Ang haluang metal na may mataas na temperatura ay tinatawag ding haluang metal na may lakas ng init. Ayon sa istruktura ng matrix, ang mga materyales ay maaaring hatiin sa tatlong kategorya: iron-based nickel-based at chromium-based. Ayon sa paraan ng produksyon, maaari itong hatiin sa deformed superalloy at cast superalloy.
Ito ay isang kailangang-kailangan na hilaw na materyales sa larangan ng aerospace. Ito ang pangunahing materyal para sa mataas na temperaturang bahagi ng mga makina sa paggawa ng aerospace at abyasyon. Pangunahin itong ginagamit sa paggawa ng combustion chamber, turbine blade, guide blade, compressor at turbine disk, turbine case at iba pang mga bahagi. Ang saklaw ng temperatura ng serbisyo ay 600 ℃ - 1200 ℃. Ang stress at mga kondisyon sa kapaligiran ay nag-iiba depende sa mga piyesang ginamit. May mahigpit na mga kinakailangan para sa mekanikal, pisikal at kemikal na mga katangian ng haluang metal. Ito ang mapagpasyang salik para sa pagganap, pagiging maaasahan at buhay ng makina. Samakatuwid, ang superalloy ay isa sa mga pangunahing proyekto sa pananaliksik sa larangan ng aerospace at pambansang depensa sa mga mauunlad na bansa.
Ang mga pangunahing gamit ng mga superalloy ay:
1. Mataas na temperaturang haluang metal para sa silid ng pagkasunog
Ang combustion chamber (kilala rin bilang flame tube) ng aviation turbine engine ay isa sa mga pangunahing bahagi na may mataas na temperatura. Dahil ang atomization ng gasolina, paghahalo ng langis at gas, at iba pang mga proseso ay isinasagawa sa combustion chamber, ang pinakamataas na temperatura sa combustion chamber ay maaaring umabot sa 1500 ℃ - 2000 ℃, at ang temperatura ng dingding sa combustion chamber ay maaaring umabot sa 1100 ℃. Kasabay nito, nakararanas din ito ng thermal stress at gas stress. Karamihan sa mga makina na may mataas na thrust/weight ratio ay gumagamit ng annular combustion chambers, na may maikli at mataas na heat capacity. Ang pinakamataas na temperatura sa combustion chamber ay umaabot sa 2000 ℃, at ang temperatura ng dingding ay umaabot sa 1150 ℃ pagkatapos ng gas film o steam cooling. Ang malalaking temperature gradients sa pagitan ng iba't ibang bahagi ay bubuo ng thermal stress, na tataas at bababa nang husto kapag nagbago ang working state. Ang materyal ay sasailalim sa thermal shock at thermal fatigue load, at magkakaroon ng distortion, mga bitak, at iba pang mga depekto. Sa pangkalahatan, ang silid ng pagkasunog ay gawa sa sheet alloy, at ang mga teknikal na kinakailangan ay ibubuod tulad ng sumusunod ayon sa mga kondisyon ng serbisyo ng mga partikular na bahagi: mayroon itong tiyak na resistensya sa oksihenasyon at resistensya sa kaagnasan ng gas sa ilalim ng mga kondisyon ng paggamit ng high-temperature alloy at gas; Mayroon itong tiyak na agarang at tibay na lakas, thermal fatigue performance at mababang expansion coefficient; Mayroon itong sapat na plasticity at kakayahang magwelding 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 haluang metal na porous na laminate
Sa mga unang yugto, ang porous laminate ay gawa sa HS-188 alloy sheet sa pamamagitan ng diffusion bonding pagkatapos makuhanan ng litrato, ukit, lagyan ng uka, at butasan. Ang panloob na layer ay maaaring gawing isang mainam na cooling channel ayon sa mga kinakailangan sa disenyo. Ang pagpapalamig ng istrukturang ito ay nangangailangan lamang ng 30% ng cooling gas ng tradisyonal na film cooling, na maaaring mapabuti ang thermal cycle efficiency ng makina, mabawasan ang aktwal na kapasidad ng pagdadala ng init ng materyal ng combustion chamber, mabawasan ang bigat, at mapataas ang thrust-weight ratio. Sa kasalukuyan, kailangan pa ring lampasan ang pangunahing teknolohiya bago ito magamit nang praktikal. Ang porous laminate na gawa sa MA956 ay isang bagong henerasyon ng materyal ng combustion chamber na ipinakilala ng Estados Unidos, na maaaring gamitin sa 1300 ℃.
b. Paggamit ng mga ceramic composite sa combustion chamber
Sinimulan na ng Estados Unidos na beripikahin ang posibilidad ng paggamit ng mga seramika para sa mga gas turbine simula noong 1971. Noong 1983, ang ilang 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 tagapagpahiwatig na ito ay: dagdagan ang temperatura ng pasukan ng turbine sa 2200 ℃; Gumagana sa ilalim ng estado ng pagkasunog ng kalkulasyon ng kemikal; Bawasan ang density na inilalapat 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 compounds bilang karagdagan sa mga single-phase ceramic. Ang mga ceramic matrix composites (CMC) ay may mga sumusunod na bentahe:
Ang expansion coefficient ng ceramic material ay mas maliit kaysa sa nickel-based alloy, at ang coating ay madaling matanggal. Ang paggawa ng ceramic composite na may intermediate metal felt ay maaaring malampasan ang depekto ng flaking, na siyang direksyon ng pag-unlad ng mga materyales sa combustion chamber. Ang materyal na ito ay maaaring gamitin sa 10% - 20% na cooling air, at ang temperatura ng metal back insulation ay humigit-kumulang 800 ℃ lamang, at ang heat bearing temperature 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 pag-unlad ay palitan ang B1900 (na may ceramic coating) 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 service temperature nito ay 1538 ℃ - 1650 ℃. Ginagamit ito para sa flame tube, floating wall at afterburner.
2. Mataas na temperaturang haluang metal para sa turbina
Ang aero-engine turbine blade ay isa sa mga bahaging nakakayanan ang pinakamatinding temperatura at pinakamasamang kapaligiran sa pagtatrabaho sa aero-engine. Kailangan nitong makayanan 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 temperaturang haluang metal para sa gabay
Ang deflector ay isa sa mga bahagi ng turbine engine na pinakanaapektuhan ng init. Kapag hindi pantay ang pagkasunog sa combustion chamber, malaki ang heating load ng first stage guide vane, na siyang pangunahing dahilan ng pagkasira ng guide vane. Ang temperatura ng serbisyo nito ay humigit-kumulang 100 ℃ na mas mataas kaysa sa turbine blade. Ang pagkakaiba ay ang mga static na bahagi ay hindi napapailalim sa mechanical load. Kadalasan, madali itong 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 sa 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 coating protection performance.
Sa kasalukuyan, karamihan sa mga makabagong makina na may mataas na thrust/weight ratio ay gumagamit ng mga hollow cast blades, at pinipili ang mga directional at single crystal nickel-based superalloys. 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 blade alloy sa ilalim ng mga kondisyon ng paglamig at proteksyon ng patong ay higit sa 1100 ℃, na naglalagay ng bago at mas mataas na mga kinakailangan para sa gastos sa densidad ng temperatura ng materyal ng guide blade sa hinaharap.
b. Mga superalloy para sa mga blade ng turbine
Ang mga turbine blade ang pangunahing umiikot na bahagi ng mga aero-engine na nagdadala ng init. Ang temperatura ng kanilang pagpapatakbo ay 50 ℃ - 100 ℃ na mas mababa kaysa sa mga guide blade. Malaki ang centrifugal stress, vibration stress, thermal stress, airflow scouring at iba pang epekto kapag umiikot, at mahina ang mga kondisyon sa pagtatrabaho. Ang buhay ng serbisyo ng mga hot end component ng makina 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 temperatura ng serbisyo, mahusay na high at medium temperature comprehensive properties, tulad ng high at low cycle fatigue, cold at hot fatigue, sapat na plasticity at impact toughness, at notch sensitivity; Mataas na oxidation resistance at corrosion resistance; Magandang thermal conductivity at mababang coefficient ng linear expansion; Magandang performance sa proseso ng paghahagis; Pangmatagalang structural stability, walang TCP phase precipitation sa temperatura ng serbisyo. Ang inilapat na haluang metal ay dumadaan sa apat na yugto; Kasama sa mga aplikasyon ng deformed alloy ang GH4033, GH4143, GH4118, atbp. Ang aplikasyon ng casting alloy ay kinabibilangan ng K403, K417, K418, K405, directionally solidified gold DZ4, DZ22, single crystal alloy DD3, DD8, PW1484, atbp. Sa kasalukuyan, ito ay umunlad na sa ikatlong henerasyon ng single crystal alloys. Ang single crystal alloy DD3 at DD8 ng Tsina ay ginagamit sa mga turbine, turbofan engine, helicopter, at shipborne engine ng Tsina.
3. Mataas na temperaturang haluang metal para sa turbine disk
Ang turbine disk ang pinaka-stressed na umiikot na bearing na bahagi ng turbine engine. Ang temperatura ng paggana ng wheel flange ng makina na may thrust weight ratio na 8 at 10 ay umaabot sa 650 ℃ at 750 ℃, at ang temperatura ng wheel center ay humigit-kumulang 300 ℃, na may malaking pagkakaiba sa temperatura. Sa normal na pag-ikot, pinapaikot nito ang blade sa mataas na bilis at dinadala ang pinakamataas na centrifugal force, thermal stress at vibration stress. Ang bawat pagsisimula at paghinto ay isang cycle, wheel center. Ang throat, groove bottom at rim ay pawang may iba't ibang composite stress. Ang alloy ay kinakailangang magkaroon ng pinakamataas na yield strength, impact toughness at walang notch sensitivity sa service temperature; Mababang linear expansion coefficient; Tiyak na oxidation at corrosion resistance; Mahusay na cutting performance.
4. Superhaluang metal para sa aerospace
Ang superalloy sa liquid rocket engine ay ginagamit bilang fuel injector panel ng combustion chamber sa thrust chamber; turbine pump elbow, flange, graphite rudder fastener, atbp. Ang high temperature alloy sa liquid 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 bearing.
Ang mga materyales ng turbine rotor ng American liquid rocket engine ay pangunahing kinabibilangan ng intake pipe, turbine blade, at disk. Ang GH1131 alloy ay kadalasang ginagamit sa Tsina, at ang turbine blade ay nakadepende sa temperatura ng pagtatrabaho. Ang Inconel x, Alloy713c, Astroloy, at Mar-M246 ay dapat gamitin nang sunud-sunod; ang mga materyales ng wheel disc ay kinabibilangan ng Inconel 718, Waspaloy, atbp. Ang GH4169 at GH4141 integral turbines ang kadalasang ginagamit, at ang GH2038A ay ginagamit para sa engine shaft.