Vysokoteplotní slitina se také nazývá slitina s tepelnou pevností. Podle struktury matrice lze materiály rozdělit do tří kategorií: na bázi železa na bázi niklu a na bázi chrómu. Podle výrobního režimu ji lze rozdělit na deformovanou superslitinu a litou superslitinu.
Je to nepostradatelná surovina v leteckém průmyslu. Je to klíčový materiál pro vysokoteplotní část leteckých a kosmických výrobních motorů. Používá se hlavně pro výrobu spalovací komory, turbínové lopatky, vodící lopatky, kompresoru a turbínového disku, turbínové skříně a dalších dílů. Rozsah provozních teplot je 600 ℃ - 1200 ℃. Namáhání a podmínky prostředí se liší podle použitých dílů. Existují přísné požadavky na mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti slitiny. Je rozhodujícím faktorem pro výkon, spolehlivost a životnost motoru. Proto je superslitina jedním z klíčových výzkumných projektů v oblasti letectví a obrany ve vyspělých zemích.
Hlavní aplikace superslitin jsou:
1. Vysokoteplotní slitina pro spalovací komoru
Spalovací komora (také známá jako plamenec) leteckého turbínového motoru je jednou z klíčových vysokoteplotních součástí. Vzhledem k tomu, že ve spalovací komoře probíhají atomizace paliva, směšování oleje a plynu a další procesy, může maximální teplota ve spalovací komoře dosáhnout 1500 ℃ - 2000 ℃ a teplota stěny ve spalovací komoře může dosáhnout 1100 ℃. Zároveň také snáší tepelné namáhání a plynové namáhání. Většina motorů s vysokým poměrem tah/hmotnost používá prstencové spalovací komory, které mají krátkou délku a vysokou tepelnou kapacitu. Maximální teplota ve spalovací komoře dosahuje 2000 ℃ a teplota stěny dosahuje 1150 ℃ po ochlazení plynovým filmem nebo párou. Velké teplotní gradienty mezi různými částmi budou generovat tepelné napětí, které bude prudce stoupat a klesat při změně pracovního stavu. Materiál bude vystaven tepelnému šoku a zatížení tepelnou únavou a dojde k deformacím, prasklinám a jiným poruchám. Obecně je spalovací komora vyrobena z plechové slitiny a technické požadavky jsou shrnuty následovně podle provozních podmínek konkrétních dílů: má určitou odolnost proti oxidaci a odolnost proti plynové korozi za podmínek použití vysokoteplotní slitiny a plynu; Má určitou okamžitou a vytrvalostní pevnost, tepelnou únavu a nízký koeficient roztažnosti; Má dostatečnou plasticitu a svařovací schopnost pro zajištění zpracování, tváření a spojování; Má dobrou organizační stabilitu při tepelném cyklu, aby byl zajištěn spolehlivý provoz během životnosti.
A. Slitina MA956 porézní laminát
V rané fázi byl porézní laminát vyroben z plechu slitiny HS-188 difúzním lepením poté, co byl fotografován, leptán, rýhován a děrován. Z vnitřní vrstvy lze vytvořit ideální chladicí kanál podle konstrukčních požadavků. Toto chlazení konstrukce potřebuje pouze 30 % chladicího plynu tradičního filmového chlazení, což může zlepšit účinnost tepelného cyklu motoru, snížit skutečnou tepelnou kapacitu materiálu spalovací komory, snížit hmotnost a zvýšit přítlačnou hmotnost. poměr. V současné době je stále nutné prorazit klíčovou technologii, než se dostane do praxe. Porézní laminát vyrobený z MA956 je nová generace materiálu spalovací komory představená Spojenými státy, který lze použít při 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 indikátory jsou: zvýšení vstupní teploty turbíny na 2200 ℃; Pracujte ve stavu spalování chemického výpočtu; Snižte hustotu aplikovanou na tyto části z 8g/cm3 na 5g/cm3; Zrušte chlazení součástí. Za účelem splnění těchto požadavků zahrnují studované materiály kromě jednofázové keramiky také grafit, kovovou matrici, kompozity s keramickou matricí a intermetalické sloučeniny. Kompozity s keramickou matricí (CMC) mají následující výhody:
Koeficient roztažnosti keramického materiálu je mnohem menší než u slitiny na bázi niklu a povlak lze snadno odloupnout. Výroba keramických kompozitů s mezilehlou kovovou plstí může překonat vadu odlupování, což je směr vývoje materiálů spalovací komory. Tento materiál lze použít s 10% - 20% chladicího vzduchu a teplota kovové zadní izolace je pouze asi 800 ℃ a teplota tepelného ložiska je mnohem nižší než u divergentního chlazení a chlazení filmu. Ochranná deska z lité superslitiny B1900 + keramický povlak se používá v motoru V2500 a vývojovým směrem je nahrazení dlaždice B1900 (s keramickým povlakem) kompozitem na bázi SiC nebo antioxidačním kompozitem C/C. Kompozit s keramickou matricí je vývojový materiál spalovací komory motoru s poměrem tahové hmotnosti 15-20 a jeho provozní teplota je 1538 ℃ - 1650 ℃. Používá se pro plamenec, plovoucí stěnu a přídavné spalování.
2. Vysokoteplotní slitina pro turbínu
Lopatka letecké turbíny je jednou ze součástí, které nesou největší teplotní zatížení a nejhorší pracovní prostředí v leteckém motoru. Musí vydržet velmi velké a složité namáhání při vysoké teplotě, takže požadavky na materiál jsou velmi přísné. Superslitiny pro lopatky leteckých turbín se dělí na:
a.Vysokoteplotní slitina pro vedení
Deflektor je jednou z částí turbínového motoru, které jsou nejvíce ovlivněny teplem. Při nerovnoměrném spalování ve spalovací komoře je topné zatížení rozváděcí lopatky prvního stupně velké, což je hlavní příčinou poškození rozváděči lopatky. Jeho provozní teplota je asi o 100 ℃ vyšší než teplota turbínové lopatky. Rozdíl je v tom, že statické části nepodléhají mechanickému zatížení. Obvykle je snadné způsobit tepelné namáhání, deformaci, trhlinu z tepelné únavy a lokální popáleniny způsobené rychlou změnou teploty. Slitina vodicích lopatek musí mít následující vlastnosti: dostatečná pevnost při vysoké teplotě, stálé tečení a dobrá tepelná únava, vysoká odolnost proti oxidaci a tepelná korozi, odolnost proti tepelnému namáhání a vibracím, schopnost deformace v ohybu, dobrý výkon při lisování a svařitelnost, a účinnost ochrany nátěru.
V současnosti nejpokročilejší motory s vysokým poměrem tah/hmotnost používají duté lité lopatky a volí se směrové a monokrystalické superslitiny na bázi niklu. Motor s vysokým poměrem tahu a hmotnosti má vysokou teplotu 1650 ℃ - 1930 ℃ a musí být chráněn tepelně izolačním nátěrem. Provozní teplota slitiny čepele za podmínek chlazení a ochrany povlaku je více než 1100 ℃, což v budoucnu klade nové a vyšší požadavky na náklady na hustotu teploty materiálu vodicí čepele.
b. Superslitiny pro lopatky turbín
Turbínové lopatky jsou klíčové rotační části leteckých motorů nesoucí teplo. Jejich provozní teplota je o 50 ℃ - 100 ℃ nižší než u vodicích lopatek. Nesou velké odstředivé namáhání, vibrační namáhání, tepelné namáhání, odírání prouděním vzduchu a další vlivy při otáčení a pracovní podmínky jsou špatné. Životnost horkých součástí motoru s vysokým poměrem tah/hmotnost je více než 2000h. Slitina lopatek turbíny proto musí mít vysokou odolnost proti tečení a pevnost v lomu při provozní teplotě, dobré komplexní vlastnosti při vysokých a středních teplotách, jako je únava při vysokém a nízkém cyklu, únava za studena a za tepla, dostatečná plasticita a rázová houževnatost a vrubová citlivost; Vysoká odolnost proti oxidaci a odolnost proti korozi; Dobrá tepelná vodivost a nízký koeficient lineární roztažnosti; Dobrý výkon procesu odlévání; Dlouhodobá strukturální stabilita, žádné srážení fáze TCP při provozní teplotě. Nanášená slitina prochází čtyřmi fázemi; Aplikace deformovaných slitin zahrnují GH4033, GH4143, GH4118 atd.; Aplikace slévárenské slitiny zahrnuje K403, K417, K418, K405, směrově tuhované 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, turboventilátorových motorech, vrtulnících a lodních motorech.
3. Vysokoteplotní slitina pro turbínový disk
Turbínový kotouč je nejvíce namáhanou rotační ložiskovou částí turbínového motoru. Pracovní teplota okolku kola motoru s poměrem tahové hmotnosti 8 a 10 dosahuje 650 ℃ a 750 ℃ a teplota středu kola je asi 300 ℃ s velkým teplotním rozdílem. Při normální rotaci pohání čepel do rotace vysokou rychlostí a nese maximální odstředivou sílu, tepelné namáhání a vibrační namáhání. Každý start a stop je cyklus, střed kola. Hrdlo, dno drážky a ráfek nesou různé kompozitní namáhání. Požaduje se, aby slitina měla nejvyšší mez kluzu, rázovou houževnatost a žádnou vrubovou citlivost při provozní teplotě; Nízký koeficient lineární roztažnosti; Určitá odolnost proti oxidaci a korozi; Dobrý řezný výkon.
4. Letecká superslitina
Superslitina v kapalném raketovém motoru se používá jako panel vstřikovačů paliva spalovací komory v náporové komoře; Koleno turbínového čerpadla, příruba, grafitová spojka kormidla atd. Vysokoteplotní slitina v kapalném raketovém motoru se používá jako panel vstřikovačů palivové komory v náporové 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 dílů ložisek.
Mezi materiály turbínového rotoru amerického raketového motoru na kapalinu patří především sací potrubí, lopatka turbíny a disk. Slitina GH1131 se většinou používá v Číně a lopatka turbíny závisí na pracovní teplotě. Inconel x, Alloy713c, Astroloy a Mar-M246 by se měly používat postupně; Mezi materiály disků kol patří Inconel 718, Waspaloy atd. Nejčastěji se používají integrální turbíny GH4169 a GH4141, na hřídel motoru je použit GH2038A.