A magas hőmérsékletű ötvözetet hőszilárd ötvözetnek is nevezik. A mátrixszerkezet szerint az anyagok három kategóriába sorolhatók: vas alapú, nikkel alapú és króm alapú. A gyártási mód szerint deformált szuperötvözetre és öntött szuperötvözetre oszthatók.
Nélkülözhetetlen alapanyag a repülőgépiparban. Kulcsfontosságú anyag a repülőgépipari és repülőgépgyártó motorok magas hőmérsékletű alkatrészeihez. Főként égéstér, turbinalapát, vezetőlapát, kompresszor és turbinatárcsa, turbinaház és egyéb alkatrészek gyártásához használják. Az üzemi hőmérséklet-tartomány 600 ℃ - 1200 ℃. A feszültség és a környezeti feltételek a felhasznált alkatrészektől függően változnak. Az ötvözet mechanikai, fizikai és kémiai tulajdonságaira szigorú követelmények vonatkoznak. Ez a motor teljesítményének, megbízhatóságának és élettartamának döntő tényezője. Ezért a szuperötvözet az egyik kulcsfontosságú kutatási projekt a repülőgépipar és a nemzetvédelem területén a fejlett országokban.
A szuperötvözetek főbb alkalmazási területei:
1. Magas hőmérsékletű ötvözet az égéstérhez
A repülőgép-turbina hajtómű égéstere (más néven lángcső) az egyik legfontosabb magas hőmérsékletű alkatrész. Mivel az üzemanyag porlasztása, az olaj és a gáz keverése és egyéb folyamatok az égéstérben zajlanak, az égéstérben a maximális hőmérséklet elérheti az 1500 ℃ - 2000 ℃-ot, az égéstér falhőmérséklete pedig az 1100 ℃-ot. Ugyanakkor hőfeszültségnek és gázfeszültségnek is ki van téve. A legtöbb nagy tolóerő/tömeg arányú motor gyűrű alakú égésteret használ, amelyek rövid hosszúságúak és nagy hőkapacitással rendelkeznek. Az égéstérben a maximális hőmérséklet eléri a 2000 ℃-ot, a falhőmérséklet pedig a gázfilm vagy gőzhűtés után eléri az 1150 ℃-ot. A különböző alkatrészek közötti nagy hőmérséklet-különbségek hőfeszültséget generálnak, amely az üzemállapot változásával hirtelen emelkedik és csökken. Az anyag hősokknak és hőfáradási terhelésnek lesz kitéve, és torzulás, repedések és egyéb hibák jelentkezhetnek. Az égéstér általában ötvözetlemezből készül, és a műszaki követelményeket az alábbiakban foglaljuk össze az egyes alkatrészek üzemi körülményei szerint: magas hőmérsékletű ötvözet és gáz használata esetén bizonyos oxidációs ellenállással és gázkorrózióállósággal rendelkezik; bizonyos pillanatnyi és tartós szilárdsággal, hőfáradási teljesítménnyel és alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkezik; elegendő képlékenységgel és hegesztési képességgel rendelkezik a feldolgozás, alakítás és csatlakoztatás biztosításához; jó szervezeti stabilitással rendelkezik hőciklus alatt, hogy biztosítsa a megbízható működést az élettartam alatt.
a. MA956 ötvözetből készült porózus laminátum
A korai szakaszban a porózus laminátumot HS-188 ötvözetlemezből diffúziós kötéssel állították elő fényképezés, maratás, hornyolás és lyukasztás után. A belső réteg a tervezési követelményeknek megfelelően ideális hűtőcsatornává alakítható. Ez a szerkezeti hűtés mindössze 30%-kal kevesebb hűtőgázt igényel, mint a hagyományos filmhűtés, ami javíthatja a motor hőciklus-hatékonyságát, csökkentheti az égéstér anyagának tényleges hőtartó képességét, csökkentheti a súlyt és növelheti a tolóerő-tömeg arányt. Jelenleg még át kell törni a kulcsfontosságú technológiát, mielőtt a gyakorlati alkalmazásba kerülhetne. Az MA956-ból készült porózus laminátum az Egyesült Államokban bevezetett új generációs égéstér-anyag, amely 1300 ℃-on használható.
b. Kerámia kompozitok alkalmazása az égéstérben
Az Egyesült Államok 1971 óta vizsgálja a kerámiák gázturbinákban való felhasználásának megvalósíthatóságát. 1983-ban az Egyesült Államokban fejlett anyagok fejlesztésével foglalkozó csoportok teljesítménymutatókat dolgoztak ki a fejlett repülőgépekben használt gázturbinákra. Ezek a mutatók a következők: a turbina bemeneti hőmérsékletének növelése 2200 ℃-ra; Kémiai számítás szerinti égésállapotban való működés; Az alkatrészekre alkalmazott sűrűség csökkentése 8 g/cm3-ről 5 g/cm3-re; Az alkatrészek hűtésének megszüntetése. E követelmények teljesítése érdekében a vizsgált anyagok között szerepel a grafit, a fémmátrix, a kerámia mátrixú kompozitok és az intermetallikus vegyületek az egyfázisú kerámiák mellett. A kerámia mátrixú kompozitok (CMC) a következő előnyökkel rendelkeznek:
A kerámia anyag tágulási együtthatója sokkal kisebb, mint a nikkel alapú ötvözeté, és a bevonat könnyen lehúzható. A kerámia kompozitok készítése közbenső fémfilccel kiküszöbölheti a leválás hibáját, ami az égéstér-anyagok fejlesztési iránya. Ez az anyag 10% - 20% hűtőlevegő-tartalommal használható, a fém hátlap hőmérséklete mindössze 800 ℃ körül van, és a hőtartó hőmérséklet jóval alacsonyabb, mint a divergáló hűtés és a filmhűtés esetében. A V2500-as motorban öntött szuperötvözetű B1900+ kerámia bevonatú védőlapot használnak, és a fejlesztési irány a B1900 (kerámia bevonatú) lapka SiC alapú kompozittal vagy antioxidáns C/C kompozittal való helyettesítése. A kerámia mátrixú kompozit a motor égésterének fejlesztési anyaga, 15-20 tolóerő-súlyaránnyal, üzemi hőmérséklete 1538 ℃ - 1650 ℃. Lángcsőhöz, úszófalhoz és utóégetőhöz használják.
2. Magas hőmérsékletű ötvözet turbinához
A repülőgép-hajtómű turbinalapátja a repülőgép-hajtómű egyik legsúlyosabb hőmérsékleti terhelésnek és a legrosszabb munkakörnyezetnek kitett alkatrésze. Magas hőmérsékleten nagyon nagy és összetett igénybevételt kell elviselnie, ezért anyagkövetelményei nagyon szigorúak. A repülőgép-hajtómű turbinalapátjaihoz használt szuperötvözetek a következőkre oszthatók:
a.Magas hőmérsékletű ötvözet vezetőhöz
A terelőlemez a turbinamotor egyik olyan része, amelyet a hő a leginkább érint. Amikor az égéstérben egyenetlen égés történik, az első fokozatú vezetőlapát hőterhelése nagy, ami a vezetőlapát károsodásának fő oka. Üzemi hőmérséklete körülbelül 100 ℃-kal magasabb, mint a turbinalapáté. A különbség az, hogy a statikus alkatrészek nincsenek mechanikai terhelésnek kitéve. Általában könnyen kialakulhat hőfeszültség, torzulás, hőfáradásos repedés és helyi égés a gyors hőmérsékletváltozás miatt. A vezetőlapát ötvözetének a következő tulajdonságokkal kell rendelkeznie: megfelelő magas hőmérsékleti szilárdság, állandó kúszási teljesítmény és jó hőfáradási teljesítmény, magas oxidációs ellenállás és hőkorrózióállóság, hőfeszültség- és rezgésállóság, hajlító-deformációs képesség, jó öntési teljesítmény és hegeszthetőség, valamint bevonatvédelmi teljesítmény.
Jelenleg a legtöbb fejlett, nagy tolóerő/tömeg arányú motor üreges öntött lapátokat használ, és irányított, valamint egykristályos nikkel alapú szuperötvözeteket választanak. A nagy tolóerő-tömeg arányú motorok hőmérséklete 1650 ℃ és 1930 ℃ között mozog, és hőszigetelő bevonattal kell védeni őket. A lapátötvözet üzemi hőmérséklete hűtés és bevonatvédelem mellett meghaladja az 1100 ℃-ot, ami a jövőben új és magasabb követelményeket támaszt a vezetőlapát anyagának hőmérséklet-sűrűségével szemben.
b. Szuperötvözetek turbinalapátokhoz
A turbinalapátok a repülőgép-hajtóművek kulcsfontosságú hőhordozó forgó alkatrészei. Üzemi hőmérsékletük 50 ℃ - 100 ℃-kal alacsonyabb, mint a vezetőlapátoknál. Forgás közben nagy centrifugális feszültséget, rezgési feszültséget, hőfeszültséget, légáramlási súrlódást és egyéb hatásokat viselnek el, és a munkakörülményeik rosszak. A nagy tolóerő/tömeg arányú hajtómű hotend alkatrészeinek élettartama meghaladja a 2000 órát. Ezért a turbinalapát ötvözetnek nagy kúszási ellenállással és szakítószilárdsággal kell rendelkeznie üzemi hőmérsékleten, jó átfogó tulajdonságokkal kell rendelkeznie magas és közepes hőmérsékleten, mint például a nagy és kis ciklusú fáradás, a hideg- és melegfáradás, a megfelelő képlékenység és ütésállóság, valamint a bevágásérzékenység; Magas oxidációs ellenállás és korrózióállóság; Jó hővezető képesség és alacsony lineáris tágulási együttható; Jó öntési folyamatteljesítmény; Hosszú távú szerkezeti stabilitás, nincs TCP fáziskiválás üzemi hőmérsékleten. Az alkalmazott ötvözet négy fázison megy keresztül; A deformált ötvözetalkalmazások közé tartozik a GH4033, GH4143, GH4118 stb.; Az öntvényötvözetek alkalmazási területei közé tartozik a K403, K417, K418, K405, az irányítottan szilárdított arany DZ4, DZ22, valamint a DD3, DD8, PW1484 egykristályos ötvözetek. Jelenleg a harmadik generációs egykristályos ötvözetek fejlődtek ki. Kína DD3 és DD8 egykristályos ötvözeteit turbinákban, turbóventilátoros motorokban, helikopterekben és hajómotorokban használják.
3. Magas hőmérsékletű ötvözet turbina tárcsához
A turbina tárcsa a turbinás motor legnagyobb terhelésnek kitett forgó csapágyalkatrésze. A 8-as és 10-es tolóerő-súlyarányú motor kerékkarimájának üzemi hőmérséklete eléri a 650 ℃-ot és a 750 ℃-ot, a kerék középpontjának hőmérséklete pedig körülbelül 300 ℃, nagy hőmérsékletkülönbséggel. Normál forgás közben nagy sebességgel forog a penge, és maximális centrifugális erőt, hőfeszültséget és rezgési igénybevételt visel. Minden indítás és leállítás egy ciklus, a kerék középpontja. A torok, a horony alja és a perem mind különböző kompozit igénybevételeket visel el. Az ötvözetnek a legnagyobb folyáshatárral, ütésállósággal és bevágásérzékenységgel kell rendelkeznie az üzemi hőmérsékleten; alacsony lineáris tágulási együttható; bizonyos oxidációs és korrózióállóság; jó vágási teljesítmény.
4. Repülőgépipari szuperötvözet
A folyékony rakétamotorokban található szuperötvözetet a tolóerő-kamra égésterének üzemanyag-befecskendező paneljeként használják; turbinaszivattyú könyöke, perem, grafit kormánylapát rögzítőeleme stb. A folyékony rakétamotorokban a magas hőmérsékletű ötvözetet a tolóerő-kamra üzemanyag-befecskendező paneljeként használják; turbinaszivattyú könyöke, perem, grafit kormánylapát rögzítőeleme stb. A GH4169-et turbinarotor, tengely, tengelyhüvely, rögzítőelem és más fontos csapágyalkatrészek anyagaként használják.
Az amerikai folyékony üzemanyagú rakétamotorok turbinarotor anyagai főként a szívócső, a turbinalapát és a tárcsa. Kínában főként a GH1131 ötvözetet használják, és a turbinalapát minősége az üzemi hőmérséklettől függ. Az Inconel X, Alloy 713c, Astroloy és Mar-M246 ötvözeteket egymás után kell használni; a keréktárcsa anyagai közé tartozik az Inconel 718, a Waspaloy stb. Az integrált turbinákban főként a GH4169 és a GH4141 ötvözetet használják, a motortengelyhez pedig a GH2038A ötvözetet.