Високотемпературната сплав се нарича още топлоустойчива сплав. Според матричната структура материалите могат да бъдат разделени на три категории: на основата на желязо, на основата на никел и на основата на хром. Според начина на производство, те могат да бъдат разделени на деформирана суперсплав и лята суперсплав.
Това е незаменима суровина в аерокосмическата област. Тя е ключовият материал за високотемпературните части на аерокосмическите и авиационните двигатели. Използва се главно за производство на горивни камери, турбинни лопатки, водещи лопатки, компресорни и турбинни дискове, корпуси на турбини и други части. Работният температурен диапазон е от 600 ℃ до 1200 ℃. Напрежението и условията на околната среда варират в зависимост от използваните части. Има строги изисквания за механичните, физичните и химичните свойства на сплавта. Тя е решаващият фактор за производителността, надеждността и живота на двигателя. Следователно, суперсплавите са един от ключовите изследователски проекти в областта на аерокосмическата и националната отбрана в развитите страни.
Основните приложения на суперсплавите са:
1. Високотемпературна сплав за горивната камера
Горивната камера (известна още като пламъчна тръба) на авиационния турбинен двигател е един от ключовите високотемпературни компоненти. Тъй като в горивната камера се извършват атомизиране на гориво, смесване на масло и газ и други процеси, максималната температура в горивната камера може да достигне 1500 ℃ - 2000 ℃, а температурата на стените в горивната камера може да достигне 1100 ℃. В същото време тя е подложена на термично напрежение и газово напрежение. Повечето двигатели с високо съотношение тяга/тегло използват пръстеновидни горивни камери, които са с къса дължина и висок топлинен капацитет. Максималната температура в горивната камера достига 2000 ℃, а температурата на стените достига 1150 ℃ след охлаждане с газов филм или пара. Големите температурни градиенти между различните части ще генерират термично напрежение, което ще се повишава и спада рязко при промяна на работното състояние. Материалът ще бъде подложен на термичен шок и термична умора и ще има деформации, пукнатини и други дефекти. Обикновено горивната камера е изработена от листова сплав, а техническите изисквания са обобщени, както следва, в зависимост от условията на експлоатация на специфичните части: притежава определена устойчивост на окисляване и устойчивост на газова корозия при използване на високотемпературна сплав и газ; притежава определена моментна и издръжлива якост, устойчивост на термична умора и нисък коефициент на разширение; има достатъчна пластичност и заваръчна способност, за да осигури обработка, формоване и свързване; има добра организационна стабилност при термичен цикъл, за да осигури надеждна работа в рамките на експлоатационния живот.
а. Порест ламинат от сплав MA956
В ранния етап порестият ламинат е бил изработен от лист сплав HS-188 чрез дифузионно свързване, след като е бил фотографиран, гравиран, набразден и щанцован. Вътрешният слой може да бъде превърнат в идеален охлаждащ канал според проектните изисквания. Тази структура за охлаждане се нуждае само от 30% охлаждащ газ на традиционното филмово охлаждане, което може да подобри ефективността на термичния цикъл на двигателя, да намали действителната топлоносимост на материала на горивната камера, да намали теглото и да увеличи съотношението тяга-тегло. В момента все още е необходимо да се разработи ключова технология, преди тя да може да бъде приложена на практика. Порестият ламинат, изработен от MA956, е ново поколение материал за горивни камери, въведен от Съединените щати, който може да се използва при 1300 ℃.
б. Приложение на керамични композити в горивната камера
Съединените щати започват да проверяват осъществимостта на използването на керамика за газови турбини от 1971 г. През 1983 г. някои групи, ангажирани с разработването на съвременни материали в Съединените щати, формулират серия от показатели за ефективност на газовите турбини, използвани в съвременните самолети. Тези показатели са: повишаване на температурата на входа на турбината до 2200 ℃; работа в състояние на горене чрез химическо изчисление; намаляване на плътността, приложена към тези части, от 8g/cm3 на 5g/cm3; премахване на охлаждането на компонентите. За да се отговорят на тези изисквания, изследваните материали включват графит, метална матрица, керамично-матрични композити и интерметални съединения в допълнение към еднофазната керамика. Керамично-матричните композити (CMC) имат следните предимства:
Коефициентът на разширение на керамичния материал е много по-малък от този на сплавта на никелова основа, а покритието се отлепва лесно. Изработването на керамични композити с междинен метален филц може да преодолее дефекта на лющенето, което е посоката на развитие на материалите за горивни камери. Този материал може да се използва с 10% - 20% охлаждащ въздух, а температурата на металната задна изолация е само около 800 ℃, а температурата на топлопренасяне е много по-ниска от тази при дивергентно охлаждане и филмово охлаждане. В двигателя V2500 се използва защитна плочка от лята суперсплав B1900+керамично покритие, а посоката на развитие е да се заменят плочките B1900 (с керамично покритие) с композит на базата на SiC или антиокислителен C/C композит. Керамично-матричният композит е материалът за разработване на горивната камера на двигателя със съотношение на тягата и теглото 15-20, а работната му температура е 1538 ℃ - 1650 ℃. Използва се за пламъчни тръби, плаващи стени и допълнителен горел.
2. Високотемпературна сплав за турбина
Лопатките на турбините на авиационни двигатели са един от компонентите, които понасят най-тежкото температурно натоварване и най-лошата работна среда в авиационния двигател. Те трябва да понасят много големи и сложни натоварвания при висока температура, така че изискванията за материалите им са много строги. Суперсплавите за лопатките на турбините на авиационни двигатели се разделят на:
a.Високотемпературна сплав за водач
Дефлекторът е една от частите на турбинния двигател, които са най-силно засегнати от топлината. Когато в горивната камера се получи неравномерно горене, топлинното натоварване на направляващата лопатка на първия етап е голямо, което е основната причина за повредата ѝ. Работната ѝ температура е с около 100 ℃ по-висока от тази на лопатката на турбината. Разликата е, че статичните части не са подложени на механично натоварване. Обикновено е лесно да се причинят термични напрежения, деформации, пукнатини от термична умора и локално изгаряне, причинени от бързи температурни промени. Сплавта, изработваща направляващата лопатка, трябва да има следните свойства: достатъчна якост на високи температури, трайна пълзеща способност и добра термична умора, висока устойчивост на окисляване и термична корозия, устойчивост на термично напрежение и вибрации, способност за огъване и деформация, добра леярска способност и заваряемост, както и защитни свойства на покритието.
В момента повечето съвременни двигатели с високо съотношение тяга/тегло използват кухи отливки от лопатки, като се избират насочени и монокристални суперсплави на никелова основа. Двигателят с високо съотношение тяга/тегло има висока температура от 1650 ℃ до 1930 ℃ и трябва да бъде защитен с топлоизолационно покритие. Работната температура на сплавта на лопатките при условия на охлаждане и защита на покритието е над 1100 ℃, което поставя нови и по-високи изисквания за температурната плътност и разходите за материала на водещите лопатки в бъдеще.
б. Суперсплави за лопатки на турбини
Турбинните лопатки са ключовите топлоносещи въртящи се части на авиационни двигатели. Тяхната работна температура е с 50 ℃ - 100 ℃ по-ниска от тази на водещите лопатки. Те понасят големи центробежни натоварвания, вибрационни натоварвания, термични натоварвания, триене от въздушен поток и други ефекти при въртене, а условията на работа са лоши. Експлоатационният живот на горещите компоненти на двигателя с високо съотношение тяга/тегло е повече от 2000 часа. Следователно, сплавта за турбинните лопатки трябва да има висока устойчивост на пълзене и якост на разкъсване при работна температура, добри комплексни свойства при високи и средни температури, като например умора на цикли с висока и ниска циклична активност, умора на студено и горещо, достатъчна пластичност и ударна жилавост, както и чувствителност към назъбване; висока устойчивост на окисление и корозия; добра топлопроводимост и нисък коефициент на линейно разширение; добри характеристики на процеса на леене; дългосрочна структурна стабилност, без утаяване на TCP фаза при работна температура. Приложената сплав преминава през четири етапа; приложенията на деформирани сплави включват GH4033, GH4143, GH4118 и др.; Приложението на леярските сплави включва K403, K417, K418, K405, насочено втвърдено злато DZ4, DZ22, монокристални сплави DD3, DD8, PW1484 и др. В момента те са се развили до третото поколение монокристални сплави. Китайските монокристални сплави DD3 и DD8 се използват съответно в китайските турбини, турбовентилаторни двигатели, хеликоптери и корабни двигатели.
3. Високотемпературна сплав за турбинен диск
Турбинният диск е най-натоварената въртяща се лагерна част на турбинния двигател. Работната температура на фланеца на колелото на двигателя с коефициент на тягово-теглово разширение 8 и 10 достига 650 ℃ и 750 ℃, а температурата на центъра на колелото е около 300 ℃, с голяма температурна разлика. По време на нормално въртене той задвижва лопатката да се върти с висока скорост и понася максималната центробежна сила, термично напрежение и вибрационно напрежение. Всяко стартиране и спиране е цикъл за центъра на колелото. Гърлото, дъното на канала и джантата са подложени на различни композитни напрежения. Изисква се сплавта да има най-висока граница на провлачване, ударна жилавост и чувствителност към прорези при работната температура; нисък коефициент на линейно разширение; определена устойчивост на окисление и корозия; добри режещи характеристики.
4. Аерокосмически свръхсплави
Свръхсплавта в ракетния двигател с течно гориво се използва като панел за инжектори за гориво на горивната камера в тяговата камера; коляно на турбинната помпа, фланец, графитно закрепване на кормилото и др. Високотемпературната сплав в ракетния двигател с течно гориво се използва като панел за инжектори за гориво в тяговата камера; коляно на турбинната помпа, фланец, графитно закрепване на кормилото и др. GH4169 се използва като материал за ротора на турбината, вала, втулката на вала, крепежните елементи и други важни лагерни части.
Материалите за ротора на турбините на американските ракетни двигатели с течно гориво включват главно всмукателна тръба, лопатка на турбината и диск. В Китай се използва предимно сплав GH1131, а лопатката на турбината зависи от работната температура. Inconel x, Alloy713c, Astroloy и Mar-M246 трябва да се използват последователно; материалите за дисковете на колелата включват Inconel 718, Waspaloy и др. GH4169 и GH4141 се използват предимно за интегрални турбини, а GH2038A се използва за вала на двигателя.