Hợp kim chịu nhiệt độ cao còn được gọi là hợp kim cường độ nhiệt. Theo cấu trúc nền, vật liệu có thể được chia thành ba loại: gốc sắt, gốc niken và gốc crom. Theo phương thức sản xuất, nó có thể được chia thành siêu hợp kim biến dạng và siêu hợp kim đúc.
Đây là nguyên liệu thô không thể thiếu trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Nó là vật liệu chủ chốt cho các bộ phận chịu nhiệt độ cao của động cơ hàng không vũ trụ. Nó chủ yếu được sử dụng để chế tạo buồng đốt, cánh tuabin, cánh dẫn hướng, đĩa nén và tuabin, vỏ tuabin và các bộ phận khác. Phạm vi nhiệt độ hoạt động là 600 ℃ - 1200 ℃. Điều kiện ứng suất và môi trường thay đổi tùy thuộc vào các bộ phận được sử dụng. Có những yêu cầu nghiêm ngặt đối với các tính chất cơ học, vật lý và hóa học của hợp kim. Đây là yếu tố quyết định đến hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ. Do đó, 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 hợp kim siêu bền là:
1. Hợp kim chịu nhiệt cao dùng cho buồng đốt
Buồng đốt (còn gọi là ống dẫn lửa) của động cơ tuabin hàng không là một trong những bộ phận chịu nhiệt độ cao quan trọng. Do quá trình phun nhiên liệu, trộn dầu và khí cùng các quá trình khác diễn ra trong buồng đốt, nhiệt độ tối đa trong buồng đốt có thể đạt từ 1500 ℃ đến 2000 ℃, và nhiệt độ thành buồng đốt có thể lên đến 1100 ℃. 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 vành khuyên, có chiều dài ngắn và dung tích nhiệt cao. Nhiệt độ tối đa trong buồng đốt đạt đến 2000 ℃, và nhiệt độ thành buồng đốt đạt đến 1150 ℃ sau khi làm mát bằng màng khí hoặc hơi nước. Sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các bộ phận khác nhau sẽ tạo ra ứng suất nhiệt, ứng suất này sẽ tăng và giảm đột ngột khi trạng thái làm việc thay đổi. Vật liệu sẽ chịu sốc nhiệt và tải trọng mỏi nhiệt, dẫn đến biến dạng, nứt vỡ và các lỗi khác. Nhìn chung, buồng đốt được làm bằng hợp kim tấm, và các yêu cầu kỹ thuật được tóm tắt như sau tùy theo điều kiện sử dụng của từng bộ phận cụ thể: có khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn khí nhất định trong điều kiện sử dụng hợp kim chịu nhiệt độ cao và khí; có độ bền tức thời và độ bền kéo, khả năng chịu mỏi nhiệt và hệ số giãn nở thấp nhất định; có đủ độ dẻo và khả năng hàn để đảm bảo gia công, tạo hình và kết nối; có độ ổn định cấu trúc tốt dưới chu kỳ nhiệt để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong suốt vòng đời sử dụng.
a. Tấm nhiều lớp xốp hợp kim MA956
Ở giai đoạn đầu, tấm nhiều lớp xốp được chế tạo từ tấm hợp kim HS-188 bằng phương pháp liên kết khuếch tán sau khi được chụp ảnh, khắc, tạo rãnh và đột lỗ. Lớp bên trong có thể được tạo thành kênh làm mát lý tưởng theo yêu cầu thiết kế. Cấu trúc làm mát này chỉ cần 30% lượng khí làm mát so với phương pháp làm mát màng truyền thống, giúp 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 tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng. Hiện nay, vẫn cần phải đột phá công nghệ then chốt trước khi có thể đưa vào sử dụng thực tế. Tấm nhiều lớp xốp làm từ MA956 là vật liệu buồng đốt thế hệ mới do Hoa Kỳ giới thiệu, có thể sử dụng ở nhiệt độ 1300 ℃.
b. Ứng dụng vật liệu composite gốm trong buồng đốt
Hoa Kỳ đã bắt đầu kiểm chứng tính khả thi của việc sử dụng gốm sứ cho tuabin khí từ năm 1971. Năm 1983, một số nhóm tham gia phát triển vật liệu tiên tiến tại Hoa Kỳ đã đưa ra một loạt các chỉ số hiệu suất cho tuabin khí được sử dụng trong máy bay tiên tiến. Các chỉ số này bao gồm: tăng nhiệt độ đầu vào tuabin lên 2200 ℃; hoạt động trong điều kiện đốt cháy theo tính toán hóa học; giảm mật độ áp dụng cho các bộ phận này từ 8g/cm3 xuống 5g/cm3; loại 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 composite ma trận gốm và hợp chất liên kim loại, ngoài gốm đơn pha. Vật liệu composite 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 bị bong tróc. Việc chế tạo vật liệu composite gốm với lớp nỉ kim loại trung gian có thể khắc phục được nhược điểm bong tróc, đây là hướng phát triển vật liệu buồng đốt. Vật liệu này có thể sử dụng với lượng không khí làm mát từ 10% - 20%, và nhiệt độ của lớp cách nhiệt kim loại phía sau chỉ khoảng 800 ℃, nhiệt độ chịu nhiệt thấp hơn nhiều so với làm mát phân kỳ và làm mát màng. Gạch bảo vệ hợp kim siêu bền đúc B1900 + lớp phủ gốm được sử dụng trong động cơ V2500, và hướng phát triển là thay thế gạch B1900 (có lớp phủ gốm) bằng vật liệu composite gốc SiC hoặc vật liệu composite C/C chống oxy hóa. Vật liệu composite nền gốm là vật liệu phát triển cho buồng đốt động cơ có tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng từ 15-20, và nhiệt độ hoạt động của nó là 1538 ℃ - 1650 ℃. Nó được sử dụng cho ống lửa, vách nổi và buồng đốt sau.
2. Hợp kim chịu nhiệt cao dùng 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, do đó yêu cầu về vật liệu rất khắt khe. Các siêu hợp kim dùng cho cánh tuabin động cơ máy bay được chia thành:
a. Hợp kim chịu nhiệt cao dùng cho dẫn hướng
Cánh dẫn hướng là một trong những bộ phận của động cơ tuabin chịu ảnh hưởng nhiệt nhiều nhất. Khi quá trình đốt cháy không đồng đều xảy ra trong buồng đốt, tải nhiệt của cánh dẫn hướng giai đoạn đầu rất lớn, đây là nguyên nhân chính gây hư hỏng cánh dẫn hướng. Nhiệt độ hoạt động của nó cao hơn khoảng 100 ℃ so với cánh tuabin. Điểm khác biệt là các bộ phận tĩnh không chịu tải trọng cơ học. Thông thường, dễ gây ra ứng suất nhiệt, biến dạng, nứt mỏi nhiệt và cháy cục bộ do thay đổi nhiệt độ nhanh. Hợp kim cánh dẫn hướng cần có các đặc tính sau: độ bền ở nhiệt độ cao đủ, khả năng chịu biến dạng dẻo vĩnh cửu và khả năng chịu mỏi nhiệt tốt, khả năng chống oxy hóa và ăn mòn nhiệt cao, khả năng chịu ứng suất nhiệt và rung động, khả năng biến dạng uốn, khả năng tạo hình và hàn tốt trong quá trình đúc, và khả năng bảo vệ lớp phủ.
Hiện nay, hầu hết các động cơ tiên tiến có tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng cao đều sử dụng cánh quạt đúc rỗng, và lựa chọn các siêu hợp kim gốc niken định hướng và đơn tinh thể. Động cơ có tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng cao có nhiệt độ hoạt động cao từ 1650 ℃ đến 1930 ℃ và cần được bảo vệ bằng lớp phủ cách nhiệt. Nhiệt độ hoạt động của hợp kim cánh quạt trong điều kiện làm mát và bảo vệ bằng lớp phủ vượt quá 1100 ℃, điều này đặt ra những yêu cầu mới và cao hơn đối với chi phí mật độ nhiệt của vật liệu cánh dẫn hướng trong tương lai.
b. Hợp kim siêu bền 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 cánh dẫn hướng từ 50 ℃ đến 100 ℃. Khi quay, chúng chịu ứng suất ly tâm, ứng suất rung, ứng suất nhiệt, mài mòn do luồng khí và các tác động khác rất lớn, và điều kiện làm việc khắc nghiệt. Tuổi thọ của các bộ phận đầu nóng của động cơ có tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng cao thường trên 2000 giờ. Do đó, hợp kim chế tạo cánh tuabin cần có khả năng chống rão và độ bền đứt cao ở nhiệt độ hoạt động, các đặc tính tổng hợp tốt ở nhiệt độ cao và trung bình, chẳng hạn như mỏi chu kỳ cao và thấp, mỏi lạnh và nóng, độ dẻo và độ dai va đập đầy đủ, và độ nhạy với vết 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 sự kết tủa pha TCP ở nhiệt độ hoạt động. Hợp kim được sử dụng trải qua bốn giai đoạn; các ứng dụng hợp kim biến dạng bao gồm GH4033, GH4143, GH4118, v.v. Ứng dụng của hợp kim đúc bao gồm K403, K417, K418, K405, vàng đông đặc định hướng DZ4, DZ22, hợp kim đơn tinh thể DD3, DD8, PW1484, v.v. Hiện nay, 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 được sử dụng lần lượt trong tua bin, động cơ phản lực cánh quạt, máy bay trực thăng và động cơ tàu thủy của Trung Quốc.
3. Hợp kim chịu nhiệt cao dùng cho đĩa tuabin
Đĩa tuabin là bộ phận ổ trục quay chịu ứng suất cao nhất của động cơ tuabin. Nhiệt độ làm việc của mặt bích bánh xe động cơ với tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng là 8 và 10 đạt đến 650 ℃ và 750 ℃, trong khi nhiệt độ ở tâm bánh xe khoảng 300 ℃, với sự chênh lệch nhiệt độ lớn. Trong quá trình quay bình thường, nó dẫn động cánh quạt quay với tốc độ cao và chịu lực ly tâm, ứng suất nhiệt và ứng suất rung động tối đa. Mỗi lần khởi động và dừng là một chu kỳ, tâm bánh xe, cổ họng, đáy rãnh và vành đều chịu các ứng suất tổng hợp khác nhau. Hợp kim cần phải có độ bền kéo, độ dẻo dai va đập cao nhất và không nhạy cảm với vết khía ở nhiệt độ hoạt động; hệ số giãn nở tuyến tính thấp; khả năng chống oxy hóa và ăn mòn nhất định; khả năng cắt tốt.
4. Hợp kim siêu bền hàng không vũ trụ
Hợp kim siêu bền trong động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng được sử dụng làm tấm phun nhiên liệu của buồng đốt trong buồng đẩy; khuỷu ống bơm tuabin, mặt bích, ốc vít bánh lái bằng than chì, v.v. Hợp kim chịu nhiệt cao trong động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng được sử dụng làm tấm phun nhiên liệu của buồng đốt trong buồng đẩy; khuỷu ống bơm tuabin, mặt bích, ốc vít bánh lái bằng than chì, v.v. GH4169 được sử dụng làm vật liệu cho rôto tuabin, trục, ống lót trục, ốc vít và các bộ phận ổ trục quan trọng khác.
Vật liệu chế tạo rôto tuabin của động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng của Mỹ chủ yếu bao gồm ống dẫn khí nạp, cánh tuabin và đĩa tuabin. Hợp kim GH1131 được sử dụng phổ biến nhất ở Trung Quốc, còn cánh tuabin tùy thuộc vào nhiệt độ làm việc mà có thể sử dụng lần lượt các loại Inconel x, Alloy713c, Astroloy và Mar-M246; Vật liệu chế tạo đĩa tuabin bao gồm Inconel 718, Waspaloy, v.v. Các tuabin tích hợp GH4169 và GH4141 được sử dụng phổ biến nhất, còn trục động cơ sử dụng GH2038A.