آلیاژهای دما بالا، آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت نیز نامیده میشوند. بر اساس ساختار زمینه، مواد را میتوان به سه دسته تقسیم کرد: بر پایه آهن، بر پایه نیکل و بر پایه کروم. بر اساس روش تولید، میتوان آنها را به سوپرآلیاژهای تغییر شکل یافته و سوپرآلیاژهای ریختهگری شده تقسیم کرد.
این یک ماده اولیه ضروری در زمینه هوافضا است. این ماده کلیدی برای بخش دمای بالای موتورهای تولیدی هوافضا و هوانوردی است. عمدتاً برای ساخت محفظه احتراق، تیغه توربین، تیغه راهنما، دیسک کمپرسور و توربین، بدنه توربین و سایر قطعات استفاده میشود. محدوده دمای کاری آن 600 تا 1200 درجه سانتیگراد است. تنش و شرایط محیطی با توجه به قطعات مورد استفاده متفاوت است. الزامات سختگیرانهای 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 پروژههای تحقیقاتی کلیدی در زمینههای هوافضا و دفاع ملی در کشورهای توسعه یافته است.
کاربردهای اصلی سوپرآلیاژها عبارتند از:
۱. آلیاژ دما بالا برای محفظه احتراق
محفظه احتراق (که به عنوان لوله شعله نیز شناخته میشود) موتور توربین هوایی یکی از اجزای کلیدی با دمای بالا است. از آنجا که اتمیزه کردن سوخت، اختلاط نفت و گاز و سایر فرآیندها در محفظه احتراق انجام میشود، حداکثر دما در محفظه احتراق میتواند به 1500 تا 2000 درجه سانتیگراد برسد و دمای دیواره در محفظه احتراق میتواند به 1100 درجه سانتیگراد برسد. در عین حال، این محفظه همچنین تنش حرارتی و تنش گازی را تحمل میکند. اکثر موتورهایی که نسبت رانش/وزن بالایی دارند، از محفظههای احتراق حلقوی استفاده میکنند که طول کوتاه و ظرفیت حرارتی بالایی دارند. حداکثر دما در محفظه احتراق به 2000 درجه سانتیگراد میرسد و دمای دیواره پس از خنک شدن با لایه گاز یا بخار به 1150 درجه سانتیگراد میرسد. گرادیانهای دمایی زیاد بین قطعات مختلف باعث ایجاد تنش حرارتی میشود که با تغییر حالت کار، به شدت افزایش و کاهش مییابد. این ماده در معرض شوک حرارتی و بار خستگی حرارتی قرار میگیرد و اعوجاج، ترک و سایر عیوب ایجاد میشود. به طور کلی، محفظه احتراق از ورق آلیاژی ساخته میشود و الزامات فنی با توجه به شرایط سرویس قطعات خاص به شرح زیر خلاصه میشود: در شرایط استفاده از آلیاژ و گاز در دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی گازی خاصی دارد؛ استحکام آنی و استقامتی خاص، عملکرد خستگی حرارتی و ضریب انبساط کم دارد؛ انعطافپذیری و قابلیت جوشکاری کافی برای اطمینان از پردازش، شکلدهی و اتصال دارد؛ در چرخه حرارتی از پایداری سازمانی خوبی برخوردار است تا عملکرد قابل اعتمادی را در طول عمر مفید تضمین کند.
الف. لمینت متخلخل آلیاژ MA956
در مراحل اولیه، لمینت متخلخل از ورق آلیاژی HS-188 با روش اتصال نفوذی پس از عکسبرداری، حکاکی، شیارزنی و پانچ ساخته شد. لایه داخلی را میتوان طبق الزامات طراحی به یک کانال خنککننده ایدهآل تبدیل کرد. این خنککننده ساختاری تنها به 30٪ از گاز خنککننده خنککننده سنتی فیلم نیاز دارد که میتواند راندمان چرخه حرارتی موتور را بهبود بخشد، ظرفیت تحمل حرارت واقعی مواد محفظه احتراق را کاهش دهد، وزن را کاهش دهد و نسبت وزن به رانش را افزایش دهد. در حال حاضر، هنوز لازم است قبل از استفاده عملی، فناوری کلیدی را پشت سر گذاشت. لمینت متخلخل ساخته شده از MA956 نسل جدیدی از مواد محفظه احتراق است که توسط ایالات متحده معرفی شده است و میتواند در دمای 1300 درجه سانتیگراد استفاده شود.
ب. کاربرد کامپوزیتهای سرامیکی در محفظه احتراق
ایالات متحده از سال ۱۹۷۱ شروع به بررسی امکانسنجی استفاده از سرامیک برای توربینهای گازی کرده است. در سال ۱۹۸۳، برخی از گروههای فعال در توسعه مواد پیشرفته در ایالات متحده، مجموعهای از شاخصهای عملکرد را برای توربینهای گازی مورد استفاده در هواپیماهای پیشرفته تدوین کردهاند. این شاخصها عبارتند از: افزایش دمای ورودی توربین به ۲۲۰۰ درجه سانتیگراد؛ کار در حالت احتراق محاسبات شیمیایی؛ کاهش چگالی اعمال شده به این قطعات از ۸ گرم بر سانتیمتر مکعب به ۵ گرم بر سانتیمتر مکعب؛ لغو خنکسازی اجزا. به منظور برآورده کردن این الزامات، مواد مورد مطالعه علاوه بر سرامیکهای تک فاز، شامل گرافیت، ماتریس فلزی، کامپوزیتهای ماتریس سرامیکی و ترکیبات بین فلزی نیز میشوند. کامپوزیتهای ماتریس سرامیکی (CMC) مزایای زیر را دارند:
ضریب انبساط مواد سرامیکی بسیار کمتر از آلیاژ پایه نیکل است و پوشش آن به راحتی کنده میشود. ساخت کامپوزیتهای سرامیکی با نمد فلزی واسطه میتواند بر نقص پوسته پوسته شدن، که جهت توسعه مواد محفظه احتراق است، غلبه کند. این ماده را میتوان با هوای خنککننده ۱۰٪ تا ۲۰٪ استفاده کرد و دمای عایق پشتی فلزی تنها حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد است و دمای تحمل گرما بسیار کمتر از خنککننده واگرا و خنککننده لایهای است. کاشی محافظ پوشش سرامیکی ریختهگری شده از سوپرآلیاژ B1900+ در موتور V2500 استفاده میشود و جهت توسعه، جایگزینی کاشی B1900 (با پوشش سرامیکی) با کامپوزیت پایه SiC یا کامپوزیت C/C ضد اکسیداسیون است. کامپوزیت ماتریس سرامیکی ماده توسعه محفظه احتراق موتور با نسبت وزنی رانش ۱۵-۲۰ است و دمای کارکرد آن ۱۵۳۸ درجه سانتیگراد تا ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد است. از آن برای لوله شعله، دیواره شناور و پسسوز استفاده میشود.
۲. آلیاژ دما بالا برای توربین
پره توربین موتور هواپیما یکی از اجزایی است که شدیدترین بار دمایی و بدترین محیط کاری را در موتور هواپیما تحمل میکند. این پره باید تنش بسیار زیاد و پیچیدهای را در دمای بالا تحمل کند، بنابراین الزامات مواد آن بسیار سختگیرانه است. سوپرآلیاژهای مورد استفاده برای پرههای توربین موتور هواپیما به موارد زیر تقسیم میشوند:
آلیاژ درجه حرارت بالا برای راهنما
بادگیر یکی از قطعات موتور توربین است که بیشترین تأثیر را از گرما میپذیرد. هنگامی که احتراق ناهموار در محفظه احتراق رخ میدهد، بار گرمایشی پره راهنمای مرحله اول زیاد است که دلیل اصلی آسیب دیدن پره راهنما است. دمای کارکرد آن حدود ۱۰۰ درجه سانتیگراد بالاتر از پره توربین است. تفاوت در این است که قطعات استاتیک تحت بار مکانیکی قرار نمیگیرند. معمولاً ایجاد تنش حرارتی، اعوجاج، ترک خستگی حرارتی و سوختگی موضعی ناشی از تغییر سریع دما آسان است. آلیاژ پره راهنما باید دارای خواص 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 ارتعاش، قابلیت تغییر شکل خمشی، عملکرد قالبگیری و جوشکاری خوب در فرآیند ریختهگری و عملکرد محافظت از پوشش.
در حال حاضر، اکثر موتورهای پیشرفته با نسبت رانش به وزن بالا از پرههای ریختهگری توخالی استفاده میکنند و سوپرآلیاژهای پایه نیکل جهتدار و تک کریستالی انتخاب میشوند. موتور با نسبت رانش به وزن بالا، دمای بالایی بین ۱۶۵۰ تا ۱۹۳۰ درجه سانتیگراد دارد و نیاز به محافظت با پوشش عایق حرارتی دارد. دمای کارکرد آلیاژ پره تحت شرایط خنککننده و محافظت با پوشش بیش از ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد است که الزامات جدید و بالاتری را برای هزینه چگالی دمایی ماده پره راهنما در آینده مطرح میکند.
ب. سوپرآلیاژها برای پرههای توربین
پرههای توربین، قطعات چرخان کلیدی موتورهای هوایی هستند که تحمل گرما را دارند. دمای کارکرد آنها 50 تا 100 درجه سانتیگراد کمتر از پرههای راهنما است. آنها هنگام چرخش، تنش گریز از مرکز، تنش ارتعاشی، تنش حرارتی، فرسایش جریان هوا و سایر اثرات را تحمل میکنند و شرایط کاری آنها نامناسب است. عمر مفید اجزای انتهایی موتور با نسبت رانش به وزن بالا بیش از 2000 ساعت است. بنابراین، آلیاژ پره توربین باید مقاومت خزش و استحکام پارگی بالا در دمای سرویس، خواص جامع خوب در دمای بالا و متوسط، مانند خستگی چرخه بالا و پایین، خستگی سرد و گرم، انعطافپذیری و چقرمگی ضربه کافی و حساسیت به بریدگی داشته باشد. مقاومت در برابر اکسیداسیون بالا و مقاومت در برابر خوردگی؛ رسانایی حرارتی خوب و ضریب انبساط خطی پایین؛ عملکرد خوب در فرآیند ریختهگری؛ پایداری ساختاری طولانی مدت، عدم رسوب فاز TCP در دمای سرویس. آلیاژ مورد استفاده چهار مرحله را طی میکند. کاربردهای آلیاژ تغییر شکل یافته شامل GH4033، GH4143، GH4118 و غیره است. کاربرد آلیاژهای ریختهگری شامل K403، K417، K418، K405، طلای جامد شده جهتدار DZ4، DZ22، آلیاژ تک کریستال DD3، DD8، PW1484 و غیره است. در حال حاضر، این آلیاژها به نسل سوم آلیاژهای تک کریستال توسعه یافتهاند. آلیاژ تک کریستال DD3 و DD8 چین به ترتیب در توربینها، موتورهای توربوفن، هلیکوپترها و موتورهای کشتیسازی چین استفاده میشوند.
۳. آلیاژ دما بالا برای دیسک توربین
دیسک توربین، قطعهی یاتاقان چرخان موتور توربین است که بیشترین تنش را متحمل میشود. دمای کاری فلنج چرخ موتور با نسبت وزنی رانش ۸ و ۱۰ به ۶۵۰ و ۷۵۰ درجه سانتیگراد میرسد و دمای مرکز چرخ حدود ۳۰۰ درجه سانتیگراد است که اختلاف دمای زیادی دارد. در طول چرخش عادی، این دیسک، تیغه را به چرخش با سرعت بالا سوق میدهد و حداکثر نیروی گریز از مرکز، تنش حرارتی و تنش ارتعاشی را تحمل میکند. هر شروع و توقف، یک چرخه است، مرکز چرخ. گلوگاه، کف شیار و لبه، همگی تنشهای ترکیبی متفاوتی را تحمل میکنند. آلیاژ مورد نیاز است که بالاترین استحکام تسلیم، چقرمگی ضربه و عدم حساسیت به بریدگی را در دمای سرویس داشته باشد؛ ضریب انبساط خطی پایین؛ مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی خاص؛ عملکرد برشی خوب.
۴. سوپرآلیاژ هوافضا
سوپرآلیاژ در موتور موشک مایع به عنوان پنل انژکتور سوخت محفظه احتراق در محفظه رانش؛ زانویی، فلنج، بست سکان گرافیتی و غیره پمپ توربین استفاده میشود. آلیاژ دمای بالا در موتور موشک مایع به عنوان پنل انژکتور محفظه سوخت در محفظه رانش؛ زانویی، فلنج، بست سکان گرافیتی و غیره پمپ توربین استفاده میشود. GH4169 به عنوان ماده روتور توربین، شفت، غلاف شفت، بست و سایر قطعات مهم یاتاقان استفاده میشود.
مواد روتور توربین موتور موشک مایع آمریکایی عمدتاً شامل لوله ورودی، تیغه توربین و دیسک است. آلیاژ GH1131 بیشتر در چین استفاده میشود و تیغه توربین به دمای کار بستگی دارد. Inconel x، Alloy713c، Astroloy و Mar-M246 باید به ترتیب استفاده شوند. مواد دیسک چرخ شامل Inconel 718، Waspaloy و غیره است. توربینهای انتگرال GH4169 و GH4141 بیشتر استفاده میشوند و GH2038A برای شفت موتور استفاده میشود.