Aliajul de temperatură înaltă este numit și aliaj rezistent la căldură. În funcție de structura 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, acesta poate fi împărțit în superaliaj deformat și superaliaj turnat.
Este o materie primă indispensabilă în domeniul aerospațial. Este materialul cheie pentru partea de înaltă temperatură a motoarelor din industria aerospațială și de aviație. Este utilizat în principal pentru fabricarea camerei de ardere, a palelor turbinei, a lamei de ghidare, a compresorului și a discului turbinei, a carcasei turbinei și a altor piese. Intervalul de temperatură de serviciu este de 600 ℃ - 1200 ℃. Stresul și condițiile de mediu variază în funcție de piesele utilizate. Există cerințe stricte pentru 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 cheie de cercetare în domeniile aerospațiale și apărării naționale în țările dezvoltate.
Principalele aplicații ale superaliajelor sunt:
1. Aliaj de înaltă temperatură 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 la temperatură înaltă. Deoarece atomizarea combustibilului, amestecarea petrolului și gazelor și alte procese sunt efectuate în camera de ardere, temperatura maximă în camera de ardere poate ajunge la 1500 ℃ - 2000 ℃, iar temperatura peretelui din camera de ardere poate ajunge la 1100 ℃. În același timp, suportă și stres termic și stres gazos. Majoritatea motoarelor cu raport mare tracțiune/greutate folosesc camere de ardere inelare, care au lungime scurtă și capacitate termică mare. Temperatura maximă în camera de ardere ajunge la 2000 ℃, iar temperatura peretelui ajunge la 1150 ℃ după filmul de gaz sau răcirea cu abur. Gradienții mari de temperatură între diverse părți vor genera stres termic, care va crește și va scădea brusc atunci când starea de lucru se schimbă. Materialul va fi supus șocului termic și oboselii termice și vor exista distorsiuni, fisuri și alte defecte. În general, camera de ardere este realizată din aliaj de tablă, iar cerințele tehnice sunt rezumate după cum urmează, în funcție de condițiile de serviciu ale pieselor specifice: are o anumită rezistență la oxidare și rezistență la coroziune a gazelor în condițiile utilizării aliajului și gazului la temperatură înaltă; Are o anumită rezistență instantanee și de anduranță, performanță la oboseală termică și coeficient de expansiune scăzut; Are suficientă plasticitate și capacitate de sudură pentru a asigura prelucrarea, formarea și conectarea; Are o bună stabilitate organizațională sub ciclul termic pentru a asigura o funcționare fiabilă pe durata de viață.
o. MA956 aliaj laminat poros
În faza incipientă, laminatul poros a fost realizat 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 în funcție de cerințele de proiectare. Această structură de răcire are nevoie doar de 30% din gazul de răcire al răcirii tradiționale cu film, ceea ce poate îmbunătăți eficiența ciclului termic al motorului, poate reduce capacitatea reală de transport de căldură a materialului camerei de ardere, poate reduce greutatea și poate crește greutatea de tracțiune. raport. În prezent, este încă necesar să trecem prin tehnologia cheie înainte de a putea fi pusă în practică. Laminatul poros din MA956 este o nouă generație de material pentru camera de ardere introdus de Statele Unite, care poate fi folosit la 1300 ℃.
b. Aplicarea compozitelor ceramice în camera de ardere
Statele Unite au început să verifice fezabilitatea utilizării ceramicii pentru turbinele cu gaz încă din 1971. În 1983, unele grupuri implicate în dezvoltarea materialelor avansate în Statele Unite au formulat o serie de indicatori de performanță pentru turbinele cu gaz utilizate în aeronavele avansate. Acești indicatori sunt: creșterea temperaturii de intrare a turbinei la 2200 ℃; Funcționează în starea de ardere de calcul chimic; Reduceți densitatea aplicată acestor părți de la 8g/cm3 la 5g/cm3; Anulați răcirea 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 expansiune al materialului ceramic este mult mai mic decât cel al aliajului pe bază de nichel, iar acoperirea este ușor de dezlipit. Realizarea compozitelor ceramice cu pâslă metalică intermediară poate depăși defectul de descuamare, care este direcția de dezvoltare a materialelor camerei de ardere. Acest material poate fi utilizat cu 10% - 20% aer de răcire, iar temperatura izolației metalice din spate este de numai aproximativ 800 ℃, iar temperatura suportului de căldură este mult mai mică decât cea a răcirii divergente și a răcirii filmului. Superaliaj turnat B1900 + țiglă de protecție cu acoperire ceramică este utilizată în motorul V2500, iar direcția de dezvoltare este înlocuirea plăcii B1900 (cu acoperire ceramică) cu compozit pe bază de SiC sau compozit C/C antioxidare. Compozitul cu matrice ceramică este materialul de dezvoltare al camerei de ardere a motorului cu un raport de greutate de tracțiune de 15-20, iar temperatura sa de serviciu este de 1538 ℃ - 1650 ℃. Este folosit pentru tubul de flacără, perete plutitor și post-ardere.
2. Aliaj de înaltă temperatură pentru turbină
Paleta turbinei pentru motorul aeronautic este una dintre componentele care suportă cea mai severă sarcină de temperatură și cel mai prost mediu de lucru în motorul aeronautic. Trebuie să suporte solicitări foarte mari și complexe la temperaturi ridicate, așa că cerințele sale de material sunt foarte stricte. Superaliajele pentru paletele de turbine ale motoarelor aeriene sunt împărțite în:
a. Aliaj de înaltă temperatură pentru ghidaj
Deflectorul este una dintre părțile motorului cu turbină care sunt cel mai afectate de căldură. Când are loc arderea neuniformă în camera de ardere, sarcina de încălzire a paletei de ghidare a primului stadiu este mare, ceea ce este principalul motiv pentru deteriorarea paletei de ghidare. Temperatura sa de serviciu este cu aproximativ 100 ℃ mai mare decât cea a palei turbinei. Diferența este că piesele statice nu sunt supuse sarcinilor mecanice. De obicei, este ușor să provocați stres termic, distorsiuni, fisuri de oboseală termică și arsuri locale cauzate de schimbarea rapidă a temperaturii. Aliajul paletelor de ghidare trebuie să aibă următoarele proprietăți: rezistență suficientă la temperatură ridicată, performanță la fluaj permanent și performanță bună la oboseală termică, rezistență ridicată la oxidare și performanță la coroziune termică, rezistență la stres termic și la vibrații, capacitate de deformare la încovoiere, performanță bună de turnare a procesului de turnare și sudabilitate, și performanța de protecție a acoperirii.
În prezent, cele mai avansate motoare cu raport mare tracțiune/greutate folosesc palete turnate goale și sunt selectate superaliaje direcționale și monocristal pe bază de nichel. Motorul cu raport mare tracțiune-greutate are o temperatură ridicată de 1650 ℃ - 1930 ℃ și trebuie protejat de un strat de izolare termică. Temperatura de serviciu a aliajului lamei în condiții de răcire și protecție a acoperirii este mai mare de 1100 ℃, ceea ce impune cerințe noi și mai mari pentru costul densității temperaturii materialului lamei de ghidare în viitor.
b. Superaliaje pentru palete de turbine
Paletele turbinei sunt piesele rotative cheie ale motoarelor aeronautice. Temperatura lor de funcționare este cu 50 ℃ - 100 ℃ mai mică decât lamele de ghidare. Ele suportă stres centrifugal mare, stres de vibrație, stres termic, curățarea fluxului de aer și alte efecte atunci când se rotesc, iar condițiile de lucru sunt proaste. Durata de viață a componentelor hot end ale motorului cu raport mare tracțiune/greutate este mai mare de 2000h. Prin urmare, aliajul palelor turbinei va avea o rezistență ridicată la fluaj și rezistență la rupere la temperatura de serviciu, proprietăți bune cuprinzătoare la temperatură înaltă și medie, cum ar fi oboseala la ciclu înalt și scăzut, oboseala la rece și la cald, plasticitate suficientă și rezistență la impact și sensibilitate la crestătură; Rezistență ridicată la oxidare și rezistență la coroziune; Conductivitate termică bună și coeficient scăzut de dilatare liniară; Performanță bună a procesului de turnare; Stabilitate structurală pe termen lung, fără precipitare în fază TCP la temperatura de serviciu. Aliajul aplicat trece prin patru etape; Aplicațiile de aliaje deformate includ GH4033, GH4143, GH4118, etc; Aplicarea aliajului de turnare include K403, K417, K418, K405, aur solidificat direcțional DZ4, DZ22, aliaj monocristal DD3, DD8, PW1484 etc. În prezent, a ajuns la a treia generație de aliaje monocristal. Aliajul monocristal al Chinei DD3 și, respectiv, DD8 sunt utilizate în turbinele, motoarele cu turboventilator, elicopterele și motoarele de bord ale Chinei.
3. Aliaj de înaltă temperatură pentru discul turbinei
Discul turbinei este partea de rulment rotativă cea mai solicitată a motorului cu turbină. Temperatura de lucru a flanșei roții a motorului cu raportul de greutate de tracțiune de 8 și 10 ajunge la 650 ℃ și 750 ℃, iar temperatura centrului roții este de aproximativ 300 ℃, cu o diferență mare de temperatură. În timpul rotației normale, antrenează lama să se rotească la viteză mare și suportă forța centrifugă maximă, stresul termic și stresul de vibrație. Fiecare pornire și oprire este un ciclu, centrul roții. Gâtul, fundul canelurii și janta suportă toate tensiuni compozite diferite. Aliajul trebuie să aibă cea mai mare limită de curgere, rezistență la impact și fără sensibilitate la crestătură la temperatura de serviciu; Coeficient de dilatare liniar scăzut; Anumită rezistență la oxidare și coroziune; Performanță bună de tăiere.
4. Superaliaj aerospațial
Superaliajul din motorul rachetă lichid este folosit ca panou injector de combustibil al camerei de ardere din camera de împingere; Cotul pompei turbinei, flanșa, dispozitivul de fixare a cârmei din grafit, etc. Aliajul de temperatură înaltă în motorul rachetă lichid este utilizat ca panou injector al camerei de combustibil în camera de tracțiune; Cotul pompei turbinei, flanșa, dispozitivul de fixare a cârmei din grafit etc. GH4169 este utilizat ca material pentru rotorul turbinei, arborele, manșonul arborelui, dispozitivul de fixare și alte părți importante ale rulmentului.
Materialele rotorului turbinei ale motorului rachetă lichid american includ în principal conducta de admisie, paleta turbinei și disc. Aliajul GH1131 este folosit mai ales în China, iar paleta turbinei depinde de temperatura de lucru. Inconel x, Alloy713c, Astroloy și Mar-M246 ar trebui utilizate succesiv; Materialele discurilor de roată includ Inconel 718, Waspaloy etc. Turbinele integrale GH4169 și GH4141 sunt utilizate în cea mai mare parte, iar GH2038A este utilizat pentru arborele motorului.