آلیاژ با دمای بالا را آلیاژ مقاومت حرارتی نیز می نامند. با توجه به ساختار ماتریس، مواد را می توان به سه دسته تقسیم کرد: پایه نیکل مبتنی بر آهن و بر پایه کروم. با توجه به حالت تولید، می توان آن را به سوپرآلیاژ تغییر شکل یافته و سوپرآلیاژ ریخته گری تقسیم کرد.
این یک ماده خام ضروری در زمینه هوافضا است. این ماده کلیدی برای بخش دمای بالا موتورهای تولید هوافضا و هوانوردی است. این عمدتا برای ساخت محفظه احتراق، تیغه توربین، تیغه راهنما، کمپرسور و دیسک توربین، مورد توربین و سایر قطعات استفاده می شود. محدوده دمای سرویس 600 ℃ - 1200 ℃ است. تنش و شرایط محیطی با قطعات مورد استفاده متفاوت است. الزامات سختی برای خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی آلیاژ وجود دارد. این عامل تعیین کننده برای عملکرد، قابلیت اطمینان و عمر موتور است. بنابراین سوپرآلیاژ یکی از پروژه های تحقیقاتی کلیدی در زمینه های هوافضا و دفاع ملی در کشورهای توسعه یافته است.
کاربردهای اصلی سوپرآلیاژها عبارتند از:
1. آلیاژ دمای بالا برای محفظه احتراق
محفظه احتراق (همچنین به عنوان لوله شعله شناخته می شود) موتور توربین هوانوردی یکی از اجزای کلیدی در دمای بالا است. از آنجایی که اتمیزه کردن سوخت، اختلاط نفت و گاز و سایر فرآیندها در محفظه احتراق انجام می شود، حداکثر دما در محفظه احتراق می تواند به 1500 ℃ - 2000 ℃ برسد و دمای دیواره در محفظه احتراق می تواند به 1100 ℃ برسد. در عین حال، تنش حرارتی و فشار گاز را نیز تحمل می کند. اکثر موتورهای با نسبت رانش/وزن بالا از محفظه های احتراق حلقوی استفاده می کنند که طول کوتاه و ظرفیت حرارتی بالایی دارند. حداکثر دما در محفظه احتراق به 2000 ℃ می رسد و دمای دیواره پس از فیلم گاز یا خنک شدن با بخار به 1150 ℃ می رسد. گرادیان های دما بین قسمت های مختلف باعث ایجاد تنش حرارتی می شود که با تغییر حالت کار به شدت افزایش و کاهش می یابد. این ماده در معرض شوک حرارتی و بار خستگی حرارتی قرار می گیرد و اعوجاج، ترک و سایر خطاها وجود خواهد داشت. به طور کلی، محفظه احتراق از آلیاژ ورق ساخته شده است و الزامات فنی با توجه به شرایط سرویس قطعات خاص به شرح زیر خلاصه می شود: در شرایط استفاده از آلیاژ و گاز با دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی گاز دارد. دارای قدرت آنی و استقامتی خاص، عملکرد خستگی حرارتی و ضریب انبساط کم است. دارای انعطاف پذیری و توانایی جوش کافی برای اطمینان از پردازش، شکل گیری و اتصال است. پایداری سازمانی خوبی در زیر چرخه حرارتی برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد در طول عمر سرویس دارد.
الف ورقه ورقه متخلخل آلیاژی MA956
در مرحله اولیه، ورقه متخلخل از ورق آلیاژی HS-188 پس از عکسبرداری، حکاکی، شیار و پانچ با پیوند انتشار ساخته شد. لایه داخلی را می توان با توجه به الزامات طراحی به یک کانال خنک کننده ایده آل تبدیل کرد. این خنک کننده ساختار فقط به 30٪ از گاز خنک کننده خنک کننده فیلم سنتی نیاز دارد که می تواند بازده چرخه حرارتی موتور را بهبود بخشد، ظرفیت تحمل حرارت واقعی مواد محفظه احتراق را کاهش دهد، وزن را کاهش دهد و وزن رانش را افزایش دهد. نسبت در حال حاضر، هنوز لازم است که فناوری کلیدی را قبل از استفاده عملی از آن عبور دهیم. لمینت متخلخل ساخته شده از MA956 نسل جدیدی از مواد محفظه احتراق معرفی شده توسط ایالات متحده است که می تواند در دمای 1300 ℃ استفاده شود.
ب کاربرد کامپوزیت های سرامیکی در محفظه احتراق
ایالات متحده از سال 1971 شروع به بررسی امکان استفاده از سرامیک برای توربین های گازی کرده است. در سال 1983، برخی از گروه هایی که در زمینه توسعه مواد پیشرفته در ایالات متحده فعالیت می کنند، یک سری شاخص های عملکردی را برای توربین های گازی مورد استفاده در هواپیماهای پیشرفته فرموله کرده اند. این شاخص ها عبارتند از: افزایش دمای ورودی توربین به 2200 ℃. در حالت احتراق محاسبه شیمیایی کار کنید. چگالی اعمال شده بر روی این قطعات را از 8 گرم در سانتی متر مکعب به 5 گرم بر سانتی متر مکعب کاهش دهید. خنک شدن اجزا را لغو کنید. برای برآوردن این الزامات، مواد مورد مطالعه شامل گرافیت، زمینه فلزی، کامپوزیت های زمینه سرامیکی و ترکیبات بین فلزی علاوه بر سرامیک های تک فاز می باشد. کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) دارای مزایای زیر هستند:
ضریب انبساط مواد سرامیکی بسیار کوچکتر از آلیاژ مبتنی بر نیکل است و لایه برداری آن آسان است. ساخت کامپوزیت های سرامیکی با نمد فلزی میانی می تواند بر نقص پوسته پوسته شدن، که جهت توسعه مواد محفظه احتراق است، غلبه کند. این ماده را می توان با هوای خنک کننده 10٪ - 20٪ استفاده کرد و دمای عایق پشتی فلزی فقط حدود 800 ℃ است و دمای تحمل گرما به مراتب کمتر از خنک کننده واگرا و خنک کننده فیلم است. کاشی محافظ سوپرآلیاژی B1900 + پوشش سرامیکی در موتور V2500 استفاده می شود و جهت توسعه جایگزینی کاشی B1900 (با پوشش سرامیکی) با کامپوزیت مبتنی بر SiC یا کامپوزیت C/C ضد اکسیداسیون است. کامپوزیت ماتریس سرامیکی ماده توسعه محفظه احتراق موتور با نسبت وزنی رانش 15-20 است و دمای سرویس آن 1538 ℃ - 1650 ℃ است. برای لوله شعله، دیوار شناور و پس سوز استفاده می شود.
2. آلیاژ دمای بالا برای توربین
پره توربین موتور هوا یکی از قطعاتی است که شدیدترین بار دمایی و بدترین محیط کاری را در موتور هوا تحمل می کند. تحت دمای بالا باید تنش بسیار بزرگ و پیچیده ای را تحمل کند، بنابراین مواد مورد نیاز آن بسیار سخت است. سوپرآلیاژهای پره های توربین موتور هوا به دو دسته تقسیم می شوند:
آلیاژ a.High درجه حرارت برای راهنما
دفلکتور یکی از قطعات موتور توربین است که بیشتر تحت تاثیر حرارت قرار می گیرد. هنگامی که احتراق ناهموار در محفظه احتراق رخ می دهد، بار گرمایش پره راهنمای مرحله اول زیاد است که دلیل اصلی آسیب پره راهنما است. دمای سرویس آن حدود 100 ℃ بالاتر از تیغه توربین است. تفاوت این است که قطعات استاتیک در معرض بار مکانیکی نیستند. معمولاً ایجاد استرس حرارتی، اعوجاج، ترک خستگی حرارتی و سوختگی موضعی ناشی از تغییر سریع دما آسان است. آلیاژ پره راهنما باید دارای ویژگی های زیر باشد: استحکام کافی در دمای بالا، عملکرد خزش دائمی و عملکرد خستگی حرارتی خوب، مقاومت در برابر اکسیداسیون بالا و عملکرد خوردگی حرارتی، مقاومت در برابر تنش حرارتی و مقاومت در برابر لرزش، توانایی تغییر شکل خمشی، عملکرد خوب قالب گیری فرآیند ریخته گری و جوش پذیری، و عملکرد حفاظت از پوشش
در حال حاضر، اکثر موتورهای پیشرفته با نسبت رانش/وزن بالا از تیغه های ریخته گری توخالی استفاده می کنند و سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل جهت دار و تک کریستال انتخاب می شوند. موتور با نسبت رانش به وزن بالا دارای دمای بالای 1650 ℃ - 1930 ℃ است و باید با پوشش عایق حرارتی محافظت شود. دمای سرویس آلیاژ تیغه تحت شرایط خنک کننده و محافظت از پوشش بیش از 1100 ℃ است که الزامات جدید و بالاتری را برای هزینه چگالی دمای مواد تیغه راهنما در آینده مطرح می کند.
ب سوپرآلیاژ برای پره های توربین
پره های توربین قسمت های کلیدی چرخاننده گرما در موتورهای هوا هستند. دمای کار آنها 50 ℃ - 100 ℃ کمتر از تیغه های راهنما است. آنها در هنگام چرخش تنش گریز از مرکز، تنش ارتعاشی، تنش حرارتی، آبشستگی جریان هوا و سایر اثرات را تحمل می کنند و شرایط کاری ضعیف است. عمر مفید قطعات داغ موتور با نسبت رانش/وزن بالا بیش از 2000 ساعت است. بنابراین، آلیاژ پره توربین باید دارای مقاومت خزشی و استحکام گسیختگی در دمای سرویس، خواص جامع دمای بالا و متوسط خوب، مانند خستگی چرخه بالا و پایین، خستگی سرد و گرم، انعطاف پذیری کافی و چقرمگی ضربه، و حساسیت بریدگی باشد. مقاومت در برابر اکسیداسیون بالا و مقاومت در برابر خوردگی؛ هدایت حرارتی خوب و ضریب انبساط خطی کم؛ عملکرد خوب فرآیند ریخته گری؛ پایداری ساختاری بلند مدت، بدون بارش فاز TCP در دمای سرویس. آلیاژ اعمال شده از چهار مرحله عبور می کند. کاربردهای آلیاژ تغییر شکل یافته عبارتند از GH4033، GH4143، GH4118، و غیره. کاربرد آلیاژ ریخته گری شامل K403، K417، K418، K405، طلای جامد جهت دار DZ4، DZ22، آلیاژ تک کریستال DD3، DD8، PW1484 و غیره است. در حال حاضر به نسل سوم آلیاژهای تک کریستال توسعه یافته است. آلیاژ تک کریستال چین DD3 و DD8 به ترتیب در توربین‌ها، موتورهای توربوفن، هلیکوپترها و موتورهای کشتی‌بردی چین استفاده می‌شوند.
3. آلیاژ با دمای بالا برای دیسک توربین
دیسک توربین پرتنش ترین قسمت یاتاقان چرخان موتور توربین است. دمای کار فلنج چرخ موتور با نسبت وزن رانش 8 و 10 به 650 ℃ و 750 ℃ می رسد و دمای مرکز چرخ حدود 300 ℃ با اختلاف دما زیاد است. در طول چرخش معمولی، تیغه را به سمت چرخش با سرعت بالا سوق می دهد و حداکثر نیروی گریز از مرکز، تنش حرارتی و تنش ارتعاشی را تحمل می کند. هر شروع و توقف یک چرخه، مرکز چرخ است. گلو، پایین شیار و لبه همگی تنش های ترکیبی متفاوتی را تحمل می کنند. آلیاژ باید دارای بالاترین استحکام تسلیم، چقرمگی ضربه و عدم حساسیت بریدگی در دمای سرویس باشد. ضریب انبساط خطی پایین؛ مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی خاص؛ عملکرد برش خوب
4. سوپرآلیاژ هوافضا
سوپرآلیاژ در موتور موشک مایع به عنوان پانل انژکتور سوخت محفظه احتراق در محفظه رانش استفاده می شود. زانویی پمپ توربین، فلنج، بست گرافیتی سکان، و غیره. آلیاژ دمای بالا در موتور موشک مایع به عنوان پانل انژکتور محفظه سوخت در محفظه رانش استفاده می شود. زانویی پمپ توربین، فلنج، بست سکان گرافیتی، و غیره. GH4169 به عنوان ماده روتور توربین، شفت، آستین شفت، بست و سایر قطعات مهم یاتاقان استفاده می شود.
مواد روتور توربین موتور موشک مایع آمریکایی عمدتاً شامل لوله ورودی، تیغه توربین و دیسک است. آلیاژ GH1131 بیشتر در چین استفاده می شود و تیغه توربین به دمای کار بستگی دارد. Inconel x، Alloy713c، Astroloy و Mar-M246 باید به طور متوالی استفاده شوند. مواد دیسک چرخ شامل Inconel 718، Waspaloy و ... می باشد که بیشتر از توربین های انتگرال GH4169 و GH4141 استفاده می شود و برای محور موتور از GH2038A استفاده می شود.