Το κράμα υψηλής θερμοκρασίας ονομάζεται επίσης κράμα αντοχής στη θερμότητα. Σύμφωνα με τη δομή της μήτρας, τα υλικά μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: με βάση τον σίδηρο, με βάση το νικέλιο και με βάση το χρώμιο. Ανάλογα με τον τρόπο παραγωγής, μπορεί να χωριστεί σε παραμορφωμένο υπερκράμα και χυτό υπερκράμα.
Είναι μια απαραίτητη πρώτη ύλη στον αεροδιαστημικό τομέα. Είναι το βασικό υλικό για το τμήμα υψηλής θερμοκρασίας των αεροδιαστημικών και αεροπορικών κινητήρων. Χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή θαλάμου καύσης, λεπίδας στροβίλου, λεπίδας οδηγού, συμπιεστή και δίσκου στροβίλου, κελύφους στροβίλου και άλλων εξαρτημάτων. Το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας είναι 600 ℃ - 1200 ℃. Η τάση και οι περιβαλλοντικές συνθήκες ποικίλλουν ανάλογα με τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται. Υπάρχουν αυστηρές απαιτήσεις για τις μηχανικές, φυσικές και χημικές ιδιότητες του κράματος. Είναι ο αποφασιστικός παράγοντας για την απόδοση, την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής του κινητήρα. Ως εκ τούτου, το υπερκράμα είναι ένα από τα βασικά ερευνητικά έργα στους τομείς της αεροδιαστημικής και της εθνικής άμυνας στις ανεπτυγμένες χώρες.
Οι κύριες εφαρμογές των υπερκραμάτων είναι:
1. Κράμα υψηλής θερμοκρασίας για θάλαμο καύσης
Ο θάλαμος καύσης (γνωστός και ως σωλήνας φλόγας) του κινητήρα αεροπορίας είναι ένα από τα βασικά εξαρτήματα υψηλής θερμοκρασίας. Δεδομένου ότι η ψεκασμός καυσίμου, η ανάμειξη λαδιού και αερίου και άλλες διεργασίες πραγματοποιούνται στον θάλαμο καύσης, η μέγιστη θερμοκρασία στον θάλαμο καύσης μπορεί να φτάσει τους 1500 ℃ - 2000 ℃, και η θερμοκρασία τοιχώματος στον θάλαμο καύσης μπορεί να φτάσει τους 1100 ℃. Ταυτόχρονα, υφίσταται επίσης θερμική καταπόνηση και καταπόνηση αερίου. Οι περισσότεροι κινητήρες με υψηλή αναλογία ώσης/βάρους χρησιμοποιούν δακτυλιωτούς θαλάμους καύσης, οι οποίοι έχουν μικρό μήκος και υψηλή θερμοχωρητικότητα. Η μέγιστη θερμοκρασία στον θάλαμο καύσης φτάνει τους 2000 ℃, και η θερμοκρασία τοιχώματος φτάνει τους 1150 ℃ μετά από ψύξη με φιλμ αερίου ή ατμό. Οι μεγάλες διαβαθμίσεις θερμοκρασίας μεταξύ των διαφόρων μερών θα δημιουργήσουν θερμική καταπόνηση, η οποία θα αυξάνεται και θα μειώνεται απότομα όταν αλλάζει η κατάσταση λειτουργίας. Το υλικό θα υπόκειται σε θερμικό σοκ και φορτίο θερμικής κόπωσης, και θα υπάρχουν παραμορφώσεις, ρωγμές και άλλα ελαττώματα. Γενικά, ο θάλαμος καύσης είναι κατασκευασμένος από κράμα φύλλων και οι τεχνικές απαιτήσεις συνοψίζονται ως εξής, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας συγκεκριμένων εξαρτημάτων: έχει ορισμένη αντοχή στην οξείδωση και αντοχή στη διάβρωση αερίου υπό συνθήκες χρήσης κράματος και αερίου υψηλής θερμοκρασίας· έχει ορισμένη στιγμιαία και αντοχή σε αντοχή, απόδοση θερμικής κόπωσης και χαμηλό συντελεστή διαστολής· έχει αρκετή πλαστικότητα και ικανότητα συγκόλλησης για να εξασφαλίσει επεξεργασία, διαμόρφωση και σύνδεση· έχει καλή οργανωτική σταθερότητα υπό θερμικό κύκλο για να εξασφαλίσει αξιόπιστη λειτουργία εντός της διάρκειας ζωής.
α. Πορώδες ελασματοειδές κράμα MA956
Στο αρχικό στάδιο, το πορώδες φύλλο κατασκευάστηκε από φύλλο κράματος HS-188 με συγκόλληση διάχυσης, αφού φωτογραφήθηκε, χαράχθηκε, αυλακώθηκε και τρυπήθηκε. Το εσωτερικό στρώμα μπορεί να μετατραπεί σε ένα ιδανικό κανάλι ψύξης σύμφωνα με τις απαιτήσεις σχεδιασμού. Αυτή η ψύξη δομής χρειάζεται μόνο το 30% του ψυκτικού αερίου της παραδοσιακής ψύξης με φιλμ, το οποίο μπορεί να βελτιώσει την απόδοση του θερμικού κύκλου του κινητήρα, να μειώσει την πραγματική ικανότητα φέρουσας θερμότητας του υλικού του θαλάμου καύσης, να μειώσει το βάρος και να αυξήσει την αναλογία ώσης-βάρους. Προς το παρόν, εξακολουθεί να είναι απαραίτητο να διερευνηθεί η βασική τεχνολογία πριν μπορέσει να τεθεί σε πρακτική χρήση. Το πορώδες φύλλο από MA956 είναι μια νέα γενιά υλικού θαλάμου καύσης που εισήχθη από τις Ηνωμένες Πολιτείες, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους 1300 ℃.
β. Εφαρμογή κεραμικών σύνθετων υλικών σε θάλαμο καύσης
Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αρχίσει να επαληθεύουν τη σκοπιμότητα χρήσης κεραμικών για αεριοστροβίλους από το 1971. Το 1983, ορισμένες ομάδες που ασχολούνται με την ανάπτυξη προηγμένων υλικών στις Ηνωμένες Πολιτείες έχουν διαμορφώσει μια σειρά δεικτών απόδοσης για αεριοστροβίλους που χρησιμοποιούνται σε προηγμένα αεροσκάφη. Αυτοί οι δείκτες είναι: αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου του στροβίλου στους 2200 ℃· λειτουργία υπό κατάσταση καύσης χημικού υπολογισμού· μείωση της πυκνότητας που εφαρμόζεται σε αυτά τα μέρη από 8g/cm3 σε 5g/cm3· ακύρωση της ψύξης των εξαρτημάτων. Προκειμένου να ικανοποιηθούν αυτές οι απαιτήσεις, τα υλικά που μελετήθηκαν περιλαμβάνουν γραφίτη, μεταλλική μήτρα, σύνθετα κεραμικής μήτρας και διαμεταλλικές ενώσεις εκτός από μονοφασικά κεραμικά. Τα σύνθετα κεραμικής μήτρας (CMC) έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
Ο συντελεστής διαστολής του κεραμικού υλικού είναι πολύ μικρότερος από αυτόν του κράματος με βάση το νικέλιο και η επίστρωση είναι εύκολο να ξεφλουδιστεί. Η κατασκευή κεραμικών σύνθετων υλικών με ενδιάμεσο μεταλλικό πέλμα μπορεί να ξεπεράσει το ελάττωμα της αποφλοίωσης, η οποία είναι η κατεύθυνση ανάπτυξης των υλικών του θαλάμου καύσης. Αυτό το υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί με 10% - 20% αέρα ψύξης και η θερμοκρασία της μεταλλικής πίσω μόνωσης είναι μόνο περίπου 800 ℃ και η θερμοκρασία θερμικής μόνωσης είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή της αποκλίνουσας ψύξης και της ψύξης μεμβράνης. Το χυτό υπερκράμα B1900 + κεραμικό προστατευτικό πλακίδιο επικάλυψης χρησιμοποιείται στον κινητήρα V2500 και η κατεύθυνση ανάπτυξης είναι η αντικατάσταση του πλακιδίου B1900 (με κεραμική επίστρωση) με σύνθετο υλικό με βάση το SiC ή αντιοξειδωτικό σύνθετο C/C. Το κεραμικό σύνθετο υλικό μήτρας είναι το υλικό ανάπτυξης του θαλάμου καύσης κινητήρα με λόγο βάρους ώσης 15-20 και η θερμοκρασία λειτουργίας του είναι 1538 ℃ - 1650 ℃. Χρησιμοποιείται για σωλήνα φλόγας, πλωτό τοίχο και μετακαυστήρα.
2. Κράμα υψηλής θερμοκρασίας για στρόβιλο
Η λεπίδα του αεροκινητήρα είναι ένα από τα εξαρτήματα που φέρουν το πιο σοβαρό θερμοκρασιακό φορτίο και το χειρότερο εργασιακό περιβάλλον στην αεροκινητήρα. Πρέπει να αντέχει πολύ μεγάλες και σύνθετες καταπονήσεις υπό υψηλή θερμοκρασία, επομένως οι απαιτήσεις υλικών της είναι πολύ αυστηρές. Τα υπερκράματα για τις λεπίδες των αεροκινητήρων χωρίζονται σε:
α. Κράμα υψηλής θερμοκρασίας για οδηγό
Ο εκτροπέας είναι ένα από τα μέρη του κινητήρα τουρμπίνας που επηρεάζονται περισσότερο από τη θερμότητα. Όταν συμβαίνει ανομοιόμορφη καύση στον θάλαμο καύσης, το θερμαντικό φορτίο του πτερυγίου οδηγού πρώτου σταδίου είναι μεγάλο, γεγονός που αποτελεί την κύρια αιτία ζημιάς του πτερυγίου οδηγού. Η θερμοκρασία λειτουργίας του είναι περίπου 100 ℃ υψηλότερη από αυτή της λεπίδας του στροβίλου. Η διαφορά είναι ότι τα στατικά μέρη δεν υπόκεινται σε μηχανικό φορτίο. Συνήθως, είναι εύκολο να προκληθεί θερμική καταπόνηση, παραμόρφωση, ρωγμή λόγω θερμικής κόπωσης και τοπικό κάψιμο που προκαλείται από την ταχεία αλλαγή της θερμοκρασίας. Το κράμα του πτερυγίου οδηγού πρέπει να έχει τις ακόλουθες ιδιότητες: επαρκή αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, μόνιμη απόδοση ερπυσμού και καλή απόδοση θερμικής κόπωσης, υψηλή αντοχή στην οξείδωση και απόδοση θερμικής διάβρωσης, αντοχή σε θερμική καταπόνηση και κραδασμούς, ικανότητα παραμόρφωσης κάμψης, καλή απόδοση χύτευσης και συγκολλησιμότητας στη διαδικασία χύτευσης, και απόδοση προστασίας της επικάλυψης.
Προς το παρόν, οι περισσότεροι προηγμένοι κινητήρες με υψηλή αναλογία ώσης/βάρους χρησιμοποιούν κοίλες χυτές λεπίδες, και επιλέγονται κατευθυντικά και μονοκρυσταλλικά υπερκράματα με βάση το νικέλιο. Ο κινητήρας με υψηλή αναλογία ώσης-βάρους έχει υψηλή θερμοκρασία 1650 ℃ - 1930 ℃ και πρέπει να προστατεύεται με θερμομονωτική επίστρωση. Η θερμοκρασία λειτουργίας του κράματος λεπίδας υπό συνθήκες ψύξης και προστασίας επίστρωσης είναι μεγαλύτερη από 1100 ℃, γεγονός που θέτει νέες και υψηλότερες απαιτήσεις για το κόστος πυκνότητας θερμοκρασίας του υλικού της λεπίδας οδηγού στο μέλλον.
β. Υπερκράματα για πτερύγια στροβίλων
Τα πτερύγια του στροβίλου είναι τα βασικά θερμικά περιστρεφόμενα μέρη των αεροκινητήρων. Η θερμοκρασία λειτουργίας τους είναι 50 ℃ - 100 ℃ χαμηλότερη από τα πτερύγια οδηγούς. Υποφέρουν από μεγάλη φυγοκεντρική τάση, τάση κραδασμών, θερμική τάση, τριβή από τη ροή του αέρα και άλλες επιδράσεις κατά την περιστροφή, και οι συνθήκες εργασίας είναι κακές. Η διάρκεια ζωής των θερμών εξαρτημάτων του κινητήρα με υψηλή αναλογία ώσης/βάρους είναι μεγαλύτερη από 2000 ώρες. Επομένως, το κράμα των πτερυγίων του στροβίλου πρέπει να έχει υψηλή αντοχή σε ερπυσμό και αντοχή σε ρήξη σε θερμοκρασία λειτουργίας, καλές ιδιότητες υψηλής και μέσης θερμοκρασίας, όπως υψηλή και χαμηλή κόπωση κύκλου, κόπωση σε κρύο και ζεστό, επαρκή πλαστικότητα και αντοχή σε κρούση, και ευαισθησία σε εγκοπές. Υψηλή αντοχή στην οξείδωση και αντοχή στη διάβρωση. Καλή θερμική αγωγιμότητα και χαμηλό συντελεστή γραμμικής διαστολής. Καλή απόδοση της διαδικασίας χύτευσης. Μακροπρόθεσμη δομική σταθερότητα, χωρίς καθίζηση φάσης TCP σε θερμοκρασία λειτουργίας. Το εφαρμοζόμενο κράμα περνάει από τέσσερα στάδια. Οι εφαρμογές παραμορφωμένου κράματος περιλαμβάνουν GH4033, GH4143, GH4118, κ.λπ. Η εφαρμογή του κράματος χύτευσης περιλαμβάνει τα K403, K417, K418, K405, κατευθυντικά στερεοποιημένο χρυσό DZ4, DZ22, μονοκρυσταλλικό κράμα DD3, DD8, PW1484, κ.λπ. Προς το παρόν, έχει εξελιχθεί στην τρίτη γενιά μονοκρυσταλλικών κραμάτων. Τα μονοκρυσταλλικά κράματα DD3 και DD8 της Κίνας χρησιμοποιούνται αντίστοιχα σε τουρμπίνες, κινητήρες στροβιλοκινητήρων, ελικόπτερα και κινητήρες πλοίων της Κίνας.
3. Κράμα υψηλής θερμοκρασίας για δίσκο στροβίλου
Ο δίσκος του στροβίλου είναι το πιο καταπονημένο περιστρεφόμενο ρουλεμάν του στροβιλοκινητήρα. Η θερμοκρασία λειτουργίας της φλάντζας του τροχού του κινητήρα με λόγο βάρους ώσης 8 και 10 φτάνει τους 650 ℃ και 750 ℃, και η θερμοκρασία του κέντρου του τροχού είναι περίπου 300 ℃, με μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας. Κατά την κανονική περιστροφή, οδηγεί την λεπίδα να περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα και να φέρει τη μέγιστη φυγοκεντρική δύναμη, θερμική καταπόνηση και καταπόνηση από κραδασμούς. Κάθε εκκίνηση και στάση είναι ένας κύκλος, κέντρο τροχού. Ο λαιμός, η βάση της αυλάκωσης και η ζάντα φέρουν διαφορετικές σύνθετες καταπονήσεις. Το κράμα πρέπει να έχει το υψηλότερο όριο διαρροής, αντοχή σε κρούση και χωρίς ευαισθησία εγκοπής στη θερμοκρασία λειτουργίας. Χαμηλό συντελεστή γραμμικής διαστολής. Ορισμένη αντοχή στην οξείδωση και τη διάβρωση. Καλή απόδοση κοπής.
4. Αεροδιαστημικό υπερκράμα
Το υπερκράμα στον πυραυλοκινητήρα υγρού καυσίμου χρησιμοποιείται ως το πάνελ ψεκασμού καυσίμου του θαλάμου καύσης στον θάλαμο ώθησης. Αγκώνας αντλίας στροβίλου, φλάντζα, συνδετήρας πηδαλίου γραφίτη, κ.λπ. Κράμα υψηλής θερμοκρασίας στον πυραυλοκινητήρα υγρού καυσίμου χρησιμοποιείται ως το πάνελ ψεκασμού θαλάμου καυσίμου στον θάλαμο ώθησης. Αγκώνας αντλίας στροβίλου, φλάντζα, συνδετήρας πηδαλίου γραφίτη, κ.λπ. Το GH4169 χρησιμοποιείται ως υλικό για τον ρότορα του στροβίλου, τον άξονα, το χιτώνιο του άξονα, το συνδετήρα και άλλα σημαντικά μέρη ρουλεμάν.
Τα υλικά του ρότορα του αμερικανικού πυραυλοκινητήρα υγρού περιλαμβάνουν κυρίως σωλήνα εισαγωγής, πτερύγιο και δίσκο τουρμπίνας. Το κράμα GH1131 χρησιμοποιείται κυρίως στην Κίνα και το πτερύγιο τουρμπίνας εξαρτάται από τη θερμοκρασία λειτουργίας. Τα Inconel x, Alloy713c, Astroloy και Mar-M246 πρέπει να χρησιμοποιούνται διαδοχικά. Τα υλικά του δίσκου των τροχών περιλαμβάνουν Inconel 718, Waspaloy κ.λπ. Χρησιμοποιούνται κυρίως οι ενσωματωμένες τουρμπίνες GH4169 και GH4141, ενώ για τον άξονα του κινητήρα χρησιμοποιείται το GH2038A.