Visokotemperaturna zlitina se imenuje tudi zlitina toplotne trdnosti. Glede na strukturo matrike lahko materiale razdelimo v tri kategorije: na osnovi železa, na osnovi niklja in na osnovi kroma. Glede na proizvodni način ga lahko razdelimo na deformirano superzlitino in lito superzlitino.
Je nepogrešljiva surovina na vesoljskem področju. Je ključni material za visokotemperaturni del motorjev za vesoljsko in letalsko proizvodnjo. Uporablja se predvsem za izdelavo zgorevalne komore, turbinske lopatice, vodilne lopatice, kompresorja in turbinskega diska, ohišja turbine in drugih delov. Delovno temperaturno območje je 600 ℃ - 1200 ℃. Stres in okoljski pogoji se razlikujejo glede na uporabljene dele. Za mehanske, fizikalne in kemijske lastnosti zlitine veljajo stroge zahteve. Je odločilen dejavnik za zmogljivost, zanesljivost in življenjsko dobo motorja. Zato je superzlitina eden ključnih raziskovalnih projektov na področju vesoljske in nacionalne obrambe v razvitih državah.
Glavne uporabe superzlitin so:
1. Visokotemperaturna zlitina za zgorevalno komoro
Zgorevalna komora (znana tudi kot plamenska cev) letalskega turbinskega motorja je ena ključnih visokotemperaturnih komponent. Ker se atomizacija goriva, mešanje olja in plina ter drugi procesi izvajajo v zgorevalni komori, lahko najvišja temperatura v zgorevalni komori doseže 1500 ℃ - 2000 ℃, temperatura stene v zgorevalni komori pa lahko doseže 1100 ℃. Hkrati nosi tudi toplotno obremenitev in plinsko obremenitev. Večina motorjev z visokim razmerjem potisk/teža uporablja obročaste zgorevalne komore, ki imajo kratko dolžino in visoko toplotno kapaciteto. Najvišja temperatura v zgorevalni komori doseže 2000 ℃, temperatura stene pa doseže 1150 ℃ po hlajenju s plinskim filmom ali paro. Veliki temperaturni gradienti med različnimi deli bodo povzročili toplotno obremenitev, ki bo močno naraščala in padala, ko se spremeni delovno stanje. Material bo podvržen toplotnemu šoku in toplotni obremenitvi, kar bo povzročilo popačenje, razpoke in druge napake. Na splošno je zgorevalna komora izdelana iz zlitine pločevine, tehnične zahteve pa so povzete, kot sledi, glede na pogoje delovanja določenih delov: ima določeno odpornost proti oksidaciji in odpornost proti koroziji v pogojih uporabe visokotemperaturne zlitine in plina; Ima določeno trenutno in vzdržljivostno trdnost, zmogljivost toplotne utrujenosti in nizek koeficient raztezanja; Ima dovolj plastičnosti in sposobnosti varjenja, da zagotovi obdelavo, oblikovanje in povezavo; Ima dobro organizacijsko stabilnost v termičnem ciklu, da zagotovi zanesljivo delovanje v življenjski dobi.
a. Porozni laminat iz zlitine MA956
V zgodnji fazi je bil porozni laminat izdelan iz pločevine zlitine HS-188 z difuzijskim lepljenjem po fotografiranju, jedkanju, žlebljenju in luknjanju. Notranja plast se lahko oblikuje v idealen hladilni kanal glede na konstrukcijske zahteve. To strukturno hlajenje potrebuje samo 30 % hladilnega plina tradicionalnega filmskega hlajenja, kar lahko izboljša učinkovitost toplotnega cikla motorja, zmanjša dejansko toplotno nosilnost materiala zgorevalne komore, zmanjša težo in poveča potisno težo razmerje. Trenutno je še vedno treba prebiti ključno tehnologijo, preden jo lahko damo v praktično uporabo. Porozni laminat iz MA956 je nova generacija materiala za zgorevalne komore, ki so ga predstavile Združene države in se lahko uporablja pri 1300 ℃.
b. Uporaba keramičnih kompozitov v zgorevalni komori
Združene države so začele preverjati izvedljivost uporabe keramike za plinske turbine od leta 1971. Leta 1983 so nekatere skupine, ki se ukvarjajo z razvojem naprednih materialov v Združenih državah Amerike, oblikovale vrsto indikatorjev učinkovitosti za plinske turbine, ki se uporabljajo v naprednih letalih. Ti indikatorji so: povečajte vstopno temperaturo turbine na 2200 ℃; Deluje v stanju zgorevanja kemičnega izračuna; Zmanjšajte gostoto teh delov z 8 g/cm3 na 5 g/cm3; Prekličite hlajenje komponent. Da bi izpolnili te zahteve, proučevani materiali poleg enofazne keramike vključujejo grafit, kovinsko matriko, kompozite s keramično matriko in intermetalne spojine. Keramični matrični kompoziti (CMC) imajo naslednje prednosti:
Koeficient razteznosti keramičnega materiala je veliko manjši kot pri zlitini na osnovi niklja, prevleko pa je enostavno odluščiti. Izdelava keramičnih kompozitov z vmesno kovinsko klobučevino lahko odpravi napako luščenja, ki je smer razvoja materialov za zgorevalne komore. Ta material se lahko uporablja z 10% - 20% hladilnega zraka, temperatura kovinske hrbtne izolacije pa je le približno 800 ℃, temperatura prenosa toplote pa je veliko nižja od temperature divergentnega hlajenja in filmskega hlajenja. Lita superzlitina B1900+zaščitna ploščica s keramično prevleko se uporablja v motorju V2500, smer razvoja pa je zamenjava ploščice B1900 (s keramično prevleko) s kompozitom na osnovi SiC ali antioksidacijskim C/C kompozitom. Kompozit s keramično matriko je razvojni material zgorevalne komore motorja z razmerjem potisne teže 15-20, njegova delovna temperatura pa je 1538 ℃ - 1650 ℃. Uporablja se za plamensko cev, plavajočo steno in naknadno zgorevanje.
2. Visokotemperaturna zlitina za turbino
Lopatica turbine letalskega motorja je ena od komponent, ki nosi največjo temperaturno obremenitev in najslabše delovno okolje v letalskem motorju. Prenesti mora zelo velike in zapletene obremenitve pri visoki temperaturi, zato so zahteve glede materiala zelo stroge. Superzlitine za turbinske lopatice letalskih motorjev delimo na:
a. Visokotemperaturna zlitina za vodilo
Deflektor je eden izmed delov turbinskega motorja, na katerega toplota najbolj vpliva. Pri neenakomernem zgorevanju v zgorevalni komori je ogrevalna obremenitev vodilne lopatice prve stopnje velika, kar je glavni razlog za poškodbo vodilne lopatice. Njegova delovna temperatura je približno 100 ℃ višja od temperature lopatice turbine. Razlika je v tem, da statični deli niso izpostavljeni mehanskim obremenitvam. Običajno je enostavno povzročiti toplotno obremenitev, deformacijo, razpoko zaradi toplotne utrujenosti in lokalno opeklino, ki jo povzroči hitra sprememba temperature. Zlitina vodilnih lopatic mora imeti naslednje lastnosti: zadostno visokotemperaturno trdnost, trajno lezenje in dobro toplotno utrujenost, visoko odpornost proti oksidaciji in toplotno korozijo, toplotno obremenitev in odpornost na vibracije, sposobnost deformacije pri upogibanju, dobro zmogljivost vlivanja in varivost, in učinkovitost zaščite premaza.
Trenutno najnaprednejši motorji z visokim razmerjem potiska/teže uporabljajo votle lite lopatice, izbrane pa so usmerjene in monokristalne superzlitine na osnovi niklja. Motor z visokim razmerjem potiska in teže ima visoko temperaturo 1650 ℃ - 1930 ℃ in ga je treba zaščititi s toplotno izolacijsko prevleko. Delovna temperatura zlitine rezila pri pogojih hlajenja in zaščite prevleke je več kot 1100 ℃, kar postavlja nove in višje zahteve glede stroškov temperaturne gostote materiala vodilnega rezila v prihodnosti.
b. Superzlitine za turbinske lopatice
Turbinske lopatice so ključni toplotno nosilni vrtljivi deli letalskih motorjev. Njihova delovna temperatura je 50 ℃ - 100 ℃ nižja od vodilnih rezil. Pri vrtenju so izpostavljeni velikim centrifugalnim obremenitvam, vibracijskim obremenitvam, toplotnim obremenitvam, zračnemu toku in drugim učinkom, delovni pogoji pa so slabi. Življenjska doba komponent vročega dela motorja z visokim razmerjem potisk/teža je več kot 2000 ur. Zato mora zlitina turbinske lopatice imeti visoko odpornost proti lezenju in razpočno trdnost pri delovni temperaturi, dobre visoko- in srednjetemperaturne celovite lastnosti, kot so visoko- in nizkociklična utrujenost, hladna in vroča utrujenost, zadostna plastičnost in udarna žilavost ter občutljivost na zareze; Visoka odpornost proti oksidaciji in odpornost proti koroziji; Dobra toplotna prevodnost in nizek koeficient linearne ekspanzije; Dobra zmogljivost postopka litja; Dolgoročna strukturna stabilnost, brez obarjanja faze TCP pri delovni temperaturi. Nanesena zlitina gre skozi štiri stopnje; Aplikacije deformiranih zlitin vključujejo GH4033, GH4143, GH4118 itd.; Uporaba livarskih zlitin vključuje K403, K417, K418, K405, usmerjeno strjeno zlato DZ4, DZ22, monokristalne zlitine DD3, DD8, PW1484 itd. Trenutno se je razvila v tretjo generacijo monokristalnih zlitin. Kitajski monokristalni zlitini DD3 oziroma DD8 se uporabljata v kitajskih turbinah, turboventilatorskih motorjih, helikopterjih in ladijskih motorjih.
3. Visokotemperaturna zlitina za turbinski disk
Turbinski disk je najbolj obremenjen vrtljivi ležajni del turbinskega motorja. Delovna temperatura prirobnice kolesa motorja z razmerjem potisne teže 8 in 10 doseže 650 ℃ in 750 ℃, temperatura središča kolesa pa je približno 300 ℃, z veliko temperaturno razliko. Med običajnim vrtenjem poganja rezilo, da se vrti z visoko hitrostjo in prenaša največjo centrifugalno silo, toplotno obremenitev in tresljajno obremenitev. Vsak zagon in zaustavitev je cikel, središče kolesa. Grlo, dno utora in rob nosijo različne kompozitne obremenitve. Zlitina mora imeti najvišjo mejo tečenja, udarno žilavost in brez občutljivosti na zareze pri delovni temperaturi; Nizek koeficient linearne ekspanzije; Določena odpornost proti oksidaciji in koroziji; Dobra rezalna zmogljivost.
4. Superzlitina za vesoljsko uporabo
Superzlitina v raketnem motorju na tekoče-tekočino se uporablja kot plošča vbrizgalnika goriva zgorevalne komore v potisni komori; Koleno turbinske črpalke, prirobnica, grafitni pritrditev krmila itd. Visokotemperaturna zlitina v raketnem motorju na tekoče-kapljevito gorivo se uporablja kot plošča injektorja komore za gorivo v potisni komori; Komolec turbinske črpalke, prirobnica, grafitni pritrditev krmila itd. GH4169 se uporablja kot material rotorja turbine, gredi, tulca gredi, pritrdilnega elementa in drugih pomembnih ležajnih delov.
Materiali turbinskega rotorja ameriškega raketnega motorja na tekoče-kapljevitost vključujejo predvsem sesalno cev, lopatico turbine in disk. Zlitina GH1131 se večinoma uporablja na Kitajskem, rezilo turbine pa je odvisno od delovne temperature. Zaporedoma je treba uporabiti Inconel x, Alloy713c, Astroloy in Mar-M246; Materiali kolesnih diskov vključujejo Inconel 718, Waspaloy itd. Večinoma se uporabljajo integralne turbine GH4169 in GH4141, za gred motorja pa GH2038A.