Aplikace vysokoteplotní slitiny v leteckém průmyslu
Superslitiny lze rozdělit do tří skupin podle struktury matrice: na bázi železa na bázi niklu a na bázi chrómu.
Podle způsobu výroby ji lze rozdělit na deformační superslitinu a litou superslitinu. Je to nepostradatelná surovina v leteckém průmyslu. Je to klíčový materiál pro vysokoteplotní části leteckých a leteckých motorů. Používá se hlavně pro výrobu spalovací komory, turbínových lopatek, vodicích lopatek, kompresoru a turbínového disku, turbínové skříně a dalších dílů. Pracovní teplota se pohybuje od 600 °C do 1200 °C. mechanické a okolní podmínky se liší podle používaných dílů. Mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti slitiny jsou přísně vyžadovány, což je výkon motoru, rozhodující faktor spolehlivosti a životnosti. Proto je superslitina jedním z klíčových výzkumných projektů v oblasti letectví a obrany ve vyspělých zemích.
Aplikace vysokoteplotních slitin
1. Vysokoteplotní slitiny pro spalovací komory
Spalovací komora letecké turbíny (také známá jako plamenec) je jednou z klíčových vysokoteplotních součástí. Díky procesům, jako je atomizace paliva a míšení oleje a plynu ve spalovací komoře, mohou teploty dosahovat až 1500 stupňů až 2000 stupňů, přičemž teploty stěn dosahují 1100 stupňů. Kromě toho musí komora odolávat tepelnému a plynovému namáhání. Motory s vysokým poměrem tahu a hmotnosti často používají prstencové spalovací komory, které jsou kratší a mají vyšší tepelnou intenzitu; v těchto komorách mohou teploty dosáhnout 2000 stupňů, s teplotami stěn 1150 stupňů po ochlazení filmu nebo ochlazení odpařováním. Významné teplotní gradienty mezi různými oblastmi vytvářejí tepelná napětí, která mají za následek deformace, praskliny a další poruchy způsobené tepelným šokem a tepelným únavovým zatížením. Spalovací komory jsou obvykle vyrobeny z deskových slitin a technické požadavky na specifické součásti zahrnují: odolnost vůči oxidaci a plynové korozi za podmínek vysoké teploty; dostatečná přechodová a dlouhodobá pevnost, tepelná únava a nízké koeficienty roztažnosti; přiměřená plasticita a svařitelnost pro zajištění zpracovatelnosti a spojů; a dobrá mikrostrukturální stabilita při tepelném cyklování, která zaručuje spolehlivý provoz po celou dobu jejich životnosti.
1) Slitinové desky s porézní vrstvou MA956
Rané desky s porézní vrstvou byly vyrobeny z tenkých plechů slitiny HS-188, zpracovány fotografií, korozním leptáním a perforací, po nichž následovalo difúzní lepení. Vnitřní vrstvy mohou být navrženy tak, aby vytvářely ideální chladicí kanály. Tato struktura umožňuje snížení požadavků na chladicí plyn na 30 % požadavků na tradiční chlazení filmu, zvyšuje účinnost tepelného cyklu motoru a snižuje skutečné tepelné zatížení materiálů spalovací komory, čímž snižuje hmotnost a zvyšuje poměr tahu k hmotnosti. V současné době jsou pro praktické využití stále potřeba technologické průlomy. Deska s porézní vrstvou MA956, nová generace materiálu spalovací komory z USA, může být použita při teplotách 1300 stupňů.
2)Keramické matricové kompozity ve spalovacích komorách
USA začaly testovat proveditelnost keramiky pro plynové turbíny v roce 1971. Do roku 1983 různé skupiny zabývající se vývojem pokročilých materiálů stanovily výkonnostní metriky pro plynové turbíny používané v pokročilých letadlech, včetně zvýšení vstupní teploty turbíny na 2200 stupňů, provozované při chemicky vypočteném spalování. podmínky, snížení hustoty součástí z 8 g/cm³ na 5 g/cm³ a odstranění chlazení těchto součástí. Studované materiály zahrnovaly nejen jednofázovou keramiku, ale také grafit, kompozity s kovovou matricí a keramickou matricí a také intermetalické sloučeniny. Kompozity s keramickou matricí (CMC) nabízejí několik výhod: jejich koeficienty tepelné roztažnosti jsou mnohem nižší než u slitin na bázi niklu a povlaky mají tendenci se snadno odlupovat. Vytváření CMC se středními kovovými rohožemi může překonat problémy s odlupováním a představuje směr pro vývoj materiálů spalovací komory. Takové materiály mohou pracovat pouze s 10 % až 20 % chladicího vzduchu, což má za následek zadní teploty kovu kolem 800 stupňů, což je výrazně nižší teplota než u divergentního chlazení a chlazení filmu. Motor V2500 používá litou vysokoteplotní slitinu B1900 s ochrannými dlaždicemi potaženými keramikou a směrem vývoje je nahradit dlaždice B1900 (s keramickým povlakem) kompozity na bázi SiC nebo C/C kompozity odolnými proti oxidaci. CMC jsou materiály pro spalovací komory v motorech s poměrem tahu k hmotnosti 15 až 20, pracujících při teplotách 1538 až 1650 stupňů, používané pro plamence, plovoucí stěnové panely a spalovací komory přídavného spalování.
2.Vysokoteplotní slitiny pro části turbín
Lopatky leteckých motorů patří mezi komponenty, které jsou vystaveny nejnáročnějšímu teplotnímu zatížení a drsnému provoznímu prostředí. Musí odolávat značnému a komplexnímu namáhání při vysokých teplotách, což vede k velmi přísným požadavkům na materiál. Vysokoteplotní slitiny pro lopatky turbín lze klasifikovat takto:
1) Vysokoteplotní slitiny pro statory
Statory patří mezi součásti turbínového motoru, které zažívají největší teplotní šok. Při nerovnoměrném spalování ve spalovací komoře snášejí statorové lopatky prvního stupně značné tepelné zatížení, které je primární příčinou selhání statoru. Jejich provozní teploty jsou typicky asi o 100 stupňů vyšší než u lopatek turbíny, ale jsou to statické součásti a jsou vystaveny menšímu mechanickému zatížení. Jsou však náchylné k tepelnému namáhání, které může vést k deformaci, trhlinám z tepelné únavy a lokalizovanému hoření. Slitiny používané pro statorové lopatky by měly mít následující vlastnosti: dostatečná pevnost při vysokých teplotách, odolnost proti tečení, dobrý výkon při tepelné únavě, vysoká odolnost proti oxidaci a tepelné korozi, odolnost proti tepelnému namáhání a vibracím, schopnost deformace v ohybu, dobrá slévatelnost a povlak ochranný výkon.
V současné době pokročilé motory s vysokým tahem často používají duté lité lopatky vyrobené ze směrových nebo monokrystalických vysokoteplotních slitin na bázi niklu. Vysoce tahové motory pracují při teplotách dosahujících 1650 stupňů až 1930 stupňů, což vyžaduje použití povlaků tepelné bariéry. Za podmínek chlazení a ochrany povlakem překračuje provozní teplota slitin lopatek 1100 stupňů, což klade nové a vyšší požadavky na teplotu, hustotu a náklady na budoucí materiály lopatek statoru.
2) Vysokoteplotní slitiny pro pracovní lopatky turbín
Lopatky turbíny jsou kritickými rotačními součástmi leteckých motorů, jejichž provozní teploty jsou o 50 až 100 stupňů nižší než u lopatek statoru. Během rotace jsou vystaveny značnému odstředivému namáhání, vibračnímu namáhání, tepelnému namáhání a erozi prouděním vzduchu, přičemž pracují v drsných podmínkách. Motory s vysokým tahem vyžadují, aby životnost tepelných koncových součástí přesáhla 2000 hodin. Slitiny turbínových lopatek proto musí vykazovat vysokou odolnost proti tečení a dlouhodobou lomovou pevnost při provozních teplotách, vynikající výkon při vysokých a středních teplotách, včetně únavy při vysokém a nízkém cyklu, tepelné únavy, dostatečné plasticity a rázové houževnatosti, jakož i vysoké odolnost proti oxidaci a korozi. Měly by mít dobrou tepelnou vodivost a co nejnižší koeficient lineární roztažnosti, dobrou slévatelnost a dlouhodobou mikrostrukturální stabilitu bez precipitace TCP fáze při provozních teplotách. Použité slitiny se vyvíjely ve čtyřech fázích: tvářené slitiny jako GH4033, GH4143 a GH4118; lité slitiny jako K403, K417, K418 a K405; slitiny se směrovým tuhnutím jako DZ4 a DZ22; a monokrystalické slitiny jako DD3, DD8 a PW1484. Vývoj nyní dosáhl třetí generace monokrystalických slitin. V Číně se monokrystalické slitiny DD3 a DD8 používají v turbínách, turboventilátorových motorech, vrtulnících a námořních motorech.
3) Vysokoteplotní slitiny pro turbínové disky
Turbínový kotouč je rotační nosný díl, který je u turbínových motorů vystaven nejvyššímu namáhání. U motorů s poměrem tahu k hmotnosti 8 a 10 dosahuje teplota ráfku 650 stupňů a 750 stupňů, zatímco teplota náboje je asi 300 stupňů, což má za následek značné teplotní rozdíly. Během normálního otáčení kotouč pohání čepele vysokou rychlostí, přičemž snáší maximální odstředivé, tepelné a vibrační namáhání. Každé spuštění a vypnutí představuje cyklus, přičemž náboj, hrdlo, dno drážky a ráfek jsou vystaveny různým kompozitním namáháním. Použité slitiny musí vykazovat nejvyšší mez kluzu, rázovou houževnatost a žádnou vrubovou citlivost při provozních teplotách, nízké koeficienty lineární roztažnosti, určitou odolnost proti oxidaci a korozi a dobrou obrobitelnost.
4) Vysokoteplotní slitiny pro letecké aplikace
V kapalných raketových motorech se vysokoteplotní slitiny používají pro panely vstřikovačů spalovací komory, ohyby turbínových čerpadel, příruby, grafitové spojky žeber a další. V náporové komoře slouží jako panel vstřikovače paliva vysokoteplotní slitiny, z těchto materiálů jsou také vyrobeny ohyby turbínového čerpadla, příruby a grafitové spojky. Čínské motory YF73 a YF75 využívají drát ze slitiny GH3030 vetkaný do sítě, která je poté svinuta a sintrována do porézních, divergentních chladicích panelů pro vstřikovače spalovací komory. Turbínové rotory začaly používat GH1040 a GH2038A, později přešly na GH4169 prostřednictvím integrálního kování, s kotoučem opracovaným a lopatkami elektrolyticky zpracovanými, aby se během dlouhodobého testování s GH1040 překonaly problémy s nadměrnou deformací. Porovnání výkonu GH1040 a GH4169 ukazuje, že materiálové požadavky na rotory turbín v motorech raket dlouhého doletu dodržují standardy 800 stupňů při 398 MPa po dobu 20 minut; GH4169 může dosáhnout stabilního mikrostrukturálního výkonu po dobu 30 minut, zatímco GH1040 dokáže udržet tlak 294 MPa pouze 6 minut při teplotě 800 stupňů, což nesplňuje provozní požadavky. Je pozoruhodné, že z -253 stupňů na pokojovou teplotu se pevnost GH4169 zvyšuje o 392 MPa až 400 MPa s minimální změnou plasticity a dobrou rázovou houževnatostí při nízkých teplotách. Proto se GH4169 používá pro kritické nosné součásti, jako jsou rotory turbín, hřídele a spojovací prvky.
V amerických kapalných raketových motorech zahrnují materiály rotoru turbíny sací potrubí, lopatky turbíny a disky. Čína primárně používá slitiny GH1131 pro lopatky turbín, které se mění podle provozní teploty, postupně přebírají Inconel x, Alloy 713C, Astroloy a Mar-M246; materiály disků zahrnují Inconel 718 a Waspaloy, přičemž Čína převážně používá GH4169 a GH4141 pro integrální turbíny a GH2038A pro hřídele motoru.