轻量化技术在航空领域作用巨大

国际金属加工网 2017年09月11日

由中国企业联合会、中国企业家协会主办的“2017中国500强企业高峰论坛”于9月9日-10日在江西省南昌市召开。中国科学院院士葛昌纯出席并演讲。

葛昌纯来自北京科技大学粉末冶金与先进陶瓷研究所,他介绍称,粉末冶金是轻量化工艺,最节省材料、节省加工工艺。“先进的粉末冶金材料可以大大提高强度和韧性,可以减轻重量,可以使性能提高”。他举例称,现在飞机的发动机、涡轮盘全部是用的粉末合金涡轮盘,因为性能好,强度高,能减少重量。

葛昌纯建议发力发展粉末合金钢,“比如石油管道假如用粉末的耐腐蚀钢和不锈钢可以大大增加合金元素,提高耐腐蚀水平,可以使石油管做得比较薄,但是强度、耐腐蚀性更好”,“汽车上绝大部分的连杆等都是用粉末冶金的方法做的,过去用传统的釉面,材料利用率低,可能50%不到,机加工又大,用了粉末锻造后,锻出来就是一个个连杆,材料利用率可以达到90%以上,而且表面疲劳性能更好,性能的提高也可以轻量化。所以粉末冶金本身就是轻量化的技术”。

至于“先进陶瓷”,葛昌纯表示,同样是轻量化技术,“现在我们重点研究氮化硅和碳化硅,比如说过去用钢,密度是7.8,用了氮化硅、碳化硅,密度减少了3.2,性能还好。现在火箭上、航天上用的轴承,所有轴承已经换成陶瓷轴承了,一个是轻,一个是摩擦系数低,而且不用轮滑油、转速还特别高”。

葛昌纯强调了轻量化结构设计的必要性。

航天航空、高技术产业的发展和军事应用密切相关,但更重要的是人类在这个产业部门所取得巨大进展,对国民经济众多部门和社会生活许多方面都产生了重大而深远的影响,推动并改变着世界的面貌。进入21世纪之后,航空航天高进行产业将会人类认识和驾驭自然注入新的强大动力,航空航天活动的作用将远超科学领域,对政治、经济、军事以至人类社会生活都会产生更加广泛而深远的影响,并不断创造出崭新的科技成果和巨大的经济效益。

航空航天飞行器在超高温、超低温、高真空、高影立、强腐蚀等极端条件下工作,除了依靠具有优异特性和功能材料之外,还有赖于优化的结构设计。在材料研究难度日益增大的情况下,结构优化成为一种性价比极高的方向,特别在3D打印这种新的加工工艺日渐成熟和普及的清,对优化后结构的实现和工业化,有极大的促进作用。由此可见,航空航天产品结构优化设计在航空航天发展(11.640, 0.03,0.26%)中极其重要的地位和作用。“这就是减轻结构所得的经济效益相对值,每减一公斤所得经济效益与飞机速度的关系”,葛昌纯表示。

在他看来,新世纪以来,先进制造技术的发展,极大地促进了我国航空航天技术与高端装备的进步,其中以增材制造就是3D打印为代表的整体结构构型制造工艺正成为实现下一代航空航天飞行其结构系统轻量化、高性能和多功能研制的有力保障,也极大地促进了结构整体构型设计理论与方法的发展。

“在飞行器结构的研制过程中,结构的整体构型使结构主承力框架、次承力件和设备安装支架等,承载环节实现整体化构造、一体化布局和紧凑型、轻量化构型设计,可最大限度地减少结构的工艺分离面”,葛昌纯称。


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