Tillämpning av högtemperaturlegering inom flygindustrin
Superlegeringar kan delas in i tre grupper efter deras matrisstruktur: järnbaserad nickelbaserad och krombaserad.
Beroende på produktionssättet kan det delas in i deformationssuperlegering och gjuten superlegering. Det är en oumbärlig råvara inom flyg- och rymdområdet. Det är ett nyckelmaterial för högtemperaturdelarna i flyg- och flygmotorer. Används huvudsakligen för tillverkning av förbränningskammare, turbinblad, styrblad, kompressor och turbinskiva, turbinhölje och andra delar. Arbetstemperaturen varierar från 600 grader C till 1200 grader C. de mekaniska och miljömässiga förhållandena varierar med de delar som används. De mekaniska, fysikaliska och kemiska egenskaperna hos legeringen krävs strikt, vilket är motorns prestanda, den avgörande faktorn för tillförlitlighet och livslängd. Därför är superlegering ett av de viktigaste forskningsprojekten inom flyg- och nationellt försvar i utvecklade länder.
Högtemperaturlegeringstillämpningar
1. Högtemperaturlegeringar för förbränningskammare
Förbränningskammaren i en flygmotorturbin (även känd som flamröret) är en av de viktigaste högtemperaturkomponenterna. På grund av processer som bränsleförstoftning och olje-gasblandning som sker i förbränningskammaren, kan temperaturer nå så höga som 1500 grader till 2000 grader, med väggtemperaturer som når 1100 grader. Dessutom måste kammaren motstå värme- och gaspåkänningar. Motorer med högt dragkraft-till-viktförhållande använder ofta ringformade förbränningskammare, som är kortare och har högre termisk intensitet; inom dessa kammare kan temperaturen nå 2000 grader, med väggtemperaturer på 1150 grader efter filmkylning eller ångavdunstningskylning. De betydande temperaturgradienterna mellan olika områden skapar termiska spänningar, vilket resulterar i förvrängningar, sprickor och andra fel på grund av termisk chock och termisk utmattningsbelastning. Vanligtvis är förbränningskammare gjorda av plåtlegeringar, och de tekniska kraven för specifika komponenter inkluderar: motstånd mot oxidation och gaskorrosion under höga temperaturer; tillräcklig övergående och långtidshållfasthet, termisk utmattningsprestanda och låga expansionskoefficienter; tillräcklig plasticitet och svetsbarhet för att säkerställa bearbetbarhet och anslutningar; och god mikrostrukturell stabilitet under termisk cykling för att garantera tillförlitlig drift under deras livslängd.
1) MA956 legeringsporösa skiktplattor
Tidiga porösa skiktplattor tillverkades av tunna HS-188-legeringsplåtar, bearbetade genom fotografering, korrosionsetsning och perforering, följt av diffusionsbindning. De inre skikten kan utformas för att skapa idealiska kylkanaler. Denna struktur möjliggör en minskning av kylgasbehovet till 30 % av vad som behövs för traditionell filmkylning, vilket förbättrar motorns termiska cykeleffektivitet och minskar den faktiska värmebelastningen på förbränningskammarmaterial, vilket minskar vikten och ökar dragkraft-till-vikt-förhållandet. För närvarande behövs fortfarande tekniska genombrott för praktisk användning. Den porösa skiktplattan MA956, en ny generation av förbränningskammarmaterial från USA, kan användas vid temperaturer på 1300 grader.
2) Keramiska matriskompositer i förbränningskammare
USA började testa genomförbarheten av keramik för gasturbiner 1971. År 1983 hade olika grupper som var engagerade i avancerad materialutveckling etablerat prestandamått för gasturbiner som används i avancerade flygplan, inklusive höjning av turbinens inloppstemperatur till 2200 grader, som arbetar under kemiskt beräknad förbränning förhållanden, vilket minskar komponentdensiteten från 8 g/cm³ till 5 g/cm³ och eliminerar kylning för dessa komponenter. Materialen som studerades inkluderade inte bara enfas keramik utan även grafit, metallmatris och keramiska matriskompositer, såväl som intermetalliska föreningar. Keramiska matriskompositer (CMC) erbjuder flera fördelar: deras värmeutvidgningskoefficienter är mycket lägre än för nickelbaserade legeringar, och beläggningar tenderar att lätt flagna. Att skapa CMC:er med mellanliggande metallmattor kan övervinna problem med skalning och representerar en riktning för utvecklingen av förbränningskammarmaterial. Sådana material kan arbeta med endast 10 % till 20 % kylluft, vilket resulterar i metallbaktemperaturer runt 800 grader, betydligt lägre än de från divergerande kylning och filmkylning. V2500-motorn använder gjuten högtemperaturlegering B1900 med keramiskt belagda skyddsplattor, och utvecklingsriktningen är att ersätta B1900 (med keramisk beläggning) plattor med SiC-baserade kompositer eller oxidationsbeständiga C/C-kompositer. CMC:er är materialen för förbränningskammare i motorer med dragkraft-till-vikt-förhållanden på 15 till 20, som arbetar vid temperaturer på 1538 grader till 1650 grader, som används för flamrör, flytande väggpaneler och efterbränningskammare.
2. Högtemperaturlegeringar för turbinsektioner
Turbinblad för flygmotorer är bland de komponenter som utsätts för de svåraste temperaturbelastningarna och tuffa driftsmiljöer. De måste motstå betydande och komplexa påfrestningar vid höga temperaturer, vilket leder till mycket stränga materialkrav. Högtemperaturlegeringar för turbinblad kan klassificeras enligt följande:
1) Högtemperaturlegeringar för statorer
Statorer är bland de komponenter i en turbinmotor som utsätts för mest termisk chock. När ojämn förbränning uppstår i förbränningskammaren uthärdar första stegets statorblad avsevärda termiska belastningar, vilket är en primär orsak till statorfel. Deras driftstemperaturer är vanligtvis cirka 100 grader högre än turbinbladens, men de är statiska komponenter och utsätts för mindre mekanisk belastning. De är dock känsliga för termiska påkänningar som kan leda till distorsion, termiska utmattningssprickor och lokal förbränning. De legeringar som används för statorblad bör ha följande egenskaper: tillräcklig hållfasthet vid hög temperatur, hållbarhet mot krypning, god termisk utmattningsprestanda, hög oxidations- och termisk korrosionsbeständighet, motståndskraft mot termiska påkänningar och vibrationer, böjningsdeformationsförmåga, god gjutbarhet och beläggning skyddsprestanda.
För närvarande använder avancerade motorer med hög dragkraft ofta ihåliga gjutna blad gjorda av riktade eller enkristalliserade nickelbaserade högtemperaturlegeringar. Motorer med hög dragkraft arbetar vid temperaturer som når 1650 grader till 1930 grader, vilket kräver användning av termiska barriärbeläggningar. Under kylnings- och beläggningsskyddsförhållanden överstiger driftstemperaturen för bladlegeringar 1100 grader, vilket ställer nya och högre krav på temperatur, densitet och kostnad på framtida statorbladmaterial.
2) Högtemperaturlegeringar för turbinarbetsblad
Turbinblad är kritiska roterande komponenter i flygmotorer, med driftstemperaturer som är 50 grader till 100 grader lägre än statorbladens. Under rotation upplever de betydande centrifugalspänningar, vibrationspåkänningar, termisk stress och luftflödeserosion, som arbetar under svåra förhållanden. Motorer med hög dragkraft kräver att livslängden för termiska ändkomponenter överstiger 2000 timmar. Därför måste turbinbladslegeringar uppvisa hög kryphållfasthet och långvarig brotthållfasthet vid driftstemperaturer, utmärkt prestanda vid hög och medeltemperatur, inklusive hög- och lågcykelutmattning, termisk utmattning, tillräcklig plasticitet och slagseghet, såväl som hög oxidations- och korrosionsbeständighet. De bör ha god värmeledningsförmåga och så låg linjär expansionskoefficient som möjligt, god gjutbarhet och långvarig mikrostrukturell stabilitet utan TCP-fasfällning vid driftstemperaturer. De använda legeringarna har utvecklats genom fyra steg: smideslegeringar som GH4033, GH4143 och GH4118; gjutna legeringar såsom K403, K417, K418 och K405; riktade stelningslegeringar som DZ4 och DZ22; och enkristalllegeringar såsom DD3, DD8 och PW1484. Utvecklingen har nu nått tredje generationens enkristalllegeringar. I Kina används enkristalllegeringar DD3 och DD8 i turbiner, turbofläktmotorer, helikoptrar och marinmotorer.
3) Högtemperaturlegeringar för turbinskivor
Turbinskivan är den roterande lastbärande komponenten som utsätts för den högsta belastningen i turbinmotorer. För motorer med dragkraft-till-vikt-förhållanden på 8 och 10 når fälgtemperaturen 650 grader och 750 grader, medan navtemperaturen är cirka 300 grader, vilket resulterar i betydande temperaturskillnader. Under normal rotation driver skivan bladen med höga hastigheter och tål maximala centrifugal-, termiska och vibrationspåfrestningar. Varje start och avstängning representerar en cykel, där navet, halsen, spårets botten och fälgen alla upplever olika kompositpåkänningar. Legeringarna som används måste uppvisa högsta sträckgräns, slagseghet och ingen hackkänslighet vid driftstemperaturer, låga linjära expansionskoefficienter, viss oxidations- och korrosionsbeständighet och god bearbetbarhet.
4) Högtemperaturlegeringar för flygtillämpningar
I flytande raketmotorer används högtemperaturlegeringar för förbränningskammarinjektorpaneler, turbinpumpböjar, flänsar, grafitfena och mer. I tryckkammaren fungerar högtemperaturlegeringar som bränsleinsprutningspanelen, med turbinpumpböjar, flänsar och grafitfena som också är gjorda av dessa material. Kinas YF73- och YF75-motorer använder GH3030-legertråd vävd till ett nät, som sedan rullas och sintras till porösa, divergerande kylpaneler för förbränningskammarinjektorer. Turbinrotorer började använda GH1040 och GH2038A, och övergick senare till GH4169 genom integrerad smide, med skivan bearbetad och bladen elektrolytiskt bearbetade för att övervinna överdrivna deformationsproblem under långvarig testning med GH1040. Jämförelse av prestandan hos GH1040 och GH4169 visar att materialkraven för turbinrotorer i långdistansmissilmotorer följer standarder på 800 grader vid 398 MPa under 20 minuter; GH4169 kan uppnå stabil mikrostrukturell prestanda i 30 minuter, medan GH1040 bara kan bibehålla 294 MPa i 6 minuter vid 800 grader, utan att uppfylla driftskraven. Särskilt från -253 grad till rumstemperatur ökar styrkan hos GH4169 med 392 MPa till 400 MPa, med minimal förändring i plasticitet och god slagseghet vid låg temperatur. Därför används GH4169 för kritiska lastbärande komponenter som turbinrotorer, axlar och fästelement.
I amerikanska flytande raketmotorer inkluderar turbinrotormaterial insugningsröret, turbinbladen och skivorna. Kina använder i första hand GH1131-legeringar för turbinblad, varierande med driftstemperaturen, och använder sekventiellt Inconel x, Alloy 713C, Astroloy och Mar-M246; skivmaterial inkluderar Inconel 718 och Waspaloy, där Kina övervägande använder GH4169 och GH4141 för inbyggda turbiner och GH2038A för motoraxlar.