はより大きな発展の余地をもたらすことが期待されています。 20世紀は現代科学技術が急速に発展した世紀であり、その重要な象徴の一つは、航空学と宇宙学の分野で人類が成し遂げた輝かしい成果です。 21 世紀に入り、航空宇宙産業はより広範な発展の見通しを示しており、高レベルまたは超高レベルの航空宇宙活動がより頻繁に行われるようになりました。航空宇宙産業の偉大な成果は、航空宇宙材料技術の開発と進歩と切り離すことができません。材料は現代のハイテクノロジーと産業の基礎であり先駆者であり、多くの場合、ハイテクノロジーの進歩の前提条件です。航空宇宙材料の開発は、航空宇宙技術をサポートし保証する上で強い役割を果たしています。航空宇宙技術の開発ニーズは、航空宇宙材料の開発を大きくリードし、促進します。材料の進歩は航空機の高度化を支える重要な役割を果たしていると言えます。

航空材料は、航空製品の開発と生産のための材料保証であるだけでなく、航空製品のアップグレードのための技術的基盤でもあります。材料は、航空産業および航空製品の開発において重要な役割を果たします。 21世紀の航空材料は、高性能、高機能、多機能、構造と機能の一体化、複合化、インテリジェント化、低コスト化、環境適合性の方向に向かって発展しています。

李克強元首相は2022年の政府活動報告の中で、生態環境の継続的な改善、グリーン低炭素開発の促進、汚染防止と生態保護と回復の強化、開発と排出削減のバランスをとること、そして環境と環境の調和のとれた共存を促進することを提案した。人間と自然。近年、国内外の航空業界は航空機の安全性への配慮とともに、資源節約、コスト削減、環境保護などへの関心も高まっています。これに関連して、グリーン航空は一定の進歩を遂げました。航空機はより安全で信頼性が高く、軽量で丈夫で環境に優しい開発の方向を目指しており、材料に対する要求はますます高まっていますが、同時に航空機の飛行速度、信頼性、低コスト、高効率、快適性などのアップグレードの側面も推進しています。。新たな産業状況の下で、ハイエンドの航空環境に優しい材料とその調製・加工技術の開発は、中国の航空産業の持続可能な発展を支援する上で非常に重要です。一言で言えば、世界の現代産業の急速な発展に後押しされて、航空材料のグリーン開発は避けられない傾向であり、経済発展の緊急の要件です。

いいですね。新しい航空材料の研究進捗

航空機の材料は、航空機の機体構造の製造コストをある程度決定します。中国の航空機器は主に初期段階で導入されたため、材料の選択には主に異物システムが使用されます。近年、中国は新材料技術の開発に精力的に取り組み始めており、新材料技術は継続的な進歩を遂げており、航空用新材料の研究でも喜ばしい成果を上げている。しかし、航空新素材産業の全体レベルと国際先進レベルとの間には依然として大きな隔たりがある。

(A) チタン合金：「万能金属」としての優れた特性

チタンは、低比重かつ高比強度の特性を有し、その合金は航空宇宙分野において航空機の推力重量比を高める上で極めて重要であり、近年広く使用されている。チタン合金は、軍事および航空宇宙分野に加えて、化学、冶金、医療、スポーツ、レジャーなどの分野でも広く使用されています。

海外における航空用チタン合金材料の開発状況

1) 高温チタン合金: 高温チタン合金は、主に航空機のフラップスライドレール、ベアリングハウジング、ブラケット、エンジンフード、コンプレッサーディスクとブレード、ケーシングおよびその他の構造フレーム部品に使用されます。これらの部品は、300 ～ 600 度での高い比強度、疲労強度、耐クリープ性、および構造安定性を必要とします。現在、国際先進レベルの高温チタン合金ブランドを代表して、主に米国のTi{{5}S、Ti-1100、IMI834、ロシアのBT36などが挙げられます。

2）高強度チタン合金：高強度チタン合金とは、通常、引張強度1000MPa以上のチタン合金を指し、主に航空機の構造に一般的に使用される高強度構造用鋼の代替として使用され、10パーセントの軽量化を達成できます。現在、航空機に使用される高強度チタン合金は主にα型チタン合金であり、主なTi-1023、BT22、Ti-153、-21Sなどに代表されます。

3) 難燃性チタン合金: 現在、典型的な難燃性チタン合金は、米国の合金 C とロシアの BTT-1 です。米国で開発された合金C（Ti-35V-15Cr）は、優れた高温強度と耐酸化性を備えたα型チタン合金です。 Fl19エンジンの高圧コンプレッサーケーシング、ガイドベーン、ベクターテールノズルに適用されています。ロシアで開発されたTi-Cu-Al BTT-1難燃チタン合金は熱加工性に優れ、エンジンのコンプレッサーのケーシングやブレードに使用されています。

国産航空用チタン合金材料の開発状況

1) 高温チタン合金: Ti-60 合金は、我が国が独自に開発した 600 度の高温チタン合金です。この合金は、合金の熱安定性、高温クリープおよび高温酸化耐性をさらに改善するために、適切な含有量のAl、Sn、Si元素を添加したTAl₂ (Ti-55)合金をベースとしています。

2) 高強度構造用チタン合金: 高強度構造用チタン合金のバッチは、1970 年代から 1990 年代にかけて独自に開発されました。これらのチタン合金の強度は 1100-1300MPa のレベルに達することがあります。 21 世紀初頭、代表的なベータチタン合金は 2 種類あります。① チタンに近い Ti-B18、引張強さは 1150 ～ 1350MPa に達します。 ②準安定チタン合金Ti-B20、引張強さ1200～1600MPaまで。

3) 難燃性チタン合金：中国は長年にわたり、難燃性チタン合金について徹底的な研究を行ってきました。 AlloyC合金を参照して、Ti-V-Cr-Al、Ti-Mo-Cr-Al、Ti-Mo-V-Cr-Al3シリーズの難燃性チタン合金をそれぞれ設計し、手段によって防燃メカニズムを研究しました。コンピューターシミュレーションのこと。さらに、TF1 (Ti-V-Cr-C シリーズ) および TF2 (Ti-Cu シリーズ) の難燃性チタン合金は、米国、英国、ロシアのさまざまなシステムを体系的に分析した後に設計されました。 Ti-40（Ti-V-Cr-Si）合金は、中国で独自に開発されたα型難燃性チタン合金です。 Ti-40合金は、従来のチタン合金と比較して、難燃性と機械的特性に優れています。現在、合金研究は実験室規模から準工業規模まで発展し、Ti40トンのインゴット、大型の棒材、リング鍛造品を製造することができました。

国内の航空製造産業の立ち上げが遅れているため、国内の航空分野におけるチタンおよびチタン合金材料の消費量は多くなく、航空分野で使用されるチタン材料の割合は20％未満であり、国際平均レベルの約50％を大きく下回っています。第一に、ハイエンドチタン合金製品は依然として模倣品が多く、材料開発レベルが低く、応用範囲が狭く、総合性能が高く、性能が低い。コストチタン合金の開発はほとんど実験室段階にあります。第二に、冶金の品質は安定しておらず、種類が少なく、仕様が不完全です。第三に、関連するサポート技術の研究の進歩が遅く、自社開発のチタン合金材料システムを改善する必要がある。

(2) 超合金: 軍用エンジンのニーズに焦点を当てる

超合金、高温用

従来の鋼は摂氏 300 度を超えると軟化し、高温に対応できなくなります。熱機関の動力分野では、より高いエネルギー変換効率を追求するため、より高い作動温度が求められています。その結果、摂氏 600 度を超える温度でも安定して機能する超合金が開発され、その技術は向上し続けています。

超合金は、合金の主要元素に応じて鉄基超合金とニッケル基超合金に分類されます。 Zhiyan Consulting によると、2018 年の製品プロセス別生産量は、ニッケル基超合金の生産量が 80%、鉄基超合金が 14.3%、コバルト基超合金が 5.7% でした。

超合金は航空エンジンの重要な材料です。超合金は誕生以来航空エンジンに使用されており、航空宇宙エンジン製造にとって重要な素材です。エンジンの性能レベルは超合金材料の性能レベルに大きく依存します。最新の航空エンジンでは、超合金材料の量がエンジンの総重量の 40 ～ 60 パーセントを占めています。主に、燃焼室、ガイド、タービンブレード、タービンディスクの 4 つのホットエンドコンポーネントに使用されます。その他、ケーシング、リング部品、アフターバーナー、テールノズルにも使用されています。

中国の高温合金産業は現在成長期にあり、産業チェーン企業には将来的に広い発展余地がある。中国の超合金生産企業の数は限られており、生産水準は米国やロシアなどに比べて遅れている。しかし、近年では生産能力や生産額が大幅に向上しています。 Lianshi Aviation、Western Superconductorなどの企業による多くの超合金生産能力プロジェクトが建設中であり、稼働している。

航空エンジン用超合金の特性は継続的に開発されています

1) 鉄基超合金：中国超合金系の特徴の一つ。

中国の資源にはニッケルが不足し、コバルトもほとんどなかったため、1960 年代から 1970 年代にかけて、鉄基超合金の開発、生産、応用が輝かしい舞台となりました。

鉄基超合金は一般に、タービンディスク、ケーシング、シャフトなど、作動温度の低いエンジン部品（600～850℃）に使用されます。ただし、Fe 基超合金は、中温において同様のニッケル基合金と同等以上の優れた機械的特性を備えています。しかも安価で熱間加工で変形しやすい。そのため、Fe基超合金は中温分野のタービンディスクやタービンブレードの材料として今でも広く使用されています。

2) ニッケル基超合金: 世代ごとに変形/鋳造/新合金のアップグレード。

ニッケル基超合金は通常、600 度を超える特定の応力条件下で機能します。高温での耐酸化性、耐食性に優れているだけでなく、高温強度、クリープ強度、耐久強度、耐疲労性にも優れています。主に航空宇宙分野で、航空機エンジンの作動ブレード、タービンディスク、燃焼室など、高温条件下で作動する構造部品に使用されます。

製造プロセスに従って、ニッケル基超合金は可変合金、鋳造超合金、新超合金に分類できます。ニッケル基鋳造超合金は、動作温度が 1100 度以上に達する可能性があるエンジンのタービンガイドブレードに主に使用されますが、対応するガイドブレードの温度が 50-100 度よりも低いタービンブレードにも使用できます。。

耐熱合金の加工温度がますます高くなると、合金中の強化元素がますます多くなり、組成がより複雑になり、その結果、一部の合金は鋳造状態でしか使用できず、熱間加工変形ができなくなります。さらに、合金元素の増加により、凝固後のニッケル基合金の組成偏析が深刻になり、その結果、微細構造と特性が不均一になります。粉末冶金プロセスを使用して超合金を製造すると、上記の問題を解決できます。粉末粒子が小さいため粉末化時の冷却速度が速く、偏析がなくなり熱間加工性が向上し、鋳造しかできない合金が熱間加工が可能な変形超合金に変化し、降伏強度が向上します。粉末超合金は疲労特性が改善され、より高強度の合金を製造するための新しい方法を生み出しました。粉末超合金は主に、高推力比の先進的な航空エンジンのタービンディスクの製造に使用され、コンプレッサーディスク、タービンシャフト、タービンバッフル、および先進的な航空エンジンのその他の高温ホットエンド部品の製造にも使用されます。

３）コバルト基超合金：耐食性やその他の特殊分野での応用が期待できる。

コバルト基超合金の耐酸化性は劣りますが、耐熱腐食性はニッケルよりも優れています。コバルト基超合金は、ニッケル基超合金よりも高温強度、熱腐食耐性、熱疲労耐性、耐クリープ性が高く、ガスタービンのガイドブレードやノズルの製造に適しています。

資源が限られているため、わが国ではK40、GH188、L605などのコバルト基合金が開発されてきました。 2001 年以来、GE のコバルト基超合金の研究は、コバルト基超合金をガスタービンの基材材料として使用し、耐食性を向上させるために合金の表面に遮熱コーティングなどのコーティングを施すことに焦点を当ててきました。

材料の限界により、コバルトは地球上では比較的希少で高価です。現在、コバルトベースの研究の熱は減退し、多くの科学研究はデジタルモデリング実験などの理論段階にとどまっている。

第一世代の軍用機合金、高温合金を使用したエンジン、または急速な量産期に入る

エンジンの温度要件は高まっています。高い推力対重量比には、より高いノズル温度と、より高い動作温度での材料サポートが必要です。世界の超合金の開発において、エンジンブレードとディスクの材料は、変形、鋳造、配向、単結晶という 4 つの段階を経てきました。温度は600度から1100度以上まで徐々に上昇します。

軍用機のアップグレードには、超合金のアップグレードも伴います。第一世代ターボファンエンジンのコア材料は変形超合金であり、コア材料の使用温度は650度です。第4世代ターボファンエンジンでは、コア材料の使用温度は1200度に達し、単結晶超合金が採用されています。軍用機の高性能化に伴い、エンジンの核心材料である超合金の高性能化も進んでいる。超合金のアップグレードには研究が必要