Hợp kim nhiệt độ cao còn được gọi là hợp kim cường độ nhiệt. Theo cấu trúc ma trận, vật liệu có thể được chia thành ba loại: dựa trên niken và dựa trên crom. Theo phương thức sản xuất, nó có thể được chia thành siêu hợp kim biến dạng và siêu hợp kim đúc.
Nó là nguyên liệu thô không thể thiếu trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Nó là vật liệu chính cho bộ phận nhiệt độ cao của động cơ sản xuất hàng không và hàng không. Nó chủ yếu được sử dụng để sản xuất buồng đốt, lưỡi tuabin, lưỡi dẫn hướng, máy nén và đĩa tuabin, vỏ tuabin và các bộ phận khác. Phạm vi nhiệt độ dịch vụ là 600oC - 1200oC. Ứng suất và điều kiện môi trường thay đổi tùy theo bộ phận được sử dụng. Có những yêu cầu nghiêm ngặt về tính chất cơ học, vật lý và hóa học của hợp kim. Nó là yếu tố quyết định đến hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ. Vì vậy, siêu hợp kim là một trong những dự án nghiên cứu trọng điểm trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và quốc phòng ở các nước phát triển.
Các ứng dụng chính của siêu hợp kim là:
1. Hợp kim nhiệt độ cao cho buồng đốt
Buồng đốt (còn gọi là ống lửa) của động cơ tuốc bin hàng không là một trong những bộ phận chịu nhiệt độ cao quan trọng. Do quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu, trộn dầu khí và các quá trình khác được thực hiện trong buồng đốt, nhiệt độ tối đa trong buồng đốt có thể đạt tới 1500oC - 2000oC và nhiệt độ thành buồng đốt có thể đạt tới 1100oC. Đồng thời, nó cũng chịu ứng suất nhiệt và ứng suất khí. Hầu hết các động cơ có tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng cao đều sử dụng buồng đốt hình khuyên, chiều dài ngắn và khả năng sinh nhiệt cao. Nhiệt độ tối đa trong buồng đốt đạt 2000oC và nhiệt độ thành đạt 1150oC sau khi làm mát màng khí hoặc hơi nước. Độ dốc nhiệt độ lớn giữa các bộ phận khác nhau sẽ tạo ra ứng suất nhiệt, ứng suất này sẽ tăng và giảm mạnh khi trạng thái làm việc thay đổi. Vật liệu sẽ chịu sốc nhiệt và tải mỏi do nhiệt, biến dạng, nứt và các lỗi khác. Nói chung, buồng đốt được làm bằng hợp kim tấm, và các yêu cầu kỹ thuật được tóm tắt như sau theo điều kiện sử dụng của các bộ phận cụ thể: nó có khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn khí nhất định trong điều kiện sử dụng hợp kim và khí ở nhiệt độ cao; Nó có độ bền tức thời và độ bền nhất định, hiệu suất mỏi nhiệt và hệ số giãn nở thấp; Nó có đủ độ dẻo và khả năng hàn để đảm bảo xử lý, tạo hình và kết nối; Nó có sự ổn định tổ chức tốt trong chu kỳ nhiệt để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong thời gian sử dụng.
Một. Tấm xốp hợp kim MA956
Ở giai đoạn đầu, tấm xốp được làm bằng tấm hợp kim HS-188 bằng liên kết khuếch tán sau khi được chụp ảnh, khắc, tạo rãnh và đục lỗ. Lớp bên trong có thể được chế tạo thành kênh làm mát lý tưởng theo yêu cầu thiết kế. Cấu trúc làm mát này chỉ cần 30% khí làm mát của làm mát màng truyền thống, có thể cải thiện hiệu suất chu trình nhiệt của động cơ, giảm khả năng chịu nhiệt thực tế của vật liệu buồng đốt, giảm trọng lượng và tăng trọng lượng lực đẩy. tỷ lệ. Hiện tại, vẫn cần phải đột phá công nghệ chủ chốt mới có thể đưa vào sử dụng thực tế. Tấm xốp làm bằng MA956 là vật liệu buồng đốt thế hệ mới được Hoa Kỳ giới thiệu, có thể sử dụng ở nhiệt độ 1300oC.
b. Ứng dụng vật liệu composite gốm trong buồng đốt
Hoa Kỳ đã bắt đầu xác minh tính khả thi của việc sử dụng gốm cho tua bin khí từ năm 1971. Năm 1983, một số nhóm tham gia phát triển vật liệu tiên tiến ở Hoa Kỳ đã xây dựng một loạt chỉ số hiệu suất cho tua bin khí được sử dụng trong máy bay tiên tiến. Các chỉ số này là: tăng nhiệt độ đầu vào tuabin lên 2200oC; Vận hành ở trạng thái cháy tính toán hóa học; Giảm mật độ áp dụng cho các bộ phận này từ 8g/cm3 xuống 5g/cm3; Hủy bỏ việc làm mát các bộ phận. Để đáp ứng các yêu cầu này, các vật liệu được nghiên cứu bao gồm than chì, ma trận kim loại, vật liệu tổng hợp ma trận gốm và các hợp chất liên kim loại ngoài gốm sứ một pha. Vật liệu tổng hợp ma trận gốm (CMC) có những ưu điểm sau:
Hệ số giãn nở của vật liệu gốm nhỏ hơn nhiều so với hợp kim gốc niken và lớp phủ dễ bong tróc. Chế tạo vật liệu composite gốm bằng nỉ kim loại trung gian có thể khắc phục được khuyết điểm bong tróc là hướng phát triển của vật liệu buồng đốt. Vật liệu này có thể được sử dụng với không khí làm mát 10% - 20%, nhiệt độ của lớp cách nhiệt mặt sau bằng kim loại chỉ khoảng 800oC, nhiệt độ chịu nhiệt thấp hơn nhiều so với làm mát phân kỳ và làm mát màng. Gạch bảo vệ phủ gốm siêu hợp kim B1900+ đúc được sử dụng cho động cơ V2500 và hướng phát triển là thay thế gạch B1900 (có phủ gốm) bằng composite gốc SiC hoặc composite C/C chống oxy hóa. Hỗn hợp ma trận gốm là vật liệu phát triển buồng đốt động cơ với tỷ lệ trọng lượng lực đẩy là 15-20 và nhiệt độ sử dụng của nó là 1538oC - 1650oC. Nó được sử dụng cho ống lửa, tường nổi và buồng đốt sau.
2. Hợp kim nhiệt độ cao cho tuabin
Cánh tuabin động cơ máy bay là một trong những bộ phận chịu tải nhiệt độ khắc nghiệt nhất và môi trường làm việc tồi tệ nhất trong động cơ máy bay. Nó phải chịu ứng suất rất lớn và phức tạp dưới nhiệt độ cao nên yêu cầu về vật liệu rất nghiêm ngặt. Các siêu hợp kim cho cánh tuabin động cơ máy bay được chia thành:
a. Hợp kim nhiệt độ cao để hướng dẫn
Bộ làm lệch hướng là một trong những bộ phận của động cơ tua bin chịu tác động nhiều nhất của nhiệt. Khi quá trình cháy không đều xảy ra trong buồng đốt, tải nhiệt của cánh dẫn hướng giai đoạn đầu lớn, đây là nguyên nhân chính khiến cánh dẫn hướng bị hỏng. Nhiệt độ sử dụng của nó cao hơn nhiệt độ của lưỡi tuabin khoảng 100oC. Sự khác biệt là các bộ phận tĩnh không chịu tải trọng cơ học. Thông thường, dễ gây ra ứng suất nhiệt, biến dạng, nứt do mỏi nhiệt và cháy cục bộ do thay đổi nhiệt độ nhanh. Hợp kim cánh dẫn hướng phải có các đặc tính sau: đủ độ bền nhiệt độ cao, hiệu suất leo vĩnh viễn và hiệu suất mỏi nhiệt tốt, khả năng chống oxy hóa cao và hiệu suất ăn mòn nhiệt, ứng suất nhiệt và khả năng chống rung, khả năng biến dạng uốn, hiệu suất đúc và khả năng hàn của quá trình đúc tốt, và hiệu suất bảo vệ lớp phủ.
Hiện nay, hầu hết các động cơ tiên tiến có tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng cao đều sử dụng các cánh đúc rỗng và các siêu hợp kim dựa trên niken định hướng và đơn tinh thể được lựa chọn. Động cơ có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cao có nhiệt độ cao 1650 oC - 1930 oC và cần được bảo vệ bằng lớp phủ cách nhiệt. Nhiệt độ sử dụng của hợp kim lưỡi trong điều kiện làm mát và bảo vệ lớp phủ là hơn 1100oC, điều này đặt ra các yêu cầu mới và cao hơn về chi phí mật độ nhiệt độ của vật liệu lưỡi dẫn hướng trong tương lai.
b. Siêu hợp kim cho cánh tuabin
Cánh tuabin là bộ phận quay chịu nhiệt quan trọng của động cơ máy bay. Nhiệt độ hoạt động của chúng thấp hơn 50oC - 100oC so với lưỡi dẫn hướng. Chúng chịu ứng suất ly tâm lớn, ứng suất rung, ứng suất nhiệt, luồng không khí cọ rửa và các tác động khác khi quay và điều kiện làm việc kém. Tuổi thọ của các bộ phận đầu nóng của động cơ có tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng cao là hơn 2000 giờ. Do đó, hợp kim cánh tuabin phải có khả năng chống rão và độ bền đứt cao ở nhiệt độ sử dụng, các đặc tính toàn diện ở nhiệt độ cao và trung bình tốt, chẳng hạn như độ mỏi chu kỳ cao và thấp, mỏi lạnh và nóng, đủ độ dẻo và độ bền va đập, và độ nhạy khía; Khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn cao; Độ dẫn nhiệt tốt và hệ số giãn nở tuyến tính thấp; Hiệu suất quá trình đúc tốt; Độ ổn định cấu trúc lâu dài, không có kết tủa pha TCP ở nhiệt độ sử dụng. Hợp kim ứng dụng trải qua bốn giai đoạn; Các ứng dụng hợp kim bị biến dạng bao gồm GH4033, GH4143, GH4118, v.v; Ứng dụng của hợp kim đúc bao gồm K403, K417, K418, K405, vàng đông đặc theo hướng DZ4, DZ22, hợp kim đơn tinh thể DD3, DD8, PW1484, v.v. Hiện tại, nó đã phát triển đến thế hệ thứ ba của hợp kim đơn tinh thể. Hợp kim đơn tinh thể DD3 và DD8 của Trung Quốc lần lượt được sử dụng trong các tua-bin, động cơ phản lực cánh quạt, máy bay trực thăng và động cơ tàu thủy của Trung Quốc.
3. Hợp kim nhiệt độ cao cho đĩa tuabin
Đĩa tuabin là bộ phận chịu lực quay chịu lực lớn nhất của động cơ tuabin. Nhiệt độ làm việc của mặt bích bánh xe của động cơ với tỷ lệ trọng lượng lực đẩy là 8 và 10 đạt 650oC và 750oC, và nhiệt độ của tâm bánh xe là khoảng 300oC, có chênh lệch nhiệt độ lớn. Trong quá trình quay bình thường, nó điều khiển lưỡi dao quay với tốc độ cao và chịu lực ly tâm, ứng suất nhiệt và ứng suất rung tối đa. Mỗi lần khởi động và dừng lại là một vòng quay, tâm bánh xe. Cổ họng, đáy rãnh và vành đều chịu các ứng suất tổng hợp khác nhau. Hợp kim được yêu cầu phải có cường độ năng suất cao nhất, độ bền va đập và không có độ nhạy khía ở nhiệt độ sử dụng; Hệ số giãn nở tuyến tính thấp; Một số khả năng chống oxy hóa và ăn mòn; Hiệu suất cắt tốt.
4. Siêu hợp kim hàng không vũ trụ
Siêu hợp kim trong động cơ tên lửa lỏng được dùng làm bảng phun nhiên liệu của buồng đốt trong buồng đẩy; Khuỷu tay bơm tuabin, mặt bích, dây buộc bánh lái bằng than chì, v.v. Hợp kim nhiệt độ cao trong động cơ tên lửa lỏng được sử dụng làm bảng phun buồng nhiên liệu trong buồng đẩy; Khuỷu tay bơm tuabin, mặt bích, dây buộc bánh lái bằng than chì, v.v. GH4169 được sử dụng làm vật liệu của rôto tuabin, trục, ống bọc trục, dây buộc và các bộ phận ổ trục quan trọng khác.
Vật liệu rôto tuabin của động cơ tên lửa lỏng của Mỹ chủ yếu bao gồm ống nạp, cánh tuabin và đĩa. Hợp kim GH1131 chủ yếu được sử dụng ở Trung Quốc và lưỡi tuabin phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc. Nên sử dụng liên tiếp Inconel x, Alloy713c, Astroloy và Mar-M246; Các vật liệu đĩa bánh xe bao gồm Inconel 718, Waspaloy, v.v. Tua bin tích hợp GH4169 và GH4141 hầu hết được sử dụng và GH2038A được sử dụng cho trục động cơ.