一.Primena superlegure u avio motorima
Tok rada turbinskog motora: Kada se motor pokrene, vazduh ulazi u kompresor preko ulaza, pod pritiskom je i ulazi u komoru za sagorevanje, meša se sa gorivom koje emituje mlaznica za ubrizgavanje goriva, formira jednoličnu mešavinu i brzo se pali i sagoreva u komora za sagorijevanje, proizvodi visokotemperaturni plin koji teče kroz vodič u turbinu, a turbina se rotira velikom brzinom (normalna brzina može doseći 1100 r/min) pod visokom temperaturom i protokom plina visokog pritiska. Gas iz turbine se izbacuje iz repne mlaznice kako bi se stvorio potisak. Zbog vibracija, erozije strujanja vazduha, posebno centrifugalnog efekta izazvanog rotacijom, visokotemperaturni delovi motora aviona biće izloženi većem naprezanju, gas sadrži mnogo kiseonika, vodene pare, a ima i korozivnih gasova kao što su SO2,H2S , koji će igrati ulogu u oksidaciji i koroziji visokotemperaturnih dijelova. Bilo da se radi o vojnom avionu, civilnom avionu, pored strukturnih i funkcionalnih performansi, ali zahtevaju i sigurnost i stabilnost, tako da savremeni motori pored visokog omjera potiska i težine, visoke temperature, visokog pritiska i drugih performansi, postoje su strogi zahtjevi za pouzdanost, izdržljivost, održavanje.
Superlegura ima visoku termičku stabilnost i termičku čvrstoću i može imati dobru otpornost na koroziju i otpornost na oksidaciju na visokim temperaturama. To je bitan ključni materijal za proizvodnju vrućih komponenti zrakoplovnih turbinskih motora, koji se uglavnom koristi u proizvodnji vrućih komponenti turbina, naime turbinski disk, vodeća lopatica turbine, radna lopatica turbine, komora za sagorijevanje i komponente naknadnog sagorijevanja. U modernim naprednim motorima aviona, količina materijala superlegure čini 40%-60% ukupnog motora.
Komora za sagorevanje je područje najviše radne temperature komponenti motora, a kada temperatura gasa u komori za sagorevanje dostigne 1500-2000 stepeni C, temperatura legure stijenke komore može doseći 800 ~ 900 stepeni C, a lokalna temperatura može da dostigne 1100 stepeni C. Legura koja se koristi kao komora za sagorevanje je izložena termičkom naprezanju i sili udara gasa, posebno tokom poletanja, ubrzanja i parkiranja, a promene temperature su drastičnije. Zbog cikličkog zagrijavanja i hlađenja, u komori za sagorijevanje često se pojavljuju deformacije, deformacije i pukotine od termičkog zamora na rubovima.
Poslednjih godina, većina superlegura koje se koriste u komori za sagorevanje su legure ojačane čvrstim rastvorom, koje sadrže veliki broj W,Mo,Nb i drugih elemenata ojačanih čvrstim rastvorom, visokotemperaturnu čvrstoću, dobre performanse oblikovanja i zavarivanja. Reprezentativni brendovi su GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 i tako dalje.
Nož za vođenje je komponenta koja prilagođava smjer strujanja plina iz komore za sagorijevanje, također poznata kao vodilica. To je jedan od dijelova turbinskog motora koji je izložen velikom termičkom udaru. Naročito kada komora za sagorevanje nije ujednačena i rad nije dobar, vodeća lopatica je izložena većem toplotnom opterećenju, a radna temperatura vodeće lopatice naprednog turbinskog motora može da dostigne 1100 stepeni. Izobličenja uzrokovana termičkim naprezanjem, pukotine od termičkog zamora uzrokovane drastičnim promjenama temperature i lokalne opekotine glavni su nedostaci lopatica u radu.
Većina legura koje se koriste kao vodilice proizvedene su postupkom preciznog livenja, a legurama se može dodati više W, Mo,Nb,Al,Ti i drugih elemenata za ojačavanje čvrstih rastvora i starenja, a sadržaj C i B u legura je također veća nego kod deformiranih visokotemperaturnih legura. Neke vodeće oštrice su takođe zavarene direktno od limova ojačanih starošću. Napredni avio motori uglavnom koriste šuplje livene lopatice, koje imaju dobar efekat hlađenja i mogu povećati radnu temperaturu. Upotreba domaće temperature legure vodilice može doseći 000 ~ 1050 stepeni, reprezentativna legura za precizno lijevanje K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, itd.
Sa razvojem motora, kako bi se zadovoljilo dalje povećanje temperature turbinskog diska motora, promijenjena je i struktura vodeće lopatice, te se pokušavaju usvojiti GH5605 i GH5188. Zavarena laminirana struktura deformiranog lima superlegure koristi se kao vodilica.
Lopatice turbine su najteže komponente u avio-motorima sa visokom radnom temperaturom i velikim centrifugalnim naprezanjem, naprezanjem od vibracija, termičkim naprezanjem i erozijskom silom strujanja vazduha tokom rotacije. Zatezni napon tijela lopatice je oko 140MPa, a prosječni napon korijena lopatice je 280-560MPa. Temperatura tijela oštrice i korijenskog dijela je oko 650-980 stepeni i 760 stepeni respektivno. Ulazna temperatura gasa naprednog avio motora dostigla je 1380 stepeni, a potisak je dostigao 226 kN. Tipično za GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 itd., može se koristiti u 750-950 stepenu. U razvoju novih mašina i modifikaciji starih mašina, za proizvodnju turbinskih lopatica koristi se livena superlegura. Tipične klase legura za livenje su K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 i tako dalje.
Turbinski disk čini najveću masu u komponentama avio motora, sa pojedinačnom masom većom od 50 kg, a pojedinačna masa velikog turbinskog diska doseže stotine kilograma. U studiju turbinskih diskova, opća temperatura naplatka može dostići 550-650 stepeni C, dok je temperatura centra točka samo oko 300 stepeni C, a temperaturna razlika cijelog turbinskog diska je veoma velika. Stoga se stvara veliko radijalno toplinsko naprezanje. Lopatice turbine rotiraju velikom brzinom tokom normalne rotacije i podnose veliku centrifugalnu silu. Naprezanje na dijelu zuba čepa je složenije, uključujući vlačno naprezanje i naprezanje torzije, koji stvaraju veliko naprezanje i niski ciklus zamora tijekom pokretanja i zaustavljanja.
Deformisane superlegure za turbinske diskove, jedan tip su superlegure na bazi gvožđa i nikla, tipične legure su GH2132, GH2135, GH2901, GH4761, itd., radna temperatura je ispod 650 stepeni; Druga vrsta superlegure na bazi nikla, tipične marke GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 itd., Korištenje temperature može doseći 700 ^ 800 stupnjeva.
2.Primjena superlegure u raketnim motorima
Raketa nosač je vozilo za slanje raznih svemirskih letjelica u svemirsku orbitu, superlegura u svemirskom polju se uglavnom koristi u potisnom raketnom motoru. Slika 2 je šematski dijagram raketnog motora na tekuće gorivo i njegove strukture, koja transformiše reaktante (pogonsko gorivo) u rezervoaru goriva ili vozilu u mlaznice velike brzine za stvaranje potiska. Kao što se vidi sa slike (b), protok vazduha na mlaznici raketnog motora dostiže 2500m/s, a temperatura je čak 1350 stepeni.
Superlegure raketnih motora se u principu mogu koristiti sa legurama avionskih turbinskih motora, ali u poređenju sa avionskim motorima, materijali raketnih motora imaju neke nove karakteristike:
Deformisane superlegure na bazi nikla obično dodaju 10%-25% Cr elementa kako bi se osiguralo da legura ima dobru otpornost na oksidativnu koroziju, tako da je legura na bazi nikla zapravo Ni-Cr kao matrica. Osim toga, neke legure dodaju elemente Co(15%-20%),Mo (oko 15%) ili W (oko 11%) u Ni-Cr čvrstu otopinu kako bi formirale trostruku deformiranu superleguru sa Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W kao matrica, respektivno. Tabela 6 pokazuje brendove, hemijske sastave i radne temperature deformisanih superlegura na bazi nikla koje se obično koriste u Kini. Slika 6 prikazuje trend razvoja primjene superlegura na lopatice i ploče turbina.
Deformaciona superlegura na bazi kobalta je u osnovi zasnovana na trokomponentnom sistemu Co-Ni-Cr i sadrži W,Mo,Nb,Ta i druge elemente za ojačavanje čvrstog rastvora i elemente za formiranje karbida. U poređenju sa deformisanim superlegurama na bazi nikla, brzina stvrdnjavanja je veća, a kvalitet površine delova nakon oblikovanja je bolji, ali u procesu oblikovanja generalno je potrebno više vremena toplog radnog vremena zagrevanja ili hladnog deformisanja, a potrebna je i tonaža opreme za preradu. Deformisane superlegure na bazi kobalta imaju visoku čvrstoću i odličnu otpornost na toplotni zamor, toplotnu koroziju i otpornost na habanje kada su veće od 980 stepeni. Međutim, deformirane superlegura na bazi kobalta imaju karbid kao glavnu fazu ojačanja i nemaju homogenu fazu ojačanja, a njihova izdržljiva čvrstoća je niža od one kod deformiranih superlegura na bazi nikla u rasponima niskih i srednjih temperatura. Tabela 9 navodi visokotemperaturna mehanička svojstva tipičnih deformiranih superlegura na bazi kobalta.