סגסוגת לטמפרטורה גבוהה נקראת גם סגסוגת חוזק חום. על פי מבנה המטריצה, ניתן לחלק את החומרים לשלוש קטגוריות: מבוססי ברזל מבוססי ניקל ובסיסי כרום. על פי אופן הייצור, ניתן לחלק אותם לסגסוגת-על מעוותת וסגסוגת-על יצוקה.
זהו חומר גלם הכרחי בתחום התעופה והחלל. זהו החומר המרכזי לחלקים בטמפרטורה גבוהה של מנועי ייצור תעופה וחלל. הוא משמש בעיקר לייצור תאי בעירה, להבי טורבינה, להבי מדריך, מדחס ודיסק טורבינה, מארז טורבינה וחלקים אחרים. טווח טמפרטורות השירות הוא 600 ℃ - 1200 ℃. תנאי הלחץ והסביבה משתנים בהתאם לחלקים המשמשים. ישנן דרישות מחמירות לתכונות המכניות, הפיזיקליות והכימיות של הסגסוגת. זהו הגורם המכריע לביצועים, לאמינות ולאורך החיים של המנוע. לכן, סגסוגת-על היא אחד מפרויקטי המחקר המרכזיים בתחומי התעופה והחלל וההגנה הלאומית במדינות מפותחות.
היישומים העיקריים של סגסוגות-על הם:
1. סגסוגת טמפרטורה גבוהה לתא בעירה
תא הבעירה (הידוע גם כצינור להבה) של מנוע טורבינה לתעופה הוא אחד המרכיבים המרכזיים בטמפרטורה גבוהה. מכיוון שמתבצעים בתא הבעירה אטומיזציה של דלק, ערבוב נפט וגז ותהליכים אחרים, הטמפרטורה המקסימלית בתא הבעירה יכולה להגיע ל-1500 מעלות צלזיוס עד 2000 מעלות צלזיוס, וטמפרטורת הדופן בתא הבעירה יכולה להגיע ל-1100 מעלות צלזיוס. במקביל, הוא נושא גם עומס תרמי ועומס גז. רוב המנועים בעלי יחס דחף/משקל גבוה משתמשים בתאי בעירה טבעתיים, בעלי אורך קצר וקיבולת חום גבוהה. הטמפרטורה המקסימלית בתא הבעירה מגיעה ל-2000 מעלות צלזיוס, וטמפרטורת הדופן מגיעה ל-1150 מעלות צלזיוס לאחר קירור באמצעות סרט גז או קיטור. גרדיאנטים גדולים של טמפרטורה בין חלקים שונים ייצרו עומס תרמי, אשר יעלה וירד בחדות כאשר מצב העבודה משתנה. החומר יהיה נתון להלם תרמי ועומס עייפות תרמית, ויהיו עיוותים, סדקים ופגמים אחרים. באופן כללי, תא הבעירה עשוי מסגסוגת יריעות, והדרישות הטכניות מסוכמות כדלקמן בהתאם לתנאי השירות של חלקים ספציפיים: יש לו עמידות מסוימת לחמצון ועמידות בפני קורוזיה של גז בתנאי שימוש בסגסוגת ובגז בטמפרטורה גבוהה; יש לו חוזק מיידי וסיבולת מסוימת, ביצועי עייפות תרמית ומקדם התפשטות נמוך; יש לו מספיק פלסטיות ויכולת ריתוך כדי להבטיח עיבוד, עיצוב וחיבור; יש לו יציבות ארגונית טובה תחת מחזור תרמי כדי להבטיח פעולה אמינה במהלך חיי השירות.
א. למינציה נקבובית מסגסוגת MA956
בשלב מוקדם, הלמינציה הנקבובית יוצרה מסגסוגת HS-188 באמצעות דבק דיפוזיה לאחר צילום, חריטה, חריטה וניקוב. ניתן להפוך את השכבה הפנימית לתעלת קירור אידיאלית בהתאם לדרישות התכנון. קירור מבנה זה דורש רק 30% מגז הקירור של קירור הסרט המסורתי, מה שיכול לשפר את יעילות המחזור התרמי של המנוע, להפחית את כושר נשיאת החום בפועל של חומר תא הבעירה, להפחית את המשקל ולהגדיל את יחס הדחף-משקל. נכון לעכשיו, עדיין יש צורך לפרוץ טכנולוגיות מפתח לפני שניתן יהיה להכניס אותה לשימוש מעשי. הלמינציה הנקבובית העשויה MA956 היא דור חדש של חומר תא בעירה שהוצג על ידי ארצות הברית, וניתן להשתמש בה בטמפרטורה של 1300 מעלות צלזיוס.
ב. יישום של חומרים מרוכבים קרמיים בתא הבעירה
ארצות הברית החלה לאמת את היתכנות השימוש בקרמיקה עבור טורבינות גז מאז 1971. בשנת 1983, כמה קבוצות שעסקו בפיתוח חומרים מתקדמים בארצות הברית גיבשו סדרה של מדדי ביצועים עבור טורבינות גז המשמשות במטוסים מתקדמים. מדדים אלה הם: העלאת טמפרטורת כניסת הטורבינה ל-2200 מעלות צלזיוס; פעולה במצב בעירה של חישוב כימי; הפחתת הצפיפות המוחלת על חלקים אלה מ-8 גרם/סמ"ק ל-5 גרם/סמ"ק; ביטול קירור הרכיבים. על מנת לעמוד בדרישות אלה, החומרים שנחקרו כוללים גרפיט, מטריצת מתכת, מרוכבים מטריצת קרמיקה ותרכובות בין-מתכתיות בנוסף לקרמיקה חד-פאזית. לחומרים מרוכבים מטריצת קרמיקה (CMC) יש את היתרונות הבאים:
מקדם ההתפשטות של חומר קרמי קטן בהרבה מזה של סגסוגת מבוססת ניקל, והציפוי קל לקילוף. ייצור חומרים מרוכבים קרמיים עם לבד מתכתי ביניים יכול להתגבר על פגם ההתקלפות, שהוא כיוון הפיתוח של חומרי תא הבעירה. ניתן להשתמש בחומר זה עם 10% - 20% אוויר קירור, וטמפרטורת הבידוד האחורי המתכתי היא רק כ-800 ℃, וטמפרטורת נשיאת החום נמוכה בהרבה מזו של קירור מתפצל וקירור סרט. אריחי מגן ציפוי קרמי יצוקים מסוג B1900+ סגסוגת-על משמשים במנוע V2500, וכיוון הפיתוח הוא להחליף את אריחי B1900 (עם ציפוי קרמי) במרוכב מבוסס SiC או מרוכב C/C נוגד חמצון. מרוכב מטריצת קרמיקה הוא חומר הפיתוח של תא הבעירה של מנוע עם יחס משקל דחף של 15-20, וטמפרטורת השירות שלו היא 1538 ℃ - 1650 ℃. הוא משמש לצינור להבה, דופן צפה ומבער אחורי.
2. סגסוגת טמפרטורה גבוהה לטורבינה
להב טורבינה של מנוע אווירי הוא אחד הרכיבים הנושאים את עומס הטמפרטורה החמור ביותר ואת סביבת העבודה הגרועה ביותר במנוע אווירי. הוא נדרש לשאת מאמצים גדולים ומורכבים מאוד תחת טמפרטורה גבוהה, ולכן דרישות החומר שלו מחמירות מאוד. סגסוגות העל ללהבי טורבינה של מנוע אווירי מחולקות ל:
א. סגסוגת טמפרטורה גבוהה עבור מדריך
המוט הוא אחד החלקים במנוע הטורבינה המושפעים ביותר מחום. כאשר מתרחשת בעירה לא אחידה בתא הבעירה, עומס החימום של שביל ההנחיה של השלב הראשון גדול, וזו הסיבה העיקרית לנזק לשביל ההנחיה. טמפרטורת השירות שלה גבוהה בכ-100 מעלות צלזיוס מזו של להב הטורבינה. ההבדל הוא שהחלקים הסטטיים אינם נתונים לעומס מכני. בדרך כלל, קל לגרום למאמץ תרמי, עיוות, סדקי עייפות תרמית וכוויה מקומית הנגרמים כתוצאה משינויי טמפרטורה מהירים. סגסוגת שביל ההנחיה צריכה להיות בעלת התכונות הבאות: חוזק מספיק בטמפרטורה גבוהה, ביצועי זחילה קבועים וביצועי עייפות תרמית טובים, עמידות גבוהה לחמצון וביצועי קורוזיה תרמית, עמידות למאמץ תרמי ורעידות, יכולת עיוות כיפוף, ביצועי יציקה ויכולת ריתוך טובים בתהליך היציקה, וביצועי הגנה מפני ציפוי.
כיום, רוב המנועים המתקדמים בעלי יחס דחף/משקל גבוה משתמשים בלהבים יצוקים חלולים, ונבחרים סגסוגות-על מבוססות ניקל כיווניות וחד-גבישיות. למנועים בעלי יחס דחף/משקל גבוה יש טמפרטורה גבוהה של 1650 ℃ - 1930 ℃ ויש להגן עליהם באמצעות ציפוי בידוד תרמי. טמפרטורת השירות של סגסוגת הלהב בתנאי קירור וציפוי היא יותר מ-1100 ℃, מה שמציב דרישות חדשות וגבוהות יותר לעלות צפיפות הטמפרטורה של חומר להב ההנחיה בעתיד.
ב. סגסוגות-על להבי טורבינה
להבי טורבינה הם החלקים המסתובבים העיקריים הנושאים חום במנועי אוויר. טמפרטורת הפעולה שלהם נמוכה ב-50 מעלות צלזיוס עד 100 מעלות צלזיוס מזו של להבי ההנחיה. הם נושאים עומס צנטריפוגלי גבוה, עומס רטט, עומס תרמי, קרע זרימת אוויר והשפעות אחרות בעת הסיבוב, ותנאי העבודה ירודים. אורך החיים של רכיבי הקצה החם של המנוע בעלי יחס דחף/משקל גבוה הוא יותר מ-2000 שעות. לכן, סגסוגת להבי הטורבינה צריכה להיות בעלת עמידות גבוהה לזחילה וחוזק קריעה בטמפרטורת שירות, תכונות מקיפות טובות בטמפרטורות גבוהות ובינוניות, כגון עייפות מחזורית גבוהה ונמוכה, עייפות קרה וחמה, גמישות וקשיחות פגיעות מספקות, ורגישות לחריצים; עמידות גבוהה לחמצון ולקורוזיה; מוליכות תרמית טובה ומקדם התפשטות ליניארית נמוך; ביצועים טובים בתהליך יציקה; יציבות מבנית לטווח ארוך, ללא משקעי פאזה TCP בטמפרטורת השירות. הסגסוגת המיושמת עוברת ארבעה שלבים; יישומי סגסוגות מעוותות כוללים GH4033, GH4143, GH4118 וכו'. סגסוגות יציקה כוללות את K403, K417, K418, K405, זהב מוצק כיווני DZ4, DZ22, סגסוגות גביש יחיד DD3, DD8, PW1484 ועוד. כיום, התפתחה הדור השלישי של סגסוגות גביש יחיד. סגסוגות גביש יחיד DD3 ו-DD8 מסין משמשות בהתאמה בטורבינות, מנועי טורבו-מאווררים, מסוקים ומנועים של ספינות בסין.
3. סגסוגת טמפרטורה גבוהה עבור דיסק טורבינה
דיסק הטורבינה הוא חלק המיסב המסתובב העמוס 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, המאמץ התרמי ומאמץ הרטט. כל התחלה ועצירה הם מחזור, מרכז הגלגל. הגרון, תחתית החריץ והחישוק נושאים מאמצים מרוכבים שונים. הסגסוגת נדרשת בעלת חוזק כניעה גבוה ביותר, קשיחות פגיעה וללא רגישות חריצים בטמפרטורת השירות; מקדם התפשטות ליניארי נמוך; עמידות מסוימת לחמצון וקורוזיה; ביצועי חיתוך טובים.
4. סגסוגת-על לחלל
סגסוגת-העל במנוע רקטות נוזלי משמשת כלוח מזרק דלק של תא הבעירה בתא הדחף; מרפק משאבת הטורבינה, אוגן, מחבר הגה גרפיט וכו'. סגסוגת לטמפרטורה גבוהה במנוע רקטות נוזלי משמשת כלוח מזרק תא דלק בתא הדחף; מרפק משאבת הטורבינה, אוגן, מחבר הגה גרפיט וכו'. GH4169 משמש כחומר לרוטור הטורבינה, הציר, שרוול הציר, מחבר וחלקי מיסב חשובים אחרים.
חומרי הרוטור של הטורבינה למנועי רקטות נוזליים אמריקאיים 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 בזה אחר זה; חומרי דיסק הגלגל כוללים Inconel 718, Waspaloy וכו'. משתמשים בעיקר בטורבינות אינטגרליות GH4169 ו-GH4141, ו-GH2038A משמש לציר המנוע.