סגסוגת בטמפרטורה גבוהה נקראת גם סגסוגת חוזק חום. על פי מבנה המטריצה, ניתן לחלק חומרים לשלוש קטגוריות: על בסיס ניקל על בסיס ברזל ועל בסיס כרום. על פי מצב הייצור, ניתן לחלק אותו לסגסוגת על מעוותת וסגסוגת על יצוקה.
זהו חומר גלם הכרחי בתחום התעופה והחלל. זהו חומר המפתח לחלק בטמפרטורה גבוהה של מנועי ייצור תעופה וחלל ותעופה. הוא משמש בעיקר לייצור תא בעירה, להב טורבינה, להב מדריך, מדחס ודיסק טורבינה, מארז טורבינה וחלקים אחרים. טווח טמפרטורת השירות הוא 600 ℃ - 1200 ℃. הלחץ ותנאי הסביבה משתנים בהתאם לחלקים שבהם נעשה שימוש. קיימות דרישות מחמירות לתכונות המכניות, הפיזיקליות והכימיות של הסגסוגת. זהו הגורם המכריע עבור הביצועים, האמינות וחיי המנוע. לכן, superaloy הוא אחד מפרויקטי המחקר המרכזיים בתחומי התעופה וההגנה הלאומית במדינות מפותחות.
היישומים העיקריים של סגסוגות על הם:
1. סגסוגת בטמפרטורה גבוהה לתא בעירה
תא הבעירה (המכונה גם צינור להבה) של מנוע טורבינת תעופה הוא אחד ממרכיבי המפתח בטמפרטורה גבוהה. מאז פיצול דלק, ערבוב נפט וגז ותהליכים אחרים מתבצעים בתא הבעירה, הטמפרטורה המקסימלית בתא הבעירה יכולה להגיע ל-1500 ℃ - 2000 ℃, וטמפרטורת הקיר בתא הבעירה יכולה להגיע ל-1100 ℃. במקביל, הוא גם נושא מתח תרמי ולחץ גזים. רוב המנועים בעלי יחס דחף/משקל גבוה משתמשים בתאי בעירה טבעתיים, בעלי אורך קצר ויכולת חום גבוהה. הטמפרטורה המקסימלית בתא הבעירה מגיעה ל-2000 ℃, וטמפרטורת הקיר מגיעה ל-1150 ℃ לאחר קירור גז או קיטור. שיפוע טמפרטורה גדול בין חלקים שונים ייצור מתח תרמי, אשר יעלה ויירד בחדות כאשר מצב העבודה ישתנה. החומר יהיה נתון להלם תרמי ולעומס עייפות תרמית, ויהיו עיוותים, סדקים ותקלות נוספות. בדרך כלל, תא הבעירה עשוי מסגסוגת גיליון, והדרישות הטכניות מסוכמות כדלקמן בהתאם לתנאי השירות של חלקים ספציפיים: יש לו עמידות מסוימת לחמצון ועמידות בפני קורוזיה בגז בתנאים של שימוש בסגסוגת וגז בטמפרטורה גבוהה; יש לו חוזק מיידי וסיבולת מסוים, ביצועי עייפות תרמית ומקדם התפשטות נמוך; יש לו מספיק פלסטיות ויכולת ריתוך כדי להבטיח עיבוד, יצירה וחיבור; יש לו יציבות ארגונית טובה תחת מחזור תרמי כדי להבטיח פעולה אמינה במהלך חיי השירות.
א. למינציה נקבובית מסגסוגת MA956
בשלב המוקדם, הלמינציה הנקבוביה הייתה עשויה מסגסוגת HS-188 על ידי הדבקת דיפוזיה לאחר שצולמה, חריטה, חריץ ונקב. ניתן להפוך את השכבה הפנימית לערוץ קירור אידיאלי בהתאם לדרישות העיצוב. קירור מבנה זה זקוק רק ל-30% מגז הקירור של קירור הסרט המסורתי, מה שיכול לשפר את יעילות המחזור התרמי של המנוע, להפחית את יכולת נשיאת החום בפועל של חומר תא הבעירה, להפחית את המשקל ולהגדיל את משקל הדחף. יַחַס. נכון לעכשיו, עדיין יש צורך לפרוץ את הטכנולוגיה המרכזית לפני שניתן יהיה להכניס אותה לשימוש מעשי. הלמינציה הנקבוביה עשויה MA956 היא דור חדש של חומר תאי בעירה שהוצג על ידי ארצות הברית, שניתן להשתמש בו ב-1300 ℃.
ב. יישום של חומרים מרוכבים קרמיים בתא בעירה
ארה"ב החלה לאמת את כדאיות השימוש בקרמיקה לטורבינות גז מאז 1971. בשנת 1983, כמה קבוצות שעוסקות בפיתוח חומרים מתקדמים בארצות הברית גיבשו סדרה של מדדי ביצועים לטורבינות גז המשמשות במטוסים מתקדמים. אינדיקטורים אלה הם: הגדל את טמפרטורת כניסת הטורבינה ל-2200 ℃; לפעול תחת מצב הבעירה של חישוב כימי; הפחת את הצפיפות המיושמת על חלקים אלה מ-8g/cm3 ל-5g/cm3; בטל קירור של רכיבים. על מנת לעמוד בדרישות אלו, החומרים הנלמדים כוללים גרפיט, מטריצת מתכת, תרכובות מטריצות קרמיות ותרכובות בין-מתכתיות בנוסף לקרמיקה חד פאזית. למטריצות קרמיות (CMC) יש את היתרונות הבאים:
מקדם ההתפשטות של חומר קרמי קטן בהרבה מזה של סגסוגת על בסיס ניקל, והציפוי קל לקילוף. ייצור חומרים מרוכבים קרמיים עם לבד מתכתי ביניים יכול להתגבר על הפגם של התקלפות, שהוא כיוון הפיתוח של חומרי תאי בעירה. ניתן להשתמש בחומר זה עם 10% - 20% אוויר קירור, והטמפרטורה של בידוד גב מתכת היא רק כ-800 ℃, וטמפרטורת נשיאת החום נמוכה בהרבה מזו של קירור וקירור סרטים. במנוע V2500 נעשה שימוש באריחי מיגון מסוג B1900+ציפוי קרמי יצוק על-על, וכיוון הפיתוח הוא החלפת אריחי B1900 (עם ציפוי קרמי) בקומפוזיט מבוסס SiC או מרוכב C/C נגד חמצון. מרוכב מטריצה קרמי הוא חומר הפיתוח של תא הבעירה של המנוע עם יחס משקל דחף של 15-20, וטמפרטורת השירות שלו היא 1538 ℃ - 1650 ℃. הוא משמש לצינור להבה, קיר צף ומבער לאחר.
2. סגסוגת טמפרטורה גבוהה עבור טורבינה
להב הטורבינה של מנוע אווירי הוא אחד הרכיבים הנושאים את עומס הטמפרטורה החמור ביותר ואת סביבת העבודה הגרועה ביותר במנוע האווירי. הוא צריך לשאת מתח גדול ומורכב מאוד בטמפרטורה גבוהה, ולכן דרישות החומר שלו קפדניות מאוד. סגסוגות העל עבור להבי טורבינות מנועי אוויר מחולקות ל:
סגסוגת טמפרטורה גבוהה למדריך
המסיט הוא אחד החלקים של מנוע הטורבינה המושפעים ביותר מחום. כאשר מתרחשת בעירה לא אחידה בתא הבעירה, עומס החימום של שבשבת המנחה בשלב הראשון הוא גדול, וזו הסיבה העיקרית לנזק של שבשבת המנחה. טמפרטורת השירות שלו גבוהה בכ-100 ℃ מזו של להב הטורבינה. ההבדל הוא שהחלקים הסטטיים אינם נתונים לעומס מכני. בדרך כלל, קל לגרום ללחץ תרמי, עיוות, סדק עייפות תרמית וכוויה מקומית הנגרמת על ידי שינוי טמפרטורה מהיר. לסגסוגת שבשבת המנחה יהיו המאפיינים הבאים: חוזק מספיק בטמפרטורה גבוהה, ביצועי זחילה קבועים וביצועי עייפות תרמית טובים, עמידות גבוהה בחמצון וביצועי קורוזיה תרמית, עמידות בפני מתח תרמי ורעידות, יכולת עיוות כיפוף, ביצועי יציקה וריתוך טובים של תהליך יציקה, וביצועי הגנת ציפוי.
כיום, רוב המנועים המתקדמים עם יחס דחף/משקל גבוה משתמשים בלהבי יציקה חלולים, ונבחרות סגסוגות-על מבוססות ניקל כיווניות וקריסטל יחיד. למנוע עם יחס דחף-משקל גבוה יש טמפרטורה גבוהה של 1650 ℃ - 1930 ℃ וצריך להיות מוגן על ידי ציפוי בידוד תרמי. טמפרטורת השירות של סגסוגת הלהב בתנאי קירור והגנה על ציפוי היא יותר מ- 1100 ℃, מה שמציב דרישות חדשות וגבוהות יותר לעלות צפיפות הטמפרטורה של חומר להב המדריך בעתיד.
ב. סגסוגות על ללהבי טורבינה
להבי טורבינה הם החלקים המסתובבים נושאי החום העיקריים של מנועי תעופה. טמפרטורת ההפעלה שלהם נמוכה ב-50 ℃ - 100 ℃ מאשר להבי המנחה. הם נושאים לחץ צנטריפוגלי גדול, מתח רטט, לחץ תרמי, ניקוי זרימת אוויר והשפעות אחרות בעת סיבוב, ותנאי העבודה גרועים. חיי השירות של רכיבי הקצה החם של המנוע עם יחס דחף/משקל גבוה הם יותר מ-2000 שעות. לכן, לסגסוגת להב הטורבינה תהיה עמידות גבוהה לזחילה וחוזק קרע בטמפרטורת השירות, תכונות מקיפות טובות בטמפרטורה גבוהה ובינונית, כגון עייפות מחזור גבוהה ונמוכה, עייפות קרה וחמה, פלסטיות מספקת וקשיחות פגיעה ורגישות לחריצים; עמידות גבוהה בחמצון ועמידות בפני קורוזיה; מוליכות תרמית טובה ומקדם התפשטות ליניארי נמוך; ביצועים טובים של תהליך הליהוק; יציבות מבנית לטווח ארוך, ללא משקעים בשלב TCP בטמפרטורת השירות. הסגסוגת המיושמת עוברת ארבעה שלבים; יישומי סגסוגת מעוותים כוללים GH4033, GH4143, GH4118 וכו'; היישום של סגסוגת יציקה כולל K403, K417, K418, K405, זהב מוצק כיוונית DZ4, DZ22, סגסוגת גביש אחת DD3, DD8, PW1484 וכו '. נכון לעכשיו, זה התפתח לדור השלישי של סגסוגות גביש בודדות. סגסוגת הגביש החד של סין DD3 ו-DD8 משמשות בהתאמה בטורבינות, מנועי טורבו-פאן, מסוקים ומנועי ספינה של סין.
3. סגסוגת טמפרטורה גבוהה עבור דיסק טורבינה
דיסק הטורבינה הוא החלק המסובב המסתובב המלחיץ ביותר במנוע הטורבינה. טמפרטורת העבודה של אוגן הגלגל של המנוע עם יחס משקל דחף של 8 ו-10 מגיעה ל-650 ℃ ו- 750 ℃, וטמפרטורת מרכז הגלגל היא כ-300 ℃, עם הפרש טמפרטורות גדול. במהלך סיבוב רגיל, הוא מניע את הלהב להסתובב במהירות גבוהה ונושא את הכוח הצנטריפוגלי המרבי, הלחץ התרמי ולחץ הרטט. כל התחלה ועצירה היא מחזור, מרכז גלגל. הגרון, החריץ התחתון והשפה כולם נושאים מתחים מורכבים שונים. הסגסוגת נדרשת להיות בעלת חוזק התפוקה הגבוה ביותר, קשיחות פגיעה וללא רגישות לחריצים בטמפרטורת השירות; מקדם התפשטות ליניארי נמוך; עמידות מסוימת לחמצון ולקורוזיה; ביצועי חיתוך טובים.
4. סגסוגת-על תעופה וחלל
הסגסוגת העל במנוע הטילים הנוזלי משמשת כפאנל מזרק הדלק של תא הבעירה בתא הדחף; מרפק משאבת טורבינה, אוגן, מהדק הגה גרפיט, וכו '. סגסוגת טמפרטורה גבוהה במנוע רקטות נוזלי משמש כפאנל מזרק תא דלק בתא דחף; מרפק משאבת טורבינה, אוגן, אטב הגה גרפיט וכו'. GH4169 משמש כחומר של רוטור טורבינה, פיר, שרוול פיר, אטב וחלקים נושאים חשובים אחרים.
חומרי רוטור הטורבינה של מנוע רקטות נוזלי אמריקאי כוללים בעיקר צינור יניקה, להב טורבינה ודיסק. סגסוגת GH1131 משמשת בעיקר בסין, ולהב הטורבינה תלוי בטמפרטורת העבודה. יש להשתמש ב-Inconel x, Alloy713c, Astroloy ו-Mar-M246 ברציפות; חומרי דיסק הגלגלים כוללים את Inconel 718, Waspaloy וכו'. לרוב משתמשים בטורבינות אינטגרליות של GH4169 ו-GH4141, ו-GH2038A משמש לציר המנוע.