Aplikácia vysokoteplotnej zliatiny v leteckom priemysle
Superzliatiny možno rozdeliť do troch skupín podľa štruktúry matrice: na báze železa na báze niklu a na báze chrómu.
Podľa spôsobu výroby ju možno rozdeliť na deformačnú superzliatinu a odlievanú superzliatinu. Je to nenahraditeľná surovina v oblasti letectva. Je to kľúčový materiál pre vysokoteplotné časti leteckých a leteckých motorov. Používa sa hlavne na výrobu spaľovacej komory, turbínových lopatiek, vodiacich lopatiek, kompresorových a turbínových kotúčov, turbínových skríň a iných častí. Pracovná teplota sa pohybuje od 600°C do 1200°C. mechanické a environmentálne podmienky sa líšia v závislosti od používaných dielov. Prísne sa vyžadujú mechanické, fyzikálne a chemické vlastnosti zliatiny, čo je výkon motora, rozhodujúci faktor spoľahlivosti a životnosti. Preto je superzliatina jedným z kľúčových výskumných projektov v oblasti letectva a národnej obrany vo vyspelých krajinách.
Aplikácie z vysokoteplotných zliatin
1. Vysokoteplotné zliatiny pre spaľovacie komory
Spaľovacia komora turbíny leteckého motora (známa aj ako plameňová trubica) je jedným z kľúčových vysokoteplotných komponentov. V dôsledku procesov, ako je rozprašovanie paliva a miešanie oleja a plynu v spaľovacej komore, môžu teploty dosiahnuť až 1500 stupňov až 2000 stupňov, pričom teploty stien dosahujú 1100 stupňov. Okrem toho musí komora odolávať tepelnému a plynovému namáhaniu. Motory s vysokým pomerom ťahu a hmotnosti často používajú prstencové spaľovacie komory, ktoré sú kratšie a majú vyššiu tepelnú intenzitu; v týchto komorách môžu teploty dosiahnuť 2000 stupňov s teplotou stien 1150 stupňov po ochladení filmu alebo ochladení odparovaním. Výrazné teplotné gradienty medzi rôznymi oblasťami vytvárajú tepelné napätia, ktoré vedú k deformáciám, prasklinám a iným poruchám v dôsledku teplotného šoku a zaťaženia tepelnou únavou. Spaľovacie komory sú zvyčajne vyrobené z doskových zliatin a technické požiadavky na špecifické komponenty zahŕňajú: odolnosť voči oxidácii a plynovej korózii pri vysokých teplotách; dostatočná prechodná a dlhodobá pevnosť, tepelná únava a nízke koeficienty rozťažnosti; primeraná plasticita a zvariteľnosť na zabezpečenie spracovateľnosti a spojov; a dobrá mikroštrukturálna stabilita pri tepelných cykloch zaručujúca spoľahlivú prevádzku počas ich životnosti.
1) Zliatinové dosky s poréznou vrstvou MA956
Dosky s ranou poréznou vrstvou boli vyrobené z tenkých plechov zliatiny HS-188, spracovaných fotografovaním, koróznym leptaním a perforáciou, po ktorej nasledovalo difúzne lepenie. Vnútorné vrstvy môžu byť navrhnuté tak, aby vytvorili ideálne chladiace kanály. Táto štruktúra umožňuje zníženie požiadaviek na chladiaci plyn na 30 % v porovnaní s požiadavkami na tradičné chladenie filmu, čím sa zvyšuje účinnosť tepelného cyklu motora a znižuje sa skutočné tepelné zaťaženie materiálov spaľovacej komory, čím sa znižuje hmotnosť a zvyšuje sa pomer ťahu k hmotnosti. V súčasnosti sú na praktické využitie stále potrebné technologické objavy. Pórovitá vrstva MA956, nová generácia materiálu spaľovacej komory z USA, môže byť použitá pri teplotách 1300 stupňov.
2) Keramické matricové kompozity v spaľovacích komorách
USA začali testovať realizovateľnosť keramiky pre plynové turbíny v roku 1971. Do roku 1983 rôzne skupiny zaoberajúce sa vývojom pokročilých materiálov stanovili výkonnostné metriky pre plynové turbíny používané v moderných lietadlách, vrátane zvýšenia vstupných teplôt turbíny na 2200 stupňov, pracujúceho pri chemicky vypočítanom spaľovaní. znížením hustoty komponentov z 8 g/cm³ na 5 g/cm³ a odstránením chladenia týchto komponentov. Študované materiály zahŕňali nielen jednofázovú keramiku, ale aj grafit, kovovú matricu a kompozity s keramickou matricou, ako aj intermetalické zlúčeniny. Kompozity s keramickou matricou (CMC) ponúkajú niekoľko výhod: ich koeficienty tepelnej rozťažnosti sú oveľa nižšie ako koeficienty zliatin na báze niklu a povlaky majú tendenciu sa ľahko odlupovať. Vytváranie CMC so strednými kovovými rohožami môže prekonať problémy s odlupovaním a predstavuje smer pre vývoj materiálov spaľovacích komôr. Takéto materiály môžu pracovať iba s 10% až 20% chladiaceho vzduchu, čo vedie k teplotám zadnej časti kovu okolo 800 stupňov, čo je výrazne nižšie ako pri divergentnom chladení a chladení filmu. Motor V2500 využíva liatu vysokoteplotnú zliatinu B1900 s ochrannými dlaždicami potiahnutými keramikou a smerom vývoja je nahradiť dlaždice B1900 (s keramickým povlakom) kompozitmi na báze SiC alebo C/C kompozitmi odolnými voči oxidácii. CMC sú materiály pre spaľovacie komory v motoroch s pomerom ťahu k hmotnosti 15 až 20, pracujúcich pri teplotách 1538 stupňov až 1650 stupňov, používané pre plameňové trubice, panely s plávajúcimi stenami a spaľovacie komory s prídavným spaľovaním.
2. Vysokoteplotné zliatiny pre sekcie turbín
Lopatky leteckých motorov patria medzi komponenty, ktoré sú vystavené najnáročnejšiemu teplotnému zaťaženiu a drsnému prevádzkovému prostrediu. Musia odolávať značnému a zložitému namáhaniu pri vysokých teplotách, čo vedie k veľmi prísnym požiadavkám na materiál. Vysokoteplotné zliatiny pre lopatky turbín možno klasifikovať takto:
1) Vysokoteplotné zliatiny pre statory
Statory patria medzi komponenty v turbínovom motore, ktoré zažívajú najväčší tepelný šok. Pri nerovnomernom spaľovaní v spaľovacej komore znášajú lopatky statora prvého stupňa značné tepelné zaťaženie, ktoré je primárnou príčinou zlyhania statora. Ich prevádzkové teploty sú zvyčajne asi o 100 stupňov vyššie ako teploty lopatiek turbíny, ale sú to statické komponenty a sú menej mechanicky zaťažené. Sú však náchylné na tepelné namáhanie, ktoré môže viesť k deformácii, trhlinám pri tepelnej únave a lokalizovanému horeniu. Zliatiny používané na statorové lopatky by mali mať tieto vlastnosti: dostatočná pevnosť pri vysokých teplotách, odolnosť proti tečeniu, dobrý výkon pri tepelnej únave, vysoká odolnosť proti oxidácii a tepelnej korózii, odolnosť proti tepelnému namáhaniu a vibráciám, schopnosť deformácie v ohybe, dobrá zlievateľnosť a povlak ochranný výkon.
V súčasnosti pokročilé motory s vysokým ťahom často používajú duté liate lopatky vyrobené zo smerových alebo monokryštálových vysokoteplotných zliatin na báze niklu. Motory s vysokým ťahom pracujú pri teplotách dosahujúcich 1650 stupňov až 1930 stupňov, čo si vyžaduje použitie povlakov tepelnej bariéry. V podmienkach chladenia a ochrany povlaku prevádzková teplota zliatin lopatiek presahuje 1100 stupňov, čo kladie nové a vyššie požiadavky na teplotu, hustotu a náklady na budúce materiály lopatiek statora.
2) Vysokoteplotné zliatiny pre pracovné lopatky turbín
Lopatky turbíny sú kritickými rotačnými komponentmi leteckých motorov s prevádzkovými teplotami, ktoré sú o 50 až 100 stupňov nižšie ako teploty lopatiek statora. Počas rotácie sú vystavené značnému odstredivému namáhaniu, vibračnému namáhaniu, tepelnému namáhaniu a erózii prúdenia vzduchu, pričom pracujú v drsných podmienkach. Motory s vysokým ťahom vyžadujú, aby životnosť tepelných koncových komponentov presiahla 2000 hodín. Zliatiny turbínových lopatiek preto musia vykazovať vysokú odolnosť proti tečeniu a dlhodobú lomovú pevnosť pri prevádzkových teplotách, vynikajúci výkon pri vysokých a stredných teplotách, vrátane únavy pri vysokom a nízkom cykle, tepelnej únavy, dostatočnej plasticity a rázovej húževnatosti, ako aj vysokej odolnosť proti oxidácii a korózii. Mali by mať dobrú tepelnú vodivosť a čo najnižší koeficient lineárnej rozťažnosti, dobrú zlievateľnosť a dlhodobú mikroštrukturálnu stabilitu bez precipitácie TCP fázy pri prevádzkových teplotách. Použité zliatiny sa vyvinuli v štyroch fázach: tvárnené zliatiny ako GH4033, GH4143 a GH4118; liate zliatiny ako K403, K417, K418 a K405; zliatiny so smerovým tuhnutím ako DZ4 a DZ22; a monokryštálové zliatiny ako DD3, DD8 a PW1484. Vývoj teraz dosiahol tretiu generáciu monokryštálových zliatin. V Číne sa monokryštálové zliatiny DD3 a DD8 používajú v turbínach, turboventilátorových motoroch, vrtuľníkoch a námorných motoroch.
3) Vysokoteplotné zliatiny pre turbínové disky
Turbínový kotúč je rotačný nosný komponent, ktorý je vystavený najväčšiemu namáhaniu v turbínových motoroch. Pri motoroch s pomerom ťahu k hmotnosti 8 a 10 dosahuje teplota ráfika 650 stupňov a 750 stupňov, zatiaľ čo teplota náboja je približne 300 stupňov, čo vedie k výrazným teplotným rozdielom. Počas normálnej rotácie kotúč poháňa čepele pri vysokých rýchlostiach, pričom znáša maximálne odstredivé, tepelné a vibračné namáhanie. Každé spustenie a vypnutie predstavuje cyklus, pričom náboj, hrdlo, dno drážky a ráfik sú vystavené rôznym kompozitným namáhaniam. Použité zliatiny musia vykazovať najvyššiu medzu klzu, rázovú húževnatosť a žiadnu vrubovú citlivosť pri prevádzkových teplotách, nízke koeficienty lineárnej rozťažnosti, určitú odolnosť voči oxidácii a korózii a dobrú opracovateľnosť.
4) Vysokoteplotné zliatiny pre letecké aplikácie
V motoroch rakiet na kvapalné palivo sa vysokoteplotné zliatiny používajú na panely vstrekovačov spaľovacej komory, ohyby turbínových čerpadiel, príruby, grafitové spojovacie prvky a ďalšie. V náporovej komore slúžia vysokoteplotné zliatiny ako panel vstrekovačov paliva, pričom z týchto materiálov sú tiež vyrobené ohyby turbínového čerpadla, príruby a grafitové spojovacie prvky. Čínske motory YF73 a YF75 využívajú zliatinový drôt GH3030 tkaný do sieťoviny, ktorá sa potom valcuje a speká do poréznych, divergentných chladiacich panelov pre vstrekovače spaľovacej komory. Turbínové rotory začali používať GH1040 a GH2038A, neskôr prešli na GH4169 prostredníctvom integrálneho kovania, pričom kotúč bol opracovaný a lopatky boli elektrolyticky spracované, aby sa prekonali problémy s nadmernou deformáciou počas dlhodobého testovania s GH1040. Porovnanie výkonu GH1040 a GH4169 ukazuje, že materiálové požiadavky na rotory turbín v motoroch rakiet dlhého doletu spĺňajú normy 800 stupňov pri 398 MPa počas 20 minút; GH4169 môže dosiahnuť stabilný mikroštrukturálny výkon po dobu 30 minút, zatiaľ čo GH1040 dokáže udržať 294 MPa iba 6 minút pri teplote 800 stupňov, pričom nespĺňa prevádzkové požiadavky. Je pozoruhodné, že od -253 stupňa do izbovej teploty sa pevnosť GH4169 zvyšuje o 392 MPa až 400 MPa s minimálnou zmenou plasticity a dobrou rázovou húževnatosťou pri nízkych teplotách. Preto sa GH4169 používa pre kritické nosné komponenty, ako sú rotory turbín, hriadele a spojovacie prvky.
V amerických raketových motoroch na kvapalné palivo, materiály rotora turbíny zahŕňajú sacie potrubie, lopatky turbíny a disky. Čína primárne používa zliatiny GH1131 pre lopatky turbín, ktoré sa menia v závislosti od prevádzkovej teploty, pričom postupne používa Inconel x, Alloy 713C, Astroloy a Mar-M246; materiály diskov zahŕňajú Inconel 718 a Waspaloy, pričom Čína prevažne používa GH4169 a GH4141 pre integrálne turbíny a GH2038A pre hriadele motora.