Vysokoteplotná zliatina sa tiež nazýva zliatina s tepelnou pevnosťou. Podľa štruktúry matrice možno materiály rozdeliť do troch kategórií: na báze železa na báze niklu a na báze chrómu. Podľa výrobného režimu sa dá rozdeliť na deformovanú superzliatinu a odlievanú superzliatinu.
Je to nenahraditeľná surovina v oblasti letectva. Je to kľúčový materiál pre vysokoteplotnú časť leteckých a leteckých motorov. Používa sa hlavne na výrobu spaľovacej komory, lopatky turbíny, vodiacej lopatky, kompresora a turbínového kotúča, skrine turbíny a iných častí. Rozsah prevádzkovej teploty je 600 ℃ - 1200 ℃. Namáhanie a podmienky 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 letectva a národnej obrany vo vyspelých krajinách.
Hlavné aplikácie superzliatin sú:
1. Vysokoteplotná zliatina pre spaľovaciu komoru
Spaľovacia komora (známa aj ako plameňová trubica) leteckého turbínového motora je jedným z kľúčových vysokoteplotných komponentov. Pretože rozprašovanie paliva, miešanie oleja a plynu a iné procesy sa vykonávajú v spaľovacej komore, maximálna teplota v spaľovacej komore môže dosiahnuť 1500 ℃ - 2000 ℃ a teplota steny v spaľovacej komore môže dosiahnuť 1100 ℃. Zároveň znáša aj tepelné namáhanie a plynové namáhanie. Väčšina motorov s vysokým pomerom ťah/hmotnosť využíva prstencové spaľovacie komory, ktoré majú krátku dĺžku a vysokú tepelnú kapacitu. Maximálna teplota v spaľovacej komore dosahuje 2000 ℃ a teplota steny dosahuje 1150 ℃ po ochladení plynovým filmom alebo parou. Veľké teplotné gradienty medzi rôznymi časťami spôsobia tepelné napätie, ktoré bude prudko stúpať a klesať pri zmene pracovného stavu. Materiál bude vystavený tepelnému šoku a zaťaženiu tepelnou únavou a dôjde k deformácii, prasklinám a iným chybám. Vo všeobecnosti je spaľovacia komora vyrobená z plechovej zliatiny a technické požiadavky sú zhrnuté nasledovne podľa prevádzkových podmienok konkrétnych častí: má určitú odolnosť proti oxidácii a odolnosť voči plynovej korózii v podmienkach použitia vysokoteplotnej zliatiny a plynu; Má určitú okamžitú a trvanlivú pevnosť, tepelnú únavu a nízky koeficient rozťažnosti; Má dostatočnú plasticitu a zvarovú schopnosť na zabezpečenie spracovania, tvarovania a spájania; Má dobrú organizačnú stabilitu v tepelnom cykle, aby sa zabezpečila spoľahlivá prevádzka počas životnosti.
a. Porézny laminát zliatiny MA956
V počiatočnom štádiu bol porézny laminát vyrobený z plechu zliatiny HS-188 difúznym spájaním po fotografovaní, leptaní, drážkovaní a dierovaní. Z vnútornej vrstvy je možné vytvoriť ideálny chladiaci kanál podľa konštrukčných požiadaviek. Toto chladenie konštrukcie potrebuje 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 prítlačnú hmotnosť. pomer. V súčasnosti je ešte potrebné preraziť kľúčovú technológiu, kým sa dostane do praxe. Pórovitý laminát vyrobený z MA956 je novou generáciou materiálu spaľovacej komory predstavenej Spojenými štátmi, ktorý možno použiť pri 1300 ℃.
b. Aplikácia keramických kompozitov v spaľovacej komore
Spojené štáty americké začali s overovaním uskutočniteľnosti použitia keramiky pre plynové turbíny od roku 1971. V roku 1983 niektoré skupiny zaoberajúce sa vývojom pokročilých materiálov v USA sformulovali sériu výkonnostných ukazovateľov pre plynové turbíny používané v moderných lietadlách. Tieto indikátory sú: zvýšenie vstupnej teploty turbíny na 2200 ℃; Pracujte v stave spaľovania podľa chemického výpočtu; Znížte hustotu aplikovanú na tieto časti z 8 g/cm3 na 5 g/cm3; Zrušte chladenie komponentov. Aby sa splnili tieto požiadavky, študované materiály zahŕňajú okrem jednofázovej keramiky aj grafit, kovovú matricu, kompozity s keramickou matricou a intermetalické zlúčeniny. Kompozity s keramickou matricou (CMC) majú nasledujúce výhody:
Koeficient rozťažnosti keramického materiálu je oveľa menší ako koeficient zliatiny na báze niklu a povlak sa dá ľahko odlepiť. Výroba keramických kompozitov so strednou kovovou plsťou môže prekonať defekt odlupovania, čo je smer vývoja materiálov spaľovacích komôr. Tento materiál je možné použiť s 10% - 20% chladiaceho vzduchu a teplota kovovej zadnej izolácie je len asi 800 ℃ a teplota znášania tepla je oveľa nižšia ako teplota divergentného chladenia a chladenia filmu. Ochranná doska z liatej superzliatiny B1900 + keramický povlak sa používa v motore V2500 a smer vývoja je nahradiť dlaždicu B1900 (s keramickým povlakom) kompozitom na báze SiC alebo antioxidačným C/C kompozitom. Keramický matricový kompozit je vývojový materiál spaľovacej komory motora s pomerom ťahovej hmotnosti 15-20 a jeho prevádzková teplota je 1538 ℃ - 1650 ℃. Používa sa pre plameňovú trubicu, plávajúcu stenu a prídavné spaľovanie.
2. Vysokoteplotná zliatina pre turbínu
Lopatka leteckého motora je jednou z komponentov, ktoré znášajú najväčšie teplotné zaťaženie a najhoršie pracovné prostredie v leteckom motore. Musí znášať veľmi veľké a zložité namáhanie pri vysokej teplote, takže požiadavky na materiál sú veľmi prísne. Superzliatiny pre lopatky leteckých turbín 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 vykurovacie zaťaženie rozvádzacej lopatky prvého stupňa veľké, čo je hlavnou príčinou poškodenia rozvádzacej lopatky. Jeho prevádzková teplota je asi o 100 ℃ vyššia ako teplota lopatky turbíny. Rozdiel je v tom, že statické časti nepodliehajú mechanickému zaťaženiu. Zvyčajne je ľahké spôsobiť tepelné napätie, deformáciu, trhlinu z tepelnej únavy a lokálne popálenie spôsobené rýchlou zmenou teploty. Zliatina vodiacich lopatiek musí mať tieto vlastnosti: dostatočnú pevnosť pri vysokej teplote, stály výkon pri tečení a dobrú tepelnú únavu, vysokú odolnosť proti oxidácii a tepelnú koróziu, odolnosť proti tepelnému namáhaniu a vibráciám, schopnosť deformácie v ohybe, dobrý výkon pri procese odlievania a zvárateľnosť, a účinnosť ochrany náteru.
V súčasnosti najpokročilejšie motory s vysokým pomerom ťah/hmotnosť používajú 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 musí byť chránený tepelnou izoláciou. Prevádzková teplota zliatiny čepele v podmienkach chladenia a ochrany povlaku je viac ako 1100 ℃, čo v budúcnosti kladie nové a vyššie požiadavky na náklady na hustotu teploty materiálu vodiacej čepele.
b. Superzliatiny pre lopatky turbín
Turbínové lopatky sú kľúčovými rotačnými časťami leteckých motorov, ktoré nesú teplo. Ich prevádzková teplota je o 50 ℃ - 100 ℃ nižšia ako u vodiacich nožov. Pri otáčaní znášajú veľké odstredivé namáhanie, vibračné namáhanie, tepelné namáhanie, drhnutie prúdením vzduchu a iné účinky a pracovné podmienky sú zlé. Životnosť horúcich komponentov motora s vysokým pomerom ťah/hmotnosť je viac ako 2000 h. Zliatina turbínových lopatiek preto musí mať vysokú odolnosť proti tečeniu a medzu pevnosti pri prevádzkovej teplote, dobré komplexné vlastnosti pri vysokých a stredných teplotách, ako je únava pri vysokom a nízkom cykle, únava za studena a za tepla, dostatočná plasticita a rázová húževnatosť a citlivosť na vruby; Vysoká odolnosť proti oxidácii a korózii; Dobrá tepelná vodivosť a nízky koeficient lineárnej rozťažnosti; Dobrý výkon procesu odlievania; Dlhodobá štrukturálna stabilita, žiadne zrážanie fázy TCP pri prevádzkovej teplote. Aplikovaná zliatina prechádza štyrmi stupňami; Aplikácie deformovaných zliatin zahŕňajú GH4033, GH4143, GH4118 atď.; Aplikácia odlievacej zliatiny zahŕňa K403, K417, K418, K405, smerovo tuhované zlato DZ4, DZ22, monokryštálové zliatiny DD3, DD8, PW1484 atď. V súčasnosti sa vyvinula do tretej generácie monokryštálových zliatin. Čínska monokryštálová zliatina DD3 a DD8 sa používa v čínskych turbínach, turboventilátorových motoroch, vrtuľníkoch a lodných motoroch.
3. Vysokoteplotná zliatina pre kotúč turbíny
Turbínový kotúč je najviac namáhaná rotačná ložisková časť turbínového motora. Pracovná teplota príruby kolesa motora s pomerom ťahovej hmotnosti 8 a 10 dosahuje 650 ℃ a 750 ℃ a teplota stredu kolesa je asi 300 ℃ s veľkým teplotným rozdielom. Počas normálneho otáčania poháňa čepeľ, aby sa otáčala vysokou rýchlosťou a znáša maximálnu odstredivú silu, tepelné namáhanie a namáhanie vibráciami. Každý štart a stop je cyklus, stred kolesa. Hrdlo, dno drážky a ráfik nesú rôzne kompozitné namáhania. Od zliatiny sa vyžaduje, aby mala najvyššiu medzu klzu, rázovú húževnatosť a žiadnu vrubovú citlivosť pri prevádzkovej teplote; Nízky koeficient lineárnej rozťažnosti; Určitá odolnosť voči oxidácii a korózii; Dobrý rezný výkon.
4. Letecká superzliatina
Superzliatina v kvapalnom raketovom motore sa používa ako panel vstrekovača paliva spaľovacej komory v náporovej komore; Koleno turbínového čerpadla, príruba, grafitová spojka kormidla atď. Vysokoteplotná zliatina v kvapalnom raketovom motore sa používa ako panel vstrekovača palivovej komory v náporovej komore; Koleno, príruba, grafitové uchytenie kormidla, atď. GH4169 sa používa ako materiál rotora turbíny, hriadeľa, puzdra hriadeľa, upevňovača a iných dôležitých častí ložísk.
Materiály rotora turbíny amerického raketového motora zahŕňajú hlavne sacie potrubie, lopatku turbíny a disk. Zliatina GH1131 sa väčšinou používa v Číne a lopatka turbíny závisí od pracovnej teploty. Inconel x, Alloy713c, Astroloy a Mar-M246 by sa mali používať postupne; Materiály diskov kolies zahŕňajú Inconel 718, Waspaloy atď. Väčšinou sa používajú integrálne turbíny GH4169 a GH4141 a na hriadeľ motora je použitý GH2038A.