Đồng là một chất dẻo, dễ uốn và dẫn nhiệt và điện tuyệt vời. Nó được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm điện, xây dựng, ô tô và hệ thống ống nước. Có nhiều loại và tiêu chuẩn khác nhau của vật liệu đồng, và đây là một số trong số đó:
Trong những năm gần đây, trong khi tiếp tục quan tâm đến sự an toàn của máy bay và động cơ, cộng đồng hàng không trong và ngoài nước cũng ngày càng quan tâm đến việc tiết kiệm tài nguyên, giảm chi phí, bảo vệ môi trường và các vấn đề khác. Dưới nền tảng này, ngành hàng không xanh đã có những bước tiến nhất định. Hàng không xanh bao gồm toàn bộ quá trình phát triển và sử dụng máy bay từ thiết kế, sản xuất, sử dụng, bảo trì, nghỉ hưu, phục hồi, v.v., liên quan đến các lĩnh vực kỹ thuật bao gồm vật liệu xanh, sản xuất xanh, bảo trì xanh, v.v.
Cái gọi là vật liệu xanh đề cập đến việc tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên và giảm thiểu chi phí sử dụng và tác động môi trường trong toàn bộ chu trình thiết kế vật liệu, lựa chọn nguyên liệu thô, chế biến và sản xuất, đóng gói và vận chuyển, sử dụng, thu hồi và tái sử dụng. Nước ta đã bắt đầu phát triển mạnh mẽ công nghệ vật liệu mới, mỗi công nghệ vật liệu mới đều có bước đột phá, ngành hàng không nghiên cứu vật liệu mới đã đạt được những thành tựu đáng mừng. Nhìn về tương lai, các vật liệu hàng không mới sẽ được phát triển theo hướng đa mục đích, hiệu suất cao, quy trình mới, chi phí thấp và khái niệm mới. Với việc nâng cao trình độ nghiên cứu và phát triển độc lập của Trung Quốc trong lĩnh vực vật liệu hàng không mới, chúng ta cần cải thiện toàn diện trình độ kỹ thuật của vật liệu hàng không xanh từ các khía cạnh thiết kế vật liệu, quy trình chuẩn bị, phát triển vật liệu, tái chế và các khía cạnh khác, và cùng nhau tạo ra một tương lai tốt đẹp hơn của ngành hàng không xanh.
Thứ nhất, sự cần thiết phát triển ngành hàng không xanh
Năm 2021 là năm đầu tiên của Kế hoạch 5 năm lần thứ 14. Là vị trí cốt lõi của toàn bộ chuỗi ngành công nghiệp quân sự, lĩnh vực vật liệu mới được kỳ vọng sẽ mở ra một không gian phát triển rộng lớn hơn. Thế kỷ 20 là thế kỷ phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ hiện đại, một trong những biểu tượng quan trọng là những thành tựu rực rỡ mà loài người đã đạt được trong lĩnh vực hàng không và du hành vũ trụ. Trong thế kỷ 21, ngành hàng không vũ trụ đã cho thấy triển vọng phát triển rộng lớn hơn và các hoạt động hàng không vũ trụ cấp cao hoặc siêu cao đã trở nên thường xuyên hơn. Những thành tựu to lớn của ngành hàng không vũ trụ không thể tách rời sự phát triển và đột phá của công nghệ vật liệu hàng không vũ trụ. Vật liệu là nền tảng và tiền thân của công nghiệp và công nghệ cao hiện đại, và ở một mức độ lớn là điều kiện tiên quyết cho sự đột phá của công nghệ cao. Sự phát triển của VLXKN đóng vai trò hỗ trợ và đảm bảo mạnh mẽ cho công nghệ hàng không vũ trụ. Đổi lại, nhu cầu phát triển của công nghệ hàng không vũ trụ dẫn dắt và thúc đẩy sự phát triển của vật liệu hàng không vũ trụ. Có thể nói, tiến độ vật liệu đóng vai trò hỗ trợ then chốt trong quá trình nâng cấp máy bay.
Vật liệu hàng không không chỉ là vật liệu đảm bảo cho việc phát triển và sản xuất các sản phẩm hàng không mà còn là cơ sở kỹ thuật để nâng cấp các sản phẩm hàng không. Vật liệu đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành hàng không và các sản phẩm hàng không. Trong thế kỷ 21, vật liệu hàng không đang phát triển theo hướng hiệu suất cao, chức năng cao, đa chức năng, tích hợp cấu trúc và chức năng, hợp chất, thông minh, chi phí thấp và khả năng tương thích với môi trường.
Trong báo cáo Công tác của chính phủ năm 2022, cựu Thủ tướng Lý Khắc Cường đã đề xuất không ngừng cải thiện môi trường sinh thái, thúc đẩy phát triển xanh và ít carbon, tăng cường kiểm soát ô nhiễm, bảo vệ và phục hồi sinh thái, tạo sự cân bằng giữa phát triển và giảm phát thải, đồng thời thúc đẩy sự chung sống hài hòa giữa con người và thiên nhiên. Trong những năm gần đây, trong khi tiếp tục quan tâm đến an toàn máy bay, cộng đồng hàng không trong và ngoài nước cũng ngày càng quan tâm đến tiết kiệm tài nguyên, giảm chi phí, bảo vệ môi trường và các vấn đề khác. Trong bối cảnh đó, hàng không xanh đã có những bước tiến nhất định. Máy bay hướng tới hướng phát triển an toàn và đáng tin cậy, nhẹ, bền, xanh hơn, do đó đưa ra các yêu cầu ngày càng cao đối với vật liệu, nhưng cũng thúc đẩy máy bay về tốc độ bay, độ tin cậy, chi phí thấp, hiệu quả cao và sự thoải mái và các khía cạnh khác của việc nâng cấp . Trong tình hình công nghiệp mới, việc phát triển vật liệu xanh hàng không cao cấp và công nghệ chuẩn bị và xử lý có ý nghĩa to lớn để hỗ trợ sự phát triển bền vững của ngành hàng không Trung Quốc. Tóm lại, trước sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp hiện đại toàn cầu, sự phát triển xanh của vật liệu hàng không là xu hướng tất yếu và là yêu cầu cấp thiết của sự phát triển kinh tế.
II. Tiến độ nghiên cứu vật liệu hàng không mới
Vật liệu máy bay ở một mức độ nào đó quyết định giá thành chế tạo kết cấu thân máy bay. Do thiết bị hàng không của Trung Quốc chủ yếu được giới thiệu trong giai đoạn đầu, nên nó chủ yếu sử dụng hệ thống vật liệu nước ngoài trong việc lựa chọn vật liệu. Trong những năm gần đây, Trung Quốc bắt đầu phát triển mạnh mẽ công nghệ vật liệu mới, công nghệ vật liệu mới liên tục có những bước đột phá, nghiên cứu vật liệu hàng không mới cũng đạt được những thành tựu đáng mừng. Tuy nhiên, vẫn còn một khoảng cách lớn giữa trình độ tổng thể của ngành công nghiệp vật liệu mới hàng không và trình độ tiên tiến quốc tế.
(A) Hợp kim titan: đặc tính tuyệt vời của "kim loại vạn năng"
Titanium có đặc tính trọng lượng riêng thấp và độ bền riêng cao, hợp kim của nó có ý nghĩa to lớn trong việc tăng tỷ lệ trọng lượng lực đẩy của máy bay trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, và đã được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Ngoài các lĩnh vực quân sự và hàng không vũ trụ, hợp kim titan cũng được sử dụng rộng rãi trong hóa học, luyện kim, y tế, thể thao và giải trí và các lĩnh vực khác.
Tình hình phát triển vật liệu hợp kim titan cho ngành hàng không ở nước ngoài
1) Hợp kim titan nhiệt độ cao: hợp kim titan nhiệt độ cao chủ yếu được sử dụng trong thanh trượt nắp máy bay, vỏ ổ trục, giá đỡ, nắp động cơ, đĩa và cánh máy nén, vỏ và các bộ phận khung kết cấu khác. Các thành phần này yêu cầu cường độ riêng cao, độ bền mỏi, khả năng chống rão và độ ổn định cấu trúc ở 300 ~ 600 độ. Hiện tại, đại diện cho các thương hiệu hợp kim titan nhiệt độ cao cấp độ cao quốc tế chủ yếu bao gồm Ti-6242S, Ti-1100 của Hoa Kỳ, IMI834, BT36 của Nga, v.v.
2) Hợp kim titan cường độ cao: Hợp kim titan cường độ cao thường đề cập đến độ bền kéo của hợp kim titan hơn 1000MPa, chủ yếu được sử dụng để thay thế thép kết cấu cường độ cao thường được sử dụng trong kết cấu máy bay, có thể giảm 10% trọng lượng. Hiện tại, các hợp kim titan có độ bền cao được sử dụng trong máy bay chủ yếu là hợp kim titan loại, đại diện cho Ti-1023, BT22, Ti-153, -21S chính, v.v.
3) Hợp kim titan chống cháy: Hiện tại, hợp kim titan chống cháy điển hình là Hợp kim C ở Hoa Kỳ và BTT-1 ở Nga. Hợp kim C (Ti-35V-15Cr), được phát triển ở Hoa Kỳ, là hợp kim titan loại có độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa tốt. Nó đã được áp dụng cho vỏ máy nén cao áp, cánh dẫn hướng và vòi phun đuôi vector của động cơ Fl19. Hợp kim titan chống cháy Ti-Cu-Al BTT-1 được phát triển ở Nga có khả năng gia công nhiệt tốt và đã được sử dụng trong vỏ và cánh máy nén động cơ.
Tình hình phát triển vật liệu hợp kim titan cho ngành hàng không nội địa
1) Hợp kim titan nhiệt độ cao: Hợp kim Ti-60 là hợp kim titan nhiệt độ cao 600 độ do nước ta phát triển độc lập. Hợp kim này dựa trên hợp kim TAl₂ (Ti-55) bổ sung các nguyên tố Al, Sn, Si với hàm lượng thích hợp, để nâng cao hơn nữa tính ổn định nhiệt, độ rão ở nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao của hợp kim.
2) Hợp kim titan kết cấu cường độ cao: Một lô hợp kim titan kết cấu cường độ cao được phát triển độc lập vào những năm 1970 đến 1990. Độ bền của các hợp kim titan này có thể đạt đến mức 1100-1300MPa. Vào đầu thế kỷ 21, có hai loại hợp kim titan beta tiêu biểu: ① gần như titan Ti-B18, độ bền kéo có thể đạt 1150 ~ 1350MPa; ② Hợp kim titan siêu bền Ti-B20, độ bền kéo lên tới 1200 ~ 1600MPa.
3) Hợp kim titan chống cháy: Trong những năm qua, Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về hợp kim titan chống cháy. Đề cập đến hợp kim AlloyC, loạt hợp kim titan chống cháy Ti-V-Cr-Al, Ti-Mo-Cr-Al, Ti-Mo-V-Cr-Al3 lần lượt được thiết kế và cơ chế chống cháy được nghiên cứu bằng phương tiện của mô phỏng máy tính. Ngoài ra, các hợp kim titan chống cháy TF1 (sê-ri Ti-V-Cr-C) và TF2 (sê-ri Ti-Cu) được thiết kế sau khi phân tích có hệ thống các hệ thống khác nhau của Hoa Kỳ, Anh và Nga. Hợp kim Ti-40 (Ti-V-Cr-Si) là hợp kim titan chống cháy kiểu được phát triển độc lập ở Trung Quốc. So với hợp kim titan thông thường, hợp kim Ti-40 có tính chất cơ học và chống cháy tuyệt vời. Hiện nay, việc nghiên cứu hợp kim đã phát triển từ quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô bán công nghiệp, đã có thể điều chế được phôi Ti40 tấn, rèn thanh kích thước lớn và rèn vòng.
Do ngành sản xuất hàng không trong nước bắt đầu muộn nên lượng tiêu thụ vật liệu titan và hợp kim titan trong lĩnh vực hàng không trong nước không lớn, vật liệu titan sử dụng trong lĩnh vực hàng không chiếm chưa đến 20%, thấp hơn nhiều so với mức trung bình quốc tế khoảng 50% phần trăm và ngành công nghiệp titan so với các nước phát triển vẫn còn một khoảng cách lớn: Thứ nhất, các sản phẩm hợp kim titan cao cấp vẫn chủ yếu là hàng nhái, trình độ phát triển vật liệu thấp, phạm vi ứng dụng hẹp, hiệu suất toàn diện cao và chi phí thấp chi phí phát triển hợp kim titan chủ yếu ở giai đoạn phòng thí nghiệm; Thứ hai, chất lượng luyện kim chưa ổn định, ít chủng loại, chưa đầy đủ quy cách; Thứ ba, tiến độ nghiên cứu của các công nghệ hỗ trợ liên quan còn chậm và hệ thống vật liệu hợp kim titan tự phát triển cần được cải thiện.
(2) Superalloy: tập trung vào nhu cầu của động cơ quân sự
Siêu hợp kim, cho nhiệt độ cao
Thép truyền thống mềm trên 300 độ C và không thể chịu được nhiệt độ cao. Để theo đuổi hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn, lĩnh vực công suất động cơ nhiệt cần nhiệt độ làm việc ngày càng cao. Kết quả là các siêu hợp kim đã được tạo ra để hoạt động ổn định ở nhiệt độ trên 600 độ C và công nghệ này vẫn tiếp tục được cải thiện.
Siêu hợp kim được chia thành siêu hợp kim dựa trên sắt và siêu hợp kim dựa trên niken theo các nguyên tố chính của hợp kim. Theo Zhiyan Consulting, chia theo quy trình sản phẩm vào năm 2018, sản lượng siêu hợp kim gốc niken chiếm 80%, siêu hợp kim gốc sắt 14,3% và siêu hợp kim gốc coban 5,7%.
Superalloy là vật liệu chính của aeroengine. Siêu hợp kim đã được sử dụng trong động cơ máy bay kể từ khi ra đời và là vật liệu quan trọng để sản xuất động cơ hàng không vũ trụ. Mức hiệu suất của động cơ phần lớn phụ thuộc vào mức hiệu suất của vật liệu siêu hợp kim. Trong các động cơ máy bay hiện đại, lượng vật liệu siêu hợp kim chiếm 40% ~ 60% tổng trọng lượng của động cơ. Nó chủ yếu được sử dụng trong bốn thành phần đầu nóng: buồng đốt, hướng dẫn, cánh tuabin và đĩa tuabin. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong vỏ, các bộ phận vòng đệm, bộ phận đốt sau và vòi phun đuôi.
Ngành công nghiệp hợp kim nhiệt độ cao của Trung Quốc hiện đang trong thời kỳ tăng trưởng và các doanh nghiệp chuỗi công nghiệp có không gian phát triển rộng lớn trong tương lai. Số lượng doanh nghiệp sản xuất siêu hợp kim ở Trung Quốc còn hạn chế và trình độ sản xuất tụt hậu so với Hoa Kỳ, Nga và các nước khác. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, năng lực sản xuất và giá trị sản lượng đã được cải thiện đáng kể. Nhiều dự án năng lực sản xuất siêu hợp kim của Lianshi Aviation, Western Superconductor và các công ty khác đang được xây dựng và đưa vào hoạt động.
Các thuộc tính của siêu hợp kim cho aeroengine đang phát triển liên tục
1) Siêu hợp kim gốc sắt: một trong những đặc điểm của hệ thống siêu hợp kim Trung Quốc.
Do thiếu niken và ít coban trong các nguồn tài nguyên của Trung Quốc, việc phát triển, sản xuất và ứng dụng siêu hợp kim gốc sắt đã trở thành một cảnh tượng rực rỡ trong những năm 1960 và 1970.
Các siêu hợp kim gốc sắt thường được sử dụng trong các bộ phận động cơ có nhiệt độ hoạt động thấp (600~850 độ C), chẳng hạn như đĩa tuabin, vỏ và trục. Tuy nhiên, siêu hợp kim gốc Fe có tính chất cơ học tốt ở nhiệt độ trung bình, tương đương hoặc tốt hơn các hợp kim gốc niken tương tự. Bên cạnh đó, nó rẻ và dễ biến dạng khi làm việc nóng. Do đó, siêu hợp kim gốc Fe vẫn được sử dụng rộng rãi làm vật liệu đĩa tuabin và cánh tuabin trong lĩnh vực nhiệt độ trung bình.
2) Siêu hợp kim gốc niken: biến dạng/đúc/nâng cấp hợp kim mới theo thế hệ.
Các siêu hợp kim dựa trên niken thường hoạt động trong các điều kiện ứng suất nhất định trên 600 độ. Chúng không chỉ có khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn tốt ở nhiệt độ cao, mà còn có độ bền nhiệt độ cao, độ rão và độ bền lâu dài, cũng như khả năng chống mỏi tốt. Nó chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ cho các bộ phận cấu trúc làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, chẳng hạn như cánh làm việc, đĩa tuabin, buồng đốt của động cơ khí, v.v.
Theo quy trình sản xuất, siêu hợp kim gốc niken có thể được chia thành hợp kim biến đổi, siêu hợp kim đúc, siêu hợp kim mới. Hợp kim siêu hợp kim đúc dựa trên niken chủ yếu được sử dụng trong các cánh dẫn hướng tuabin trong động cơ, nơi nhiệt độ vận hành có thể đạt tới hơn 1100 độ hoặc cũng có thể được sử dụng trong các cánh tuabin có nhiệt độ thấp hơn so với cánh dẫn hướng tương ứng 50-100 độ .
Khi nhiệt độ làm việc của hợp kim chịu nhiệt ngày càng cao, các nguyên tố tăng cường trong hợp kim ngày càng nhiều, thành phần phức tạp hơn, dẫn đến một số hợp kim chỉ có thể được sử dụng ở trạng thái đúc, không thể biến dạng gia công nóng. Ngoài ra, sự gia tăng của các nguyên tố hợp kim làm cho sự phân tách thành phần của hợp kim gốc niken nghiêm trọng sau khi hóa rắn, dẫn đến cấu trúc vi mô và tính chất không đồng đều. Sử dụng quy trình luyện kim bột để sản xuất siêu hợp kim có thể giải quyết các vấn đề trên. Do hạt bột nhỏ nên tốc độ làm nguội nhanh khi tạo bột, loại bỏ sự phân tách, khả năng gia công nóng được cải thiện, hợp kim chỉ có thể đúc được chuyển thành siêu hợp kim biến dạng có thể gia công nóng, cường độ năng suất và các đặc tính mỏi được cải thiện, siêu hợp kim dạng bột đã tạo ra một phương pháp mới để sản xuất hợp kim có độ bền cao hơn. Siêu hợp kim bột chủ yếu được sử dụng trong sản xuất đĩa tuabin của động cơ hàng không tiên tiến với tỷ lệ lực đẩy cao, cũng như trong sản xuất đĩa máy nén, trục tuabin, vách ngăn tuabin và các bộ phận đầu nhiệt độ cao khác của động cơ hàng không tiên tiến.
3) siêu hợp kim dựa trên coban: khả năng chống ăn mòn và các lĩnh vực đặc biệt khác có triển vọng rộng lớn.
Khả năng chống oxy hóa của siêu hợp kim gốc coban kém, nhưng khả năng chống ăn mòn nhiệt của nó tốt hơn niken. Siêu hợp kim dựa trên coban cũng có độ bền ở nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn nhiệt, chống mỏi nhiệt và chống rão mạnh hơn so với siêu hợp kim dựa trên niken, phù hợp để sản xuất cánh dẫn hướng tuabin khí và vòi phun.
Do nguồn lực hạn chế, các hợp kim cơ sở coban như K40, GH188 và L605 đã được phát triển ở nước ta. Từ năm 2001, nghiên cứu của GE về siêu hợp kim dựa trên coban đã tập trung vào việc sử dụng siêu hợp kim dựa trên coban làm vật liệu nền cho tuabin khí và chuẩn bị các lớp phủ như lớp phủ ngăn nhiệt trên bề mặt hợp kim để cải thiện khả năng chống ăn mòn.
Do những hạn chế về vật liệu, coban tương đối hiếm và đắt tiền trên Trái đất. Hiện tại, sức nóng của nghiên cứu dựa trên coban đã giảm và nhiều nghiên cứu khoa học vẫn ở giai đoạn lý thuyết như thí nghiệm mô hình kỹ thuật số.
Thế hệ đầu tiên của hợp kim máy bay quân sự, động cơ bằng hợp kim nhiệt độ cao hoặc bước vào thời kỳ âm lượng nhanh
Yêu cầu về nhiệt độ của động cơ ngày càng tăng. Tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cao đòi hỏi nhiệt độ vòi phun cao hơn và giá đỡ vật liệu ở nhiệt độ vận hành cao hơn. Trong quá trình phát triển siêu hợp kim trên thế giới, vật liệu lưỡi và đĩa động cơ đã trải qua bốn giai đoạn, đó là biến dạng, đúc, định hướng và đơn tinh thể. Nhiệt độ tăng dần từ 600 độ lên hơn 1100 độ.
Việc nâng cấp máy bay quân sự đi kèm với việc nâng cấp các siêu hợp kim. Vật liệu cốt lõi của động cơ phản lực cánh quạt thế hệ đầu tiên là siêu hợp kim biến dạng và nhiệt độ làm việc của vật liệu cốt lõi là 650 độ. Bằng động cơ phản lực thế hệ thứ tư, nhiệt độ làm việc của vật liệu lõi đã đạt tới 1200 độ và siêu hợp kim đơn tinh thể được sử dụng. Việc nâng cấp máy bay quân sự đi kèm với việc nâng cấp siêu hợp kim, vật liệu cốt lõi của động cơ. Việc nâng cấp siêu hợp kim cần nghiên cứu