Legura za visoke temperature naziva se i legura toplinske čvrstoće. Prema strukturi matrice, materijali se mogu podijeliti u tri kategorije: na bazi željeza, na bazi nikla i na bazi kroma. Prema načinu proizvodnje, može se podijeliti na deformirane superlegure i lijevane superlegure.
Nezamjenjiva je sirovina u području zrakoplovstva. To je ključni materijal za visokotemperaturni dio motora za svemirsku i zrakoplovnu proizvodnju. Uglavnom se koristi za proizvodnju komore za izgaranje, turbinske lopatice, vodeće lopatice, kompresora i turbinskog diska, kućišta turbine i drugih dijelova. Raspon radne temperature je 600 ℃ - 1200 ℃. Naprezanje i uvjeti okoline ovise o korištenim dijelovima. Postoje strogi zahtjevi za mehanička, fizikalna i kemijska svojstva legure. To je odlučujući faktor za performanse, pouzdanost i vijek trajanja motora. Stoga je superlegura jedan od ključnih istraživačkih projekata u područjima zrakoplovne i svemirske obrane u razvijenim zemljama.
Glavne primjene superlegura su:
1. Visokotemperaturna legura za komoru za izgaranje
Komora za izgaranje (poznata i kao plamena cijev) zrakoplovnog turbinskog motora jedna je od ključnih visokotemperaturnih komponenti. Budući da se atomizacija goriva, miješanje ulja i plina i drugi procesi odvijaju u komori za izgaranje, maksimalna temperatura u komori za izgaranje može doseći 1500 ℃ - 2000 ℃, a temperatura stijenke u komori za izgaranje može doseći 1100 ℃. U isto vrijeme, također podnosi toplinski stres i plinski stres. Većina motora s visokim omjerom potiska/težine koristi prstenaste komore za izgaranje, koje imaju malu duljinu i visok toplinski kapacitet. Maksimalna temperatura u komori za izgaranje doseže 2000 ℃, a temperatura stijenke doseže 1150 ℃ nakon plinskog filma ili hlađenja parom. Veliki temperaturni gradijenti između različitih dijelova stvarat će toplinski stres, koji će naglo rasti i padati kada se promijeni radno stanje. Materijal će biti podložan toplinskom udaru i opterećenju toplinskim zamorom, te će doći do izobličenja, pukotina i drugih grešaka. Općenito, komora za izgaranje izrađena je od legure lima, a tehnički zahtjevi su sažeti kako slijedi prema uvjetima rada određenih dijelova: ima određenu otpornost na oksidaciju i otpornost na koroziju plina u uvjetima korištenja visokotemperaturne legure i plina; Ima određenu trenutnu snagu i izdržljivost, performanse toplinskog zamora i nizak koeficijent širenja; Ima dovoljno plastičnosti i sposobnosti zavarivanja da osigura obradu, oblikovanje i spajanje; Ima dobru organizacijsku stabilnost pod toplinskim ciklusom kako bi se osigurao pouzdan rad unutar životnog vijeka.
a. Porozni laminat od legure MA956
U ranoj fazi, porozni laminat bio je izrađen od lima od legure HS-188 difuzijskim lijepljenjem nakon što je bio fotografiran, urezan, užlijebljen i probijen. Unutarnji sloj može se napraviti u idealan kanal za hlađenje prema zahtjevima dizajna. Ovo hlađenje strukture treba samo 30% rashladnog plina tradicionalnog filmskog hlađenja, što može poboljšati učinkovitost toplinskog ciklusa motora, smanjiti stvarni kapacitet toplinske nosivosti materijala komore za izgaranje, smanjiti težinu i povećati težinu potiska omjer. Trenutačno je još uvijek potrebno probiti ključnu tehnologiju prije nego što se može staviti u praktičnu upotrebu. Porozni laminat izrađen od MA956 nova je generacija materijala za komore za izgaranje koji su predstavile Sjedinjene Države, a koji se može koristiti na 1300 ℃.
b. Primjena keramičkih kompozita u komori za izgaranje
Sjedinjene Države počele su provjeravati izvedivost korištenja keramike za plinske turbine od 1971. Godine 1983. neke skupine koje su se bavile razvojem naprednih materijala u Sjedinjenim Državama formulirale su niz pokazatelja učinka za plinske turbine koje se koriste u naprednim zrakoplovima. Ovi pokazatelji su: povećati ulaznu temperaturu turbine na 2200 ℃; Raditi pod stanjem izgaranja kemijskog proračuna; Smanjite gustoću nanesenu na te dijelove s 8g/cm3 na 5g/cm3; Otkažite hlađenje komponenti. Kako bi se ispunili ovi zahtjevi, proučavani materijali uključuju grafit, metalnu matricu, kompozite keramičke matrice i intermetalne spojeve uz jednofaznu keramiku. Keramički matrični kompoziti (CMC) imaju sljedeće prednosti:
Koeficijent širenja keramičkog materijala mnogo je manji nego kod legure na bazi nikla, a premaz se lako skida. Izrada keramičkih kompozita sa srednjim metalnim filcom može prevladati nedostatak ljuštenja, što je smjer razvoja materijala komore za izgaranje. Ovaj materijal se može koristiti s 10% - 20% zraka za hlađenje, a temperatura metalne stražnje izolacije je samo oko 800 ℃, a temperatura prijenosa topline daleko je niža od one kod divergentnog hlađenja i hlađenja filmom. Lijevana superlegura B1900+zaštitna pločica s keramičkim premazom koristi se u V2500 motoru, a smjer razvoja je zamjena B1900 (s keramičkim premazom) pločica kompozitom na bazi SiC ili antioksidacijskim C/C kompozitom. Kompozit s keramičkom matricom je razvojni materijal komore za izgaranje motora s omjerom težine potiska od 15-20, a njegova radna temperatura je 1538 ℃ - 1650 ℃. Koristi se za plamenu cijev, plutajući zid i naknadno izgaranje.
2. Visokotemperaturna legura za turbinu
Lopatica turbine zrakoplovnog motora je jedna od komponenti koja podnosi najveće temperaturno opterećenje i najgore radno okruženje u zrakoplovnom motoru. Mora podnijeti vrlo velika i složena opterećenja pod visokom temperaturom, tako da su zahtjevi za materijal vrlo strogi. Superlegure za lopatice turbina zrakoplovnih motora dijele se na:
a. Visokotemperaturna legura za vodilicu
Deflektor je jedan od dijelova turbinskog motora na koji toplina najviše utječe. Kada dođe do neravnomjernog izgaranja u komori za izgaranje, grijaće opterećenje lopatice prvog stupnja je veliko, što je glavni razlog oštećenja lopatice. Njegova radna temperatura je oko 100 ℃ viša od one lopatice turbine. Razlika je u tome što statični dijelovi nisu podložni mehaničkom opterećenju. Obično je lako izazvati toplinski stres, izobličenje, pukotinu uslijed toplinskog zamora i lokalnu opeklinu uzrokovanu brzom temperaturnom promjenom. Legura vodeće lopatice mora imati sljedeća svojstva: dostatnu čvrstoću pri visokim temperaturama, trajnu izvedbu puzanja i dobru izvedbu toplinskog zamora, visoku otpornost na oksidaciju i toplinsku koroziju, otpornost na toplinsko naprezanje i vibracije, sposobnost deformacije savijanja, dobru izvedbu procesa lijevanja i zavarljivost, i učinak zaštite premaza.
Trenutačno najnapredniji motori s visokim omjerom potiska/težine koriste šuplje lijevane lopatice, a odabrane su usmjerene i monokristalne superlegure na bazi nikla. Motor s visokim omjerom potiska i težine ima visoku temperaturu od 1650 ℃ - 1930 ℃ i treba ga zaštititi toplinsko izolacijskim premazom. Radna temperatura legure lopatice u uvjetima hlađenja i zaštite premaza je više od 1100 ℃, što postavlja nove i veće zahtjeve za trošak temperaturne gustoće materijala lopatice vodilice u budućnosti.
b. Superlegure za turbinske lopatice
Lopatice turbine ključni su rotirajući dijelovi zrakoplovnih motora koji nose toplinu. Njihova radna temperatura je 50 ℃ - 100 ℃ niža od vodećih noževa. Podnose veliko centrifugalno naprezanje, naprezanje vibracija, toplinsko naprezanje, struganje zraka i druge učinke pri rotaciji, a radni uvjeti su loši. Životni vijek komponenti vrućeg dijela motora s visokim omjerom potiska/težine je više od 2000 sati. Stoga legura lopatice turbine mora imati visoku otpornost na puzanje i čvrstoću na kidanje pri radnoj temperaturi, dobra sveobuhvatna svojstva na visokim i srednjim temperaturama, kao što su zamor pri visokom i niskom ciklusu, zamor na hladno i vruće, dovoljnu plastičnost i udarnu žilavost te osjetljivost na zareze; Visoka otpornost na oksidaciju i koroziju; Dobra toplinska vodljivost i nizak koeficijent linearne ekspanzije; Dobre performanse procesa lijevanja; Dugoročna strukturna stabilnost, nema taloženja TCP faze na radnoj temperaturi. Primijenjena legura prolazi kroz četiri faze; Primjene deformiranih legura uključuju GH4033, GH4143, GH4118 itd.; Primjena legure za lijevanje uključuje K403, K417, K418, K405, usmjereno skrućeno zlato DZ4, DZ22, monokristalnu leguru DD3, DD8, PW1484 itd. Trenutačno se razvila u treću generaciju monokristalnih legura. Kineska monokristalna legura DD3 i DD8 koristi se u kineskim turbinama, turboventilatorskim motorima, helikopterima i brodskim motorima.
3. Visokotemperaturna legura za turbinski disk
Disk turbine je najopterećeniji rotirajući nosivi dio turbinskog motora. Radna temperatura prirubnice kotača motora s omjerom težine potiska od 8 i 10 doseže 650 ℃ i 750 ℃, a temperatura središta kotača je oko 300 ℃, s velikom temperaturnom razlikom. Tijekom normalne rotacije, tjera oštricu da se okreće velikom brzinom i podnosi maksimalnu centrifugalnu silu, toplinsko naprezanje i naprezanje vibracija. Svako pokretanje i zaustavljanje je ciklus, središte kotača. Grlo, dno utora i rub podnose različita kompozitna naprezanja. Zahtijeva se da legura ima najveću granicu tečenja, udarnu žilavost i neosjetljivost na zareze na radnoj temperaturi; Niski koeficijent linearne ekspanzije; Određena otpornost na oksidaciju i koroziju; Dobre performanse rezanja.
4. Zrakoplovna superlegura
Superlegura u raketnom motoru na tekuće gorivo koristi se kao ploča za ubrizgavanje goriva komore za izgaranje u potisnoj komori; Koljeno turbinske pumpe, prirubnica, grafitni pričvršćivač kormila, itd. Visokotemperaturna legura u raketnom motoru na tekuće gorivo koristi se kao ploča injektora komore za gorivo u potisnoj komori; Koljeno turbinske pumpe, prirubnica, grafitni pričvršćivač kormila, itd. GH4169 se koristi kao materijal rotora turbine, osovine, rukavca osovine, pričvršćivača i drugih važnih dijelova ležaja.
Materijali rotora turbine američkog raketnog motora na tekuće gorivo uglavnom uključuju usisnu cijev, lopaticu turbine i disk. Legura GH1131 uglavnom se koristi u Kini, a lopatica turbine ovisi o radnoj temperaturi. Inconel x, Alloy713c, Astroloy i Mar-M246 trebaju se koristiti sukcesivno; Materijali diskova kotača uključuju Inconel 718, Waspaloy itd. Uglavnom se koriste integralne turbine GH4169 i GH4141, a za osovinu motora GH2038A.