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 superalloy cacat dan superaloi tuang.
Ia adalah bahan mentah yang sangat diperlukan dalam bidang aeroangkasa. Ia adalah bahan utama untuk bahagian suhu tinggi enjin pembuatan aeroangkasa dan penerbangan. Ia digunakan terutamanya untuk pembuatan kebuk pembakaran, bilah turbin, bilah panduan, pemampat dan cakera turbin, kes turbin dan bahagian lain. Julat suhu perkhidmatan ialah 600 ℃ - 1200 ℃. Tekanan dan keadaan persekitaran berbeza mengikut bahagian yang digunakan. Terdapat keperluan yang ketat untuk sifat mekanikal, fizikal dan kimia aloi. Ia adalah faktor penentu untuk prestasi, kebolehpercayaan dan hayat enjin. Oleh itu, superalloy merupakan salah satu projek penyelidikan utama dalam bidang aeroangkasa dan pertahanan negara di negara maju.
Aplikasi utama superaloi ialah:
1. Aloi suhu tinggi untuk kebuk pembakaran
Kebuk pembakaran (juga dikenali sebagai tiub nyalaan) enjin turbin penerbangan ialah salah satu komponen utama suhu tinggi. Oleh kerana pengabusan bahan api, pencampuran minyak dan gas dan 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 filem gas atau penyejukan wap. Kecerunan suhu yang besar antara pelbagai bahagian akan menghasilkan tegasan haba, yang akan naik dan turun secara mendadak apabila keadaan kerja berubah. Bahan akan tertakluk kepada kejutan haba dan beban keletihan haba, dan akan berlaku herotan, retak dan kerosakan lain. Secara amnya, kebuk pembakaran diperbuat daripada aloi lembaran, dan keperluan teknikal diringkaskan seperti berikut mengikut syarat perkhidmatan bahagian tertentu: ia mempunyai rintangan pengoksidaan tertentu dan rintangan kakisan gas di bawah syarat menggunakan aloi dan gas suhu tinggi; Ia mempunyai kekuatan serta-merta dan daya tahan tertentu, prestasi keletihan haba dan pekali pengembangan yang rendah; Ia mempunyai keplastikan dan keupayaan kimpalan yang mencukupi untuk memastikan pemprosesan, pembentukan dan sambungan; Ia mempunyai kestabilan organisasi yang baik di bawah kitaran haba untuk memastikan operasi yang boleh dipercayai dalam hayat perkhidmatan.
a. lamina berliang aloi MA956
Pada peringkat awal, lamina berliang diperbuat daripada kepingan aloi HS-188 melalui ikatan resapan selepas diambil gambar, terukir, beralur dan ditebuk. Lapisan dalam boleh dijadikan saluran penyejukan yang ideal mengikut keperluan reka bentuk. Penyejukan struktur ini hanya memerlukan 30% daripada gas penyejuk penyejukan filem tradisional, yang boleh meningkatkan kecekapan kitaran haba enjin, mengurangkan kapasiti galas haba sebenar bahan kebuk pembakaran, mengurangkan berat, dan meningkatkan berat tujahan. nisbah. Pada masa ini, masih perlu untuk menembusi teknologi utama sebelum ia boleh digunakan secara praktikal. Laminat berliang yang diperbuat daripada MA956 adalah generasi baru 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 menggunakan seramik untuk turbin gas sejak 1971. Pada tahun 1983, beberapa kumpulan yang terlibat dalam pembangunan bahan termaju di Amerika Syarikat telah merumuskan satu siri penunjuk prestasi untuk turbin gas yang digunakan dalam pesawat canggih. Penunjuk ini ialah: meningkatkan suhu masuk turbin kepada 2200 ℃; Beroperasi di bawah keadaan pembakaran pengiraan kimia; Kurangkan ketumpatan yang digunakan pada bahagian ini daripada 8g/cm3 kepada 5g/cm3; Batalkan penyejukan komponen. Bagi 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 adalah jauh lebih kecil daripada aloi berasaskan nikel, dan salutan mudah terkelupas. Membuat komposit seramik dengan rasa logam perantaraan boleh mengatasi kecacatan mengelupas, yang merupakan arah pembangunan bahan kebuk pembakaran. Bahan ini boleh digunakan dengan udara penyejuk 10% - 20%, dan suhu penebat belakang logam hanya kira-kira 800 ℃, dan suhu galas haba jauh lebih rendah daripada penyejukan berbeza dan penyejukan filem. Cast superalloy B1900+jubin pelindung salutan seramik digunakan dalam enjin V2500, dan arah pembangunan adalah untuk menggantikan jubin B1900 (dengan salutan seramik) dengan komposit berasaskan SiC atau komposit C/C anti-pengoksidaan. 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 enjin aero adalah salah satu komponen yang menanggung beban suhu yang paling teruk dan persekitaran kerja yang paling teruk dalam enjin aero. Ia perlu menanggung tekanan yang sangat besar dan kompleks di bawah suhu tinggi, jadi keperluan bahannya sangat ketat. Aloi super untuk bilah turbin enjin aero dibahagikan kepada:
a.Aloi suhu tinggi untuk panduan
Deflektor adalah salah satu bahagian enjin turbin yang paling banyak dipengaruhi oleh haba. Apabila pembakaran tidak sekata berlaku dalam kebuk pembakaran, beban pemanasan ram pemandu peringkat pertama adalah besar, yang merupakan sebab utama kerosakan ram pemandu. Suhu perkhidmatannya adalah kira-kira 100 ℃ lebih tinggi daripada bilah turbin. Perbezaannya ialah bahagian statik tidak tertakluk kepada beban mekanikal. Biasanya, ia adalah mudah untuk menyebabkan tekanan haba, herotan, retak keletihan haba dan pembakaran tempatan yang disebabkan oleh perubahan suhu yang cepat. Aloi ram pemandu hendaklah mempunyai ciri-ciri berikut: kekuatan suhu tinggi yang mencukupi, prestasi rayapan kekal dan prestasi kelesuan haba yang baik, rintangan pengoksidaan yang tinggi dan prestasi kakisan haba, tegasan haba dan rintangan getaran, keupayaan ubah bentuk lenturan, prestasi pengacuan proses tuangan yang baik dan kebolehkimpalan, dan prestasi perlindungan salutan.
Pada masa ini, kebanyakan enjin canggih dengan nisbah tujahan/berat yang tinggi menggunakan bilah tuang berongga, dan aloi super berasaskan nikel kristal berarah dan tunggal dipilih. Enjin dengan nisbah berat tujahan tinggi mempunyai suhu tinggi 1650 ℃ - 1930 ℃ dan perlu dilindungi oleh salutan penebat haba. Suhu perkhidmatan aloi bilah di bawah keadaan perlindungan penyejukan dan salutan adalah lebih daripada 1100 ℃, yang mengemukakan keperluan baharu dan lebih tinggi untuk kos ketumpatan suhu bahan bilah panduan pada masa hadapan.
b. Aloi super untuk bilah turbin
Bilah turbin adalah bahagian utama berputar galas haba bagi enjin aero. Suhu operasinya ialah 50 ℃ - 100 ℃ lebih rendah daripada bilah panduan. Mereka menanggung tegasan emparan yang hebat, tegasan getaran, tegasan terma, penyedutan aliran udara dan kesan lain apabila berputar, dan keadaan kerja adalah lemah. Hayat perkhidmatan komponen hujung panas enjin dengan nisbah tujahan/berat tinggi adalah lebih daripada 2000j. 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 keliatan hentaman yang mencukupi, dan kepekaan takuk; Rintangan pengoksidaan yang tinggi dan rintangan kakisan; Kekonduksian terma yang baik dan pekali pengembangan linear yang rendah; Prestasi proses pemutus yang baik; Kestabilan struktur jangka panjang, tiada kerpasan fasa TCP pada suhu perkhidmatan. Aloi yang digunakan melalui empat peringkat; Aplikasi aloi cacat termasuk GH4033, GH4143, GH4118, dll; Penggunaan aloi tuangan termasuk K403, K417, K418, K405, emas terpejal arah DZ4, DZ22, aloi kristal tunggal DD3, DD8, PW1484, dll. Pada masa ini, ia telah berkembang kepada generasi ketiga aloi kristal tunggal. Aloi kristal tunggal China DD3 dan DD8 masing-masing digunakan dalam turbin, enjin turbofan, helikopter dan enjin bawaan China.
3. Aloi suhu tinggi untuk cakera turbin
Cakera turbin adalah bahagian galas berputar 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 untuk berputar pada kelajuan tinggi dan menanggung daya emparan maksimum, tegasan haba dan tegasan getaran. Setiap mula dan berhenti adalah kitaran, pusat roda. Tekak, bahagian bawah alur dan rim semuanya menanggung tegasan komposit yang berbeza. Aloi dikehendaki mempunyai kekuatan hasil tertinggi, keliatan hentaman dan tiada kepekaan takuk pada suhu perkhidmatan; Pekali pengembangan linear rendah; Pengoksidaan dan rintangan 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, dll. Aloi suhu tinggi dalam enjin roket cecair digunakan sebagai panel penyuntik ruang bahan api dalam ruang tujahan; Siku pam turbin, bebibir, pengikat kemudi grafit, dll. GH4169 digunakan sebagai bahan pemutar turbin, aci, lengan aci, pengikat dan bahagian galas penting lain.
Bahan pemutar turbin enjin roket cecair Amerika terutamanya termasuk paip masukan, bilah turbin dan cakera. Aloi GH1131 kebanyakannya digunakan di China, dan bilah turbin bergantung pada suhu kerja. Inconel x, Alloy713c, Astroloy dan Mar-M246 hendaklah digunakan berturut-turut; Bahan cakera roda termasuk Inconel 718, Waspaloy, dll. Turbin kamiran GH4169 dan GH4141 kebanyakannya digunakan, dan GH2038A digunakan untuk aci enjin.