A magas hőmérsékletű ötvözetet hőszilárdságú ötvözetnek is nevezik. A mátrix szerkezete szerint az anyagok három kategóriába sorolhatók: vasalapú nikkel alapú és króm alapú. A gyártási mód szerint deformált szuperötvözetre és öntött szuperötvözetre osztható.
Nélkülözhetetlen alapanyag az űrkutatásban. Ez a kulcsanyag az űr- és légiközlekedési gyártású motorok magas hőmérsékletű részéhez. Főleg égéstér, turbinalapát, vezetőlapát, kompresszor és turbinatárcsa, turbinaház és egyéb alkatrészek gyártására használják. Az üzemi hőmérséklet tartomány 600 ℃ - 1200 ℃. A stressz és a környezeti feltételek a használt alkatrészektől függően változnak. Szigorú követelmények vonatkoznak az ötvözet mechanikai, fizikai és kémiai tulajdonságaira. Ez a döntő tényező a motor teljesítménye, megbízhatósága és élettartama szempontjából. Ezért a szuperötvözet az egyik kulcsfontosságú kutatási projekt a repülés és a honvédelem területén a fejlett országokban.
A szuperötvözetek fő alkalmazásai a következők:
1. Magas hőmérsékletű ötvözet az égéstérhez
A repülőgép-turbinás motor égéskamrája (más néven lángcső) az egyik legfontosabb magas hőmérsékletű alkatrész. Mivel a tüzelőanyag porlasztása, olaj- és gázkeverése és egyéb folyamatok az égéstérben zajlanak, az égéstérben a maximális hőmérséklet elérheti az 1500 ℃ - 2000 ℃-ot, az égéstér falának hőmérséklete pedig az 1100 ℃-ot. Ugyanakkor hőterhelést és gázterhelést is visel. A legtöbb nagy tolóerő/tömeg arányú motor gyűrű alakú égésteret használ, amelyek rövid hosszúságúak és nagy hőkapacitásúak. Az égéstérben a maximális hőmérséklet eléri a 2000 ℃-ot, a fal hőmérséklete pedig az 1150 ℃-ot gázfilmes vagy gőzhűtés után. A különböző részek közötti nagy hőmérsékleti gradiensek termikus feszültséget generálnak, amely a működési állapot megváltozásakor meredeken emelkedik és csökken. Az anyag hősokknak és termikus kifáradásnak van kitéve, és deformáció, repedések és egyéb hibák léphetnek fel. Általában az égéstér lemezötvözetből készül, és a műszaki követelményeket a következőképpen foglaljuk össze az egyes alkatrészek üzemi körülményei szerint: bizonyos oxidációállósággal és gázkorrózióállósággal rendelkezik a magas hőmérsékletű ötvözet és gáz felhasználásának körülményei között; Bizonyos pillanatnyi és tartós szilárdsággal, hőfáradási teljesítménnyel és alacsony tágulási együtthatóval rendelkezik; Elegendő plaszticitással és hegesztési képességgel rendelkezik a feldolgozás, az alakítás és a csatlakozás biztosításához; Jó szervezeti stabilitással rendelkezik a termikus ciklus alatt, hogy megbízható működést biztosítson az élettartamon belül.
a. MA956 ötvözet porózus laminátum
A korai szakaszban a porózus laminátumot HS-188 ötvözetlemezből készítették diffúziós ragasztással, miután fényképezték, maratták, hornyolták és lyukasztották. A belső réteg a tervezési igényeknek megfelelően ideális hűtőcsatornává alakítható. Ez a szerkezeti hűtés csak a hagyományos filmhűtés hűtőgázának 30%-át igényli, ami javíthatja a motor hőciklusának hatékonyságát, csökkentheti az égéstér anyagának tényleges hőtartó képességét, csökkentheti a súlyt és növelheti a tolóerőt. hányados. Jelenleg még át kell törni a kulcsfontosságú technológiát, mielőtt gyakorlati felhasználásra kerülhet. Az MA956-ból készült porózus laminátum az Egyesült Államok által bevezetett égéstér-anyag új generációja, amely 1300 ℃-on használható.
b. Kerámia kompozitok alkalmazása égéstérben
Az Egyesült Államok 1971 óta megkezdte a kerámia gázturbinákban való felhasználásának megvalósíthatóságának ellenőrzését. 1983-ban egyes fejlett anyagok fejlesztésével foglalkozó egyesült államokbeli csoportok teljesítménymutatókat dolgoztak ki a fejlett repülőgépekben használt gázturbinákra. Ezek a mutatók a következők: növelje a turbina bemeneti hőmérsékletét 2200 ℃-ra; Működjön a kémiai számítás égési állapotában; Csökkentse az ezekre a részekre alkalmazott sűrűséget 8 g/cm3-ről 5 g/cm3-re; Törölje az alkatrészek hűtését. E követelmények teljesítése érdekében a vizsgált anyagok az egyfázisú kerámiák mellett grafitot, fémmátrixot, kerámia mátrixú kompozitokat és intermetallikus vegyületeket is tartalmaznak. A kerámia mátrix kompozitok (CMC) a következő előnyökkel rendelkeznek:
A kerámiaanyag tágulási együtthatója jóval kisebb, mint a nikkel alapú ötvözeté, a bevonat pedig könnyen lefejthető. A kerámia kompozitok közbenső fémfilccel történő készítése áthidalhatja a pelyhesedés hibáját, ami az égéstér-anyagok fejlődési iránya. Ez az anyag 10% - 20% hűtőlevegővel használható, és a fém hátsó szigetelés hőmérséklete csak körülbelül 800 ℃, és a hőhordozó hőmérséklete sokkal alacsonyabb, mint az eltérő hűtés és a filmhűtés hőmérséklete. A V2500-as motorban öntött szuperötvözet B1900+kerámia bevonatú védőcsempét használnak, a fejlesztési irány pedig a B1900 (kerámia bevonatú) csempe SiC alapú kompozitra vagy antioxidáns C/C kompozitra cseréje. A kerámia mátrix kompozit a motor égésterének fejlesztési anyaga 15-20 tolóerővel, üzemi hőmérséklete 1538 ℃ - 1650 ℃. Lángcsőhöz, úszófalhoz és utánégetéshez használják.
2. Magas hőmérsékletű ötvözet turbinához
A repülőgép-motor turbinalapátja az egyik olyan alkatrész, amely a legsúlyosabb hőmérsékleti terhelést és a legrosszabb munkakörnyezetet viseli a repülőgép-motorban. Magas hőmérsékleten nagyon nagy és összetett igénybevételt kell elviselnie, ezért anyagigénye nagyon szigorú. A repülőgép-motorok turbinalapátjaihoz használt szuperötvözetek a következőkre oszlanak:
a. Magas hőmérsékletű ötvözet vezetőhöz
A terelő a turbinás motor egyik része, amelyre a hő leginkább hatással van. Ha az égéstérben egyenetlen égés lép fel, az első fokozatú vezetőlapát fűtési terhelése nagy, ez a vezetőlapát sérülésének fő oka. Üzemi hőmérséklete körülbelül 100 ℃-kal magasabb, mint a turbinalapátoké. A különbség az, hogy a statikus részek nincsenek kitéve mechanikai terhelésnek. Általában könnyen okozhat hőfeszültséget, torzulást, hőfáradási repedést és helyi égést a gyors hőmérsékletváltozás miatt. A vezetőlapát-ötvözetnek a következő tulajdonságokkal kell rendelkeznie: megfelelő magas hőmérsékleti szilárdság, tartós kúszási teljesítmény és jó hőfáradási teljesítmény, magas oxidáció- és hőkorrózióállóság, hőterhelés- és rezgésállóság, hajlítási deformációs képesség, jó öntési eljárási teljesítmény és hegeszthetőség, és bevonatvédelmi teljesítmény.
Jelenleg a legfejlettebb, nagy tolóerő/tömeg arányú motorok üreges öntött lapátokat használnak, és az irányított és egykristályos nikkel alapú szuperötvözeteket választják. A nagy tolóerő-tömeg arányú motor magas hőmérséklete 1650 ℃ - 1930 ℃, és hőszigetelő bevonattal kell védeni. A pengeötvözet üzemi hőmérséklete hűtési és bevonatvédelmi körülmények között több mint 1100 ℃, ami új és magasabb követelményeket támaszt a vezetőpenge anyagának hőmérsékleti sűrűségköltségére vonatkozóan a jövőben.
b. Szuperötvözetek turbinalapátokhoz
A turbinalapátok a repülőgép-hajtóművek legfontosabb hőhordozó forgó alkatrészei. Működési hőmérsékletük 50 ℃ - 100 ℃-kal alacsonyabb, mint a vezetőlapátok. Nagy centrifugális igénybevételt, vibrációs igénybevételt, termikus igénybevételt, légáramlási súrlódást és egyéb hatásokat viselnek el forgás közben, és rosszak a munkakörülmények. A nagy tolóerő/tömeg arányú motor hot end alkatrészeinek élettartama több mint 2000 óra. Ezért a turbinalapát-ötvözetnek nagy kúszási ellenállással és szakadási szilárdsággal kell rendelkeznie üzemi hőmérsékleten, jó magas és közepes hőmérsékletű átfogó tulajdonságokkal kell rendelkeznie, például nagy és alacsony ciklusú kifáradás, hideg és meleg kifáradás, elegendő plaszticitás és ütésállóság, valamint bevágásérzékenység; Magas oxidáció- és korrózióállóság; Jó hővezető képesség és alacsony lineáris tágulási együttható; Jó öntési folyamat teljesítmény; Hosszú távú szerkezeti stabilitás, nincs TCP fázis kicsapódás üzemi hőmérsékleten. Az alkalmazott ötvözet négy szakaszon megy keresztül; A deformált ötvözet alkalmazások közé tartozik a GH4033, GH4143, GH4118 stb.; Az öntvény ötvözet alkalmazási területe a K403, K417, K418, K405, az irányítottan szilárdított arany DZ4, DZ22, egykristály ötvözet DD3, DD8, PW1484 stb. Jelenleg az egykristály ötvözetek harmadik generációjára fejlődött. A kínai DD3 és DD8 egykristály ötvözetet kínai turbinákban, turbóventilátor-motorokban, helikopterekben és hajómotorokban használják.
3. Magas hőmérsékletű ötvözet turbinatárcsához
A turbinatárcsa a turbinamotor legnagyobb igénybevételnek kitett forgó csapágy része. A 8 és 10 tolóerő-arányú motor kerékperemének üzemi hőmérséklete eléri a 650 ℃ és 750 ℃ értéket, a kerék középpontjának hőmérséklete pedig körülbelül 300 ℃, nagy hőmérséklet-különbséggel. Normál forgás közben nagy sebességgel forog a penge, és viseli a maximális centrifugális erőt, termikus feszültséget és vibrációs feszültséget. Minden indítás és leállítás egy ciklus, kerékközéppont. A torok, a horony alja és a pereme különböző kompozit igénybevételeket viselnek. Az ötvözetnek az üzemi hőmérsékleten a legnagyobb folyáshatárral, ütőszilárdsággal és bevágásmentességgel kell rendelkeznie; Alacsony lineáris tágulási együttható; Bizonyos oxidáció- és korrózióállóság; Jó vágási teljesítmény.
4. Repülési szuperötvözet
A folyékony rakétamotorban lévő szuperötvözet az égéstér tüzelőanyag-befecskendező paneljeként szolgál a tolókamrában; Turbina szivattyú könyök, karima, grafit kormányrögzítő stb. A folyékony rakétamotorokban a magas hőmérsékletű ötvözetet üzemanyagkamra befecskendező panelként használják a tolókamrában; Turbina szivattyú könyök, karima, grafit kormányrögzítő stb. A GH4169-et a turbina rotorjának, tengelyének, tengelyhüvelyének, rögzítőelemének és más fontos csapágyalkatrészeinek anyagaként használják.
Az amerikai folyékony rakétamotorok turbina rotor anyagai elsősorban a szívócsövet, a turbinalapátot és a tárcsát tartalmazzák. A GH1131 ötvözetet többnyire Kínában használják, és a turbina lapátja az üzemi hőmérséklettől függ. Az Inconel x-et, az Alloy713c-t, az Astroloy-t és a Mar-M246-ot egymás után kell használni; A keréktárcsák anyagai közé tartozik az Inconel 718, Waspaloy stb. A GH4169 és GH4141 integrált turbinák többnyire, a motor tengelye pedig a GH2038A.