一.Aplicarea superaliajului în motorul aero
Fluxul de lucru al motorului cu turbină: Când motorul este pornit, aerul intră în compresor prin admisie, este presurizat și intră în camera de ardere, se amestecă cu combustibilul emis de duza de injecție, formează un amestec uniform și este rapid aprins și ars în camera de ardere, produce gaz la temperatură înaltă care curge prin ghidaj în turbină, iar turbina se rotește cu o viteză mare (viteza normală poate ajunge la 1100r/min) în condiții de temperatură ridicată și debit de gaz de înaltă presiune. Gazul din turbină este expulzat din duza de coadă pentru a genera forță. Din cauza vibrațiilor, a eroziunii fluxului de aer, în special a efectului centrifug cauzat de rotație, părțile cu temperatură ridicată ale motorului aeronavei vor fi supuse unui stres mai mare, gazul conține mult oxigen, vapori de apă și există gaze corozive precum SO2, H2S. , care va juca un rol în oxidarea și coroziunea pieselor la temperaturi înalte. Fie că este vorba de o aeronavă militară, aeronave civile, în plus față de performanța structurală și funcțională, dar necesită, de asemenea, siguranță și stabilitate, astfel încât motoarele moderne, în plus față de raportul mare tracțiune-greutate, temperatură ridicată, raport de presiune ridicată și alte performanțe, există sunt cerințe stricte de fiabilitate, durabilitate, întreținere.
Superaliajul are stabilitate termică și rezistență termică ridicate și poate avea o bună rezistență la coroziune și rezistență la oxidare la temperaturi ridicate. Este un material cheie esențial pentru fabricarea componentelor hot end ale motoarelor cu turbină de aviație, utilizate în principal la fabricarea componentelor hot end ale turbinei, și anume discul turbinei, paleta de ghidare a turbinei, paleta de lucru a turbinei, camera de ardere și componentele post-ardere. În motoarele moderne de avioane avansate, cantitatea de materiale superaliaje reprezintă 40%-60% din totalul motorului.
Camera de ardere este zona cu cea mai mare temperatură de lucru a componentelor motorului, iar atunci când temperatura gazului din camera de ardere atinge 1500-2000 grade C, temperatura aliajului peretelui camerei poate ajunge la 800 ~ 900 grade C, iar cea locală temperatura poate ajunge la 1100 grade C. Aliajul folosit ca cameră de ardere este supus stresului termic și forței de impact cu gaz, în special în timpul decolare, accelerare și parcare, iar schimbările de temperatură sunt mai drastice. Datorită încălzirii și răcirii ciclice, camera de ardere apare adesea deformare, deformare și fisuri de oboseală termică la margine.
În ultimii ani, majoritatea superaliajelor utilizate în camera de ardere sunt aliaje întărite cu soluție solidă, care conțin un număr mare de W, Mo, Nb și alte elemente consolidate cu soluție solidă, rezistență la temperatură ridicată, performanță bună de formare și sudare. Mărcile reprezentative sunt GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 și așa mai departe.
Lama de ghidare este o componentă care reglează direcția fluxului de gaz din camera de ardere, cunoscută și sub numele de ghidaj. Este una dintre părțile motorului cu turbină care este supusă unui impact termic mare. În special atunci când camera de ardere nu este uniformă și funcționarea nu este bună, lama de ghidare este supusă unei sarcini termice mai mari, iar temperatura de funcționare a lamei de ghidare a motorului cu turbină avansat poate ajunge la 1100 de grade. Deformarea cauzată de stresul termic, fisurile de oboseală termică cauzate de schimbări drastice de temperatură și arsurile locale sunt principalele defecte ale lamelor de ghidare în funcționare.
Cele mai multe dintre aliajele utilizate ca lame de ghidare sunt produse prin proces de turnare de precizie, iar la aliaje pot fi adăugate mai multe W, Mo, Nb, Al, Ti și alte elemente de întărire a soluției solide și de îmbătrânire, iar conținutul de C și B în aliajele este de asemenea mai mare decât cea a aliajelor deformate la temperatură înaltă. Unele lame de ghidare sunt, de asemenea, sudate direct din foi întărite în vârstă. Motoarele aerodinamice avansate folosesc în mare parte lame turnate goale, care au un efect de răcire bun și pot crește temperatura de serviciu. Utilizarea temperaturii aliajului de ghidaj intern poate atinge 000 ~ 1050 de grade, aliaj de turnare de precizie reprezentativ K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B etc.
Odată cu dezvoltarea motorului, pentru a face față creșterii în continuare a temperaturii discului turbinei motorului, structura lamei de ghidare s-a schimbat și ea și se încearcă adoptarea GH5605 și GH5188. Structura laminată sudată a tablei de superaliaj deformată este utilizată ca lamă de ghidare.
Paletele turbinei sunt cele mai severe componente ale motoarelor aeronautice cu temperatură ridicată de lucru și stres centrifugal mare, stres de vibrație, stres termic și forță de eroziune a fluxului de aer în timpul rotației. Tensiunea de tracțiune a corpului lamei este de aproximativ 140 MPa, iar tensiunea medie a rădăcinii lamei este de 280-560MPa. Temperatura corpului lamei și a părții rădăcinii este de aproximativ 650-980 grade și, respectiv, 760 de grade. Temperatura de intrare a gazului a motorului aero avansat a atins 1380 de grade, iar tracțiunea a ajuns la 226 kN. Tipic pentru GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 etc., pot fi utilizate în 750-950 grad . În dezvoltarea de noi mașini și modificarea mașinilor vechi, superaliajul de turnare este utilizat pentru fabricarea palelor turbinei. Clasele tipice ale aliajelor de turnare sunt K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 și așa mai departe.
Discul de turbină reprezintă cea mai mare masă din componentele motorului aero, cu masa unică de peste 50 kg, iar masa unică a discului mare de turbină ajunge la sute de kilograme. În studioul cu discuri cu turbină, temperatura generală a jantei poate ajunge la 550-650 grade C, în timp ce temperatura centrului roții este de numai aproximativ 300 de grade C, iar diferența de temperatură a întregului disc al turbinei este foarte mare. Prin urmare, se generează un stres termic radial mare. Paletele turbinei se rotesc cu viteză mare în timpul rotației normale și suportă o forță centrifugă mare. Tensiunea asupra piesei dintelui cordului este mai complexă, incluzând stresul de tracțiune și stresul de torsiune, care formează un stres ridicat și o oboseală redusă a ciclului în timpul pornirii și opririi.
Superaliaje deformate pentru discuri de turbină, un tip este superaliaje pe bază de fier-nichel, clasele tipice de aliaje sunt GH2132, GH2135, GH2901, GH4761 etc., temperatura de funcționare este sub 650 de grade; Un alt tip de superaliaj pe bază de nichel, marca tipică GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 etc., folosind temperatura poate ajunge la 700 ^ 800 de grade.
2.Aplicarea superaliajului în motorul rachetei
Racheta de transport este un vehicul pentru a trimite o varietate de nave spațiale pe orbita spațială, superaliaj în domeniul spațial este utilizat în principal în motorul rachetei de transport de tracțiune. Figura 2 este o diagramă schematică a motorului rachetă cu combustibil lichid și a structurii acestuia, care transformă reactanții (propulsanții) din rezervorul de propulsor sau vehicul în jeturi de mare viteză pentru a genera forță. După cum se poate vedea din figura (b), debitul de aer la duza motorului rachetă ajunge la 2500 m/s, iar temperatura este de până la 1350 de grade.
Superaliajele pentru motoare de rachetă pot fi utilizate în principiu cu aliajele de motoare cu turbină de aviație, dar, în comparație cu motoarele de aviație, materialele pentru motoare de rachetă au câteva caracteristici noi:
Superaliajele deformate pe bază de nichel adaugă de obicei 10%-25% element Cr pentru a se asigura că aliajul are o bună rezistență la coroziune oxidativă, astfel încât aliajul pe bază de nichel este de fapt Ni-Cr ca matrice. În plus, unele aliaje adaugă elementele Co(15%-20%),Mo (aproximativ 15%) sau W (aproximativ 11%) în soluție solidă de Ni-Cr pentru a forma un superaliaj deformat în sistem ternar cu Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W ca matrice, respectiv. Tabelul 6 prezintă mărcile, compozițiile chimice și temperaturile de funcționare ale superaliajelor deformate pe bază de nichel utilizate în mod obișnuit în China. Figura 6 arată tendința de dezvoltare a aplicării superaliajului pe paletele și platourile de turbină.
Superaliajul de deformare pe bază de cobalt se bazează în esență pe sistemul ternar Co-Ni-Cr și conține W, Mo, Nb, Ta și alte elemente de întărire a soluției solide și elemente de formare a carburilor. În comparație cu superaliajele deformate pe bază de nichel, rata de întărire este mai mare, iar calitatea suprafeței pieselor după formare este mai bună, dar în procesul de formare sunt, în general, necesari mai mulți timpi de încălzire de lucru la cald sau timpi de recoacere intermediari de deformare la rece, iar este de asemenea necesar un tonaj al echipamentului de prelucrare de formare. Superaliajele deformate pe bază de cobalt au o rezistență ridicată și o rezistență excelentă la oboseală termică, coroziune termică și rezistență la uzură atunci când sunt mai mari de 980 de grade. Cu toate acestea, superaliajele deformate pe bază de cobalt au carbura ca fază principală de întărire și nu au o fază de întărire omogenă, iar rezistența lor durabilă este mai mică decât cea a superaliajelor deformate pe bază de nichel în intervalele de temperatură joasă și medie. Tabelul 9 enumeră proprietățile mecanice la temperaturi ridicate ale superaliajelor deformate tipice pe bază de cobalt.