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航空航天
       構成飛機的主要金屬結構材料有鋁合金、鎂合金、鈦合金、結構鋼、高溫合金及各類復合材料等。未來,飛機結構用材將形成“鋁合金為主,鋼用量明顯減少,鈦合金用量顯著增加,樹脂基復合材料在主承力結構上全面應用”的新格局。



鈦合金

       鈦合金是大飛機的重要結構材料。鈦合金具有四大特點,一是耐高溫,二是密度較低,三是強度高,四是抗腐蝕性好,因此主要用于航空發動機葉片和盤、發動機掛架、飛機起落架、機身隔框、機翼梁、尾翼接頭等重要承力構件。鈦合金在飛機及其發動機中的用量不斷創新高。早期的美國波音707飛機,鈦合金用量只有0.2%,到了波音777飛機,鈦合金用量就上升到7%至8%。波音787機體鈦合金用量達15%,創下民用客機機體鈦合金用量最高紀錄。我國研制的民航客機中,ARJ21的鈦合金用量是4.8%,C919的鈦合金用量達8%左右,與波音777和A380的鈦用量相當。

       鈦合金的導熱系數極?。ㄖ粸?5鋼的1/6),化學性質活潑,易與大氣中氧、氮等化合而形成硬脆物質,刀屑接觸界面短,切削溫度高,彈性模量小。只能采用YG類硬質合金。(a)切削刃與切割屑接觸長度短:鈦合金的切削在空氣中氧和氮的作用下,會形成硬脆的化合物,使切屑成短碎片狀,因而刀-屑接觸長度很短,切削力和切削熱集中在切削刃附近,刀具容易崩刃。(b)導熱性差:鈦合金的導熱系數小,僅為45鋼的1/6-1/7,而且密度小,切削熱量集中在切削刃附近,刃區溫度高,刀具磨損劇烈。(c)化學親和力大:與含Ti的硬質合金粘結嚴重。(d)彈性模量?。杭s為45鋼彈性模量的1/2,故彈性恢復大,摩擦嚴重。同時,工件也容易發生裝夾變形。(e)鈦屑易燃:在高溫下(600℃),鈦屑容易燃燒。(f)冷硬現象嚴重:鈦的化學活性大,在高的切削溫度下,很容易吸收空氣中的氧和氮,形成硬而脆的外皮,同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現象不僅會降低零件的疲勞強度,而且能加劇刀具磨損。

       針對鈦合金工件的加工難題,我們研發了涂層XCOATING A,可廣泛用于鈦合金的車削、銑削、鉆削等加工,具有工作溫度高、硬度高、耐磨性能優異等優點,其服役壽命是未涂層刀具的5-8倍。

碳纖維復合材料

       20世紀60年代末,高性能碳纖維作為增強纖維實現了初步的商業化,以連續碳纖維增強的高性能樹脂基復合材料應運而生。自20世紀70年代后,航空工業中復合材料的使用量正在不斷地增加。復合材料不僅比強度、比剛度高,而且便于整體結構化,因而顯著減輕了飛機結構重量(例如波音787減重4500千克),相應地顯著減少了燃油消耗(例如波音787減耗8%)。到了21世紀的前10年,空客公司的A380飛機上高性能復合材料用量達到飛機結構用量的25%。波音787復合材料整體機身段是新一代大型飛機材料技術的第一亮點,其整個機身是由若干個整體機身段組成的,從而減少了1500個零件和4萬至5萬個連接件,顯著減輕了結構重量,大幅度地降低了制造、裝配、運營和維護成本。



       碳纖維復合材料是一種難切削加工材料,它的脆性大、硬度高,加工時容易出現分層、撕裂、毛刺等問題。碳纖維復合材料是由質軟而粘性大的基體和強度高、硬度大的纖維混合而成的二相或多相結構,其力學性能呈各向異性,機械加工條件比較惡劣,碳纖維復合材料切削加工的主要特點如下:
       1)材料產生分層破壞。分層是復合材料鋪層之間脫膠而形成的一種破壞現象,當切削參數不合理時會使層間受力過大而導致分層,分層會嚴重降低材料的性能甚至使零件報廢,即使是微小的分層也是非常嚴重的安全隱患。
       2)刀具磨損嚴重,耐用度低。切削區溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄區域內,纖維的回彈及粉術狀的切屑又加重了擦傷刃口和后刀面,加之碳纖維的硬度非常高,故刀具磨損嚴重,后刀面產生溝狀磨損,耐用度低。
       3)產生殘余應力。表面的尺寸精度和表面粗糙度不易達到要求,容易產生殘余應力。這主要是因為切削溫度較高,增強纖維和基體樹脂的熱膨脹系數相差太大。由于復合材料呈現各向異性,層間強度低,切削時在切削力的作用下容易產生分層、撕裂等缺陷,鉆孔時尤為嚴重,加工質量難以保證。據統計,飛機在最后組裝時,鉆孔不合格率要占全部復合材料構件報廢率的60%以上。
       4)切削溫度高。碳纖維復合材料切屑形成過程是一個基體破壞和纖維斷裂相互交織的復雜過程,在此過程中,碳纖維作為切削硬質點連續磨耗刀具,因碳纖維斷裂和基體剪切,以及切屑與前刀面、后刀面與已加工表面之間的摩擦而產生大量的切削熱,加之碳纖維復合材料導熱性差等原因,切削熱主要傳向刀具和工件,導致刀具的快速磨損。

       我們為客戶提供XCOATING E ta-C類金剛石涂層,這是一種新型刀具涂層,兼具金剛石高硬度、高彈性模量和石墨高潤滑性的優點,與常見的PCD金剛石刀具相比,其制造工藝簡單,極大降低刀具成本;實踐表明,該涂層刀具在高速、低進給條件下鉆削CFRP板材時,基本無分層、劈裂現象,可明顯提高生產率??捎行Ы鉀Q普通麻花鉆加工CFRP時出現的分層和劈裂問題,并可使鉆頭壽命顯著提高。

高溫合金

       高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料,具有優異的高溫強度,良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能,良好的抗疲勞性能、抗斷裂韌性等綜合性能,又被稱為“超合金”。高溫合金是為了滿足現代航空發動機對材料的苛刻要求而研制的,至今已成為航空發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。在現代先進的航空發動機中,高溫合金材料用量占發動機總量的40%至60%。在航空發動機上,高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端零部件;此外,還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。



       高溫合金的加工難度大,其原始硬度、強度偏高,導熱系數很?。?5鋼的1/3~1/4),硬夾雜物多,加工硬化嚴重,切削力大,切削溫度高。高溫合金中含有許多高熔點合金元素,如Fe,Ti,Cr,Co,Ni,V,Mo,W等,它們與非金屬元素N、C、B等結合成比重小、熔點高的高硬度化合物,還能形成有一定硬度和韌性的金屬間化合物,這些都能加劇刀具的磨損。加工高溫合金應采用YG類和YW類硬質合金,而不能用含Ti的YT類合金,必要時也可采用高速鋼刀具。

       我們研發的XCOATING A涂層為高溫合金的加工提供了高效可靠的解決方案,XCOATING A多層納米涂層具有極高的硬度和耐磨性,熱硬性好,能夠承受一定的沖擊載荷,可顯著提高刀具的使用壽命和加工效率。

鋁合金

       國際先進航空材料公司在7075鋁合金(上世紀40年代推出)、7050鋁合金(70年代推出)的基礎上加以改進,先后在上世紀80年代、90年代和21世紀初推出7150、7055和7085合金。在第一代蒙皮合金2024(30年代推出)等的基礎上加以改進,在上世紀90年代推出了第二代蒙皮合金2524。其中7150、7055和2524被稱為美國20世紀后期借以建立航空鋁合金優勢的“三大法寶”,而7085則是美國21世紀借以擴大優勢的“最新法寶”。7085的問世為特大鍛件在A380上的應用開辟了道路。已有高強鋁合金的鍛件或厚板的厚度均有一定限制,例如7055限于38毫米,7150雖較理想,其厚度也不允許大于120毫米。為了能獲得厚度更大的高強鋁合金鍛件或厚板,美國Alcoa公司開創了一個具有專利權的7085鋁合金,由于淬透性和熔鑄性好,其最大厚度可達250毫米。用7085合金制成的特大的梁模鍛件已成功地應用于A380大型客機。


       鋁合金按生產工藝分為鑄造鋁合金(或稱鑄鋁合金)和變形鋁合金兩大類。鑄鋁合金塑性低,伸長率一般在4%以下,不宜壓力加工,大多數切削加工性較好。各種狀態下的變形鋁合金,質軟,其強度和硬度都不高,切削加工的難度在于有較高的塑性,切削時易粘刀,形成積屑瘤,難以獲得良好的表面質量;在高速切削時刀刃可能產生熔焊現象,使刀具喪失切削能力,影響加工精度和表面粗糙度。此外,鋁合金的熱脹系數大,切削時容易引起工件熱變形,降低加工精度。

       我公司研發的XCOATING D多層梯度含氫DLC涂層和XCOATING E ta-C涂層摩擦系數只有鋼的1/12~1/6,且在切削加工中有自潤滑作用,可有效解決切削加工中切削液使用,實現微潤滑和干切削,提升切削加工的技術水平。與沒有涂層的刀具相比,在干式切削條件下DLC涂層刀具的切削力可下降6%;與其它涂層的刀具相比(如TiN、TiAlN等),在干式切削條件下,DLC涂層刀具的切削力可下降23%,從而大大降低能源消耗。XCOATING D和XCOATING E涂層可廣泛用于車削、銑削、鉆削、齒輪以及鋸片類刀具上的涂層,適用于加工鋁合金、高硅鋁合金等有色金屬,服役壽命是未涂層工件的5-10倍,加工的工件表面粗糙度可以到達0.01um。
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