Yüksek sıcaklık alaşımı, ısıya dayanıklı alaşım olarak da adlandırılır. Matris yapısına göre malzemeler üç kategoriye ayrılabilir: demir bazlı, nikel bazlı ve krom bazlı. Üretim yöntemine göre ise şekillendirilmiş süper alaşım ve döküm süper alaşım olarak sınıflandırılabilir.
Havacılık ve uzay alanında vazgeçilmez bir hammaddedir. Havacılık ve uzay sanayi motorlarının yüksek sıcaklık parçaları için kilit malzemedir. Başlıca yanma odası, türbin kanadı, kılavuz kanat, kompresör ve türbin diski, türbin gövdesi ve diğer parçaların üretiminde kullanılır. Çalışma sıcaklığı aralığı 600 ℃ - 1200 ℃'dir. Kullanılan parçalara göre gerilim ve çevresel koşullar değişir. Alaşımın mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri için katı gereksinimler vardır. Motorun performansı, güvenilirliği ve ömrü için belirleyici faktördür. Bu nedenle, süper alaşım, gelişmiş ülkelerde havacılık ve ulusal savunma alanlarındaki önemli araştırma projelerinden biridir.
Süper alaşımların başlıca kullanım alanları şunlardır:
1. Yanma odası için yüksek sıcaklık alaşımı
Havacılık türbin motorunun yanma odası (alev tüpü olarak da bilinir), en önemli yüksek sıcaklık bileşenlerinden biridir. Yakıt atomizasyonu, yağ ve gaz karışımı ve diğer işlemler yanma odasında gerçekleştirildiğinden, yanma odasındaki maksimum sıcaklık 1500 ℃ - 2000 ℃'ye, duvar sıcaklığı ise 1100 ℃'ye ulaşabilir. Aynı zamanda, termal gerilime ve gaz gerilimine de maruz kalır. Yüksek itme/ağırlık oranına sahip çoğu motor, kısa uzunluğa ve yüksek ısı kapasitesine sahip halka şeklinde yanma odaları kullanır. Yanma odasındaki maksimum sıcaklık 2000 ℃'ye ulaşır ve gaz filmi veya buhar soğutmasından sonra duvar sıcaklığı 1150 ℃'ye ulaşır. Çeşitli parçalar arasındaki büyük sıcaklık farkları, çalışma durumu değiştiğinde keskin bir şekilde yükselip alçalan termal gerilime neden olur. Malzeme termal şok ve termal yorulma yüküne maruz kalır ve deformasyon, çatlaklar ve diğer arızalar meydana gelir. Genellikle yanma odası sac alaşımdan yapılır ve teknik gereksinimler, belirli parçaların hizmet koşullarına göre aşağıdaki gibi özetlenir: yüksek sıcaklık alaşımı ve gaz kullanımı koşullarında belirli bir oksidasyon direncine ve gaz korozyon direncine sahip olmalıdır; belirli bir anlık ve dayanım mukavemetine, termal yorulma performansına ve düşük genleşme katsayısına sahip olmalıdır; işleme, şekillendirme ve bağlantıyı sağlamak için yeterli plastikliğe ve kaynaklanabilirliğe sahip olmalıdır; hizmet ömrü boyunca güvenilir çalışmayı sağlamak için termal döngü altında iyi bir yapısal kararlılığa sahip olmalıdır.
a. MA956 alaşımlı gözenekli laminat
İlk aşamada, gözenekli laminat, fotoğraf çekimi, aşındırma, oluk açma ve delme işlemlerinden sonra difüzyon kaynağı ile HS-188 alaşım levhadan üretilmiştir. İç katman, tasarım gereksinimlerine göre ideal bir soğutma kanalı haline getirilebilir. Bu yapısal soğutma, geleneksel film soğutmasının soğutma gazının yalnızca %30'una ihtiyaç duyar; bu da motorun termal çevrim verimliliğini artırabilir, yanma odası malzemesinin gerçek ısı taşıma kapasitesini azaltabilir, ağırlığı düşürebilir ve itme-ağırlık oranını artırabilir. Şu anda, pratik kullanıma geçmeden önce kilit teknolojinin aşılması hala gereklidir. MA956'dan yapılmış gözenekli laminat, Amerika Birleşik Devletleri tarafından tanıtılan ve 1300 ℃'de kullanılabilen yeni nesil bir yanma odası malzemesidir.
b. Seramik kompozitlerin yanma odasında uygulanması
Amerika Birleşik Devletleri, 1971 yılından beri gaz türbinlerinde seramik kullanımının fizibilitesini doğrulamaya başlamıştır. 1983 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'nde ileri malzeme geliştirme alanında çalışan bazı gruplar, gelişmiş uçaklarda kullanılan gaz türbinleri için bir dizi performans göstergesi formüle etmiştir. Bu göstergeler şunlardır: türbin giriş sıcaklığının 2200 ℃'ye çıkarılması; kimyasal hesaplamaya uygun yanma durumunda çalışılması; bu parçalara uygulanan yoğunluğun 8 g/cm³'ten 5 g/cm³'e düşürülmesi; bileşenlerin soğutulmasının ortadan kaldırılması. Bu gereksinimleri karşılamak için incelenen malzemeler arasında tek fazlı seramiklere ek olarak grafit, metal matris, seramik matris kompozitleri ve intermetalik bileşikler yer almaktadır. Seramik matris kompozitlerinin (CMC) aşağıdaki avantajları vardır:
Seramik malzemenin genleşme katsayısı nikel bazlı alaşımdan çok daha küçüktür ve kaplaması kolayca soyulabilir. Ara metal keçe ile seramik kompozitler üretmek, pul pul dökülme kusurunu giderebilir ve bu da yanma odası malzemelerinin geliştirme yönüdür. Bu malzeme %10 - %20 soğutma havası ile kullanılabilir ve metal arka yalıtımın sıcaklığı sadece yaklaşık 800 ℃'dir ve ısı taşıma sıcaklığı, divergent soğutma ve film soğutmaya göre çok daha düşüktür. V2500 motorunda dökme süper alaşım B1900+seramik kaplama koruyucu karo kullanılmaktadır ve geliştirme yönü, B1900 (seramik kaplamalı) karonun SiC bazlı kompozit veya antioksidasyonlu C/C kompozit ile değiştirilmesidir. Seramik matris kompozit, itme-ağırlık oranı 15-20 olan motor yanma odasının geliştirme malzemesidir ve çalışma sıcaklığı 1538 ℃ - 1650 ℃'dir. Alev borusu, yüzer duvar ve art yakıcıda kullanılır.
2. Türbin için yüksek sıcaklık alaşımı
Uçak motoru türbin kanadı, uçak motorunda en ağır sıcaklık yüküne ve en kötü çalışma ortamına maruz kalan bileşenlerden biridir. Yüksek sıcaklık altında çok büyük ve karmaşık gerilmelere dayanmak zorunda olduğundan, malzeme gereksinimleri çok katıdır. Uçak motoru türbin kanatları için süper alaşımlar şu şekilde sınıflandırılır:
a. Kılavuz için yüksek sıcaklık alaşımı
Türbin motorunun ısıdan en çok etkilenen parçalarından biri deflektördür. Yanma odasında düzensiz yanma meydana geldiğinde, birinci kademe kılavuz kanadının ısı yükü büyük olur ve bu da kılavuz kanadının hasar görmesinin ana nedenidir. Çalışma sıcaklığı, türbin kanadınınkinden yaklaşık 100 ℃ daha yüksektir. Aradaki fark, statik parçaların mekanik yüke maruz kalmamasıdır. Genellikle, hızlı sıcaklık değişiminden kaynaklanan termal gerilme, deformasyon, termal yorulma çatlağı ve yerel yanmaya kolayca neden olur. Kılavuz kanat alaşımının aşağıdaki özelliklere sahip olması gerekir: yeterli yüksek sıcaklık dayanımı, kalıcı sürünme performansı ve iyi termal yorulma performansı, yüksek oksidasyon direnci ve termal korozyon performansı, termal gerilme ve titreşim direnci, eğilme deformasyon yeteneği, iyi döküm prosesi kalıplama performansı ve kaynaklanabilirlik ve kaplama koruma performansı.
Şu anda, yüksek itme/ağırlık oranına sahip en gelişmiş motorların çoğu içi boş döküm kanatlar kullanmakta ve yönlü ve tek kristalli nikel bazlı süper alaşımlar seçilmektedir. Yüksek itme/ağırlık oranına sahip motorlar 1650 ℃ - 1930 ℃ gibi yüksek bir sıcaklığa sahiptir ve ısı yalıtım kaplaması ile korunması gerekmektedir. Soğutma ve kaplama koruma koşulları altında kanat alaşımının çalışma sıcaklığı 1100 ℃'nin üzerindedir; bu da gelecekte kılavuz kanat malzemesinin sıcaklık yoğunluk maliyeti için yeni ve daha yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır.
b. Türbin kanatları için süper alaşımlar
Türbin kanatları, uçak motorlarının ısı taşıyan en önemli dönen parçalarıdır. Çalışma sıcaklıkları, kılavuz kanatlardan 50 ℃ - 100 ℃ daha düşüktür. Döndüklerinde büyük merkezkaç gerilimi, titreşim gerilimi, termal gerilim, hava akımı aşındırması ve diğer etkilere maruz kalırlar ve çalışma koşulları elverişsizdir. Yüksek itme/ağırlık oranına sahip motorun sıcak uç bileşenlerinin hizmet ömrü 2000 saatten fazladır. Bu nedenle, türbin kanadı alaşımı, çalışma sıcaklığında yüksek sürünme direnci ve kopma mukavemetine, yüksek ve düşük çevrim yorulması, soğuk ve sıcak yorulması, yeterli plastiklik ve darbe tokluğu ve çentik hassasiyeti gibi iyi yüksek ve orta sıcaklık kapsamlı özelliklerine; yüksek oksidasyon direncine ve korozyon direncine; iyi ısı iletkenliğine ve düşük doğrusal genleşme katsayısına; iyi döküm proses performansına; uzun süreli yapısal kararlılığa ve çalışma sıcaklığında TCP faz çökelmesi olmamasına sahip olmalıdır. Uygulanan alaşım dört aşamadan geçer; Deforme alaşım uygulamaları arasında GH4033, GH4143, GH4118 vb. bulunur; Döküm alaşımlarının uygulama alanları arasında K403, K417, K418, K405, yönlendirilmiş katılaştırılmış altın DZ4, DZ22, tek kristal alaşım DD3, DD8, PW1484 vb. yer almaktadır. Şu anda, tek kristal alaşımların üçüncü nesline ulaşılmıştır. Çin'in tek kristal alaşımları DD3 ve DD8 sırasıyla Çin'deki türbinlerde, turbofan motorlarında, helikopterlerde ve gemi motorlarında kullanılmaktadır.
3. Türbin diski için yüksek sıcaklık alaşımı
Türbin diski, türbin motorunun en fazla gerilime maruz kalan dönen yatak parçasıdır. 8 ve 10 itme ağırlık oranına sahip motorun tekerlek flanşının çalışma sıcaklığı 650 ℃ ve 750 ℃'ye ulaşırken, tekerlek merkezinin sıcaklığı yaklaşık 300 ℃'dir ve aralarında büyük bir sıcaklık farkı vardır. Normal dönüş sırasında, kanadı yüksek hızda döndürür ve maksimum merkezkaç kuvvetine, termal gerilime ve titreşim gerilimine maruz kalır. Her başlatma ve durdurma bir döngüdür; tekerlek merkezi, boğaz, oluk tabanı ve jantı farklı bileşik gerilimlere maruz kalır. Alaşımın, çalışma sıcaklığında en yüksek akma dayanımına, darbe dayanıklılığına ve çentik hassasiyetinin olmamasına; düşük doğrusal genleşme katsayısına; belirli bir oksidasyon ve korozyon direncine; iyi kesme performansına sahip olması gerekir.
4. Havacılık ve uzay süper alaşımı
Sıvı roket motorunda kullanılan süper alaşım, itme odasındaki yanma odasının yakıt enjektör paneli; türbin pompa dirseği, flanş, grafit dümen bağlantı elemanı vb. olarak kullanılır. Yüksek sıcaklık alaşımı olan GH4169, türbin rotoru, şaft, şaft kovanı, bağlantı elemanı ve diğer önemli yatak parçalarının malzemesi olarak kullanılır.
Amerikan sıvı yakıtlı roket motorlarının türbin rotor malzemeleri esas olarak emme borusu, türbin kanadı ve diskten oluşmaktadır. Çin'de çoğunlukla GH1131 alaşımı kullanılır ve türbin kanadı çalışma sıcaklığına bağlı olarak Inconel x, Alloy713c, Astroloy ve Mar-M246 sırasıyla kullanılmalıdır; tekerlek diski malzemeleri arasında Inconel 718, Waspaloy vb. bulunur. GH4169 ve GH4141 entegre türbinler çoğunlukla kullanılır ve GH2038A motor mili için kullanılır.