Примена високотемпературне легуре у ваздухопловној индустрији
Суперлегуре се могу поделити у три групе према њиховој структури матрице: на бази никла и на бази хрома.
Према начину производње, може се поделити на деформациону суперлегуру и ливену суперлегуру. То је незаобилазна сировина у области ваздухопловства. То је кључни материјал за високотемпературне делове ваздухопловних и ваздухопловних мотора. Углавном се користи за производњу коморе за сагоревање, лопатица турбине, лопатица за вођење, компресора и турбинског диска, кућишта турбине и других делова. Радна температура се креће од 600 степени Ц до 1200 степени Ц. механички услови и услови околине варирају у зависности од делова који се користе. Строго се захтевају механичка, физичка и хемијска својства легуре, што су перформансе мотора, одлучујући фактор поузданости и века трајања. Због тога је суперлегура један од кључних истраживачких пројеката у области ваздухопловства и националне одбране у развијеним земљама.
Примене легура на високим температурама
1. Високотемпературне легуре за коморе за сагоревање
Комора за сагоревање аеро-моторне турбине (позната и као пламена цев) је једна од кључних компоненти за високе температуре. Због процеса као што су атомизација горива и мешање уља и гаса који се дешавају у комори за сагоревање, температуре могу достићи и до 1500 до 2000 степени, са температуром зида до 1100 степени. Поред тога, комора мора да издржи топлотна и гасна оптерећења. Мотори са високим односом потиска и тежине често користе прстенасте коморе за сагоревање, које су краће и имају већи топлотни интензитет; унутар ових комора, температуре могу достићи 2000 степени, са температуром зида од 1150 степени након хлађења филма или хлађења паром. Значајни температурни градијенти између различитих области стварају топлотна напрезања, што доводи до изобличења, пукотина и других кварова услед топлотног удара и оптерећења топлотног замора. Типично, коморе за сагоревање су направљене од легура плоча, а технички захтеви за специфичне компоненте укључују: отпорност на оксидацију и гасну корозију у условима високе температуре; довољна пролазна и дуготрајна чврстоћа, перформансе термичког замора и ниски коефицијенти експанзије; адекватну пластичност и заварљивост да би се обезбедила обрадивост и спојеви; и добра микроструктурна стабилност под термичким циклусима како би се гарантовао поуздан рад током њиховог животног века.
1) МА956 порозне плоче од легуре
Плоче са раним порозним слојем направљене су од танких лимова легуре ХС-188, обрађене фотографијом, корозионим јеткањем и перфорацијом, након чега је уследило дифузијско везивање. Унутрашњи слојеви могу бити дизајнирани да створе идеалне канале за хлађење. Ова структура омогућава смањење захтева за расхладним гасом на 30% потребног за традиционално филмско хлађење, побољшавајући ефикасност термичког циклуса мотора и смањујући стварно топлотно оптерећење на материјалима коморе за сагоревање, чиме се олакшава тежина и повећава однос потиска и тежине. Тренутно су још увек потребна технолошка открића за практичну употребу. МА956 плоча са порозним слојем, нова генерација материјала коморе за сагоревање из САД, може се користити на температурама од 1300 степени.
2)Керамички матрични композити у коморама за сагоревање
САД су почеле да тестирају изводљивост керамике за гасне турбине 1971. До 1983. године, различите групе ангажоване у развоју напредних материјала успоставиле су метрику перформанси за гасне турбине које се користе у напредним авионима, укључујући подизање улазне температуре турбине на 2200 степени, које раде под хемијски израчунатим сагоревањем условима, смањујући густину компоненти са 8 г/цм³ на 5 г/цм³, и елиминишући хлађење за ове компоненте. Проучавани материјали су укључивали не само једнофазну керамику већ и графит, металну матрицу и композите керамичке матрице, као и интерметална једињења. Керамички матрични композити (ЦМЦ) нуде неколико предности: њихови коефицијенти термичког ширења су много нижи од оних код легура на бази никла, а премази имају тенденцију да се лако љуште. Стварање ЦМЦ-а са средњим металним простиркама може превазићи проблеме љуштења и представља правац за развој материјала коморе за сагоревање. Такви материјали могу да раде са само 10% до 20% ваздуха за хлађење, што резултира температуром метала око 800 степени, што је знатно ниже од оних од дивергентног хлађења и хлађења филма. Мотор В2500 користи ливену високотемпературну легуру Б1900 са керамичким премазом заштитним плочицама, а правац развоја је замена плочица Б1900 (са керамичким премазом) композитима на бази СиЦ или Ц/Ц композитима отпорним на оксидацију. ЦМЦ су материјали за коморе за сагоревање у моторима са односом потиска и тежине од 15 до 20, који раде на температурама од 1538 степени до 1650 степени, који се користе за пламене цеви, плутајуће зидне плоче и коморе за сагоревање.
2. Високотемпературне легуре за секције турбина
Лопатице турбине аеро-мотора спадају у компоненте које доживљавају најтежа температурна оптерећења и тешка радна окружења. Морају да издрже значајна и сложена напрезања на високим температурама, што доводи до веома строгих захтева за материјалом. Високотемпературне легуре за лопатице турбина могу се класификовати на следећи начин:
1) Високотемпературне легуре за статоре
Статори су међу компонентама турбинског мотора које доживљавају највише топлотног удара. Када дође до неравномерног сагоревања у комори за сагоревање, лопатице статора првог степена подносе значајна топлотна оптерећења, која су примарни узрок квара статора. Њихове радне температуре су обично за око 100 степени више од оних код турбинских лопатица, али су статичне компоненте и доживљавају мање механичко оптерећење. Међутим, они су подложни топлотном напрезању које може довести до изобличења, пукотина од топлотног замора и локализованог сагоревања. Легуре које се користе за лопатице статора треба да поседују следеће карактеристике: довољну чврстоћу на високим температурама, издржљивост против пузања, добре перформансе топлотног замора, високу отпорност на оксидацију и термичку корозију, отпорност на термичка напрезања и вибрације, способност деформације савијањем, добру способност ливења и премаз перформансе заштите.
Тренутно, напредни мотори високог потиска често користе шупље ливене лопатице направљене од усмерених или монокристалних легура на бази никла на високим температурама. Мотори са високим потиском раде на температурама које достижу од 1650 степени до 1930 степени, што захтева употребу премаза за термичку баријеру. У условима хлађења и заштите премаза, радна температура легура лопатица прелази 1100 степени, намећући нове и веће захтеве за температуру, густину и цену будућим материјалима ножева статора.
2) Високотемпературне легуре за радне лопатице турбина
Лопатице турбине су критичне ротирајуће компоненте у аеромоторима, са радним температурама које су за 50 до 100 степени ниже од оних код лопатица статора. Током ротације, они доживљавају значајан центрифугални стрес, вибрацијски стрес, топлотни стрес и ерозију протока ваздуха, радећи у тешким условима. Мотори са високим потиском захтевају да животни век термалних крајњих компоненти прелази 2000 сати. Због тога легуре турбинских лопатица морају показати високу отпорност на пузање и дуготрајну чврстоћу лома на радним температурама, одличне перформансе на високим и средњим температурама, укључујући замор при високим и ниским циклусима, термички замор, довољну пластичност и жилавост на удар, као и високу отпорност на оксидацију и корозију. Требало би да имају добру топлотну проводљивост и што је могуће нижи коефицијент линеарне експанзије, добру способност ливења и дугорочну микроструктурну стабилност без преципитације ТЦП фазе на радним температурама. Коришћене легуре су еволуирале кроз четири фазе: коване легуре као што су ГХ4033, ГХ4143 и ГХ4118; ливене легуре као што су К403, К417, К418 и К405; легуре усмереног очвршћавања попут ДЗ4 и ДЗ22; и монокристалне легуре као што су ДД3, ДД8 и ПВ1484. Развој је сада достигао трећу генерацију монокристалних легура. У Кини се монокристалне легуре ДД3 и ДД8 користе у турбинским, турбовентилаторским моторима, хеликоптерима и поморским моторима.
3) Високотемпературне легуре за турбинске дискове
Турбински диск је ротирајућа носива компонента која доживљава највећи стрес у турбинским моторима. За моторе са односом потиска и тежине од 8 и 10, температура наплатка достиже 650 степени и 750 степени, док је температура главчине око 300 степени, што резултира значајним температурним разликама. Током нормалне ротације, диск покреће лопатице при великим брзинама, издржавајући максимална центрифугална, термичка и вибрациона напрезања. Свако покретање и искључивање представља циклус, са главчином, грлом, дном жлеба и ободом који доживљавају различита композитна напрезања. Коришћене легуре морају показати највећу границу течења, ударну жилавост и осетљивост без зареза на радним температурама, ниске коефицијенте линеарног ширења, одређену отпорност на оксидацију и корозију и добру обрадивост.
4) Високотемпературне легуре за примену у ваздухопловству
У течним ракетним моторима, легуре високе температуре се користе за панеле ињектора коморе за сагоревање, кривине турбинских пумпи, прирубнице, причвршћиваче графитних пераја и друго. У потисној комори, високотемпературне легуре служе као панел ињектора горива, са кривинама турбинске пумпе, прирубницама и причвршћивачима од графитних пераја такође направљеним од ових материјала. Кинески мотори ИФ73 и ИФ75 користе жицу од легуре ГХ3030 уткану у мрежу, која се затим ваља и синтерује у порозне, дивергентне плоче за хлађење за ињекторе коморе за сагоревање. Ротори турбина су почели да користе ГХ1040 и ГХ2038А, касније су прешли на ГХ4169 кроз интегрално ковање, са машински обрађеним диском и лопатицама електролитички обрађеним да би се превазишли проблеми прекомерне деформације током продуженог тестирања са ГХ1040. Поређење перформанси ГХ1040 и ГХ4169 показује да се материјални захтеви за роторе турбина у моторима за ракете дугог домета придржавају стандарда од 800 степени на 398 МПа током 20 минута; ГХ4169 може да постигне стабилне микроструктурне перформансе током 30 минута, док ГХ1040 може да одржава само 294 МПа током 6 минута на 800 степени, не испуњавајући оперативне захтеве. Посебно, од -253 степена до собне температуре, снага ГХ4169 се повећава за 392 МПа на 400 МПа, са минималном променом пластичности и добром отпорношћу на удар на ниским температурама. Због тога се ГХ4169 користи за критичне носиве компоненте као што су ротори турбина, вратила и причвршћивачи.
У америчким течним ракетним моторима, материјали ротора турбине укључују усисну грану, лопатице турбине и дискове. Кина првенствено користи легуре ГХ1131 за лопатице турбина, које варирају у зависности од радне температуре, узастопно усвајајући Инцонел к, Аллои 713Ц, Астролои и Мар-М246; материјали дискова укључују Инцонел 718 и Васпалои, а Кина претежно користи ГХ4169 и ГХ4141 за интегралне турбине и ГХ2038А за осовине мотора.