Vysokoteplotná zliatina sa nazýva aj tepelne odolná zliatina. Podľa štruktúry matrice možno materiály rozdeliť do troch kategórií: na báze železa, niklu a chrómu. Podľa spôsobu výroby ich možno rozdeliť na deformovanú superzliatinu a liatu superzliatinu.
Je to nenahraditeľná surovina v leteckom priemysle. Je kľúčovým materiálom pre vysokoteplotné časti leteckých a kozmických motorov. Používa sa hlavne na výrobu spaľovacích komôr, lopatiek turbín, vodiacich lopatiek, kotúčov kompresorov a turbín, skríň turbín a ďalších dielov. Prevádzkový teplotný rozsah je 600 ℃ – 1200 ℃. Podmienky namáhania a prostredia sa líšia v závislosti od použitých dielov. Existujú prísne požiadavky na mechanické, fyzikálne a chemické vlastnosti zliatiny. Je to rozhodujúci faktor pre výkon, spoľahlivosť a životnosť motora. Preto je superzliatina jedným z kľúčových výskumných projektov v oblasti leteckého priemyslu a národnej obrany v rozvinutých krajinách.
Hlavné aplikácie superzliatin sú:
1. Vysokoteplotná zliatina pre spaľovaciu komoru
Spaľovacia komora (tiež známa ako plamencová trubica) leteckého turbínového motora je jednou z kľúčových vysokoteplotných súčastí. Keďže v spaľovacej komore prebieha rozprašovanie paliva, miešanie oleja a plynu a ďalšie procesy, maximálna teplota v spaľovacej komore môže dosiahnuť 1500 ℃ - 2000 ℃ a teplota steny v spaľovacej komore môže dosiahnuť 1100 ℃. Zároveň je vystavená tepelnému namáhaniu a namáhaniu plynom. Väčšina motorov s vysokým pomerom ťahu a hmotnosti používa prstencové spaľovacie komory, ktoré majú krátku dĺžku a vysokú tepelnú kapacitu. Maximálna teplota v spaľovacej komore dosahuje 2000 ℃ a teplota steny po ochladení plynovým filmom alebo parou dosahuje 1150 ℃. Veľké teplotné gradienty medzi rôznymi časťami vytvárajú tepelné namáhanie, ktoré sa pri zmene prevádzkového stavu prudko zvyšuje a znižuje. Materiál je vystavený tepelnému šoku a tepelnej únave a dochádza k deformáciám, prasklinám a iným poruchám. Spaľovacia komora je vo všeobecnosti vyrobená z plechovej zliatiny a technické požiadavky sú zhrnuté nasledovne podľa prevádzkových podmienok konkrétnych častí: má určitú odolnosť voči oxidácii a odolnosť voči korózii v plyne za podmienok použitia vysokoteplotnej zliatiny a plynu; má určitú okamžitú a dlhodobú pevnosť, tepelnú únavu a nízky koeficient rozťažnosti; má dostatočnú plasticitu a zváracie schopnosti na zabezpečenie spracovania, tvarovania a spájania; má dobrú organizačnú stabilitu pri tepelnom cykle, aby sa zabezpečila spoľahlivá prevádzka počas celej životnosti.
a. Pórovitý laminát zo zliatiny MA956
V počiatočnej fáze sa porézny laminát vyrábal difúznym spájaním z plechu zo zliatiny HS-188 po fotografovaní, leptaní, drážkovaní a dierovaní. Vnútorná vrstva sa dala podľa konštrukčných požiadaviek vytvoriť do ideálneho chladiaceho kanála. Toto konštrukčné chladenie vyžaduje iba 30 % chladiaceho plynu tradičného filmového chladenia, čo môže zlepšiť účinnosť tepelného cyklu motora, znížiť skutočnú tepelnú únosnosť materiálu spaľovacej komory, znížiť hmotnosť a zvýšiť pomer ťahu a hmotnosti. V súčasnosti je stále potrebné prelomiť kľúčovú technológiu, kým sa bude môcť uviesť do praxe. Porézny laminát vyrobený z MA956 je nová generácia materiálu spaľovacej komory, ktorú zaviedli Spojené štáty a ktorú je možné použiť pri teplote 1300 ℃.
b. Aplikácia keramických kompozitov v spaľovacej komore
Spojené štáty začali overovať uskutočniteľnosť použitia keramiky pre plynové turbíny od roku 1971. V roku 1983 niektoré skupiny zaoberajúce sa vývojom pokročilých materiálov v Spojených štátoch sformulovali sériu výkonnostných ukazovateľov pre plynové turbíny používané v moderných lietadlách. Tieto ukazovatele sú: zvýšenie vstupnej teploty turbíny na 2200 ℃; prevádzka v stave spaľovania podľa chemického výpočtu; zníženie hustoty aplikovanej na tieto časti z 8 g/cm3 na 5 g/cm3; zrušenie chladenia komponentov. Na splnenie týchto požiadaviek sa medzi študované materiály okrem jednofázovej keramiky zaradili grafit, kovová matrica, keramické matricové kompozity a intermetalické zlúčeniny. Keramické matricové kompozity (CMC) majú nasledujúce výhody:
Koeficient rozťažnosti keramického materiálu je oveľa menší ako u zliatin na báze niklu a povlak sa ľahko odlupuje. Výroba keramických kompozitov s medziľahlou kovovou plsťou môže prekonať problém odlupovania, čo je smer vývoja materiálov spaľovacích komôr. Tento materiál sa môže použiť s 10 % – 20 % chladiaceho vzduchu a teplota zadnej kovovej izolácie je iba okolo 800 ℃ a teplota prenosu tepla je oveľa nižšia ako pri divergentnom chladení a filmovom chladení. V motore V2500 sa používa ochranná dlaždica z liatej superzliatiny B1900+keramický povlak a smerom vývoja je nahradiť dlaždicu B1900 (s keramickým povlakom) kompozitom na báze SiC alebo antioxidačným C/C kompozitom. Keramický kompozit je vývojový materiál spaľovacej komory motora s pomerom ťahovej hmotnosti 15 – 20 a jeho prevádzková teplota je 1538 ℃ – 1650 ℃. Používa sa na plamence, plávajúce steny a prídavné spaľovanie.
2. Vysokoteplotná zliatina pre turbínu
Lopatka turbíny leteckého motora je jednou z komponentov, ktoré znášajú najväčšie teplotné zaťaženie a najhoršie pracovné prostredie v leteckom motore. Musí znášať veľmi veľké a komplexné namáhanie pri vysokých teplotách, takže jej materiálové požiadavky sú veľmi prísne. Superzliatiny pre lopatky turbín leteckého motora sa delia na:
a.Vysokoteplotná zliatina pre vedenie
Deflektor je jednou z častí turbínového motora, ktoré sú najviac ovplyvnené teplom. Pri nerovnomernom spaľovaní v spaľovacej komore je tepelné zaťaženie rozvádzacej lopatky prvého stupňa veľké, čo je hlavným dôvodom poškodenia rozvádzacej lopatky. Jej prevádzková teplota je približne o 100 ℃ vyššia ako teplota lopatiek turbíny. Rozdiel spočíva v tom, že statické časti nie sú vystavené mechanickému zaťaženiu. Zvyčajne je ľahké spôsobiť tepelné namáhanie, deformáciu, tepelné únavové trhliny a lokálne popálenie spôsobené rýchlou zmenou teploty. Zliatina rozvádzacej lopatky musí mať nasledujúce vlastnosti: dostatočnú pevnosť pri vysokých teplotách, trvalú odolnosť voči tečeniu a dobrú odolnosť voči tepelnej únave, vysokú odolnosť voči oxidácii a tepelnej korózii, odolnosť voči tepelnému namáhaniu a vibráciám, schopnosť ohybovej deformácie, dobrú odolnosť voči odlievaniu a zvárateľnosť a ochranu povlaku.
V súčasnosti väčšina moderných motorov s vysokým pomerom ťahu a hmotnosti používa duté liate lopatky a vyberajú sa smerové a monokryštálové superzliatiny na báze niklu. Motor s vysokým pomerom ťahu a hmotnosti má vysokú teplotu 1650 ℃ – 1930 ℃ a je potrebné ho chrániť tepelnoizolačným náterom. Prevádzková teplota zliatiny lopatiek za podmienok chladenia a ochrany náterom je viac ako 1100 ℃, čo v budúcnosti kladie nové a vyššie požiadavky na teplotnú hustotu a náklady na materiál vodiacich lopatiek.
b. Superzliatiny pre lopatky turbín
Lopatky turbín sú kľúčovými rotujúcimi časťami leteckých motorov, ktoré prenášajú teplo. Ich prevádzková teplota je o 50 ℃ až 100 ℃ nižšia ako teplota vodiacich lopatiek. Pri rotácii znášajú veľké odstredivé namáhanie, vibračné namáhanie, tepelné namáhanie, odieranie prúdením vzduchu a ďalšie účinky a pracovné podmienky sú zlé. Životnosť horúcich častí motora s vysokým pomerom ťahu k hmotnosti je viac ako 2000 hodín. Preto musí mať zliatina lopatiek turbíny vysokú odolnosť proti tečeniu a medzu pevnosti pri prevádzkovej teplote, dobré komplexné vlastnosti pri vysokých a stredných teplotách, ako je vysoko a nízkocyklová únava, únava za studena a za tepla, dostatočná plasticita a rázová húževnatosť a citlivosť na vruby; vysokú odolnosť proti oxidácii a korózii; dobrú tepelnú vodivosť a nízky koeficient lineárnej rozťažnosti; dobrý výkon pri odlievaní; dlhodobú štrukturálnu stabilitu, žiadne vyzrážanie fázy TCP pri prevádzkovej teplote. Použitá zliatina prechádza štyrmi fázami; aplikácie deformovaných zliatin zahŕňajú GH4033, GH4143, GH4118 atď.; Použitie zliatin na odlievanie zahŕňa K403, K417, K418, K405, smerovo stuhnuté zlato DZ4, DZ22, monokryštálové zliatiny DD3, DD8, PW1484 atď. V súčasnosti sa vyvinuli do tretej generácie monokryštálových zliatin. Čínske monokryštálové zliatiny DD3 a DD8 sa používajú v čínskych turbínach, turbovrtuľových motoroch, vrtuľníkoch a lodných motoroch.
3. Vysokoteplotná zliatina pre disk turbíny
Turbínový kotúč je najviac namáhanou rotujúcou ložiskovou časťou turbínového motora. Prevádzková teplota príruby kolesa motora s pomerom axiálnej hmotnosti 8 a 10 dosahuje 650 ℃ a 750 ℃ a teplota stredu kolesa je približne 300 ℃ s veľkým teplotným rozdielom. Počas normálnej rotácie poháňa lopatku k otáčaniu vysokou rýchlosťou a znáša maximálnu odstredivú silu, tepelné namáhanie a vibračné namáhanie. Každý štart a zastavenie je cyklus stredu kolesa. Hrdlo, dno drážky a okraj sú vystavené rôznym kompozitným napätiam. Zliatina musí mať pri prevádzkovej teplote najvyššiu medzu klzu, rázovú húževnatosť a citlivosť na vruby; nízky koeficient lineárnej rozťažnosti; určitú odolnosť voči oxidácii a korózii; dobrý rezný výkon.
4. Letecká superzliatina
Superzliatina v raketovom motore na kvapalné palivo sa používa ako panel vstrekovača paliva spaľovacej komory v axiálnej komore; koleno turbínového čerpadla, príruba, grafitový upevňovací prvok kormidla atď. Vysokoteplotná zliatina v raketovom motore na kvapalné palivo sa používa ako panel vstrekovača paliva v axiálnej komore; koleno turbínového čerpadla, príruba, grafitový upevňovací prvok kormidla atď. GH4169 sa používa ako materiál rotora turbíny, hriadeľa, puzdra hriadeľa, upevňovacieho prvku a ďalších dôležitých častí ložiska.
Materiály rotora turbíny amerického raketového motora na kvapalné palivo zahŕňajú najmä sacie potrubie, lopatky turbíny a disk. V Číne sa väčšinou používa zliatina GH1131 a veľkosť lopatiek turbíny závisí od pracovnej teploty. Postupne by sa mali používať Inconel X, Alloy 713c, Astroloy a Mar-M246; materiály diskov kolies zahŕňajú Inconel 718, Waspaloy atď. Prevažne sa používajú integrované turbíny GH4169 a GH4141 a na hriadeľ motora sa používa GH2038A.