Aliajul rezistent la temperaturi înalte este denumit și aliaj rezistent la căldură. Conform structurii matricei, materialele pot fi împărțite în trei categorii: pe bază de fier, pe bază de nichel și pe bază de crom. În funcție de modul de producție, acestea pot fi împărțite în superaliaje deformate și superaliaje turnate.
Este o materie primă indispensabilă în domeniul aerospațial. Este materialul cheie pentru piesele rezistente la temperaturi înalte ale motoarelor aerospațiale și de aviație. Este utilizat în principal pentru fabricarea camerei de ardere, a palei de turbină, a palei de ghidare, a compresorului și discului turbinei, a carcasei turbinei și a altor piese. Intervalul de temperatură de funcționare este de 600 ℃ - 1200 ℃. Condițiile de stres și de mediu variază în funcție de piesele utilizate. Există cerințe stricte privind proprietățile mecanice, fizice și chimice ale aliajului. Este factorul decisiv pentru performanța, fiabilitatea și durata de viață a motorului. Prin urmare, superaliajul este unul dintre proiectele de cercetare cheie în domeniile aerospațial și al apărării naționale în țările dezvoltate.
Principalele aplicații ale superaliajelor sunt:
1. Aliaj pentru temperaturi înalte pentru camera de ardere
Camera de ardere (cunoscută și sub numele de tub de flacără) a motorului cu turbină de aviație este una dintre componentele cheie pentru temperaturi ridicate. Deoarece atomizarea combustibilului, amestecarea uleiului și gazului și alte procese se desfășoară în camera de ardere, temperatura maximă din camera de ardere poate atinge 1500 ℃ - 2000 ℃, iar temperatura pereților din camera de ardere poate atinge 1100 ℃. În același timp, aceasta suportă și solicitări termice și solicitări de gaz. Majoritatea motoarelor cu raport împingere/greutate ridicat utilizează camere de ardere inelare, care au o lungime scurtă și o capacitate termică mare. Temperatura maximă din camera de ardere atinge 2000 ℃, iar temperatura pereților atinge 1150 ℃ după răcirea cu peliculă de gaz sau cu abur. Gradienții mari de temperatură dintre diferite componente vor genera solicitări termice, care vor crește și scădea brusc atunci când starea de funcționare se schimbă. Materialul va fi supus șocurilor termice și sarcinilor de oboseală termică, putând apărea distorsiuni, fisuri și alte defecte. În general, camera de ardere este fabricată din tablă de aliaj, iar cerințele tehnice sunt rezumate după cum urmează, în funcție de condițiile de utilizare ale pieselor specifice: are o anumită rezistență la oxidare și la coroziune gazoasă în condițiile utilizării aliajelor și gazelor la temperatură înaltă; are o anumită rezistență instantanee și de lungă durată, performanțe la oboseală termică și un coeficient de dilatare scăzut; are suficientă plasticitate și capacitate de sudare pentru a asigura prelucrarea, formarea și conectarea; are o bună stabilitate organizațională în ciclul termic pentru a asigura o funcționare fiabilă pe durata de viață.
a. Laminat poros din aliaj MA956
În stadiul incipient, laminatul poros a fost fabricat din tablă de aliaj HS-188 prin lipire prin difuzie, după ce a fost fotografiat, gravat, canelat și perforat. Stratul interior poate fi transformat într-un canal de răcire ideal, conform cerințelor de proiectare. Această răcire structurală necesită doar 30% din gazul de răcire al răcirii tradiționale cu peliculă, ceea ce poate îmbunătăți eficiența ciclului termic al motorului, reduce capacitatea reală de transport al căldurii a materialului camerei de ardere, reduce greutatea și crește raportul împingere-greutate. În prezent, este încă necesar să se depășească tehnologia cheie înainte de a putea fi pusă în practică. Laminatul poros fabricat din MA956 este o nouă generație de materiale pentru camera de ardere introdusă de Statele Unite, care poate fi utilizată la 1300 ℃.
b. Aplicarea compozitelor ceramice în camera de ardere
Statele Unite au început să verifice fezabilitatea utilizării ceramicii pentru turbinele cu gaze încă din 1971. În 1983, unele grupuri implicate în dezvoltarea de materiale avansate din Statele Unite au formulat o serie de indicatori de performanță pentru turbinele cu gaze utilizate în aeronavele avansate. Acești indicatori sunt: creșterea temperaturii de admisie a turbinei la 2200 ℃; funcționarea în stare de ardere prin calcul chimic; reducerea densității aplicate acestor piese de la 8g/cm3 la 5g/cm3; anularea răcirii componentelor. Pentru a îndeplini aceste cerințe, materialele studiate includ grafit, matrice metalică, compozite cu matrice ceramică și compuși intermetalici, pe lângă ceramica monofazată. Compozitele cu matrice ceramică (CMC) au următoarele avantaje:
Coeficientul de dilatare al materialului ceramic este mult mai mic decât cel al aliajului pe bază de nichel, iar acoperirea este ușor de îndepărtat. Realizarea compozitelor ceramice cu pâslă metalică intermediară poate depăși defectul de exfoliere, care este direcția de dezvoltare a materialelor pentru camera de ardere. Acest material poate fi utilizat cu 10% - 20% aer de răcire, iar temperatura izolației metalice posterioare este de numai aproximativ 800 ℃, iar temperatura de suport al căldurii este mult mai mică decât cea a răcirii divergente și a răcirii prin peliculă. Țigla de protecție turnată din superaliaj B1900 + acoperire ceramică este utilizată în motorul V2500, iar direcția de dezvoltare este de a înlocui țigla B1900 (cu acoperire ceramică) cu un compozit pe bază de SiC sau un compozit antioxidant C/C. Compozitul cu matrice ceramică este materialul de dezvoltare al camerei de ardere a motorului, cu un raport de tracțiune-greutate de 15-20, iar temperatura sa de serviciu este de 1538 ℃ - 1650 ℃. Este utilizat pentru tubul de flacără, peretele plutitor și postcombustorul.
2. Aliaj pentru temperaturi înalte pentru turbină
Palele turbinei motoarelor de aviație sunt una dintre componentele care suportă cele mai severe solicitări termice și cele mai nefavorabile medii de lucru din motorul de aviație. Trebuie să suporte solicitări foarte mari și complexe la temperaturi ridicate, așa că cerințele sale privind materialele sunt foarte stricte. Superaliajele pentru palele turbinelor motoarelor de aviație sunt împărțite în:
a. Aliaj pentru temperaturi înalte pentru ghidaj
Deflectorul este una dintre părțile turbinei motorului cele mai afectate de căldură. Atunci când are loc o ardere neuniformă în camera de ardere, sarcina de încălzire a palei de ghidare din prima treaptă este mare, acesta fiind principalul motiv pentru deteriorarea palei de ghidare. Temperatura sa de funcționare este cu aproximativ 100 ℃ mai mare decât cea a palei turbinei. Diferența constă în faptul că părțile statice nu sunt supuse sarcinii mecanice. De obicei, este ușor să provoace stres termic, distorsiune, fisuri termice la oboseală și arsuri locale cauzate de schimbările rapide de temperatură. Aliajul palei de ghidare trebuie să aibă următoarele proprietăți: rezistență suficientă la temperaturi ridicate, performanță permanentă la fluaj și performanță bună la oboseală termică, rezistență ridicată la oxidare și coroziune termică, rezistență la stres termic și vibrații, capacitate de deformare la încovoiere, performanță bună de turnare și sudabilitate și performanță de protecție a stratului de acoperire.
În prezent, majoritatea motoarelor avansate cu raport împingere/greutate ridicat utilizează pale turnate tubulare, fiind selectate superaliaje direcționale și monocristaline pe bază de nichel. Motorul cu raport împingere/greutate ridicat are o temperatură ridicată de 1650 ℃ - 1930 ℃ și trebuie protejat printr-un strat de izolație termică. Temperatura de funcționare a aliajului palei în condiții de răcire și protecție prin strat de acoperire este mai mare de 1100 ℃, ceea ce impune cerințe noi și mai ridicate pentru costul densității temperaturii materialului palei de ghidare în viitor.
b. Superaliaje pentru pale de turbină
Palele turbinei sunt părțile rotative cheie purtătoare de căldură ale motoarelor aeronautice. Temperatura lor de funcționare este cu 50 ℃ - 100 ℃ mai mică decât cea a palelor ghidabile. Acestea suportă solicitări centrifuge mari, solicitări prin vibrații, solicitări termice, abraziune prin flux de aer și alte efecte în timpul rotației, iar condițiile de lucru sunt slabe. Durata de viață a componentelor capătului fierbinte al motorului cu raport împingere/greutate ridicat este mai mare de 2000 de ore. Prin urmare, aliajul palelor turbinei trebuie să aibă o rezistență ridicată la fluaj și o rezistență la rupere la temperatura de funcționare, proprietăți complete bune la temperaturi înalte și medii, cum ar fi oboseala la cicluri înalte și joase, oboseala la rece și la cald, plasticitate și tenacitate la impact suficiente și sensibilitate la crestături; Rezistență ridicată la oxidare și coroziune; Conductivitate termică bună și coeficient de dilatare liniară scăzut; Performanță bună a procesului de turnare; Stabilitate structurală pe termen lung, fără precipitare a fazei TCP la temperatura de funcționare. Aliajul utilizat trece prin patru etape; Aplicațiile aliajelor deformate includ GH4033, GH4143, GH4118 etc.; Aplicațiile aliajelor de turnare includ K403, K417, K418, K405, aur solidificat direcțional DZ4, DZ22, aliaje monocristaline DD3, DD8, PW1484 etc. În prezent, s-a dezvoltat până la a treia generație de aliaje monocristaline. Aliajele monocristaline DD3 și DD8 din China sunt utilizate, respectiv, în turbinele, motoarele turbofan, elicopterele și motoarele navale din China.
3. Aliaj pentru temperaturi înalte pentru discul turbinei
Discul turbinei este partea cea mai solicitată a rulmentului rotativ al turbinei. Temperatura de lucru a flanșei roții motorului, cu un raport împingere-greutate de 8 și 10, atinge între 650 ℃ și 750 ℃, iar temperatura centrului roții este de aproximativ 300 ℃, cu o diferență mare de temperatură. În timpul rotației normale, aceasta acționează pala să se rotească la viteză mare și suportă forța centrifugă maximă, stresul termic și stresul de vibrații. Fiecare pornire și oprire reprezintă un ciclu, centrul roții. Gâtul, fundul canelurii și marginea suportă solicitări compozite diferite. Aliajul trebuie să aibă cea mai mare rezistență la curgere, tenacitate la impact și nicio sensibilitate la crestături la temperatura de funcționare; coeficient de dilatare liniară scăzut; o anumită rezistență la oxidare și coroziune; performanțe bune de tăiere.
4. Superaliaj aerospațial
Superaliajul din motorul rachetă cu lichid este utilizat ca panou al injectorului de combustibil al camerei de ardere din camera de împingere; cot al pompei turbinei, flanșă, element de fixare a cârmei din grafit etc. Aliajul de înaltă temperatură din motorul rachetă cu lichid este utilizat ca panou al injectorului camerei de combustibil în camera de împingere; cot al pompei turbinei, flanșă, element de fixare a cârmei din grafit etc. GH4169 este utilizat ca material pentru rotorul turbinei, arborele, manșonul arborelui, elementele de fixare și alte piese importante ale rulmentului.
Materialele rotorului turbinei motoarelor americane cu combustibil lichid includ în principal conducta de admisie, paleta turbinei și discul. Aliajul GH1131 este utilizat în principal în China, iar paleta turbinei depinde de temperatura de funcționare. Inconel x, Alloy713c, Astroloy și Mar-M246 ar trebui utilizate succesiv; materialele pentru discul roților includ Inconel 718, Waspaloy etc. Turbinele integrale GH4169 și GH4141 sunt cele mai utilizate, iar GH2038A este utilizat pentru arborele motorului.