A aliaxe de alta temperatura tamén se denomina aliaxe de resistencia á calor. Segundo a estrutura da matriz, os materiais pódense dividir en tres categorías: a base de ferro a base de níquel e a base de cromo. Segundo o modo de produción, pódese dividir en superaliaxe deformada e superaliaxe fundida.
É unha materia prima indispensable no ámbito aeroespacial. É o material clave para a parte de alta temperatura dos motores de fabricación aeroespacial e de aviación. Úsase principalmente para a fabricación de cámaras de combustión, palas de turbinas, palas guía, compresores e discos de turbinas, caixas de turbinas e outras pezas. O rango de temperatura de servizo é de 600 ℃ - 1200 ℃. O estrés e as condicións ambientais varían segundo as pezas utilizadas. Existen requisitos estritos para as propiedades mecánicas, físicas e químicas da aliaxe. É o factor decisivo para o rendemento, a fiabilidade e a vida útil do motor. Polo tanto, a superaliaxe é un dos proxectos de investigación fundamentais nos campos da defensa aeroespacial e nacional nos países desenvolvidos.
As principais aplicacións das superaliaxes son:
1. Aliaxe de alta temperatura para a cámara de combustión
A cámara de combustión (tamén coñecida como tubo de chama) do motor de turbina de aviación é un dos principais compoñentes de alta temperatura. Dado que a atomización do combustible, a mestura de petróleo e gas e outros procesos se realizan na cámara de combustión, a temperatura máxima na cámara de combustión pode alcanzar os 1500 ℃ - 2000 ℃ e a temperatura da parede na cámara de combustión pode alcanzar os 1100 ℃. Ao mesmo tempo, tamén soporta estrés térmico e gas. A maioría dos motores con alta relación empuxe/peso usan cámaras de combustión anulares, que teñen curta lonxitude e alta capacidade calorífica. A temperatura máxima na cámara de combustión alcanza os 2000 ℃ e a temperatura da parede alcanza os 1150 ℃ despois do arrefriamento por película de gas ou vapor. Os grandes gradientes de temperatura entre varias partes xerarán estrés térmico, que aumentará e descenderá bruscamente cando cambie o estado de traballo. O material estará suxeito a choque térmico e carga de fatiga térmica, e haberá distorsións, gretas e outros fallos. Xeralmente, a cámara de combustión está feita de aliaxe de follas e os requisitos técnicos resúmense do seguinte xeito segundo as condicións de servizo de pezas específicas: ten certa resistencia á oxidación e resistencia á corrosión do gas nas condicións de uso de aliaxe e gas a alta temperatura; Ten certa forza instantánea e de resistencia, rendemento de fatiga térmica e baixo coeficiente de expansión; Ten suficiente plasticidade e capacidade de soldadura para garantir o procesamento, conformación e conexión; Ten unha boa estabilidade organizativa baixo o ciclo térmico para garantir un funcionamento fiable durante a vida útil.
a. Laminado poroso de aliaxe MA956
Na fase inicial, o laminado poroso foi feito de folla de aliaxe HS-188 mediante unión por difusión despois de ser fotografiado, gravado, ranurado e perforado. A capa interna pódese converter nunha canle de refrixeración ideal segundo os requisitos de deseño. Este arrefriamento da estrutura só precisa do 30% do gas de refrixeración do refrixeración tradicional da película, o que pode mellorar a eficiencia do ciclo térmico do motor, reducir a capacidade de calor real do material da cámara de combustión, reducir o peso e aumentar o peso de empuxe. proporción. Na actualidade, aínda é necesario romper a tecnoloxía clave antes de que se poida poñer en práctica. O laminado poroso feito de MA956 é unha nova xeración de material da cámara de combustión introducido polos Estados Unidos, que se pode usar a 1300 ℃.
b. Aplicación de composites cerámicos en cámara de combustión
Os Estados Unidos comezaron a verificar a viabilidade do uso de cerámica para turbinas de gas desde 1971. En 1983, algúns grupos dedicados ao desenvolvemento de materiais avanzados nos Estados Unidos formularon unha serie de indicadores de rendemento para as turbinas de gas utilizadas en avións avanzados. Estes indicadores son: aumentar a temperatura de entrada da turbina ata 2200 ℃; Operar baixo o estado de combustión do cálculo químico; Reducir a densidade aplicada a estas pezas de 8g/cm3 a 5g/cm3; Cancelar o arrefriamento dos compoñentes. Para cumprir estes requisitos, os materiais estudados inclúen grafito, matriz metálica, compostos de matriz cerámica e compostos intermetálicos ademais da cerámica monofásica. Os compostos de matriz cerámica (CMC) teñen as seguintes vantaxes:
O coeficiente de expansión do material cerámico é moito menor que o da aliaxe a base de níquel e o revestimento é fácil de desprender. Facer compostos cerámicos con feltro metálico intermedio pode superar o defecto de escamas, que é a dirección de desenvolvemento dos materiais da cámara de combustión. Este material pódese usar cun aire de refrixeración do 10% ao 20%, e a temperatura do illamento posterior metálico é só duns 800 ℃, e a temperatura de calor é moi inferior á do arrefriamento diverxente e do arrefriamento da película. No motor V2500 úsase a tella protectora de revestimento cerámico B1900 de superaliaxe fundida e a dirección de desenvolvemento é substituír a tella B1900 (con revestimento cerámico) por un composto a base de SiC ou un composto C/C antioxidación. O composto de matriz cerámica é o material de desenvolvemento da cámara de combustión do motor cunha relación de peso de empuxe de 15-20 e a súa temperatura de servizo é de 1538 ℃ - 1650 ℃. Utilízase para tubos de chama, paredes flotantes e postqueimadores.
2. Aliaxe de alta temperatura para turbina
A pala da turbina do motor aerodinámico é un dos compoñentes que soportan a carga de temperatura máis severa e o peor ambiente de traballo do motor aeronáutico. Ten que soportar tensións moi grandes e complexas a altas temperaturas, polo que os seus requisitos materiais son moi estritos. As superaliaxes para as palas de turbinas de motores aerodinámicos divídense en:
a. Aliaxe de alta temperatura para guía
O deflector é unha das partes do motor de turbina que son máis afectadas pola calor. Cando se produce unha combustión irregular na cámara de combustión, a carga de calefacción da paleta guía da primeira etapa é grande, o que é o principal motivo do dano da paleta guía. A súa temperatura de servizo é uns 100 ℃ máis alta que a da pala da turbina. A diferenza é que as partes estáticas non están suxeitas a carga mecánica. Normalmente, é fácil causar estrés térmico, distorsión, fendas por fatiga térmica e queimaduras locais causadas por un rápido cambio de temperatura. A aliaxe de paletas de guía terá as seguintes propiedades: resistencia á alta temperatura suficiente, rendemento de fluencia permanente e bo rendemento á fatiga térmica, alta resistencia á oxidación e á corrosión térmica, resistencia á tensión térmica e ás vibracións, capacidade de deformación á flexión, bo rendemento de moldaxe e soldabilidade do proceso de fundición, e rendemento de protección do revestimento.
Na actualidade, a maioría dos motores avanzados con alta relación empuxe/peso usan láminas de fundición ocas, e son seleccionadas superaliaxes direccionais e monocristais a base de níquel. O motor cunha alta relación empuxe-peso ten unha temperatura elevada de 1650 ℃ - 1930 ℃ e debe estar protexido por un revestimento de illamento térmico. A temperatura de servizo da aliaxe da lámina en condicións de refrixeración e protección do revestimento é superior a 1100 ℃, o que presenta requisitos novos e máis elevados para o custo da densidade de temperatura do material da lámina guía no futuro.
b. Superaliaxes para aspas de turbina
As palas das turbinas son as pezas rotativas clave dos motores aerodinámicos. A súa temperatura de funcionamento é 50 ℃ - 100 ℃ inferior á das láminas guía. Soportan un gran estrés centrífugo, estrés de vibración, estrés térmico, fregado do fluxo de aire e outros efectos ao xirar, e as condicións de traballo son malas. A vida útil dos compoñentes quentes do motor con alta relación empuxe/peso é superior a 2000 h. Polo tanto, a aliaxe das palas da turbina terá unha alta resistencia á fluencia e resistencia á ruptura á temperatura de servizo, boas propiedades completas de temperaturas altas e medias, como fatiga de ciclo alto e baixo, fatiga en frío e calor, plasticidade suficiente e tenacidade ao impacto e sensibilidade á muesca; Alta resistencia á oxidación e á corrosión; Boa condutividade térmica e baixo coeficiente de expansión lineal; Bo rendemento do proceso de fundición; Estabilidade estrutural a longo prazo, sen precipitación da fase TCP a temperatura de servizo. A aliaxe aplicada pasa por catro etapas; As aplicacións de aliaxes deformadas inclúen GH4033, GH4143, GH4118, etc; A aplicación de aliaxe de fundición inclúe K403, K417, K418, K405, ouro solidificado direccionalmente DZ4, DZ22, aliaxe monocristal DD3, DD8, PW1484, etc. Actualmente, desenvolveuse ata a terceira xeración de aliaxes monocristais. A aliaxe de cristal único DD3 e DD8 de China úsanse respectivamente nas turbinas, motores turboventiladores, helicópteros e motores de barcos de China.
3. Aliaxe de alta temperatura para disco de turbina
O disco da turbina é a parte de rodamento xiratoria máis esforzada do motor de turbina. A temperatura de traballo da brida da roda do motor coa relación de peso de empuxe de 8 e 10 alcanza os 650 ℃ e 750 ℃, e a temperatura do centro da roda é duns 300 ℃, cunha gran diferenza de temperatura. Durante a rotación normal, fai que a lámina xire a alta velocidade e soporta a máxima forza centrífuga, estrés térmico e estrés de vibración. Cada inicio e parada é un ciclo, centro da roda. A garganta, o fondo do suco e o bordo soportan diferentes esforzos compostos. Requírese que a aliaxe teña o maior límite de fluencia, resistencia ao impacto e ningunha sensibilidade á entalladura á temperatura de servizo; Baixo coeficiente de expansión lineal; Certa resistencia á oxidación e á corrosión; Bo rendemento de corte.
4. Superaliaxe aeroespacial
A superaliaxe do motor do foguete líquido úsase como panel do inxector de combustible da cámara de combustión na cámara de empuxe; Cóbado da bomba de turbina, brida, fixador do temón de grafito, etc. A aliaxe de alta temperatura no motor do foguete líquido úsase como panel de inxección da cámara de combustible na cámara de empuxe; O cóbado da bomba de turbina, a brida, o elemento de fixación do temón de grafito, etc. GH4169 úsase como material do rotor da turbina, o eixe, a manga do eixe, o elemento de fixación e outras pezas importantes do rodamento.
Os materiais do rotor da turbina do motor de foguete líquido estadounidense inclúen principalmente tubos de admisión, palas de turbina e discos. A aliaxe GH1131 úsase principalmente en China e a pala da turbina depende da temperatura de traballo. Inconel x, Alloy713c, Astroloy e Mar-M246 deben utilizarse sucesivamente; Os materiais do disco da roda inclúen Inconel 718, Waspaloy, etc. As turbinas integrais GH4169 e GH4141 úsanse principalmente e GH2038A úsase para o eixe do motor.