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Statut d'application des matériaux métalliques pour les équipements militaires
07/09/2024
L'industrie des nouveaux matériaux est une industrie stratégique et fondamentale, et un secteur clé pour une nouvelle révolution scientifique et technologique et une transformation industrielle. Au cours des dix dernières années, la valeur totale de la production de l'industrie chinoise des nouveaux matériaux a progressé à un taux de croissance annuel composé de plus de 20 %. Les départements nationaux concernés s'attacheront à privilégier les objectifs et les problèmes, à optimiser l'innovation et le développement des nouveaux matériaux, à coordonner la promotion des avancées technologiques en matière de défauts et de matériaux, et à accélérer le développement et la croissance de l'industrie des nouveaux matériaux.
Les matériaux militaires constituent la base matérielle d'une nouvelle génération d'armes et d'équipements, et constituent également des technologies clés dans le domaine militaire actuel. Les nouvelles technologies de matériaux militaires sont utilisées dans le domaine militaire. Elles constituent la clé des armes et équipements modernes et sophistiqués, et un élément important de la haute technologie militaire. Partout dans le monde, les pays accordent une grande importance au développement de nouvelles technologies de matériaux militaires. L'accélération de ce développement est une condition essentielle au maintien du leadership militaire.
1. Alliage de titane
L'alliage de titane est un alliage formé par l'ajout d'autres éléments à base de titane. Doté d'une bonne résistance à la corrosion et à la fatigue, il présente une résistance spécifique élevée. Il joue un rôle essentiel dans l'allègement des équipements aérospatiaux, ce qui explique son utilisation fréquente. Il est utilisé dans les moteurs d'avion, les avions, les missiles et d'autres domaines. Afin de répondre aux exigences de vitesse et de maniabilité élevées des avions de chasse de pointe, il est nécessaire de réduire le poids au maximum tout en garantissant la résistance structurelle de la coque. Il doit également présenter une excellente résistance aux températures élevées. L'alliage de titane est le matériau métallique présentant la résistance spécifique (rapport résistance/poids) la plus élevée. Il permet de réduire considérablement le poids de l'avion et d'améliorer l'efficacité structurelle tout en garantissant la résistance structurelle élevée des avions de chasse de pointe.
Le titane possède d'excellentes propriétés telles que sa légèreté, sa résistance spécifique élevée et sa résistance à la corrosion. C'est un matériau de structure léger et à point de fusion élevé, un nouveau matériau fonctionnel et un matériau biomédical important. Il est utilisé dans l'aviation, l'aérospatiale, la marine, l'énergie nucléaire, l'industrie chimique, etc. Il est largement utilisé dans le pétrole, la métallurgie, l'énergie électrique, l'industrie légère, les soins médicaux, le sport, la protection de l'environnement et la vie quotidienne. Les perspectives du marché s'élargissent avec le progrès de la société. Le titane appartient à la catégorie des métaux rares, mais ses ressources sont abondantes et peuvent répondre efficacement aux besoins du développement social. La Chine, les États-Unis, la Russie, le Japon et d'autres pays ont mis en place des systèmes complets de métallurgie, de transformation, d'application et de recherche scientifique du titane. L'Europe et d'autres pays ont également mis en place des systèmes avancés de transformation, d'application et de recherche scientifique du titane et de ses alliages, jetant ainsi les bases de la production de matériaux en titane de haute qualité. Garantissant une garantie fiable, le titane est un matériau sur lequel les chercheurs s'efforcent de développer, de développer et d'appliquer.
Depuis la fin des années 1960, la quantité de titane utilisée dans les avions militaires a augmenté d'année en année. Actuellement, la quantité d'alliage de titane utilisée dans divers avions de chasse et bombardiers avancés conçus par l'Europe et les États-Unis s'est stabilisée à plus de 20 %, et la quantité de titane utilisée dans l'avion de chasse américain F-22 atteint 41 %. Actuellement, l'avion de chasse de troisième génération de mon pays utilise environ 2,25 tonnes d'alliage de titane par appareil, soit 12 fois plus que l'avion de deuxième génération (J-8 0,2 tonne) ; l'avion de chasse de quatrième génération utilise jusqu'à environ 3,6 tonnes d'alliage de titane par appareil. Avec l'augmentation de la valeur, de l'utilisation prévue et de la quantité d'alliages de titane pour les avions de chasse militaires de quatrième génération, la demande du marché pour des alliages de titane haut de gamme à usage militaire devrait continuer de croître.
Avec le développement de la guerre moderne, l'armée a besoin de systèmes d'obusiers multifonctionnels avancés, offrant une puissance élevée, une longue portée, une grande précision et une réactivité accrue. L'une des technologies clés de ces systèmes est la technologie des nouveaux matériaux. L'allègement des matériaux pour les tourelles d'artillerie automotrices, leurs composants et les véhicules blindés légers est une tendance inévitable dans le développement des armes. Afin d'assurer la dynamique et la protection, les alliages de titane sont largement utilisés dans les armes militaires. L'utilisation d'alliages de titane dans le frein de bouche d'artillerie 155 permet non seulement de réduire le poids, mais aussi de limiter la déformation du tube due à la gravité, améliorant ainsi la précision de tir. Certaines formes complexes des chars de combat principaux et des missiles antichars polyvalents hélicoptères peuvent être réalisées en alliage de titane, ce qui permet non seulement de répondre aux exigences de performance du produit, mais aussi de réduire les coûts de fabrication.
Pendant longtemps, l'utilisation des alliages de titane a été fortement limitée en raison de leurs coûts de fabrication élevés. Ces dernières années, de nombreux pays du monde entier ont activement développé des alliages à faible teneur en titane.
Le titane est un métal aux excellentes propriétés et aux ressources abondantes, développé dans les années 1950. Face à la demande croissante de matériaux à haute résistance et à faible densité dans l'industrie militaire, l'industrialisation des alliages de titane s'est considérablement accélérée. À l'étranger, le poids des matériaux en titane dans les avions de pointe atteint 30 à 35 % du poids total de la structure de l'avion. Durant le neuvième plan quinquennal, afin de répondre aux besoins des secteurs de l'aviation, de l'aérospatiale, de la construction navale et autres, le pays a fait des alliages de titane l'une de ses priorités pour le développement de nouveaux matériaux. Le dixième plan quinquennal devrait être une période de développement rapide de nouveaux matériaux et de nouveaux procédés en alliages de titane.
Du point de vue de la structure de la demande du marché mondial, les alliages de titane sont principalement utilisés dans l'industrie aéronautique, la défense nationale et d'autres secteurs. Parmi ces secteurs, la demande pour les applications dans l'industrie aéronautique est la plus importante, représentant environ 50 %, principalement utilisée dans la fabrication d'avions et de moteurs. Cependant, par rapport à la Chine, la structure de la demande pour les produits en titane diffère sensiblement. En Amérique du Nord et dans l'Union européenne, pays qui ont développé des industries aérospatiales et de défense militaire, notamment aux États-Unis, plus de 50 % de la demande de produits en titane provient de ces secteurs. Bien que notre pays soit l'un des plus grands producteurs et consommateurs mondiaux de titane métal, la majeure partie de la demande nationale en produits en titane provient de l'industrie chimique. Les applications sont principalement des matériaux anticorrosion à faible contenu technique. La demande de produits haut de gamme dans le secteur aérospatial a représenté plus de la moitié de la demande au cours des deux dernières années. Ce ratio a augmenté, mais il ne représente toujours qu'environ 18,4 % (10 000 tonnes), ce qui est bien inférieur à la moyenne internationale. Les données ci-dessus montrent que les pays développés et ceux à forte envergure industrielle utilisent davantage de titane. Plus les pays sont technologiquement avancés, plus l'industrie aérospatiale utilise de matériaux à base de titane, et plus les matériaux à base de titane haut de gamme sont utilisés.
2. Alliage d'aluminium
L'alliage d'aluminium est un métal léger. Il s'agit d'un alliage à base d'aluminium additionné d'autres éléments d'alliage. Outre les caractéristiques générales de l'aluminium, il présente une résistance élevée, de bonnes performances de moulage et de transformation du plastique, ainsi qu'une bonne conductivité électrique. Il présente également des caractéristiques telles que la conductivité thermique, une bonne résistance à la corrosion et une bonne soudabilité. L'alliage d'aluminium présente une faible densité, de bonnes propriétés mécaniques, de bonnes performances de transformation, une non-toxicité, un recyclage aisé, une excellente conductivité électrique, un excellent transfert thermique et une excellente résistance à la corrosion, ce qui le rend largement utilisé. Il est actuellement utilisé dans l'industrie maritime, l'industrie chimique et l'aérospatiale. Il est également largement utilisé dans l'emballage métallique, le transport et d'autres secteurs.
L'alliage d'aluminium a toujours été le matériau de structure métallique le plus utilisé dans l'industrie militaire. Il se caractérise par une faible densité, une résistance élevée et de bonnes performances de mise en œuvre. Grâce à ses excellentes performances de mise en œuvre, il peut être transformé en profilés, tubes, plaques hautement renforcées, etc., de différentes sections, exploitant pleinement son potentiel et améliorant les composants. Rigidité et résistance sont ses qualités. C'est pourquoi l'alliage d'aluminium est le matériau de structure léger privilégié pour les armes légères.
Dans l'industrie aéronautique, les alliages d'aluminium sont principalement utilisés pour la fabrication de revêtements, de cloisons, de poutres longues et de barres de finition d'avions. Dans l'industrie aérospatiale, les alliages d'aluminium sont des matériaux importants pour les pièces structurelles des lanceurs et des engins spatiaux. Dans le domaine de l'armement, les alliages d'aluminium ont été utilisés avec succès. Ils sont largement utilisés dans les véhicules de combat d'infanterie et les véhicules de transport blindés. Le support d'obusier récemment développé utilise également un grand nombre de nouveaux alliages d'aluminium.
Actuellement, les alliages d'aluminium haut de gamme utilisés dans les secteurs de l'aérospatiale et de la construction navale en Chine peuvent être produits indépendamment. Cependant, en raison d'une faible accumulation technologique et d'un contrôle insuffisant des processus de production, l'uniformité des performances des produits est faible ou leur taux de qualification est faible. Des lacunes de contrôle subsistent par rapport aux coûts étrangers. Cependant, grâce à l'accumulation d'expérience et aux avancées technologiques progressives, la chaîne industrielle continue d'approfondir son développement dans les secteurs haut de gamme. L'alliage d'aluminium est actuellement le deuxième matériau métallique le plus utilisé après l'acier et évolue vers des applications telles que la haute résistance, la ténacité élevée, la résistance à la corrosion, l'intelligence, la précision et la compacité. Les données montrent que la production nationale d'alliages d'aluminium de mon pays s'élèvera à 12,183 millions de tonnes en 2022, soit une augmentation de 14,07 % par rapport à l'année précédente.
3. Alliage de magnésium
Le magnésium peut former un alliage avec l'aluminium, le cuivre, le zinc, le zirconium, le thorium et d'autres métaux. Comparé au magnésium pur, cet alliage présente de meilleures propriétés mécaniques et constitue un bon matériau de structure. Bien que les alliages de magnésium déformés présentent de bonnes propriétés générales, leur réseau hexagonal compact rend la transformation du plastique difficile et coûteuse. Par conséquent, la consommation de courant des alliages de magnésium déformés est bien inférieure à celle des alliages de magnésium coulés. Des dizaines d'éléments du tableau périodique peuvent être alliés au magnésium.
Depuis le XXe siècle, les alliages de magnésium sont utilisés dans le secteur aérospatial. Leur capacité à améliorer considérablement les performances aérodynamiques des avions et à réduire significativement leur poids structurel en fait un matériau utilisé dans de nombreuses pièces. Généralement, les alliages de magnésium utilisés dans l'aviation sont principalement des plaques et des profilés extrudés, et une petite partie sont des pièces moulées. Leurs domaines d'application actuels incluent les pièces d'avions civils, les hélices, les boîtes de vitesses, les structures de support et certaines pièces de fusées, de missiles et de satellites pour divers aéronefs civils et militaires. Avec le développement des technologies de production des alliages de magnésium, leurs performances continueront de s'améliorer et leurs applications s'élargiront.
L'alliage de magnésium présente de bonnes caractéristiques de légèreté, d'usinabilité, de résistance à la corrosion, d'absorption des chocs, de stabilité dimensionnelle et de résistance aux chocs, bien supérieures à celles des autres matériaux. Ces propriétés permettent son utilisation dans de nombreux domaines, tels que les transports, l'électronique, le médical et l'armée. Cette tendance ne cesse de s'accentuer. Il offre notamment de belles perspectives d'application et un fort potentiel dans les domaines des produits 3C (informatique, électronique grand public, communication), du train à grande vitesse, de l'automobile, du vélo, de l'aérospatiale, de la décoration architecturale, des outils portatifs et des équipements de rééducation médicale. Il s'inscrit dans la perspective du développement de nouveaux matériaux. Parmi les plus de 400 nouveaux matériaux répertoriés par le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information pour soutenir le développement au cours du Douzième Plan Quinquennal, 12 sont liés au magnésium.
L'utilisation d'alliages de magnésium dans les équipements militaires permet d'améliorer la résistance des pièces structurelles, de réduire leur poids et d'améliorer la performance des armes. Parallèlement, ils répondent aux exigences d'absorption du bruit, d'absorption des chocs et de radioprotection dans des domaines de haute technologie comme l'aérospatiale, améliorent considérablement les performances aérodynamiques des avions et réduisent le poids structurel. Par conséquent, les alliages de magnésium sont souvent utilisés dans la fabrication d'armoires, de panneaux muraux, de supports, de moyeux de roue pour avions et véhicules terrestres, ainsi que de blocs-cylindres, de carters de culasse, de pistons et d'autres pièces. Parallèlement, les alliages de magnésium sont également utilisés dans la fabrication de certains équipements militaires, tels que les supports de bunker, les bases de mortier et les missiles. Avec l'approfondissement de la recherche sur les alliages de magnésium et l'amélioration des propriétés des matériaux, leur utilisation dans l'armement va croître.
4. Alliage haute température
Les alliages haute température désignent généralement un type de matériaux métalliques utilisant le fer, le nickel et le cobalt comme éléments matriciels, tout en conservant une bonne résistance mécanique, une bonne résistance à la fatigue et une bonne résistance au fluage sous l'action simultanée de contraintes et de températures élevées (supérieures à 600 °C). Actuellement, les alliages haute température sont principalement utilisés dans les quatre composants chauds des moteurs aéronautiques : chambres de combustion, guides, aubes et disques de turbine. Ils sont également utilisés dans les carters, les bagues, les systèmes de postcombustion et les tuyères de queue. Leur large éventail d'applications fait des alliages haute température le matériau de structure le plus important pour le développement des moteurs aéronautiques. Le progrès technologique des moteurs aéronautiques est étroitement lié au développement des alliages haute température.
Les alliages haute température présentent d'excellentes propriétés et un large éventail d'applications. Un alliage haute température désigne un matériau métallique à base de fer, de nickel et de cobalt, capable de travailler à des températures supérieures à 600 °C et sous certaines contraintes pendant une longue période. Ils présentent une résistance mécanique élevée à haute température, une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion, une bonne résistance à la fatigue, une bonne ténacité à la rupture et d'autres propriétés complètes. Ils sont également appelés « superalliages ». Leurs domaines d'application : dans l'industrie civile, ils peuvent être utilisés dans les turbines de suralimentation de moteurs diesel, les aubes et disques de turbines à gaz de combustion, les plaques de four de chauffage de l'acier pour le laminage métallurgique, les sièges de soupapes d'échappement de moteurs à combustion interne, etc. De plus, le champ d'application des alliages haute température n'a cessé de s'élargir ces dernières années, avec des progrès significatifs dans les applications des industries pétrochimique, du verre et de la fibre de verre, et de la fabrication de machines. Dans l'industrie militaire, les alliages haute température à base de nickel sont actuellement des composants clés pour les moteurs aérospatiaux, les engins spatiaux et les moteurs-fusées modernes, ainsi que pour les navires et les turbines à gaz industrielles. Ils constituent également des matériaux de structure haute température essentiels pour les réacteurs nucléaires, les équipements chimiques et les technologies de conversion du charbon. En tant que matériau essentiel dans les domaines militaire et civil, les alliages haute température offrent un large champ d'application et revêtent une importance économique et stratégique majeure.
Selon les données de Guanyan Tianxia, le marché chinois des alliages haute température est passé de 7,8 milliards de yuans à 18,7 milliards de yuans entre 2015 et 2020, soit une multiplication par trois en cinq ans. À l'avenir, avec la libération de l'énorme demande endogène de moteurs aérospatiaux militaires, le marché chinois des alliages haute température devrait atteindre 85,6 milliards de yuans d'ici 2025, avec un TCAC de 35,56 %.
5. Acier à très haute résistance
L'acier à ultra-haute résistance est un acier allié utilisé pour la fabrication de pièces structurelles capables de supporter des contraintes élevées. En général, les aciers dont la limite d'élasticité est supérieure à 1 180 MPa et la résistance à la traction à 1 380 MPa présentent une ténacité suffisante, une résistance spécifique et un coefficient d'élasticité élevés, ainsi qu'une bonne soudabilité et formabilité. Selon le degré d'alliage et la microstructure, ils peuvent être classés en trois catégories : aciers à ultra-haute résistance faiblement alliés, moyennement alliés et fortement alliés. En février 2018, une nouvelle génération d'aciers à ultra-haute résistance, basée sur le renforcement par nanoprécipitation cohérente, a été développée et a été classée parmi les dix plus grandes avancées scientifiques chinoises en 2017 par le ministère des Sciences et Technologies.
La Chine a commencé la production expérimentale d'acier à ultra-haute résistance dans les années 1950. Grâce à ses ressources nationales, nous avons développé avec succès des aciers faiblement alliés à ultra-haute résistance, tels que le 35Si2Mn2MoVA, le 40CrMnSiMoVA et le 33Si2MnCrMoVREA. Ces matériaux ont été utilisés pour la fabrication de composants importants tels que les trains d'atterrissage d'avions et les carters de moteurs-fusées à propergol solide. Après 1980, la fusion sous vide a permis d'améliorer la pureté de l'acier, et les aciers maraging 40CrNi2Si2MoVA, 45CrNiMo1VA et 18Ni ont été produits à titre expérimental avec succès. Des progrès remarquables ont été réalisés dans le développement et l'application des aciers à ultra-haute résistance. Depuis les années 1990, de nouvelles avancées ont été réalisées dans la recherche de nouveaux matériaux et de nouveaux procédés, et de nouveaux progrès ont été réalisés dans le développement et l'application d'aciers à ultra-haute résistance et à haute ténacité à la rupture pour l'aviation et l'aérospatiale.
6. Alliage de tungstène
Parmi les métaux, le tungstène présente le point de fusion le plus élevé, une bonne résistance aux températures élevées, une bonne résistance au fluage, une bonne conductivité thermique, une conductivité électrique et une bonne émission d'électrons, ainsi qu'une densité élevée. Outre un grand nombre d'additifs en carbure cémenté et en alliages, le tungstène et ses alliages sont largement utilisés dans les industries de l'électronique et des sources lumineuses électriques, ainsi que dans l'aérospatiale, la fonderie, l'armement et d'autres secteurs pour la fabrication de tuyères de fusées, de moules de coulée sous pression, de noyaux perforants, de contacts, d'éléments chauffants et de boucliers thermiques, etc.
Le tungstène possède le point de fusion le plus élevé parmi les métaux. Son principal avantage réside dans sa résistance à haute température et à la corrosion. Il a démontré d'excellentes caractéristiques dans l'industrie militaire, notamment dans la fabrication d'armes. Dans ce secteur, il est principalement utilisé pour la fabrication d'ogives pour divers projectiles perforants. L'alliage de tungstène utilise un prétraitement des poudres et un renforcement par déformation importante pour affiner les grains et allonger leur orientation, améliorant ainsi sa résistance, sa ténacité et son pouvoir de pénétration. Le matériau de base en tungstène du projectile perforant Type 125II développé par notre pays est le W-Ni-Fe, obtenu par frittage compact à densité variable. Ses performances moyennes atteignent une résistance à la traction de 1 200 MPa, un allongement de plus de 15 % et un indice technique de combat de 2 000 mètres. Il pénètre à distance un blindage en acier homogène de 600 mm d'épaisseur. À l'heure actuelle, l'alliage de tungstène est largement utilisé comme matériau de base pour les projectiles perforants de blindage à grand rapport hauteur/largeur des chars de combat principaux, les projectiles perforants de blindage antiaériens de petit et moyen calibre et les projectiles perforants de blindage à énergie cinétique à ultra-haute vitesse, ce qui permet à divers projectiles perforants de blindage d'avoir un pouvoir de pénétration plus puissant.
Avec l'avancement du développement scientifique, les matériaux en alliage de tungstène sont devenus les matières premières pour la fabrication de produits militaires aujourd'hui, tels que les balles, les obus de blindage et d'artillerie, les têtes d'obus, les grenades, les fusils de chasse, les ogives de balles, les véhicules pare-balles, les chars blindés, l'aviation militaire, les pièces d'artillerie, les canons, etc. Les projectiles perforants en alliage de tungstène peuvent pénétrer les blindages et les blindages composites sous de grands angles et constituent les principales armes antichars.
7、composites à matrice métallique
Les matériaux composites à matrice métallique présentent une résistance spécifique élevée, un module spécifique élevé, de bonnes performances à haute température, un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne stabilité dimensionnelle et une excellente conductivité électrique et thermique. Ils sont largement utilisés dans l'industrie militaire. L'aluminium, le magnésium et le titane sont les principales matrices des composites à matrice métallique. Les matériaux de renforcement peuvent généralement être divisés en trois catégories : fibres, particules et whiskers. Parmi eux, les composites à matrice d'aluminium renforcés de particules sont en phase de vérification de modèle, comme ceux utilisés dans les avions de chasse F-16. La dérive ventrale remplace l'alliage d'aluminium, ce qui améliore considérablement sa rigidité et sa durée de vie. Les composites à base d'aluminium et de magnésium renforcés de fibres de carbone présentent non seulement une résistance spécifique élevée, mais aussi un coefficient de dilatation thermique proche de zéro et une bonne stabilité dimensionnelle. Ils ont été utilisés avec succès pour la fabrication de supports de satellites artificiels, d'antennes planaires en bande L, de télescopes spatiaux et de satellites artificiels, d'antennes paraboliques, etc. Les matériaux composites à matrice d'aluminium renforcés de particules de carbure de silicium présentent d'excellentes performances à haute température et des propriétés anti-usure élevées. Ils peuvent être utilisés pour la fabrication de composants de fusées et de missiles, de systèmes de guidage infrarouge et laser, d'appareils avioniques de précision, etc. Les matériaux composites à matrice de titane renforcés de fibres de carbure de silicium présentent une bonne résistance aux hautes températures et à l'oxydation et constituent des matériaux de structure idéaux pour les moteurs à fort rapport poussée/poids. Ils sont actuellement en phase de test pour les moteurs avancés. Dans le domaine de l'armement, les matériaux composites à matrice métallique peuvent être utilisés dans les sabots perforants à queue stabilisée de gros calibre, les carters de moteurs solides de missiles polyvalents anti-hélicoptères/antichars et d'autres composants afin de réduire le poids des ogives et d'améliorer les capacités de combat.
Plus de 40 ans se sont écoulés depuis l'avènement des matériaux composites à matrice métallique. Grâce à leurs excellentes propriétés physiques et mécaniques, telles qu'une résistance spécifique élevée, un module spécifique, une résistance aux hautes températures, une résistance à l'usure, un faible coefficient de dilatation thermique et une bonne stabilité dimensionnelle, ils ont surmonté les défis posés par les matériaux à base de résine. Les faiblesses des matériaux composites utilisés dans le secteur aérospatial ont conduit à un développement remarquable et sont devenus un domaine important de recherche et développement de haute technologie dans divers pays. En raison de l'imperfection des technologies de transformation et du coût élevé des matériaux composites à matrice métallique, la production de masse à grande échelle n'a pas encore été mise en place, ce qui en fait encore un domaine d'intérêt majeur de la recherche et du développement.