一.Aplikace superslitiny v leteckých motorech
Pracovní postup turbínového motoru: Při nastartování motoru vstupuje vzduch do kompresoru vstupem, je natlakován a vstupuje do spalovací komory, mísí se s palivem emitovaným vstřikovací tryskou paliva, vytváří stejnoměrnou směs a rychle se zapaluje a spálí ve spalovací komoře. spalovací komora, produkuje plyn o vysoké teplotě proudící přes vedení do turbíny a turbína se otáčí vysokou rychlostí (normální rychlost může dosáhnout 1100 ot/min) při vysoké teplotě a vysokotlakém proudění plynu. Plyn z turbíny je vypuzován z ocasní trysky, aby se vytvořil tah. V důsledku vibrací, eroze proudění vzduchu, zejména odstředivého efektu způsobeného rotací, budou vysokoteplotní části leteckého motoru vystaveny většímu namáhání, plyn obsahuje hodně kyslíku, vodní páry a jsou zde korozivní plyny jako SO2, H2S , který bude hrát roli při oxidaci a korozi vysokoteplotních dílů. Ať už se jedná o vojenská letadla, civilní letadla, vyžadují kromě konstrukčních a funkčních výkonů také bezpečnost a stabilitu, proto moderní motory kromě vysokého poměru tahu k hmotnosti, vysoké teploty, vysokého tlakového poměru a dalších výkonů jsou přísné požadavky na spolehlivost, životnost, udržovatelnost.
Superslitina má vysokou tepelnou stabilitu a tepelnou pevnost a může mít dobrou odolnost proti korozi a oxidaci při vysokých teplotách. Jedná se o základní klíčový materiál pro výrobu komponentů horkých konců leteckých turbínových motorů, které se používají hlavně při výrobě komponent horkých konců turbín, jmenovitě kotouče turbíny, vodicí lopatky turbíny, pracovní lopatky turbíny, spalovací komory a komponenty přídavného spalování. V moderních vyspělých leteckých motorech tvoří množství superslitinových materiálů 40 %-60 % z celkového objemu motoru.
Spalovací komora je oblast s nejvyšší pracovní teplotou součástí motoru, a když teplota plynu ve spalovací komoře dosáhne 1500-2000 stupňů C, teplota slitiny stěny komory může dosáhnout 800 ~ 900 stupňů C a místní teplota může dosáhnout 1100 stupňů C. Slitina použitá jako spalovací komora je vystavena tepelnému namáhání a síle nárazu plynu, zejména během vzletu, zrychlení a parkování, a změny teploty jsou drastickější. Vlivem cyklického ohřevu a ochlazování se ve spalovací komoře často objevují na okraji deformační, deformační a tepelné únavové trhliny.
V posledních letech většina superslitin používaných ve spalovací komoře jsou slitiny zpevněné pevným roztokem, které obsahují velké množství W,Mo,Nb a dalších prvků zpevněných pevným roztokem, pevnost při vysokých teplotách, dobrý výkon při tváření a svařování. Reprezentativní značky jsou GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 a tak dále.
Vodicí lopatka je součást, která upravuje směr proudění plynu ze spalovací komory, známá také jako vodítko. Je to jedna z částí turbínového motoru, která je vystavena velkému tepelnému nárazu. Zejména když spalovací komora není rovnoměrná a provoz není dobrý, je vodicí lopatka vystavena většímu tepelnému zatížení a provozní teplota vodicí lopatky pokročilého turbínového motoru může dosáhnout 1100 stupňů. Deformace způsobené tepelným namáháním, trhliny způsobené tepelnou únavou způsobené prudkými změnami teplot a lokální popáleniny jsou hlavními závadami vodicích lopatek v provozu.
Většina slitin používaných jako vodicí lopatky se vyrábí procesem přesného lití a do slitin lze přidat více W, Mo, Nb, Al, Ti a dalších prvků zpevňujících tuhý roztok a stárnutím a obsah C a B v slitiny je také vyšší než u deformovaných vysokoteplotních slitin. Některé vodicí lopatky jsou také svařeny přímo z plechů zpevněných stárnutím. Pokročilé letecké motory většinou používají duté lité lopatky, které mají dobrý chladicí účinek a mohou zvýšit provozní teplotu. Použití domácí teploty slitiny vodicích lopatek může dosáhnout 000 ~ 1050 stupňů, reprezentativní slitina K214 pro přesné lití, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B atd.
S vývojem motoru, aby se vyhovělo dalšímu zvyšování teploty kotouče turbíny motoru, se změnila i struktura vodící lopatky a snaží se převzít GH5605 a GH5188. Jako vodicí čepel je použita svařovaná vrstvená struktura deformovaného plechu z vysoce legované slitiny.
Turbínové lopatky jsou nejnáročnější součásti leteckých motorů s vysokou pracovní teplotou a velkým odstředivým namáháním, vibračním namáháním, tepelným namáháním a erozní silou proudění vzduchu během rotace. Tahové napětí těla lopatky je asi 140 MPa a průměrné napětí paty lopatky je 280-560MPa. Teplota těla čepele a kořenové části je asi 650-980 stupňů, respektive 760 stupňů. Vstupní teplota plynu pokročilého leteckého motoru dosáhla 1380 stupňů a tah dosáhl 226 kN. Typické pro GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 atd., lze použít v 750-950 stupních . Při vývoji nových strojů a úpravách starých strojů se k výrobě lopatek turbín používá odlévací superslitina. Typické třídy odlévacích slitin jsou K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 a tak dále.
Turbínový kotouč představuje největší hmotnost v komponentech leteckého motoru, s jedinou hmotností více než 50 kg a samotná hmotnost velkého turbínového kotouče dosahuje stovek kilogramů. Ve studiu turbínových disků může obecná teplota ráfku dosáhnout 550-650 stupňů C, zatímco teplota středu kola je pouze asi 300 stupňů C a teplotní rozdíl celého disku turbíny je velmi velký. Proto vzniká velké radiální tepelné napětí. Lopatky turbíny se při normální rotaci otáčejí vysokou rychlostí a nesou velkou odstředivou sílu. Namáhání části čepového zubu je složitější, včetně tahového a torzního namáhání, které tvoří vysoké namáhání a nízkou únavu cyklu při rozjezdu a zastavování.
Deformované superslitiny pro turbínové disky, jedním typem jsou superslitiny na bázi železa a niklu, typické třídy slitin jsou GH2132, GH2135, GH2901, GH4761 atd., provozní teplota je nižší než 650 stupňů; Další druh superslitiny na bázi niklu, typická značka GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 atd., s použitím teploty může dosáhnout 700 ^ 800 stupňů.
2. Aplikace superslitiny v raketovém motoru
Nosná raketa je prostředek k vyslání různých kosmických lodí na vesmírnou oběžnou dráhu, superslitina ve vesmírném poli se používá hlavně v tahu nosných raketových motorů. Obrázek 2 je schematický diagram raketového motoru na kapalné palivo a jeho konstrukce, která přeměňuje reaktanty (pohonné látky) v zásobníku pohonné látky nebo ve vozidle na vysokorychlostní trysky pro vytváření tahu. Jak je vidět z obrázku (b), proudění vzduchu u trysky raketového motoru dosahuje 2500 m/s a teplota je až 1350 stupňů.
Superslitiny pro raketové motory lze v zásadě použít se slitinami leteckých turbínových motorů, ale ve srovnání s leteckými motory mají materiály raketových motorů některé nové vlastnosti:
Deformované superslitiny na bázi niklu obvykle přidávají 10 %-25 % Cr prvku, aby byla zajištěna dobrá odolnost slitiny vůči oxidační korozi, takže slitina na bázi niklu je ve skutečnosti matricí Ni-Cr. Některé slitiny navíc přidávají prvky Co (15 %-20 %), Mo (přibližně 15 %) nebo W (přibližně 11 %) v pevném roztoku Ni-Cr za vzniku ternární soustavy deformované superslitiny s Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W jako matrice, resp. Tabulka 6 ukazuje značky, chemické složení a provozní teploty deformovaných superslitin na bázi niklu běžně používaných v Číně. Obrázek 6 ukazuje vývojový trend aplikace superslitiny na turbínové lopatky a talíře.
Deformační superslitina na bázi kobaltu je v podstatě založena na ternárním systému Co-Ni-Cr a obsahuje W,Mo,Nb,Ta a další prvky zpevňující tuhý roztok a prvky tvořící karbidy. Ve srovnání s deformovanými superslitinami na bázi niklu je rychlost zpevňování větší a kvalita povrchu dílů po tváření je lepší, ale v procesu tváření je obecně vyžadováno delší pracovní zahřívání za tepla nebo mezidobí žíhání deformace za studena a je také požadována tonáž zpracovatelského formovacího zařízení. Deformované superslitiny na bázi kobaltu mají vysokou pevnost a vynikající odolnost proti tepelné únavě, tepelné korozi a odolnosti proti opotřebení, když jsou vyšší než 980 stupňů. Deformované superslitiny na bázi kobaltu však mají karbid jako hlavní zpevňující fázi a postrádají homogenní zpevňovací fázi a jejich trvanlivá pevnost je nižší než u deformovaných superslitin na bázi niklu v rozmezí nízkých a středních teplot. Tabulka 9 uvádí vysokoteplotní mechanické vlastnosti typických deformovaných superslitin na bázi kobaltu.