Aloi suhu tinggi juga dipanggil aloi kekuatan haba. Mengikut struktur matriks, bahan boleh dibahagikan kepada tiga kategori: berasaskan besi, berasaskan nikel dan berasaskan kromium. Mengikut mod pengeluaran, ia boleh dibahagikan kepada superaloi terubah bentuk dan superaloi tuang.
Ia merupakan bahan mentah yang sangat diperlukan dalam bidang aeroangkasa. Ia merupakan bahan utama untuk bahagian suhu tinggi enjin pembuatan aeroangkasa dan penerbangan. Ia digunakan terutamanya untuk pembuatan kebuk pembakaran, bilah turbin, bilah panduan, cakera pemampat dan turbin, bekas turbin dan bahagian lain. Julat suhu perkhidmatan ialah 600 ℃ - 1200 ℃. Keadaan tekanan dan persekitaran berbeza-beza mengikut bahagian yang digunakan. Terdapat keperluan ketat untuk sifat mekanikal, fizikal dan kimia aloi. Ia merupakan faktor penentu untuk prestasi, kebolehpercayaan dan jangka hayat enjin. Oleh itu, superaloi merupakan salah satu projek penyelidikan utama dalam bidang aeroangkasa dan pertahanan negara di negara maju.
Aplikasi utama superaloi adalah:
1. Aloi suhu tinggi untuk kebuk pembakaran
Kebuk pembakaran (juga dikenali sebagai tiub api) enjin turbin penerbangan merupakan salah satu komponen suhu tinggi yang penting. Memandangkan pengabusan bahan api, pencampuran minyak dan gas serta proses lain dijalankan di dalam kebuk pembakaran, suhu maksimum dalam kebuk pembakaran boleh mencapai 1500 ℃ - 2000 ℃, dan suhu dinding dalam kebuk pembakaran boleh mencapai 1100 ℃. Pada masa yang sama, ia juga menanggung tekanan haba dan tekanan gas. Kebanyakan enjin dengan nisbah tujahan/berat yang tinggi menggunakan kebuk pembakaran anulus, yang mempunyai panjang pendek dan kapasiti haba yang tinggi. Suhu maksimum dalam kebuk pembakaran mencapai 2000 ℃, dan suhu dinding mencapai 1150 ℃ selepas penyejukan filem gas atau wap. Kecerunan suhu yang besar antara pelbagai bahagian akan menghasilkan tekanan haba, yang akan naik dan turun mendadak apabila keadaan kerja berubah. Bahan akan tertakluk kepada kejutan haba dan beban keletihan haba, dan akan terdapat herotan, retakan dan kerosakan lain. Secara amnya, ruang pembakaran diperbuat daripada aloi lembaran, dan keperluan teknikal diringkaskan seperti berikut mengikut keadaan perkhidmatan bahagian tertentu: ia mempunyai rintangan pengoksidaan tertentu dan rintangan kakisan gas di bawah syarat-syarat penggunaan aloi suhu tinggi dan gas; Ia mempunyai kekuatan serta-merta dan ketahanan tertentu, prestasi keletihan haba dan pekali pengembangan yang rendah; Ia mempunyai keplastikan dan keupayaan kimpalan yang mencukupi untuk memastikan pemprosesan, pembentukan dan penyambungan; Ia mempunyai kestabilan organisasi yang baik di bawah kitaran haba untuk memastikan operasi yang boleh dipercayai dalam hayat perkhidmatan.
a. Laminat berliang aloi MA956
Pada peringkat awal, lamina berliang diperbuat daripada kepingan aloi HS-188 melalui ikatan resapan selepas difoto, diukir, dialur dan ditebuk. Lapisan dalam boleh dibuat menjadi saluran penyejukan yang ideal mengikut keperluan reka bentuk. Penyejukan struktur ini hanya memerlukan 30% daripada gas penyejukan penyejukan filem tradisional, yang boleh meningkatkan kecekapan kitaran haba enjin, mengurangkan kapasiti galas haba sebenar bahan kebuk pembakaran, mengurangkan berat, dan meningkatkan nisbah tujahan-berat. Pada masa ini, masih perlu untuk menembusi teknologi utama sebelum ia boleh digunakan secara praktikal. Laminat berliang yang diperbuat daripada MA956 ialah generasi baharu bahan kebuk pembakaran yang diperkenalkan oleh Amerika Syarikat, yang boleh digunakan pada 1300 ℃.
b. Penggunaan komposit seramik dalam kebuk pembakaran
Amerika Syarikat telah mula mengesahkan kebolehlaksanaan penggunaan seramik untuk turbin gas sejak tahun 1971. Pada tahun 1983, beberapa kumpulan yang terlibat dalam pembangunan bahan canggih di Amerika Syarikat telah merumuskan satu siri petunjuk prestasi untuk turbin gas yang digunakan dalam pesawat canggih. Petunjuk ini adalah: meningkatkan suhu salur masuk turbin kepada 2200 ℃; Beroperasi di bawah keadaan pembakaran pengiraan kimia; Mengurangkan ketumpatan yang dikenakan pada bahagian ini daripada 8g/cm3 kepada 5g/cm3; Membatalkan penyejukan komponen. Untuk memenuhi keperluan ini, bahan yang dikaji termasuk grafit, matriks logam, komposit matriks seramik dan sebatian antara logam sebagai tambahan kepada seramik fasa tunggal. Komposit matriks seramik (CMC) mempunyai kelebihan berikut:
Pekali pengembangan bahan seramik jauh lebih kecil daripada aloi berasaskan nikel, dan salutannya mudah dikupas. Pembuatan komposit seramik dengan felt logam perantaraan dapat mengatasi kecacatan pengelupasan, yang merupakan arah perkembangan bahan kebuk pembakaran. Bahan ini boleh digunakan dengan udara penyejukan 10% - 20%, dan suhu penebat belakang logam hanya sekitar 800 ℃, dan suhu galas haba jauh lebih rendah daripada penyejukan divergen dan penyejukan filem. Jubin pelindung salutan seramik superaloi tuang B1900+ digunakan dalam enjin V2500, dan arah perkembangannya adalah untuk menggantikan jubin B1900 (dengan salutan seramik) dengan komposit berasaskan SiC atau komposit anti-pengoksidaan C/C. Komposit matriks seramik adalah bahan pembangunan kebuk pembakaran enjin dengan nisbah berat tujahan 15-20, dan suhu perkhidmatannya ialah 1538 ℃ - 1650 ℃. Ia digunakan untuk tiub api, dinding terapung dan pembakar selepas.
2. Aloi suhu tinggi untuk turbin
Bilah turbin aero-enjin merupakan salah satu komponen yang menanggung beban suhu paling teruk dan persekitaran kerja paling teruk dalam aero-enjin. Ia perlu menanggung tekanan yang sangat besar dan kompleks di bawah suhu tinggi, jadi keperluan bahannya sangat ketat. Superaloi untuk bilah turbin aero-enjin dibahagikan kepada:
a. Aloi suhu tinggi untuk panduan
Pesongan adalah salah satu bahagian enjin turbin yang paling banyak terkesan oleh haba. Apabila pembakaran tidak sekata berlaku di dalam kebuk pembakaran, beban pemanasan bilah panduan peringkat pertama adalah besar, yang merupakan sebab utama kerosakan bilah panduan. Suhu perkhidmatannya adalah kira-kira 100 ℃ lebih tinggi daripada bilah turbin. Perbezaannya ialah bahagian statik tidak tertakluk kepada beban mekanikal. Biasanya, ia mudah menyebabkan tekanan haba, herotan, retakan keletihan haba dan pembakaran setempat yang disebabkan oleh perubahan suhu yang cepat. Aloi bilah panduan hendaklah mempunyai ciri-ciri berikut: kekuatan suhu tinggi yang mencukupi, prestasi rayapan kekal dan prestasi keletihan haba yang baik, rintangan pengoksidaan dan prestasi kakisan haba yang tinggi, rintangan tekanan haba dan getaran, keupayaan ubah bentuk lenturan, prestasi pengacuan proses tuangan dan kebolehkimpalan yang baik, dan prestasi perlindungan salutan.
Pada masa ini, kebanyakan enjin canggih dengan nisbah tujahan/berat yang tinggi menggunakan bilah tuangan berongga, dan aloi super berasaskan nikel berarah dan kristal tunggal dipilih. Enjin dengan nisbah tujahan-berat yang tinggi mempunyai suhu tinggi 1650 ℃ - 1930 ℃ dan perlu dilindungi oleh salutan penebat haba. Suhu perkhidmatan aloi bilah di bawah keadaan penyejukan dan perlindungan salutan adalah lebih daripada 1100 ℃, yang mengemukakan keperluan baharu dan lebih tinggi untuk kos ketumpatan suhu bahan bilah panduan pada masa hadapan.
b. Superaloi untuk bilah turbin
Bilah turbin merupakan bahagian berputar utama yang menanggung haba dalam enjin aero. Suhu operasinya adalah 50 ℃ - 100 ℃ lebih rendah daripada bilah panduan. Ia menanggung tekanan emparan, tekanan getaran, tekanan haba, penggosokan aliran udara dan kesan lain yang hebat semasa berputar, dan keadaan kerjanya adalah buruk. Hayat perkhidmatan komponen hujung panas enjin dengan nisbah tujahan/berat yang tinggi adalah lebih daripada 2000 jam. Oleh itu, aloi bilah turbin hendaklah mempunyai rintangan rayapan dan kekuatan pecah yang tinggi pada suhu perkhidmatan, sifat komprehensif suhu tinggi dan sederhana yang baik, seperti keletihan kitaran tinggi dan rendah, keletihan sejuk dan panas, keplastikan dan ketahanan hentaman yang mencukupi, dan kepekaan takuk; Rintangan pengoksidaan dan rintangan kakisan yang tinggi; Kekonduksian haba yang baik dan pekali pengembangan linear yang rendah; Prestasi proses penuangan yang baik; Kestabilan struktur jangka panjang, tiada pemendakan fasa TCP pada suhu perkhidmatan. Aloi yang digunakan melalui empat peringkat; Aplikasi aloi yang diubah bentuk termasuk GH4033, GH4143, GH4118, dll. Aplikasi aloi tuangan termasuk K403, K417, K418, K405, emas pemejalan berarah DZ4, DZ22, aloi kristal tunggal DD3, DD8, PW1484, dan sebagainya. Pada masa ini, ia telah berkembang kepada generasi ketiga aloi kristal tunggal. Aloi kristal tunggal DD3 dan DD8 China masing-masing digunakan dalam turbin, enjin turbofan, helikopter dan enjin kapal China.
3. Aloi suhu tinggi untuk cakera turbin
Cakera turbin merupakan bahagian galas berputar yang paling tertekan pada enjin turbin. Suhu kerja bebibir roda enjin dengan nisbah berat tujahan 8 dan 10 mencapai 650 ℃ dan 750 ℃, dan suhu pusat roda adalah kira-kira 300 ℃, dengan perbezaan suhu yang besar. Semasa putaran biasa, ia memacu bilah berputar pada kelajuan tinggi dan menanggung daya emparan maksimum, tekanan haba dan tekanan getaran. Setiap permulaan dan hentian adalah kitaran, pusat roda. Tekak, bahagian bawah alur dan rim semuanya menanggung tekanan komposit yang berbeza. Aloi dikehendaki mempunyai kekuatan alah tertinggi, ketahanan hentaman dan tiada kepekaan takuk pada suhu perkhidmatan; pekali pengembangan linear rendah; rintangan pengoksidaan dan kakisan tertentu; prestasi pemotongan yang baik.
4. Aloi super aeroangkasa
Aloi super dalam enjin roket cecair digunakan sebagai panel penyuntik bahan api kebuk pembakaran dalam ruang tujahan; siku pam turbin, bebibir, pengikat kemudi grafit, dan sebagainya. Aloi suhu tinggi dalam enjin roket cecair digunakan sebagai panel penyuntik kebuk bahan api dalam ruang tujahan; siku pam turbin, bebibir, pengikat kemudi grafit, dan sebagainya. GH4169 digunakan sebagai bahan rotor turbin, aci, lengan aci, pengikat dan bahagian galas penting yang lain.
Bahan rotor turbin enjin roket cecair Amerika terutamanya termasuk paip pengambilan, bilah turbin dan cakera. Aloi GH1131 kebanyakannya digunakan di China, dan bilah turbin bergantung pada suhu kerja. Inconel x, Alloy713c, Astroloy dan Mar-M246 harus digunakan secara berturut-turut; Bahan cakera roda termasuk Inconel 718, Waspaloy, dll. Turbin bersepadu GH4169 dan GH4141 kebanyakannya digunakan, dan GH2038A digunakan untuk aci enjin.