Yüksek sıcaklık alaşımına ısıya dayanıklı alaşım da denir. Matris yapısına göre malzemeler üç kategoriye ayrılabilir: demir bazlı, nikel bazlı ve krom bazlı. Üretim şekline göre deforme süper alaşım ve döküm süper alaşım olarak ikiye ayrılabilir.
Havacılık alanında vazgeçilmez bir hammaddedir. Havacılık ve havacılık imalat motorlarının yüksek sıcaklık kısmı için anahtar malzemedir. Esas olarak yanma odası, türbin kanadı, kılavuz kanadı, kompresör ve türbin diski, türbin kasası ve diğer parçaların imalatında kullanılır. Servis sıcaklığı aralığı 600 ⁰ - 1200 ⁰'dir. Stres ve çevre koşulları kullanılan parçalara göre değişir. Alaşımın mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerine ilişkin katı gereksinimler vardır. Motorun performansı, güvenilirliği ve ömrü için belirleyici faktördür. Bu nedenle süperalaşım, gelişmiş ülkelerde havacılık ve uzay ve ulusal savunma alanlarındaki önemli araştırma projelerinden biridir.
Süper alaşımların ana uygulamaları şunlardır:
1. Yanma odası için yüksek sıcaklık alaşımı
Havacılık türbin motorunun yanma odası (alev tüpü olarak da bilinir), yüksek sıcaklıktaki önemli bileşenlerden biridir. Yakıt atomizasyonu, yağ ve gaz karıştırma ve diğer işlemler yanma odasında gerçekleştirildiğinden, yanma odasındaki maksimum sıcaklık 1500 ℉ - 2000 ℉'ye, yanma odasındaki duvar sıcaklığı 1100 ℉'ye ulaşabilir. Aynı zamanda termal stres ve gaz stresini de taşır. Yüksek itme/ağırlık oranına sahip çoğu motor, kısa uzunlukta ve yüksek ısı kapasitesi olan halka şeklinde yanma odaları kullanır. Yanma odasındaki maksimum sıcaklık 2000 ° C'ye ulaşır ve gaz filmi veya buhar soğutmasından sonra duvar sıcaklığı 1150 ° C'ye ulaşır. Çeşitli parçalar arasındaki büyük sıcaklık farkları, çalışma durumu değiştiğinde keskin bir şekilde yükselip düşecek olan termal stres oluşturacaktır. Malzeme termal şoka ve termal yorulma yüküne maruz kalacak ve çarpılma, çatlak ve diğer arızalar meydana gelecektir. Genellikle yanma odası alaşımlı sacdan yapılır ve belirli parçaların servis koşullarına göre teknik gereksinimler aşağıdaki şekilde özetlenir: yüksek sıcaklıkta alaşım ve gaz kullanma koşulları altında belirli oksidasyon direncine ve gaz korozyon direncine sahiptir; Belirli anlık ve dayanıklılık mukavemetine, termal yorulma performansına ve düşük genleşme katsayısına sahiptir; İşleme, şekillendirme ve bağlantıyı sağlayacak yeterli plastisite ve kaynak kabiliyetine sahiptir; Hizmet ömrü boyunca güvenilir çalışmayı sağlamak için termal döngü altında iyi bir organizasyonel stabiliteye sahiptir.
A. MA956 alaşımlı gözenekli laminat
İlk aşamada, gözenekli laminat, fotoğrafı çekildikten, kazındıktan, yiv açıldıktan ve zımbalandıktan sonra difüzyonla birleştirme yoluyla HS-188 alaşımlı levhadan yapıldı. İç katman, tasarım gereksinimlerine göre ideal bir soğutma kanalı haline getirilebilir. Bu yapı soğutması, geleneksel film soğutmanın soğutma gazının yalnızca %30'una ihtiyaç duyar; bu, motorun termal çevrim verimliliğini artırabilir, yanma odası malzemesinin gerçek ısı taşıma kapasitesini azaltabilir, ağırlığı azaltabilir ve itme ağırlığını artırabilir. oran. Şu anda, pratik kullanıma sunulmadan önce temel teknolojiyi aşmak hâlâ gerekli. MA956'dan yapılmış gözenekli laminat, Amerika Birleşik Devletleri tarafından tanıtılan ve 1300 ⁰'de kullanılabilen yeni nesil bir yanma odası malzemesidir.
B. Yanma odasında seramik kompozitlerin uygulanması
Amerika Birleşik Devletleri 1971 yılından bu yana gaz türbinlerinde seramik kullanımının fizibilitesini doğrulamaya başlamıştır. 1983 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde ileri malzemelerin geliştirilmesiyle uğraşan bazı gruplar, gelişmiş uçaklarda kullanılan gaz türbinleri için bir dizi performans göstergesi formüle etmiştir. Bu göstergeler şunlardır: Türbin giriş sıcaklığının 2200 °C'ye çıkarılması; Kimyasal hesaplamanın yanma durumu altında çalışın; Bu parçalara uygulanan yoğunluğu 8g/cm3'ten 5g/cm3'e düşürün; Bileşenlerin soğutulmasını iptal edin. Bu gereksinimleri karşılamak amacıyla üzerinde çalışılan malzemeler arasında tek fazlı seramiklerin yanı sıra grafit, metal matris, seramik matris kompozitler ve intermetalik bileşikler de yer almaktadır. Seramik matrisli kompozitler (CMC) aşağıdaki avantajlara sahiptir:
Seramik malzemenin genleşme katsayısı nikel bazlı alaşımdan çok daha küçüktür ve kaplamanın soyulması kolaydır. Ara metal keçe ile seramik kompozitler yapmak, yanma odası malzemelerinin gelişim yönü olan pullanma kusurunun üstesinden gelebilir. Bu malzeme %10 - %20 soğutma havasıyla kullanılabilir ve metal arka yalıtımın sıcaklığı yalnızca yaklaşık 800 °C'dir ve ısı taşıma sıcaklığı, farklı soğutma ve film soğutmanınkinden çok daha düşüktür. V2500 motorda dökme süper alaşım B1900+seramik kaplama koruyucu karo kullanılır ve geliştirme yönü, B1900 (seramik kaplamalı) karonun SiC bazlı kompozit veya oksidasyon önleyici C/C kompozit ile değiştirilmesidir. Seramik matrisli kompozit, 15-20 itme ağırlık oranına sahip motor yanma odasının geliştirme malzemesidir ve servis sıcaklığı 1538 ℉ - 1650 ℉'dir. Alev tüpü, yüzer duvar ve art yakıcı için kullanılır.
2. Türbin için yüksek sıcaklık alaşımı
Uçak motoru türbin kanadı, uçak motorunda en ağır sıcaklık yükünü ve en kötü çalışma ortamını taşıyan bileşenlerden biridir. Yüksek sıcaklık altında çok büyük ve karmaşık strese dayanması gerekir, bu nedenle malzeme gereksinimleri çok katıdır. Uçak motoru türbin kanatlarına yönelik süper alaşımlar aşağıdakilere ayrılır:
a. Kılavuz için yüksek sıcaklık alaşımı
Deflektör, türbin motorunun ısıdan en çok etkilenen parçalarından biridir. Yanma odasında eşit olmayan bir yanma meydana geldiğinde, birinci kademe kılavuz kanadının ısıtma yükü büyüktür, bu da kılavuz kanadın zarar görmesinin ana nedenidir. Servis sıcaklığı türbin kanadınınkinden yaklaşık 100 ° C daha yüksektir. Aradaki fark, statik parçaların mekanik yüke maruz kalmamasıdır. Genellikle hızlı sıcaklık değişiminden kaynaklanan termal stres, distorsiyon, termal yorulma çatlağı ve lokal yanmaya neden olmak kolaydır. Kılavuz kanat alaşımı aşağıdaki özelliklere sahip olacaktır: yeterli yüksek sıcaklık dayanımı, kalıcı sürünme performansı ve iyi termal yorulma performansı, yüksek oksidasyon direnci ve termal korozyon performansı, termal stres ve titreşim direnci, bükülme deformasyon yeteneği, iyi döküm işlemi kalıplama performansı ve kaynaklanabilirlik, ve kaplama koruma performansı.
Şu anda, yüksek itme/ağırlık oranına sahip en gelişmiş motorlar içi boş döküm kanatlar kullanıyor ve yönlü ve tek kristal nikel bazlı süper alaşımlar seçiliyor. İtki-ağırlık oranı yüksek olan motor, 1650°C – 1930°C gibi yüksek bir sıcaklığa sahiptir ve ısı yalıtım kaplaması ile korunması gerekmektedir. Bıçak alaşımının soğutma ve kaplama koruma koşulları altında servis sıcaklığı 1100 ° C'nin üzerindedir; bu, gelecekte kılavuz bıçak malzemesinin sıcaklık yoğunluğu maliyeti için yeni ve daha yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır.
B. Türbin kanatları için süper alaşımlar
Türbin kanatları, uçak motorlarının ısı taşıyan önemli dönen parçalarıdır. Çalışma sıcaklıkları kılavuz bıçaklardan 50°C - 100°C daha düşüktür. Dönerken büyük merkezkaç gerilimi, titreşim gerilimi, termal gerilim, hava akışı aşınması ve diğer etkilere maruz kalırlar ve çalışma koşulları kötüdür. Motorun yüksek itme/ağırlık oranına sahip sıcak uç bileşenlerinin servis ömrü 2000 saatten fazladır. Bu nedenle, türbin kanadı alaşımı, servis sıcaklığında yüksek sürünme direncine ve kopma mukavemetine, yüksek ve düşük çevrim yorulması, soğuk ve sıcak yorulma, yeterli plastiklik ve darbe dayanıklılığı ve çentik hassasiyeti gibi iyi yüksek ve orta sıcaklıkta kapsamlı özelliklere sahip olacaktır; Yüksek oksidasyon direnci ve korozyon direnci; İyi ısı iletkenliği ve düşük doğrusal genleşme katsayısı; İyi döküm prosesi performansı; Uzun vadeli yapısal stabilite, servis sıcaklığında TCP fazı çökelmesi olmaz. Uygulanan alaşım dört aşamadan geçer; Deforme olmuş alaşım uygulamaları arasında GH4033, GH4143, GH4118 vb. yer alır; Döküm alaşımı uygulaması K403, K417, K418, K405, yönlü katılaştırılmış altın DZ4, DZ22, tek kristal alaşım DD3, DD8, PW1484 vb.'yi içerir. Şu anda üçüncü nesil tek kristal alaşımlara geliştirilmiştir. Çin'in tek kristal alaşımı DD3 ve DD8 sırasıyla Çin'in türbinlerinde, turbofan motorlarında, helikopterlerinde ve gemi motorlarında kullanılıyor.
3. Türbin diski için yüksek sıcaklık alaşımı
Türbin diski, türbin motorunun en fazla gerilime maruz kalan dönen yatak parçasıdır. Motorun tekerlek flanşının çalışma sıcaklığı, itme ağırlık oranı 8 ve 10 olan 650 ° C'ye ve 750 ° C'ye ulaşır ve tekerlek merkezinin sıcaklığı, büyük bir sıcaklık farkıyla yaklaşık 300 ° C'dir. Normal dönüş sırasında bıçağın yüksek hızda dönmesini sağlar ve maksimum merkezkaç kuvvetini, termal gerilimi ve titreşim gerilimini taşır. Her başlama ve durma bir döngüdür, tekerlek merkezidir. Boğaz, oluk tabanı ve jantın tümü farklı kompozit gerilimlere sahiptir. Alaşımın servis sıcaklığında en yüksek akma mukavemetine, darbe tokluğuna ve çentik hassasiyetine sahip olmaması gerekir; Düşük doğrusal genleşme katsayısı; Belirli oksidasyon ve korozyon direnci; İyi kesme performansı.
4. Havacılık süper alaşımı
Sıvı roket motorundaki süper alaşım, itme odasındaki yanma odasının yakıt enjektör paneli olarak kullanılır; Türbin pompa dirseği, flanş, grafit dümen bağlantı elemanı vb. Sıvı roket motorunda yüksek sıcaklık alaşımı, itme odasındaki yakıt odası enjektör paneli olarak kullanılır; Türbin pompa dirseği, flanş, grafit dümen bağlantı elemanı vb. GH4169, türbin rotoru, şaft, şaft manşonu, bağlantı elemanı ve diğer önemli yatak parçalarının malzemesi olarak kullanılır.
Amerikan sıvı roket motorunun türbin rotoru malzemeleri esas olarak emme borusu, türbin kanadı ve diskten oluşur. GH1131 alaşımı çoğunlukla Çin'de kullanılır ve türbin kanadı çalışma sıcaklığına bağlıdır. Inconel x, Alloy713c, Astroloy ve Mar-M246 sırasıyla kullanılmalıdır; Tekerlek diski malzemeleri arasında Inconel 718, Waspaloy vb. bulunur. Çoğunlukla GH4169 ve GH4141 entegre türbinler kullanılır ve motor şaftı için GH2038A kullanılır.