Vysokoteplotní slitina se také nazývá žáruvzdorná slitina. Podle struktury matrice lze materiály rozdělit do tří kategorií: na bázi železa, niklu a chromu. Podle způsobu výroby je lze rozdělit na deformovanou superslitinu a litou superslitinu.
Je to nepostradatelná surovina v leteckém průmyslu. Je klíčovým materiálem pro vysokoteplotní části leteckých a kosmických motorů. Používá se hlavně k výrobě spalovacích komor, lopatek turbín, vodicích lopatek, kotoučů kompresorů a turbín, skříní turbín a dalších dílů. Provozní teplotní rozsah je 600 °C - 1200 °C. Napětí a podmínky prostředí se liší v závislosti na použitých dílech. Existují přísné požadavky na mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti slitiny. Je to rozhodující faktor pro výkon, spolehlivost a životnost motoru. Proto je superslitina jedním z klíčových výzkumných projektů v oblasti leteckého průmyslu a národní obrany v rozvinutých zemích.
Hlavní aplikace superslitin jsou:
1. Vysokoteplotní slitina pro spalovací komoru
Spalovací komora (známá také jako plamenec) leteckého turbínového motoru je jednou z klíčových součástí odolných vůči vysokým teplotám. Protože ve spalovací komoře probíhá atomizace paliva, míchání oleje a plynu a další procesy, maximální teplota ve spalovací komoře může dosáhnout 1500 °C až 2000 °C a teplota stěn ve spalovací komoře může dosáhnout 1100 °C. Zároveň je vystavena tepelnému namáhání a namáhání plynem. Většina motorů s vysokým poměrem tahu k hmotnosti používá prstencové spalovací komory, které mají krátkou délku a vysokou tepelnou kapacitu. Maximální teplota ve spalovací komoře dosahuje 2000 °C a teplota stěn po ochlazení plynovým filmem nebo párou dosahuje 1150 °C. Velké teplotní gradienty mezi různými částmi vytvářejí tepelné namáhání, které se bude při změně provozního stavu prudce zvyšovat a klesat. Materiál bude vystaven tepelnému šoku a tepelné únavě a dojde k deformaci, prasklinám a dalším vadám. Spalovací komora je obecně vyrobena z plechové slitiny a technické požadavky jsou shrnuty následovně podle provozních podmínek konkrétních součástí: má určitou odolnost proti oxidaci a korozi v plynu za podmínek použití vysokoteplotní slitiny a plynu; má určitou okamžitou a dlouhodobou pevnost, odolnost proti tepelné únavě a nízký koeficient roztažnosti; má dostatečnou plasticitu a svařitelnost pro zajištění zpracování, tvarování a spojování; má dobrou organizační stabilitu za tepelného cyklu pro zajištění spolehlivého provozu po celou dobu životnosti.
a. Porézní laminát ze slitiny MA956
V rané fázi byl porézní laminát vyroben z plechu ze slitiny HS-188 difuzním lepením po fotografování, leptání, drážkování a děrování. Vnitřní vrstva mohla být vytvořena jako ideální chladicí kanál podle konstrukčních požadavků. Toto strukturální chlazení vyžaduje pouze 30 % chladicího plynu tradičního filmového chlazení, což může zlepšit účinnost tepelného cyklu motoru, snížit skutečnou tepelnou únosnost materiálu spalovací komory, snížit hmotnost a zvýšit poměr tahu k hmotnosti. V současné době je stále nutné prorazit klíčovou technologii, než bude možné ji uvést do praxe. Porézní laminát vyrobený z MA956 je nová generace materiálu pro spalovací komory, kterou zavedly Spojené státy a lze ji použít při teplotě 1300 ℃.
b. Aplikace keramických kompozitů ve spalovací komoře
Spojené státy začaly ověřovat proveditelnost použití keramiky pro plynové turbíny od roku 1971. V roce 1983 některé skupiny zabývající se vývojem pokročilých materiálů ve Spojených státech formulovaly řadu výkonnostních ukazatelů pro plynové turbíny používané v pokročilých letadlech. Tyto ukazatele jsou: zvýšení vstupní teploty turbíny na 2200 °C; provoz za stavu spalování dle chemického výpočtu; snížení hustoty aplikované na tyto součásti z 8 g/cm3 na 5 g/cm3; zrušení chlazení součástí. Aby byly tyto požadavky splněny, zahrnují studované materiály kromě jednofázové keramiky grafit, kovovou matrici, keramické kompozity a intermetalické sloučeniny. Keramické kompozity (CMC) mají následující výhody:
Koeficient roztažnosti keramického materiálu je mnohem menší než u slitin na bázi niklu a povlak se snadno odlupuje. Výroba keramických kompozitů s mezilehlou kovovou plstí může překonat problém odlupování, což je směr vývoje materiálů spalovacích komor. Tento materiál lze použít s 10 % - 20 % chladicího vzduchu a teplota zadní kovové izolace je pouze asi 800 ℃ a teplota přenosu tepla je mnohem nižší než u divergentního chlazení a filmového chlazení. V motoru V2500 se používá ochranná dlaždice z lité superslitiny B1900 s keramickým povlakem a směr vývoje spočívá v nahrazení dlaždic B1900 (s keramickým povlakem) kompozitem na bázi SiC nebo antioxidačním kompozitem C/C. Keramický kompozit je vývojový materiál spalovací komory motoru s poměrem tahu a hmotnosti 15-20 a jeho provozní teplota je 1538 ℃ - 1650 ℃. Používá se pro plamence, plovoucí stěny a přídavné spalování.
2. Vysokoteplotní slitina pro turbínu
Lopatka turbíny leteckého motoru je jednou z komponentů, které snášejí největší teplotní zatížení a nejhorší pracovní prostředí v leteckém motoru. Musí snášet velmi velké a komplexní namáhání za vysokých teplot, takže její materiálové požadavky jsou velmi přísné. Superslitiny pro lopatky turbín leteckých motorů se dělí na:
a.Vysokoteplotní slitina pro vodítko
Deflektor je jednou z částí turbínového motoru, které jsou nejvíce ovlivněny teplem. Pokud dochází ve spalovací komoře k nerovnoměrnému spalování, je tepelné zatížení rozváděcí lopatky prvního stupně velké, což je hlavní příčinou poškození rozváděcí lopatky. Její provozní teplota je asi o 100 °C vyšší než teplota lopatek turbíny. Rozdíl spočívá v tom, že statické části nejsou vystaveny mechanickému zatížení. Obvykle snadno dochází k tepelnému namáhání, deformaci, tepelným únavovým trhlinám a lokálnímu spálení způsobenému rychlými změnami teploty. Slitina rozváděcí lopatky musí mít následující vlastnosti: dostatečnou pevnost za vysokých teplot, trvalou odolnost proti tečení a dobrou odolnost proti tepelné únavě, vysokou odolnost proti oxidaci a tepelné korozi, odolnost proti tepelnému namáhání a vibracím, odolnost proti ohybové deformaci, dobrou odolnost proti formování a svařitelnost a ochranu povlaku.
V současné době většina pokročilých motorů s vysokým poměrem tahu k hmotnosti používá duté lité lopatky a volí se směrové a monokrystalické superslitiny na bázi niklu. Motor s vysokým poměrem tahu k hmotnosti má vysokou teplotu 1650 °C až 1930 °C a musí být chráněn tepelně izolačním povlakem. Provozní teplota slitiny lopatek za podmínek chlazení a ochrany povlakem je vyšší než 1100 °C, což v budoucnu klade nové a vyšší požadavky na teplotní hustotu a náklady na materiál vodicích lopatek.
b. Superslitiny pro lopatky turbín
Lopatky turbín jsou klíčovými rotujícími částmi leteckých motorů, které nesou teplo. Jejich provozní teplota je o 50 °C až 100 °C nižší než u vodicích lopatek. Při otáčení snášejí velké odstředivé namáhání, vibrační namáhání, tepelné namáhání, odírání prouděním vzduchu a další účinky a provozní podmínky jsou špatné. Životnost horkých součástí motoru s vysokým poměrem tahu k hmotnosti je více než 2000 hodin. Slitina turbínových lopatek proto musí mít vysokou odolnost proti tečení a pevnost v tahu při provozní teplotě, dobré komplexní vlastnosti při vysokých a středních teplotách, jako je únava za vysokých a nízkých cyklů, únava za studena a za tepla, dostatečnou plasticitu a rázovou houževnatost a citlivost na vruby; vysokou odolnost proti oxidaci a korozi; dobrou tepelnou vodivost a nízký koeficient lineární roztažnosti; dobrý výkon při odlévání; dlouhodobou strukturální stabilitu, bez srážení fáze TCP při provozní teplotě. Použitá slitina prochází čtyřmi fázemi; Mezi aplikace deformovaných slitin patří GH4033, GH4143, GH4118 atd.; Mezi aplikace slévárenských slitin patří K403, K417, K418, K405, směrově tuhé zlato DZ4, DZ22, monokrystalické slitiny DD3, DD8, PW1484 atd. V současné době se vyvinula do třetí generace monokrystalických slitin. Čínské monokrystalické slitiny DD3 a DD8 se používají v čínských turbínách, turbovrtuľových motorech, vrtulnících a lodních motorech.
3. Vysokoteplotní slitina pro kotouč turbíny
Turbínový kotouč je nejvíce namáhanou rotující ložiskovou částí turbínového motoru. Provozní teplota příruby kola motoru s poměrem axiální hmotnosti 8 a 10 dosahuje 650 °C a 750 °C a teplota středu kola je asi 300 °C s velkým teplotním rozdílem. Během normálního otáčení pohání lopatku k otáčení vysokou rychlostí a snáší maximální odstředivou sílu, tepelné namáhání a vibrační namáhání. Každý start a zastavení je cyklus středu kola. Hloubka, dno drážky a okraj jsou vystaveny různým kompozitním namáháním. Slitina musí mít při provozní teplotě nejvyšší mez kluzu, rázovou houževnatost a necitlivost na vruby; nízký koeficient lineární roztažnosti; určitou odolnost proti oxidaci a korozi; dobrý řezný výkon.
4. Letecká superslitina
Superslitina v raketovém motoru na kapalné palivo se používá jako panel vstřikovače paliva spalovací komory v axiální komoře; koleno turbínového čerpadla, příruba, grafitový upevňovací prvek kormidla atd. Vysokoteplotní slitina v raketovém motoru na kapalné palivo se používá jako panel vstřikovače paliva v axiální komoře; koleno turbínového čerpadla, příruba, grafitový upevňovací prvek kormidla atd. GH4169 se používá jako materiál rotoru turbíny, hřídele, pouzdra hřídele, upevňovacího prvku a dalších důležitých ložiskových částí.
Materiály rotoru turbíny amerických raketových motorů na kapalné palivo zahrnují především sací potrubí, lopatky turbíny a disk. V Číně se nejčastěji používá slitina GH1131 a velikost lopatek turbíny závisí na provozní teplotě. Postupně by se měly používat slitiny Inconel X, Alloy 713c, Astroloy a Mar-M246; materiály disků kol zahrnují Inconel 718, Waspaloy atd. Pro integrované turbíny se nejčastěji používají slitiny GH4169 a GH4141 a pro hřídel motoru se používá slitina GH2038A.