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航空母舰环境用材料

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  • 发布日期:2013-02-03 11:50
  • 有效期至:长期有效
  • 技术区域:广东湛江市
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详细说明
摘 要:本文介绍了7075-T6等4种铝合金在航空母舰等环境自然暴露和实验室加速腐蚀试验后性能情况比较以及美国海军航空兵武器系统部的高强、高韧和耐腐蚀不锈钢计划。为了加快美国海军航空材料从发明到研制的进程,美国准备创建一个由来自政府、工业部门和学术界的航空材料技术专家组成的在线联机平台--航空材料技术社团平台(AMTCE)。
关键词:航空母舰 铝合金 不锈钢 高强钢 AMTCE 自然环境试验

一、 航空母舰环境
   海军在海水大气环境下执行军事行动,必须耐受严酷的盐、飞溅、浪花以及持续不断的湿/干循环的作用,从而使装备遭受到广泛而严重的腐蚀问题,估计每年的腐蚀费用在20~30亿美元,是海军大量的维修问题之一,其飞机部件的腐蚀要占到每年维修费用的三分之一。
    舰载飞机在海上低空飞行或悬空时,以及停放在航空母舰甲板上,特别是遇到恶劣天气时,有可能受到喷溅的海水浸蚀。其在海面上起飞、降落、滑行时,部分结构直接与海水接触或受到海水喷溅。
舰载飞机停放在航空母舰甲板上,除处于海洋大气包围之中、可能受到溅起的海水作用外,还将受到以燃油为动力的航母燃料燃烧逸放和飞机排出的废气的腐蚀,尤其是舰载飞机90%以上的使用寿命处于停放状态。图1是航空母舰严酷的环境情况。
    腐蚀不仅造成经济损失,同时也影响到装备的战备完好性,例如2002年6月,由于在海军156号F-14飞机前起落架的汽缸支柱上发现了腐蚀坑,从而造成了海军F-14雄猫飞机的停飞。


图1 航空母舰环境

二、海军特殊的飞机要求
    海军舰载飞机必须能够做陆上飞机能做的一切事情,但面临更多的恶劣环境和更多的不利条件。
2.1 飞机弹射器T/O和捕捉着陆
    急剧的,要求精确的引擎加速度(≥500英尺/分钟,SEROC)
    严重影响结构的负荷(陆上飞机的6倍~30%重量损失)
    --27英尺/秒的下降速度
    --在2.1秒内 0~150英里/小时
    飞机重量受限制(首次发射90000磅/磅再次发射65000)
    验证疲劳寿命的2倍
2.2 海上环境
     很高的腐蚀性大气
    --盐水
    --废气
    --高湿
    EMI:稳定值240 V/m;峰值20000 V/m
2.3 装载量和维修空间有限
图2为航母舰载飞机狭窄的贮藏和维修环境。
    不多的几类飞机
配置要素(机翼,尾翼和/或桨叶展开)
    在甲板线上的维修
    维修和贮藏空间有限
    通用的备件和维修


图2 航母舰载飞机狭窄的贮藏和维修环境

三、铝板暴露腐蚀试验
3.1 环境腐蚀性比较
     不同环境对材料的影响存在一定的差别,图3为2124-T6铝板在航空母舰、海滨和工业环境条件下暴露5年的腐蚀程度比较。2124-T6铝板在航母环境仅仅0.5年腐蚀就已达严重程度,表明航母环境是多么的严酷。


暴露时间(月)
图3 2124-T6 铝板(0.5英寸)

3.2舰船暴露试验
    图4为多种试样在舰船上进行暴露试验的情况。

3.3 铝7075-T6腐蚀脱落物
    图5、图6分别是7075-T6铝合金纵向和横断面的腐蚀情况。


图5 铝7075-T6腐蚀(纵向)


图6 铝7075-T6腐蚀(横断面)

3.4 三种铝板实验室加速试验和船上暴露的极限抗拉强度比较
    图7是7075-T6、2024-T3和7249-T76铝合金实验室加速试验和船上暴露的极限抗拉强度比较。


图7 7075-T6、2024-T3、7249-T76铝合金
   实验室加速试验和船上暴露的极限抗拉强度

3.5 三种铝板实验室加速试验和船上暴露后的延展性比较
    图8是7075-T6、2024-T3和7249-T76铝合金实验室加速试验和船上暴露后的延伸率比较。


图8 7075-T6、2024-T3、7249-T76铝合金
实验室加速试验和船上暴露后的延伸率

3.6 三种铝板实验室加速试验和船上暴露时间比较
    三种合金实验室加速试验与船上暴露都有一定的相关性,表1是时间比较情况。

表1 实验室加速试验和船上暴露时间比较

屈服强度和极限抗拉强度
    7075-T6为200~300小时
    2024-T3为50~100小时
    7249-T76为100~150小时
延伸率
    7075-T6>500小时
    2024-T3和7249-T76为150~200小时

四、高强不锈钢
不锈钢计划的目标是设计和研制一种性能与AerMet 100钢相当,而耐腐蚀性与15-5PH钢相当的高强、高韧和耐腐蚀钢。规定的性能指标为:
    屈服强度= 1724MPa
    极限抗拉强度= 1965MPa
    延伸率= 13~14%
    断裂韧性 KIC> 110/MPa·
     耐应力腐蚀破裂 KIscc > 44MPa·

五、航空材料技术社团平台(AMTCE)
5.1 设想
    创建一个由来自政府、工业部门和学术界有虚拟合作关系的航空材料技术专家组成的活跃的在线联机团体,利用他们容易获取所需的相关信息及先进的合作工具集(toolsets)的优势,以便组织和加快海军航空材料"从发明到研制"的进程。

5.2 平台结构图


图 9 航空材料技术社团平台结构

5.3 航空材料技术协会平台(AMTCE)的特点
    单点登录
    能够立刻组织起虚拟小组,其资源可以有效的支撑所从事的确定项目工作区的交互作用
    提供中央知识库--安全地存储所有类型的文档、文件或对象
    高级搜索技术--精确定位目标信息并给出结果
    视频协作和网络会议
    视频试验
5.4 航空材料技术社团平台(AMTCE)的新技术--视频试验
  目的
帮助远程参与试验和其他实验室的工作以便加大在材料研究中的协作力度,提供在研究实验室的虚拟出席。
   方法
--评估数字控制和远程操作关键仪器的能力
--确定远程传输操作命令和实验室仪器输出的最好方案
--管理最有希望的、高费用支出概念的示范概念验证


参考文献

1. Eui Lee,William E. Frazier.Aerospace Materials Division Naval Air Systems Command,Materials by Design Workshop Georgia Institute of Technology.26-28 April 2004.
2. http://www.clicktoconvert.com

 
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