L'aliatge d'alta temperatura també s'anomena aliatge de resistència a la calor. Segons l'estructura de la matriu, els materials es poden dividir en tres categories: a base de ferro a base de níquel i a base de crom. Segons el mode de producció, es pot dividir en superaliatge deformat i superaliatge fos.
És una matèria primera indispensable en l'àmbit aeroespacial. És el material clau per a la part d'alta temperatura dels motors de fabricació aeroespacial i d'aviació. S'utilitza principalment per a la fabricació de cambres de combustió, fulles de turbina, fulles de guia, compressor i disc de turbina, caixa de turbina i altres peces. El rang de temperatura de servei és de 600 ℃ - 1200 ℃. L'estrès i les condicions ambientals varien segons les peces utilitzades. Hi ha requisits estrictes per a les propietats mecàniques, físiques i químiques de l'aliatge. És el factor decisiu per al rendiment, la fiabilitat i la vida útil del motor. Per tant, el superaliatge és un dels projectes de recerca clau en els camps de l'aeroespacial i la defensa nacional als països desenvolupats.
Les principals aplicacions dels superaliatges són:
1. Aliatge d'alta temperatura per a la cambra de combustió
La cambra de combustió (també coneguda com a tub de flama) del motor de turbina d'aviació és un dels components clau d'alta temperatura. Atès que l'atomització del combustible, la barreja de petroli i gas i altres processos es duen a terme a la cambra de combustió, la temperatura màxima a la cambra de combustió pot arribar als 1500 ℃ - 2000 ℃ i la temperatura de la paret a la cambra de combustió pot arribar als 1100 ℃. Al mateix temps, també suporta estrès tèrmic i estrès gasós. La majoria dels motors amb una alta relació empenta/pes utilitzen cambres de combustió anulars, que tenen una longitud curta i una gran capacitat calorífica. La temperatura màxima a la cambra de combustió arriba als 2000 ℃ i la temperatura de la paret arriba als 1150 ℃ després de la pel·lícula de gas o el refredament per vapor. Els grans gradients de temperatura entre diverses parts generaran estrès tèrmic, que augmentarà i baixarà bruscament quan canviï l'estat de treball. El material estarà sotmès a xoc tèrmic i càrrega de fatiga tèrmica, i hi haurà distorsió, esquerdes i altres falles. En general, la cambra de combustió està feta d'aliatge de xapa, i els requisits tècnics es resumeixen de la següent manera segons les condicions de servei de peces específiques: té certa resistència a l'oxidació i resistència a la corrosió del gas en les condicions d'utilitzar aliatge i gas a alta temperatura; Té una certa força instantània i de resistència, rendiment de fatiga tèrmica i baix coeficient d'expansió; Té prou plasticitat i capacitat de soldadura per garantir el processament, la formació i la connexió; Té una bona estabilitat organitzativa sota el cicle tèrmic per garantir un funcionament fiable durant la vida útil.
a. Laminat porós d'aliatge MA956
En la primera fase, el laminat porós es va fer de làmina d'aliatge HS-188 mitjançant unió de difusió després de ser fotografiat, gravat, ranurat i perforat. La capa interior es pot convertir en un canal de refrigeració ideal segons els requisits de disseny. Aquesta refrigeració de l'estructura només necessita el 30% del gas de refrigeració de la pel·lícula de refrigeració tradicional, que pot millorar l'eficiència del cicle tèrmic del motor, reduir la capacitat real de suport de calor del material de la cambra de combustió, reduir el pes i augmentar el pes d'empenta. proporció. En l'actualitat, encara és necessari trencar la tecnologia clau abans que es pugui posar en pràctica. El laminat porós de MA956 és una nova generació de material de cambra de combustió introduït pels Estats Units, que es pot utilitzar a 1300 ℃.
b. Aplicació de compostos ceràmics a la cambra de combustió
Els Estats Units han començat a verificar la viabilitat d'utilitzar ceràmica per a turbines de gas des de 1971. L'any 1983, alguns grups que es dedicaven al desenvolupament de materials avançats als Estats Units van formular una sèrie d'indicadors de rendiment per a les turbines de gas utilitzades en avions avançats. Aquests indicadors són: augmentar la temperatura d'entrada de la turbina a 2200 ℃; Operar sota l'estat de combustió del càlcul químic; Reduir la densitat aplicada a aquestes parts de 8g/cm3 a 5g/cm3; Cancel·lar el refredament dels components. Per tal de complir aquests requisits, els materials estudiats inclouen grafit, matriu metàl·lica, compostos de matriu ceràmica i compostos intermetàl·lics a més de ceràmica monofàsica. Els compostos de matriu ceràmica (CMC) tenen els següents avantatges:
El coeficient d'expansió del material ceràmic és molt més petit que el de l'aliatge a base de níquel, i el recobriment és fàcil de treure. La fabricació de compostos ceràmics amb feltre metàl·lic intermedi pot superar el defecte de descamació, que és la direcció de desenvolupament dels materials de la cambra de combustió. Aquest material es pot utilitzar amb un 10% - 20% d'aire de refrigeració, i la temperatura de l'aïllament posterior metàl·lic és només d'uns 800 ℃, i la temperatura de suport de calor és molt inferior a la del refredament divergent i el refredament de la pel·lícula. La rajola protectora de superaliatge B1900 + ceràmica s'utilitza al motor V2500, i la direcció de desenvolupament és substituir la rajola B1900 (amb recobriment ceràmic) per un compost basat en SiC o un compost C/C antioxidació. El compost de matriu ceràmica és el material de desenvolupament de la cambra de combustió del motor amb una relació de pes d'empenta de 15-20 i la seva temperatura de servei és de 1538 ℃ - 1650 ℃. S'utilitza per a tub de flama, paret flotant i postcombustió.
2. Aliatge d'alta temperatura per a turbina
La pala de la turbina del motor aerodinàmic és un dels components que suporta la càrrega de temperatura més severa i el pitjor entorn de treball del motor aerodinàmic. Ha de suportar una tensió molt gran i complexa a alta temperatura, de manera que els seus requisits de material són molt estrictes. Els superaliatges per a pales de turbines de motors aeris es divideixen en:
a.Aliatge d'alta temperatura per guia
El deflector és una de les parts del motor de turbina que es veuen més afectades per la calor. Quan es produeix una combustió desigual a la cambra de combustió, la càrrega d'escalfament de la paleta guia de la primera etapa és gran, que és la raó principal del dany de la paleta guia. La seva temperatura de servei és uns 100 ℃ més alta que la de la pala de la turbina. La diferència és que les parts estàtiques no estan subjectes a càrrega mecànica. En general, és fàcil provocar estrès tèrmic, distorsió, esquerdes per fatiga tèrmica i cremades locals causades per un canvi ràpid de temperatura. L'aliatge de paletes guia ha de tenir les propietats següents: resistència a alta temperatura suficient, rendiment de fluència permanent i bon rendiment a la fatiga tèrmica, alta resistència a l'oxidació i rendiment a la corrosió tèrmica, resistència a l'estrès tèrmic i a la vibració, capacitat de deformació a la flexió, bon rendiment de modelat i soldabilitat del procés de fosa, i rendiment de protecció del recobriment.
Actualment, la majoria dels motors avançats amb una alta relació empenta/pes utilitzen fulles de fosa buides, i es seleccionen superaliatges de níquel direccional i monocristal. El motor amb una alta relació d'empenta-pes té una temperatura elevada de 1650 ℃ - 1930 ℃ i s'ha de protegir amb un recobriment d'aïllament tèrmic. La temperatura de servei de l'aliatge de la fulla en condicions de refrigeració i protecció del recobriment és de més de 1100 ℃, la qual cosa planteja requisits nous i més alts per al cost de la densitat de temperatura del material de la fulla guia en el futur.
b. Superaliatges per a pales de turbina
Les pales de les turbines són les peces giratòries clau dels motors aerodinàmics. La seva temperatura de funcionament és de 50 ℃ - 100 ℃ inferior a la de les fulles de guia. Tenen un gran estrès centrífug, estrès de vibració, estrès tèrmic, fregat del flux d'aire i altres efectes en girar, i les condicions de treball són pobres. La vida útil dels components calents del motor amb una alta relació empenta/pes és de més de 2000 h. Per tant, l'aliatge de la paleta de la turbina ha de tenir una alta resistència a la fluència i resistència a la ruptura a la temperatura de servei, bones propietats integrals de temperatura alta i mitjana, com ara fatiga de cicle alt i baix, fatiga freda i calenta, plasticitat suficient i resistència a l'impacte i sensibilitat a l'osca; Alta resistència a l'oxidació i resistència a la corrosió; Bona conductivitat tèrmica i baix coeficient d'expansió lineal; Bon rendiment del procés de fosa; Estabilitat estructural a llarg termini, sense precipitació en fase TCP a temperatura de servei. L'aliatge aplicat passa per quatre etapes; Les aplicacions d'aliatge deformat inclouen GH4033, GH4143, GH4118, etc; L'aplicació d'aliatge de fosa inclou K403, K417, K418, K405, or solidificat direccionalment DZ4, DZ22, aliatge monocristal DD3, DD8, PW1484, etc. Actualment, s'ha desenvolupat fins a la tercera generació d'aliatges monocristal. L'aliatge d'un sol cristall de la Xina DD3 i DD8 s'utilitzen respectivament a les turbines, els motors turbofan, els helicòpters i els motors de vaixells de la Xina.
3. Aliatge d'alta temperatura per a disc de turbina
El disc de la turbina és la part de coixinet giratori més tensada del motor de turbina. La temperatura de treball de la brida de la roda del motor amb una relació de pes d'empenta de 8 i 10 arriba als 650 ℃ i 750 ℃, i la temperatura del centre de la roda és d'uns 300 ℃, amb una gran diferència de temperatura. Durant la rotació normal, fa que la fulla giri a gran velocitat i suporta la màxima força centrífuga, estrès tèrmic i estrès de vibració. Cada inici i parada és un cicle, centre de roda. La gola, la part inferior de la ranura i la vora suporten diferents tensions compostes. L'aliatge ha de tenir la màxima resistència elàstica, resistència a l'impacte i sense sensibilitat a l'osca a la temperatura de servei; Baix coeficient d'expansió lineal; Certa resistència a l'oxidació i corrosió; Bon rendiment de tall.
4. Superaliatge aeroespacial
El superaliatge del motor de coet líquid s'utilitza com a panell d'injecció de combustible de la cambra de combustió a la cambra d'empenta; El colze de la bomba de turbina, la brida, la fixació del timó de grafit, etc. L'aliatge d'alta temperatura en el motor de coet líquid s'utilitza com a panell d'injecció de la cambra de combustible a la cambra d'empenta; El colze de la bomba de turbina, la brida, la fixació del timó de grafit, etc. GH4169 s'utilitza com a material del rotor de la turbina, l'eix, la màniga de l'eix, la fixació i altres peces importants del coixinet.
Els materials del rotor de la turbina del motor de coet líquid americà inclouen principalment tubs d'admissió, pala de turbina i disc. L'aliatge GH1131 s'utilitza principalment a la Xina i la pala de la turbina depèn de la temperatura de treball. Inconel x, Alloy713c, Astroloy i Mar-M246 s'han d'utilitzar successivament; Els materials del disc de la roda inclouen Inconel 718, Waspaloy, etc. Les turbines integrals GH4169 i GH4141 s'utilitzen principalment i GH2038A s'utilitza per a l'eix del motor.