Ang mataas na temperatura na haluang metal ay tinatawag ding init na haluang metal. Ayon sa istraktura ng matrix, ang mga materyales ay maaaring nahahati sa tatlong kategorya: iron-based nickel-based at chromium-based. Ayon sa mode ng produksyon, maaari itong nahahati sa deformed superalloy at cast superalloy.
Ito ay isang kailangang-kailangan na hilaw na materyal sa larangan ng aerospace. Ito ang pangunahing materyal para sa mataas na temperatura na bahagi ng aerospace at aviation manufacturing engine. Ito ay pangunahing ginagamit para sa pagmamanupaktura ng combustion chamber, turbine blade, guide blade, compressor at turbine disk, turbine case at iba pang bahagi. Ang saklaw ng temperatura ng serbisyo ay 600 ℃ - 1200 ℃. Ang stress at mga kondisyon sa kapaligiran ay nag-iiba sa mga bahaging ginamit. Mayroong mahigpit na mga kinakailangan para sa mekanikal, pisikal at kemikal na mga katangian ng haluang metal. Ito ang mapagpasyang kadahilanan para sa pagganap, pagiging maaasahan at buhay ng makina. Samakatuwid, ang superalloy ay isa sa mga pangunahing proyekto ng pananaliksik sa larangan ng aerospace at pambansang pagtatanggol sa mga mauunlad na bansa.
Ang mga pangunahing aplikasyon ng superalloys ay:
1. High temperature alloy para sa combustion chamber
Ang combustion chamber (kilala rin bilang flame tube) ng aviation turbine engine ay isa sa mga pangunahing bahagi ng mataas na temperatura. Dahil ang atomization ng gasolina, paghahalo ng langis at gas at iba pang mga proseso ay isinasagawa sa silid ng pagkasunog, ang maximum na temperatura sa silid ng pagkasunog ay maaaring umabot sa 1500 ℃ - 2000 ℃, at ang temperatura ng dingding sa silid ng pagkasunog ay maaaring umabot sa 1100 ℃. Kasabay nito, mayroon din itong thermal stress at gas stress. Karamihan sa mga makina na may mataas na thrust/weight ratio ay gumagamit ng mga annular combustion chamber, na may maikling haba at mataas na kapasidad ng init. Ang pinakamataas na temperatura sa silid ng pagkasunog ay umabot sa 2000 ℃, at ang temperatura ng dingding ay umabot sa 1150 ℃ pagkatapos ng gas film o paglamig ng singaw. Ang malalaking gradient ng temperatura sa pagitan ng iba't ibang bahagi ay bubuo ng thermal stress, na tataas at bababa nang husto kapag nagbabago ang estado ng pagtatrabaho. Ang materyal ay sasailalim sa thermal shock at thermal fatigue load, at magkakaroon ng distortion, bitak at iba pang mga pagkakamali. Sa pangkalahatan, ang silid ng pagkasunog ay gawa sa haluang metal, at ang mga teknikal na kinakailangan ay ibinubuod tulad ng sumusunod ayon sa mga kondisyon ng serbisyo ng mga partikular na bahagi: mayroon itong tiyak na paglaban sa oksihenasyon at paglaban sa kaagnasan ng gas sa ilalim ng mga kondisyon ng paggamit ng mataas na temperatura na haluang metal at gas; Mayroon itong tiyak na madalian at lakas ng pagtitiis, pagganap ng thermal fatigue at mababang koepisyent ng pagpapalawak; Ito ay may sapat na plasticity at weld na kakayahan upang matiyak ang pagproseso, pagbuo at koneksyon; Mayroon itong mahusay na katatagan ng organisasyon sa ilalim ng thermal cycle upang matiyak ang maaasahang operasyon sa loob ng buhay ng serbisyo.
a. MA956 alloy porous laminate
Sa maagang yugto, ang porous laminate ay ginawa ng HS-188 alloy sheet sa pamamagitan ng diffusion bonding pagkatapos makuhanan ng litrato, ukit, ukit at suntok. Ang panloob na layer ay maaaring gawin sa isang perpektong cooling channel ayon sa mga kinakailangan sa disenyo. Ang paglamig ng istraktura na ito ay nangangailangan lamang ng 30% ng cooling gas ng tradisyonal na paglamig ng pelikula, na maaaring mapabuti ang thermal cycle na kahusayan ng makina, bawasan ang aktwal na kapasidad ng pagdadala ng init ng materyal ng combustion chamber, bawasan ang timbang, at dagdagan ang thrust-weight ratio. Sa kasalukuyan, kailangan pa ring lusutan ang pangunahing teknolohiya bago ito magamit sa praktikal na paggamit. Ang porous laminate na gawa sa MA956 ay isang bagong henerasyon ng combustion chamber material na ipinakilala ng United States, na maaaring gamitin sa 1300 ℃.
b. Application ng ceramic composites sa combustion chamber
Sinimulan ng Estados Unidos na i-verify ang pagiging posible ng paggamit ng mga keramika para sa mga gas turbine mula noong 1971. Noong 1983, ang ilang mga grupo na nakikibahagi sa pagbuo ng mga advanced na materyales sa Estados Unidos ay bumuo ng isang serye ng mga tagapagpahiwatig ng pagganap para sa mga gas turbine na ginagamit sa mga advanced na sasakyang panghimpapawid. Ang mga indicator na ito ay: pataasin ang turbine inlet temperature sa 2200 ℃; Gumagana sa ilalim ng estado ng pagkasunog ng pagkalkula ng kemikal; Bawasan ang density na inilapat sa mga bahaging ito mula 8g/cm3 hanggang 5g/cm3; Kanselahin ang paglamig ng mga bahagi. Upang matugunan ang mga kinakailangang ito, ang mga materyales na pinag-aralan ay kinabibilangan ng graphite, metal matrix, ceramic matrix composites at intermetallic compound bilang karagdagan sa single-phase ceramics. Ang mga ceramic matrix composites (CMC) ay may mga sumusunod na pakinabang:
Ang expansion coefficient ng ceramic material ay mas maliit kaysa sa nickel-based alloy, at ang coating ay madaling matanggal. Ang paggawa ng mga ceramic composites na may intermediate na metal na nadama ay maaaring pagtagumpayan ang depekto ng flaking, na kung saan ay ang direksyon ng pag-unlad ng mga materyales sa combustion chamber. Ang materyal na ito ay maaaring gamitin sa 10% - 20% na paglamig ng hangin, at ang temperatura ng metal back insulation ay halos 800 ℃ lamang, at ang init na dala ng temperatura ay mas mababa kaysa sa divergent cooling at film cooling. Ang cast superalloy B1900+ceramic coating protective tile ay ginagamit sa V2500 engine, at ang direksyon ng pagbuo ay palitan ang B1900 (na may ceramic coating) na tile ng SiC-based composite o anti-oxidation C/C composite. Ang ceramic matrix composite ay ang development material ng engine combustion chamber na may thrust weight ratio na 15-20, at ang temperatura ng serbisyo nito ay 1538 ℃ - 1650 ℃. Ginagamit ito para sa flame tube, floating wall at afterburner.
2. Mataas na temperatura na haluang metal para sa turbine
Ang talim ng turbine ng aero-engine ay isa sa mga sangkap na nagdadala ng pinakamatinding pagkarga ng temperatura at ang pinakamasamang kapaligiran sa pagtatrabaho sa aero-engine. Kailangan nitong tiisin ang napakalaki at masalimuot na stress sa ilalim ng mataas na temperatura, kaya ang mga kinakailangan sa materyal nito ay napakahigpit. Ang mga superalloy para sa aero-engine turbine blades ay nahahati sa:
a.Mataas na temperatura haluang metal para sa gabay
Ang deflector ay isa sa mga bahagi ng turbine engine na pinakanaaapektuhan ng init. Kapag ang hindi pantay na pagkasunog ay nangyayari sa silid ng pagkasunog, ang pag-load ng pag-init ng unang yugto ng gabay na vane ay malaki, na siyang pangunahing dahilan ng pagkasira ng gabay na pala. Ang temperatura ng serbisyo nito ay humigit-kumulang 100 ℃ na mas mataas kaysa sa talim ng turbine. Ang pagkakaiba ay ang mga static na bahagi ay hindi napapailalim sa mekanikal na pagkarga. Kadalasan, madaling magdulot ng thermal stress, distortion, thermal fatigue crack at local burn na dulot ng mabilis na pagbabago ng temperatura. Ang guide vane alloy ay dapat magkaroon ng mga sumusunod na katangian: sapat na lakas ng mataas na temperatura, permanenteng creep performance at mahusay na thermal fatigue performance, mataas na oxidation resistance at thermal corrosion performance, thermal stress at vibration resistance, bending deformation ability, mahusay na casting process molding performance at weldability, at pagganap ng proteksyon ng patong.
Sa kasalukuyan, ang karamihan sa mga advanced na makina na may mataas na thrust/weight ratio ay gumagamit ng hollow cast blades, at ang mga superalloy na nakabatay sa nickel na may direksyon at iisang kristal ay pinili. Ang makina na may mataas na thrust-weight ratio ay may mataas na temperatura na 1650 ℃ - 1930 ℃ at kailangang protektahan ng thermal insulation coating. Ang temperatura ng serbisyo ng haluang metal sa ilalim ng paglamig at mga kondisyon ng proteksyon ng coating ay higit sa 1100 ℃, na naglalagay ng bago at mas mataas na mga kinakailangan para sa halaga ng density ng temperatura ng materyal na talim ng gabay sa hinaharap.
b. Mga superalloy para sa mga blades ng turbine
Ang mga blades ng turbine ay ang pangunahing bahagi ng mga aero-engine na umiikot na nagdadala ng init. Ang kanilang operating temperature ay 50 ℃ - 100 ℃ na mas mababa kaysa sa guide blades. Ang mga ito ay may malaking centrifugal stress, vibration stress, thermal stress, airflow scouring at iba pang mga epekto kapag umiikot, at ang mga kondisyon sa pagtatrabaho ay hindi maganda. Ang buhay ng serbisyo ng mga mainit na bahagi ng dulo ng engine na may mataas na thrust/weight ratio ay higit sa 2000h. Samakatuwid, ang turbine blade alloy ay dapat magkaroon ng mataas na creep resistance at rupture strength sa service temperature, magandang mataas at katamtamang temperatura na komprehensibong mga katangian, tulad ng mataas at mababang cycle fatigue, malamig at mainit na pagkapagod, sapat na plasticity at impact toughness, at notch sensitivity; Mataas na paglaban sa oksihenasyon at paglaban sa kaagnasan; Magandang thermal conductivity at mababang koepisyent ng linear expansion; Magandang pagganap ng proseso ng paghahagis; Pangmatagalang katatagan ng istruktura, walang TCP phase precipitation sa temperatura ng serbisyo. Ang inilapat na haluang metal ay dumaan sa apat na yugto; Kabilang sa mga deformed alloy application ang GH4033, GH4143, GH4118, atbp; Kasama sa application ng casting alloy ang K403, K417, K418, K405, directionally solidified gold DZ4, DZ22, single crystal alloy DD3, DD8, PW1484, atbp. Sa kasalukuyan, ito ay binuo hanggang sa ikatlong henerasyon ng mga single crystal alloys. Ang solong kristal na haluang metal ng China na DD3 at DD8 ay ayon sa pagkakabanggit ay ginagamit sa mga turbine, turbofan engine, helicopter, at shipborne engine ng China.
3. Mataas na temperatura na haluang metal para sa turbine disk
Ang turbine disk ay ang pinaka-stressed rotating bearing bahagi ng turbine engine. Ang gumaganang temperatura ng wheel flange ng engine na may thrust weight ratio na 8 at 10 ay umabot sa 650 ℃ at 750 ℃, at ang temperatura ng wheel center ay halos 300 ℃, na may malaking pagkakaiba sa temperatura. Sa panahon ng normal na pag-ikot, hinihimok nito ang talim upang umikot sa mataas na bilis at nagdadala ng pinakamataas na puwersa ng sentripugal, thermal stress at vibration stress. Ang bawat pagsisimula at paghinto ay isang cycle, wheel center. Ang lalamunan, uka sa ilalim at rim ay may iba't ibang pinagsama-samang stress. Ang haluang metal ay kinakailangang magkaroon ng pinakamataas na lakas ng ani, tibay ng epekto at walang sensitivity ng notch sa temperatura ng serbisyo; Mababang linear expansion coefficient; Ilang oksihenasyon at paglaban sa kaagnasan; Magandang pagganap ng pagputol.
4. Aerospace superalloy
Ang superalloy sa likidong rocket engine ay ginagamit bilang fuel injector panel ng combustion chamber sa thrust chamber; Turbine pump elbow, flange, graphite rudder fastener, atbp. Ang mataas na temperatura na haluang metal sa likidong rocket engine ay ginagamit bilang fuel chamber injector panel sa thrust chamber; Turbine pump elbow, flange, graphite rudder fastener, atbp. Ang GH4169 ay ginagamit bilang materyal ng turbine rotor, shaft, shaft sleeve, fastener at iba pang mahahalagang bahagi ng tindig.
Ang mga materyales ng turbine rotor ng American liquid rocket engine ay pangunahing kinabibilangan ng intake pipe, turbine blade at disk. Ang GH1131 na haluang metal ay kadalasang ginagamit sa China, at ang talim ng turbine ay nakasalalay sa temperatura ng pagtatrabaho. Ang Inconel x, Alloy713c, Astroloy at Mar-M246 ay dapat gamitin nang sunud-sunod; Kasama sa mga materyales ng wheel disc ang Inconel 718, Waspaloy, atbp. Ang GH4169 at GH4141 integral turbine ay kadalasang ginagamit, at ang GH2038A ay ginagamit para sa baras ng makina.