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航空航天测试

航空航天行业中的材料表征

航空航天行业代表具有重大经济和战略意义的关键技术。随着飞行管理和控制系统取得重大进步,自主飞行和无人飞行 - 先进空中交通(Advanced Air Mobility, AAM)和无人驾驶航空系统(Unmanned Air Systems, UAS) - 的发展目前正在全面展开。如今的新太空时代,私营公司正与成熟的组织合作,热切致力于在全球范围内开发自己的火箭发射系统,从而满足日益增长的太空发射服务需求。为了带领航空行业走向可持续发展的未来,正加快开发基于可持续航空燃料(SAF)(中期目标)和基于氢气(长期目标)的驱动系统。现有机队正在进行现代化升级改造,对航空器的维护、修理和大修(MRO)需求不断增加。

借助在-253 °C (20K)低温下进行材料测试的测试系统,以及最高达2000 °C的高温测试系统,我们帮助客户开发更高效的轻量化材料和结构。了解我们的专业知识、长期经验,并深入了解针对金属材料、纤维增强塑料和三明治结构复合材料、陶瓷材料以及航空航天行业所用紧固件的机械试验相关应用。ZwickRoell的静态和动态材料试验机被我们遍布世界各地的航空航天客户应用于所有技术成熟度等级(TRL),并支持经过NADCAP认证的测试解决方案

金属 复合材料 高温 低温 紧固件 硬度试验 用户项目

航空航天测试 - 金属

铝合金因其良好的重量比特性及其成熟的制造工艺和计算方法而被广泛应用于航空航天结构之中。钛合金是另一类轻金属,亦具有非常有利的重量比特性、比铝高得多的耐腐蚀性,以及非常好的高温特性。因此,这些材料特别适用于机械高应力部件和发动机部件。在更小材料规模上,可以在承受同等高应力的结构部件中找到高强度钢合金

如今,金属增材制造工艺已取得重大进步,能够设计出之前使用传统制造工艺无法实现的高度复杂的轻量化结构。金属材料,特别是轻金属及其合金,在航空器和太空系统的设计与制造中发挥着重要作用

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适用于金属的重要试验标准

除了静态试验方法之外,金属材料的疲劳试验也在测定航空航天结构中所用金属材料在实际载荷条件下的性能方面发挥着重要作用。使用我们的测试系统,ZwickRoell涵盖了所有常见的金属标准。除了标准化解决方案之外,我们还提供不同级别的定制适应性和金属自动化测试系统

金属的拉伸试验
ASTM E8
至 金属的拉伸试验
金属的拉伸试验
ISO 6892-1
至 金属的拉伸试验
低周疲劳(LCF)试验
在根据ISO 12106 / ASTM E606进行的低周疲劳(LCF)试验中,试样在高周幅和塑性变形下进行试验。
至 低周疲劳(LCF)试验
断裂力学:临界应力强度因子K1C
ASTM E399
至 断裂力学:临界应力强度因子K1C
断裂力学:裂纹扩展da/dN和阈值
ASTM E647
至 断裂力学:裂纹扩展da/dN和阈值

航空航天测试 - 复合材料

纤维增强塑料和三明治结构复合材料

由于其卓越的重量比机械性能,纤维增强塑料和三明治结构复合材料已成为航空航天技术的轻量化结构的必需材料。特别是由碳纤维增强塑料(CFRP)制成的层压板,由于其优越的抗疲劳性能,为航空航天结构的简化构造与设计做出了贡献。比公认的金属材料具有更高耐腐蚀性,是该行业使用纤维增强塑料的另一个原因。航空航天行业一直是开发复合材料系统、制造工艺,以及用于复合材料层压板和三明治结构复合材料表征的机械试验方法的先驱者,并将继续引领创新

除了在环境温度下进行各种静态和动态试验之外,也经常在-55 °C (-67 °F)至121 °C (250 °F)的规定温度范围内对航空航天结构所用的复合材料进行测试。目前,替代驱动和可持续驱动概念在近年来已得到大力发展,并且作为大型航空器的最佳选择 - 低温储存液态氢,使-253 °C (20K)超低温下的静态和疲劳试验越来越引人注目。

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航空航天行业中的重要复合材料试验标准

试验方法标准空客/波音工厂标准
复合材料拉伸试验
  • 空客 AITM 1-0007
  • 波音 BSS 7320
复合材料压缩试验
  • 空客 AITM 1-0008
  • 波音BSS 7260 I、III和IV型
面内剪切试验
  • ASTM D3518
  • ISO 14129
  • 空客 AITM 1-0002
复合材料弯曲试验
层间剪切强度ILSS
  • ASTM D2344、ISO 14130、EN 2563
冲击后压缩试验(CAI)
  • ASTM D7136
  • ASTM D7137
  • 空客 AITM 1-0010
  • 波音BSS 7260 II型
轴承响应和接头强度
  • ASTM D5961
  • AITM 1-0009
  • 空客 AITM 1-0065
层间能量释放因子

模式I DCB试验

  • ISO 15026
  • ASTM D5528
  • 空客 AITM 1-0005
  • 波音 BSS 7273

模式II ENF试验

  • ASTM D7905
  • 空客 AITM 1-0006

航空航天测试 - 高温

为了测定航空发动机所用金属材料高温性能,多数情况下会使用配备高温炉的静态材料试验机进行高达1,200 °C的拉伸试验。试验机与标准环境试验箱和高温炉的组合可以实现更广泛的温度范围:从低温到1,200 °C。为了测定高应力部件在极端条件下的可靠性和耐久性,还对高温金属进行蠕变试验和蠕变疲劳试验,以测定不同温度水平下的蠕变极限和蠕变强度特性。这有助于我们的客户了解新型高温合金的性能,为具体应用选择合适的材料,并为暴露在高温下的部件设计提供适用数据。

陶瓷基复合材料(CMC)的机械载荷能力测试也可以在高达2,000 °C的极高温度下进行,并在拉伸、压缩、剪切、弯曲、蠕变和蠕变疲劳试验的基础上评估CMC对具体应用的适用性。为确保在真实操作条件下对陶瓷基复合材料进行测试,可以在650 °C至2,000 °C温度范围内的真空和惰性气体条件下执行这些试验

ZwickRoell的高温测试系统还支持在最高温度下的非接触式应变测量。因此,可以排除由传统接触式测量系统的压痕引起的敏感试样过早失效。自动和自适应高温控制器可确保高精度温度控制,并防止操作人员失误。不再需要使用高温试验经常需要的牺牲试验试样。

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高温试验的重要标准和测试系统

金属高温拉伸试验
ASTM E21
至 金属高温拉伸试验
金属高温拉伸试验
ISO 6892-2
至 金属高温拉伸试验

航空航天测试 - 低温试验方法

用于太空发射系统的各种液体燃料必须被冷却到低温。涉及的选择取决于任务具体要求、所需性能和技术可能性,包括液体燃料生产中的各项选择。凭借在航空航天行业数十年的航天发射系统开发经历,在低温下各种材料的性能方面也积累了丰富经验。然而,这方面的知识并不容易获取,也不适用于新的材料系统。此外,以前建造的火箭是为单次发射而设计的,而目前的一些系统是设计用于多次发射和可重复使用。对于未来航空业的可持续驱动概念,其长期目标是使用液态氢,在航空器上必须将其储存在-253 °C (20K)的温度下。

现代商用航空器的使用寿命非常长,这意味着,除了低温下的静态材料性能之外,用于建造机载系统的材料的疲劳性能现在也越来越受到关注。因此,过去太空旅行中关于低温下材料性能的前人研究成果只能在有限的程度上应用于航空领域的未来发展。

ZwickRoell为金属材料以及非增强和纤维增强塑料的材料表征中使用的 低温试验方法提供了静态和动态测试解决方案。可以选择浸没式低温恒温器(77K)或连续流动式低温恒温器(环境温度最高为15K),具体取决于要达到的低温。

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航空航天测试 - 紧固件

除了航空航天结构中使用的材料的机械性能之外,结构性能在很大程度上还取决于所使用的各种螺栓和铆钉连接的性能。为此,必须使用动态试验(尤其是根据ASTM F606NASM 1312-8NASM 1312-13标准在标准化试验方法中定义的动态试验)来测试这些结构中所用机械紧固件的静态强度,特别是疲劳强度。

ZwickRoell提供静态和动态测试解决方案,以实现这些类型试验的可靠和高效性能。

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适用于测试紧固件的重要标准

螺母/垫圈试验
DIN EN ISO 898-2、ASTM F606-2、DIN EN ISO 3506-2
至 螺母/垫圈试验
螺纹紧固件试验
DIN EN ISO 898-1、ASTM F606-1、DIN EN ISO 3506-1
至 螺纹紧固件试验

航空航天测试 - 硬度试验

航空航天应用和国防技术的金属零部件在可靠性、使用寿命和功能完整性方面具有最高要求,有时在极端操作条件下也是如此。例如,按照航空航天行业中使用的安全寿命设计原则,根据这些指南设计的部件在其预期使用寿命内不会发生故障或失灵。因此,金属部件要接受严密的工艺监控和精确的质量控制方法。在这些情况下,硬度试验也起到重要作用。

ZwickRoell提供了符合所有既定硬度试验方法和国际试验标准的硬度试验机

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重要硬度试验标准

金属布氏硬度试验
ISO 6506、ASTM E10
至 金属布氏硬度试验
金属洛氏硬度试验
ISO 6508、ASTM E18
至 金属洛氏硬度试验
金属维氏硬度试验
ISO 6507、ASTM E92、ASTM E384
至 金属维氏硬度试验

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