一.Aplikácia superzliatiny v leteckom motore
Pracovný postup turbínového motora: Keď sa motor naštartuje, vzduch vstupuje do kompresora vstupom, je natlakovaný a vstupuje do spaľovacej komory, mieša sa s palivom emitovaným vstrekovacou dýzou paliva, vytvára jednotnú zmes a rýchlo sa zapáli a spáli v spaľovacej komore, produkuje plyn vysokej teploty prúdiaci cez vedenie do turbíny a turbína sa otáča vysokou rýchlosťou (normálna rýchlosť môže dosiahnuť 1100 ot./min.) pri vysokej teplote a vysokotlakovom prietoku plynu. Plyn z turbíny je vytlačený z koncovej dýzy, aby sa vytvoril ťah. V dôsledku vibrácií, erózie prúdenia vzduchu, najmä odstredivého účinku spôsobeného rotáciou, budú vysokoteplotné časti leteckého motora vystavené väčšiemu namáhaniu, plyn obsahuje veľa kyslíka, vodnej pary a sú tu korozívne plyny ako SO2, H2S , ktorý bude hrať úlohu pri oxidácii a korózii častí s vysokou teplotou. Či už ide o vojenské lietadlá, civilné lietadlá, vyžadujú okrem konštrukčných a funkčných výkonov aj bezpečnosť a stabilitu, preto moderné motory okrem vysokého pomeru ťahu k hmotnosti, vysokej teploty, vysokého tlakového pomeru a iných výkonov sú prísne požiadavky na spoľahlivosť, trvanlivosť a udržiavateľnosť.
Superzliatina má vysokú tepelnú stabilitu a tepelnú pevnosť a môže mať dobrú odolnosť proti korózii a oxidácii pri vysokých teplotách. Je to základný kľúčový materiál na výrobu komponentov s horúcimi koncami leteckých turbínových motorov, ktoré sa používajú najmä pri výrobe komponentov horúceho konca turbín, menovite kotúč turbíny, vodiaca lopatka turbíny, pracovné lopatky turbíny, komponenty spaľovacej komory a komponenty prídavného spaľovania. V moderných vyspelých leteckých motoroch predstavuje množstvo superzliatinových materiálov 40 %-60 % z celkového objemu motora.
Spaľovacia komora je oblasťou s najvyššou pracovnou teplotou komponentov motora, a keď teplota plynu v spaľovacej komore dosiahne 1500-2000 stupeň C, teplota zliatiny steny komory môže dosiahnuť 800 ~ 900 stupňov C a miestne teplota môže dosiahnuť 1100 stupňov C. Zliatina použitá ako spaľovacia komora je vystavená tepelnému namáhaniu a sile nárazu plynu, najmä počas vzletu, zrýchlenia a parkovania, pričom zmeny teploty sú drastickejšie. V dôsledku cyklického zahrievania a chladenia sa v spaľovacej komore často objavujú deformačné, deformačné a tepelne únavové trhliny na okraji.
V posledných rokoch väčšina superzliatin používaných v spaľovacej komore sú zliatiny vystužené pevným roztokom, ktoré obsahujú veľké množstvo W,Mo,Nb a iných prvkov spevnených tuhým roztokom, pevnosť pri vysokej teplote, dobré tvarovacie a zváracie vlastnosti. Reprezentatívne značky sú GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 a tak ďalej.
Vodiaca lopatka je komponent, ktorý upravuje smer prúdenia plynu zo spaľovacej komory, známy aj ako vedenie. Je to jedna z častí turbínového motora, ktorá je vystavená veľkým tepelným vplyvom. Najmä keď spaľovacia komora nie je rovnomerná a prevádzka nie je dobrá, vodiaca lopatka je vystavená väčšiemu tepelnému zaťaženiu a prevádzková teplota vodiacej lopatky pokročilého turbínového motora môže dosiahnuť 1100 stupňov. Deformácia spôsobená tepelným namáhaním, trhliny z tepelnej únavy spôsobené prudkými zmenami teplôt a lokálne popáleniny sú hlavnými chybami vodiacich lopatiek v prevádzke.
Väčšina zliatin používaných ako vodiace čepele sa vyrába procesom presného odlievania a do zliatin je možné pridať viac W, Mo, Nb, Al, Ti a iných prvkov spevňujúcich tuhý roztok a starnutia a obsah C a B v zliatin je tiež vyššia ako u deformovaných vysokoteplotných zliatin. Niektoré vodiace čepele sú tiež zvárané priamo z vekom spevnených plechov. Pokročilé letecké motory väčšinou využívajú duté liate lopatky, ktoré majú dobrý chladiaci účinok a dokážu zvýšiť prevádzkovú teplotu. Použitie domácej teploty zliatiny vodiacej lopatky môže dosiahnuť 000 ~ 1050 stupňov, reprezentatívna zliatina na presné odlievanie K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B atď.
S vývojom motora, aby sa vyhovelo ďalšiemu zvyšovaniu teploty kotúča turbíny motora, sa zmenila aj štruktúra vodiacej lopatky a pokúšajú sa prijať GH5605 a GH5188. Ako vodiaca čepeľ sa používa zváraná laminovaná štruktúra deformovaného plechu superzliatiny.
Turbínové lopatky sú najťažšie komponenty leteckých motorov s vysokou pracovnou teplotou a veľkým odstredivým namáhaním, vibračným namáhaním, tepelným namáhaním a eróznou silou prúdenia vzduchu počas rotácie. Ťahové napätie tela lopatky je približne 140 MPa a priemerné napätie koreňa lopatky je 280-560MPa. Teplota tela čepele a koreňovej časti je približne 650-980 stupňov a 760 stupňov. Vstupná teplota plynu pokročilého leteckého motora dosiahla 1380 stupňov a ťah dosiahol 226 kN. Typické pre GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 atď., možno použiť v 750-950 stupňoch . Pri vývoji nových strojov a úpravách starých strojov sa na výrobu lopatiek turbín používa odlievacia superzliatina. Typické triedy odlievacích zliatin sú K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 atď.
Najväčšiu hmotnosť v komponentoch leteckého motora predstavuje kotúč turbíny, pričom samotná hmotnosť je viac ako 50 kg a samotná hmotnosť veľkého kotúča turbíny dosahuje stovky kilogramov. V štúdiu s turbínovým kotúčom môže všeobecná teplota ráfika dosiahnuť 550-650 stupňov C, zatiaľ čo teplota stredu kolesa je len asi 300 stupňov C a teplotný rozdiel celého kotúča turbíny je veľmi veľký. Preto vzniká veľké radiálne tepelné napätie. Lopatky turbíny sa pri normálnej rotácii otáčajú vysokou rýchlosťou a nesú veľkú odstredivú silu. Namáhanie časti čapu zuba je komplexnejšie, vrátane ťahového napätia a torzného napätia, ktoré tvoria vysoké namáhanie a nízku únavu cyklu pri štartovaní a zastavovaní.
Deformované superzliatiny pre turbínové disky, jedným typom sú superzliatiny na báze železa a niklu, typické zliatiny sú GH2132, GH2135, GH2901, GH4761 atď., prevádzková teplota je pod 650 stupňov; Ďalší druh superzliatiny na báze niklu, typická značka GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 atď., Pri použití teploty môže dosiahnuť 700 ^ 800 stupňov.
2.Aplikácia superzliatiny v raketovom motore
Nosná raketa je prostriedok na posielanie rôznych kozmických lodí na vesmírnu obežnú dráhu, superzliatina vo vesmírnom poli sa používa hlavne v ťahovom nosnom raketovom motore. Obrázok 2 je schematický diagram raketového motora na kvapalné palivo a jeho konštrukcie, ktorá transformuje reaktanty (propelenty) v zásobníku paliva alebo vo vozidle na vysokorýchlostné prúdy na generovanie ťahu. Ako je možné vidieť na obrázku (b), prúdenie vzduchu na tryske raketového motora dosahuje 2500 m/s a teplota je až 1350 stupňov.
Superzliatiny pre raketové motory možno v zásade použiť so zliatinami leteckých turbínových motorov, ale v porovnaní s leteckými motormi majú materiály raketových motorov niektoré nové vlastnosti:
Deformované superzliatiny na báze niklu zvyčajne pridávajú 10 %-25 % Cr prvku, aby sa zabezpečila dobrá odolnosť zliatiny voči oxidačnej korózii, takže zliatina na báze niklu je vlastne Ni-Cr ako matrica. Niektoré zliatiny navyše pridávajú prvky Co (15 %-20 %), Mo (približne 15 %) alebo W (približne 11 %) v tuhom roztoku Ni-Cr, čím sa vytvorí ternárny systém deformovaná superzliatina s Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W ako matrica, resp. V tabuľke 6 sú uvedené značky, chemické zloženie a prevádzkové teploty deformovaných superzliatin na báze niklu bežne používaných v Číne. Obrázok 6 ukazuje vývojový trend aplikácie superzliatiny na lopatky a taniere turbín.
Deformačná superzliatina na báze kobaltu je v podstate založená na ternárnom systéme Co-Ni-Cr a obsahuje W, Mo, Nb, Ta a ďalšie prvky na spevňovanie tuhého roztoku a prvky tvoriace karbidy. V porovnaní s deformovanými superzliatinami na báze niklu je rýchlosť vytvrdzovania väčšia a kvalita povrchu dielov po tvarovaní je lepšia, ale v procese tvarovania sa vo všeobecnosti vyžaduje dlhší pracovný ohrev za tepla alebo prechodné žíhanie pri deformácii za studena a vyžaduje sa aj tonáž zariadenia na spracovanie a tvárnenie. Deformované superzliatiny na báze kobaltu majú vysokú pevnosť a vynikajúcu odolnosť proti tepelnej únave, tepelnej korózii a odolnosti proti opotrebovaniu, keď sú vyššie ako 980 stupňov. Deformované superzliatiny na báze kobaltu však majú karbid ako hlavnú fázu spevňovania a chýba im homogénna fáza spevňovania a ich trvanlivá pevnosť je nižšia ako pevnosť deformovaných superzliatin na báze niklu v rozsahu nízkych a stredných teplôt. Tabuľka 9 uvádza vysokoteplotné mechanické vlastnosti typických deformovaných superzliatin na báze kobaltu.