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 e a base de níquel e a base de cromo. Segundo o modo de produción, pódense dividir en superaliaxes deformadas e superaliaxes fundidas.
É unha materia prima indispensable no campo 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 turbina, palas guía, compresores e discos de turbina, carcasas de turbina e outras pezas. O rango de temperatura de servizo é de 600 ℃ a 1200 ℃. A tensión 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 clave nos campos da aeroespacial e da defensa nacional nos países desenvolvidos.
As principais aplicacións das superaliaxes son:
1. Liga 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 compoñentes clave para altas temperaturas. Dado que a atomización do combustible, a mestura de aceite 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 tensión térmica e tensión de gas. A maioría dos motores con alta relación pulo/peso usan cámaras de combustión anulares, que teñen unha lonxitude curta e unha 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 as distintas pezas xerarán tensión térmica, que aumentará e diminuirá bruscamente cando cambie o estado de funcionamento. O material estará sometido a choques térmicos e carga de fatiga térmica, e haberá distorsións, gretas e outros defectos. Xeralmente, a cámara de combustión está feita de chapa de aliaxe, e os requisitos técnicos resúmense do seguinte xeito segundo as condicións de servizo das pezas específicas: ten certa resistencia á oxidación e á corrosión do gas en condicións de uso de aliaxes e gases de alta temperatura; ten certa resistencia instantánea e de longa duración, rendemento á fatiga térmica e baixo coeficiente de expansión; ten suficiente plasticidade e capacidade de soldadura para garantir o procesamento, a conformación e a conexión; ten boa estabilidade organizativa baixo ciclo térmico para garantir un funcionamento fiable dentro da vida útil.
a. Laminado poroso de aliaxe MA956
Na fase inicial, o laminado poroso fabricábase con lámina de aliaxe HS-188 mediante unión por difusión despois de ser fotografado, gravado, ranurado e perforado. A capa interior pódese converter nun canal de refrixeración ideal segundo os requisitos do deseño. Este refrixeración estrutural só necesita o 30 % do gas de refrixeración da refrixeración por película tradicional, o que pode mellorar a eficiencia do ciclo térmico do motor, reducir a capacidade real de soporte de calor do material da cámara de combustión, reducir o peso e aumentar a relación peso-empuxe. Na actualidade, aínda é necesario romper coa tecnoloxía clave antes de que se poida poñer en práctica. O laminado poroso feito de MA956 é unha nova xeración de material de cámara de combustión introducido polos Estados Unidos, que se pode usar a 1300 ℃.
b. Aplicación de materiais compostos cerámicos na 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 turbinas de gas utilizadas en aeronaves avanzadas. Estes indicadores son: aumentar a temperatura de entrada da turbina a 2200 ℃; operar baixo o estado de combustión do cálculo químico; reducir a densidade aplicada a estas pezas de 8 g/cm3 a 5 g/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 de 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 doado de despegar. A fabricación de materiais compostos cerámicos con feltro metálico intermedio pode superar o defecto de descamación, que é a dirección de desenvolvemento dos materiais da cámara de combustión. Este material pódese usar con aire de refrixeración do 10% ao 20%, e a temperatura do illamento metálico traseiro é de só uns 800 ℃, e a temperatura de soporte de calor é moito máis baixa que a do arrefriamento diverxente e o arrefriamento por película. A tella protectora de revestimento cerámico de superligazón fundida B1900+úsase no motor V2500, e a dirección de desenvolvemento é substituír a tella B1900 (con revestimento cerámico) por un composto a base de SiC ou un composto antioxidante C/C. 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 ℃ a 1650 ℃. Úsase para tubos de chama, paredes flotantes e postcombustibles.
2. Aleación de alta temperatura para turbina
A pala da turbina dun motor aeronáutico é un dos compoñentes que soportan a carga de temperatura máis severa e o peor ambiente de traballo no motor aeronáutico. Ten que soportar tensións moi grandes e complexas a altas temperaturas, polo que os seus requisitos de materiais son moi estritos. As superaliaxes para as palas das turbinas de motores aeronáuticos divídense en:
a. Aleación de alta temperatura para guía
O deflector é unha das partes do motor da turbina que máis se ven afectadas pola calor. Cando se produce unha combustión desigual na cámara de combustión, a carga de quecemento da álabe guía da primeira etapa é grande, o que é a principal razón dos danos na álabe guía. A súa temperatura de servizo é uns 100 ℃ máis alta que a da á da turbina. A diferenza é que as partes estáticas non están sometidas a carga mecánica. Normalmente, é doado causar tensión térmica, distorsión, gretas por fatiga térmica e queimaduras locais causadas por cambios rápidos de temperatura. A aliaxe da álabe guía debe ter as seguintes propiedades: resistencia suficiente a altas temperaturas, rendemento de fluencia permanente e bo rendemento de fatiga térmica, alta resistencia á oxidación e á corrosión térmica, resistencia á tensión térmica e ás vibracións, capacidade de deformación por flexión, bo rendemento de moldeo por proceso de fundición e soldabilidade, e rendemento de protección do revestimento.
Na actualidade, a maioría dos motores avanzados con alta relación pulo/peso empregan palas fundidas ocas, e escóllense superaliaxes direccionais e monocristalinas a base de níquel. O motor con alta relación pulo-peso ten unha temperatura elevada de 1650 ℃ a 1930 ℃ e necesita ser protexido cun revestimento de illamento térmico. A temperatura de servizo da aliaxe da pala en condicións de arrefriamento e protección do revestimento é superior a 1100 ℃, o que supón novos e máis altos requisitos para o custo da densidade de temperatura do material da pala guía no futuro.
b. Superaliaxes para palas de turbinas
As palas das turbinas son as partes rotatorias principais que soportan calor nos motores aeronáuticos. A súa temperatura de funcionamento é entre 50 ℃ e 100 ℃ inferior á das palas guía. Soportan unha gran tensión centrífuga, tensión de vibración, tensión térmica, desgaste do fluxo de aire e outros efectos ao xirar, e as condicións de traballo son deficientes. A vida útil dos compoñentes do extremo quente do motor con alta relación pulo/peso é superior a 2000 h. Polo tanto, a aliaxe das palas da turbina debe ter unha alta resistencia á fluencia e á rotura á temperatura de servizo, boas propiedades completas a alta e media temperatura, como fatiga de ciclo alto e baixo, fatiga en frío e en quente, plasticidade e tenacidade ao impacto suficientes e sensibilidade ás entalladuras; 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 á temperatura de servizo. A aliaxe aplicada pasa por catro etapas; As aplicacións de aliaxes deformadas inclúen GH4033, GH4143, GH4118, etc.; A aplicación das aliaxes de fundición inclúe K403, K417, K418, K405, ouro solidificado direccionalmente DZ4, DZ22, aliaxes monocristalinas DD3, DD8, PW1484, etc. Na actualidade, desenvolveuse ata a terceira xeración de aliaxes monocristalinas. As aliaxes monocristalinas DD3 e DD8 da China utilízanse respectivamente nas turbinas, motores turbofan, helicópteros e motores de buques da China.
3. Liga de alta temperatura para disco de turbina
O disco da turbina é a parte do rolamento rotatorio máis sometida a tensión do motor da turbina. A temperatura de traballo da brida da roda do motor, cunha relación de peso de empuxe de 8 e 10, alcanza os 650 ℃ e os 750 ℃, e a temperatura do centro da roda é duns 300 ℃, cunha gran diferenza de temperatura. Durante a rotación normal, impulsa a pala a xirar a alta velocidade e soporta a máxima forza centrífuga, tensión térmica e tensión de vibración. Cada arranque e parada é un ciclo, centro da roda. A gorxa, o fondo da ranura e a llanta soportan diferentes tensións compostas. A aliaxe debe ter a maior resistencia ao rendemento, tenacidade ao impacto e ningunha sensibilidade á entalla 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 no motor de foguete líquido úsase como panel de inxectores de combustible da cámara de combustión na cámara de empuxe; cóbado da bomba de turbina, brida, fixación do temón de grafito, etc. A aliaxe de alta temperatura no motor de foguete líquido úsase como panel de inxectores da cámara de combustible na cámara de empuxe; cóbado da bomba de turbina, brida, fixación do temón de grafito, etc. O GH4169 úsase como material do rotor da turbina, eixe, manguito do eixe, fixación e outras pezas importantes do rolamento.
Os materiais do rotor da turbina do motor de foguete líquido estadounidense inclúen principalmente o tubo de admisión, a pala da turbina e o disco. A aliaxe GH1131 úsase principalmente na China e a pala da turbina depende da temperatura de traballo. Deberían usarse sucesivamente Inconel x, Alloy713c, Astroloy e Mar-M246; os materiais do disco das rodas inclúen Inconel 718, Waspaloy, etc. As turbinas integrais GH4169 e GH4141 úsanse principalmente, e GH2038A úsase para o eixe do motor.