Високотемпературната сплав се нарича още сплав за топлинна якост. Според структурата на матрицата 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, той може да бъде разделен на деформирана суперсплав и лята суперсплав.
Това е незаменима суровина в космическата сфера. Това е основният материал за високотемпературната част на двигателите за космическа и авиационна промишленост. Използва се главно за производство на горивна камера, турбинна лопатка, водеща лопатка, компресор и турбинен диск, корпус на турбина и други части. Работният температурен диапазон е 600 ℃ - 1200 ℃. Напрежението и условията на околната среда варират в зависимост от използваните части. Има строги изисквания към механичните, физичните и химичните свойства на сплавта. Това е решаващият фактор за производителността, надеждността и живота на двигателя. Следователно суперсплавта е един от ключовите изследователски проекти в областта на космическата и националната отбрана в развитите страни.
Основните приложения на суперсплавите са:
1. Високотемпературна сплав за горивна камера
Горивната камера (известна също като пламъчна тръба) на авиационни турбинни двигатели е един от ключовите високотемпературни компоненти. Тъй като пулверизирането на горивото, смесването на масло и газ и други процеси се извършват в горивната камера, максималната температура в горивната камера може да достигне 1500 ℃ - 2000 ℃, а температурата на стената в горивната камера може да достигне 1100 ℃. В същото време той понася и термичен стрес и газов стрес. Повечето двигатели с високо съотношение тяга/тегло използват пръстеновидни горивни камери, които имат малка дължина и висок топлинен капацитет. Максималната температура в горивната камера достига 2000 ℃, а температурата на стената достига 1150 ℃ след охлаждане с газов филм или пара. Големите температурни градиенти между различните части ще генерират топлинен стрес, който ще се повишава и спада рязко, когато работното състояние се промени. Материалът ще бъде подложен на термичен шок и натоварване от термична умора и ще има изкривяване, пукнатини и други дефекти. Като цяло горивната камера е направена от листова сплав и техническите изисквания са обобщени, както следва в съответствие с условията на експлоатация на конкретни части: има определена устойчивост на окисляване и устойчивост на газова корозия при условията на използване на високотемпературна сплав и газ; Има определена моментна и издръжлива якост, характеристики на термична умора и нисък коефициент на разширение; Има достатъчно пластичност и способност за заваряване, 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 беше направен от лист от сплав HS-188 чрез дифузионно свързване, след като беше фотографиран, гравиран, набразден и щанцован. Вътрешният слой може да се превърне в идеален охлаждащ канал според изискванията на дизайна. Това охлаждане на структурата се нуждае само от 30% от охлаждащия газ на традиционното филмово охлаждане, което може да подобри ефективността на термичния цикъл на двигателя, да намали действителния топлинен капацитет на материала на горивната камера, да намали теглото и да увеличи теглото на тягата съотношение. Понастоящем все още е необходимо да се пробие ключовата технология, преди да може да се използва на практика. Порестият ламинат, изработен от MA956, е ново поколение материал за горивна камера, въведен от Съединените щати, който може да се използва при 1300 ℃.
b. Приложение на керамични композити в горивна камера
Съединените щати започнаха да проверяват осъществимостта на използването на керамика за газови турбини от 1971 г. насам. През 1983 г. някои групи, ангажирани с разработването на модерни материали в Съединените щати, формулираха серия от показатели за ефективност на газови турбини, използвани в модерни самолети. Тези индикатори са: повишаване на температурата на входа на турбината до 2200 ℃; Работете при състояние на горене на химическо изчисление; Намалете плътността, приложена към тези части от 8g/cm3 на 5g/cm3; Отменете охлаждането на компонентите. За да отговорят на тези изисквания, изследваните материали включват графит, метална матрица, композити с керамична матрица и интерметални съединения в допълнение към еднофазната керамика. Композитите с керамична матрица (CMC) имат следните предимства:
Коефициентът на разширение на керамичния материал е много по-малък от този на сплавта на основата на никел и покритието се отлепва лесно. Изработването на керамични композити с междинен метален филц може да преодолее дефекта на лющене, което е посоката на развитие на материалите за горивната камера. Този материал може да се използва с 10% - 20% охлаждащ въздух, а температурата на металната задна изолация е само около 800 ℃, а температурата на топлинния лагер е много по-ниска от тази на дивергентно охлаждане и филмово охлаждане. Защитната плочка от лята суперсплав B1900+керамично покритие се използва в двигателя V2500, а посоката на развитие е да се замени плочката B1900 (с керамично покритие) с композит на базата на SiC или антиокислителен C/C композит. Композитът с керамична матрица е материалът за разработка на горивната камера на двигателя с тегловно съотношение на тягата 15-20, а работната му температура е 1538 ℃ - 1650 ℃. Използва се за пламъчна тръба, плаваща стена и доизгаряне.
2. Високотемпературна сплав за турбина
Турбинната лопатка на авиационния двигател е един от компонентите, които понасят най-тежкото температурно натоварване и най-лошата работна среда в авиационния двигател. Той трябва да понесе много големи и сложни натоварвания при висока температура, така че изискванията към материалите му са много строги. Суперсплавите за турбинни лопатки на авиационни двигатели се разделят на:
a. Високотемпературна сплав за водач
Дефлекторът е една от частите на турбинния двигател, които са най-засегнати от топлината. Когато възникне неравномерно изгаряне в горивната камера, топлинният товар на водещата лопатка на първия етап е голям, което е основната причина за повредата на направляващата лопатка. Работната му 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 предизвика термичен стрес, деформация, пукнатина от термична умора и локално изгаряне, причинени от бърза промяна на температурата. Сплавта на направляващата лопатка трябва да има следните свойства: достатъчна якост при висока температура, постоянна производителност на пълзене и добра ефективност на термична умора, висока устойчивост на окисляване и термична корозия, устойчивост на термично напрежение и вибрации, способност за деформация на огъване, добри характеристики на формоване и заваряемост, и ефективност на защита на покритието.
Понастоящем най-модерните двигатели с високо съотношение тяга/тегло използват кухи ляти лопатки и са избрани насочени и монокристални суперсплави на базата на никел. Двигателят с високо съотношение на тяга към тегло има висока температура от 1650 ℃ - 1930 ℃ и трябва да бъде защитен с топлоизолационно покритие. Работната температура на сплавта на острието при условия на охлаждане и защита на покритието е повече от 1100 ℃, което поставя нови и по-високи изисквания за цената на температурната плътност на материала на направляващото острие в бъдеще.
b. Суперсплави за турбинни лопатки
Турбинните лопатки са ключовите топлоносещи въртящи се части на авиационни двигатели. Тяхната работна температура е с 50 ℃ - 100 ℃ по-ниска от тази на направляващите остриета. Те понасят голямо центробежно напрежение, вибрационно напрежение, топлинно напрежение, измиване на въздушния поток и други ефекти при въртене, а условията на работа са лоши. Срокът на експлоатация на горещите компоненти на двигателя с високо съотношение тяга/тегло е повече от 2000 часа. Следователно сплавта на турбинната лопатка трябва да има висока устойчивост на пълзене и якост на разкъсване при работна температура, добри всеобхватни свойства при висока и средна температура, като умора при висок и нисък цикъл, умора при студено и горещо, достатъчна пластичност и якост на удар и чувствителност на прорези; Висока устойчивост на окисляване и устойчивост на корозия; Добра топлопроводимост и нисък коефициент на линейно разширение; Добро представяне на процеса на леене; Дългосрочна структурна стабилност, без утаяване на TCP фаза при работна температура. Прилаганата сплав преминава през четири етапа; Приложенията за деформирани сплави включват GH4033, GH4143, GH4118 и др.; Прилагането на леярска сплав включва K403, K417, K418, K405, насочено втвърдено злато DZ4, DZ22, монокристална сплав DD3, DD8, PW1484 и т.н. В момента тя се е развила до трето поколение монокристални сплави. Китайската монокристална сплав DD3 и DD8 се използва 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 със съотношение на теглото на тягата 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 острието да се върти с висока скорост и понася максималната центробежна сила, термично напрежение и вибрационно напрежение. Всяко стартиране и спиране е цикъл, център на колелото. Гърлото, дъното на канала и ръбът носят различни комбинирани напрежения. Изисква се сплавта да има най-висока граница на провлачване, ударна якост и липса на чувствителност към прорези при работна температура; Нисък коефициент на линейно разширение; Определена устойчивост на окисляване и корозия; Добра производителност на рязане.
4. Аерокосмическа суперсплав
Свръхсплавта в течния ракетен двигател се използва като панел на горивния инжектор на горивната камера в тяговата камера; Коляно на турбинната помпа, фланец, графитена закопчалка на кормилото и др. Високотемпературна сплав в течен ракетен двигател се използва като инжекторен панел на горивната камера в тяговата камера; Коляно на турбинна помпа, фланец, графитена закопчалка на кормилото и др. GH4169 се използва като материал за ротора на турбината, вала, втулката на вала, закопчалката и други важни лагерни части.
Материалите на ротора на турбината на американския течен ракетен двигател включват главно всмукателна тръба, турбинна лопатка и диск. Сплавта GH1131 се използва най-вече в Китай, 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. Най-често се използват интегрални турбини GH4169 и GH4141, а за вала на двигателя се използва GH2038A.