Жоғары температуралы қорытпа жылу беріктігі қорытпасы деп те аталады. Матрицалық құрылымға сәйкес материалдарды үш санатқа бөлуге болады: темір негізіндегі никель негізіндегі және хром негізіндегі. Өндіріс әдісіне сәйкес оны деформацияланған суперқорытпа және құйылған суперқорытпа деп бөлуге болады.
Бұл аэроғарыш саласында таптырмас шикізат. Бұл аэроғарыш және авиациялық өндіріс қозғалтқыштарының жоғары температуралы бөлігі үшін негізгі материал. Ол негізінен жану камерасын, турбина қалағын, бағыттаушы қалақшаны, компрессор мен турбина дискісін, турбина корпусын және басқа да бөлшектерді өндіру үшін қолданылады. Қызмет көрсету температурасының диапазоны 600 ℃ - 1200 ℃. Кернеу мен қоршаған орта жағдайлары пайдаланылатын бөлшектерге байланысты өзгереді. Қорытпаның механикалық, физикалық және химиялық қасиеттеріне қатаң талаптар қойылады. Бұл қозғалтқыштың өнімділігі, сенімділігі және қызмет ету мерзімі үшін шешуші фактор болып табылады. Сондықтан, суперқорытпа дамыған елдердегі аэроғарыш және ұлттық қорғаныс салаларындағы негізгі зерттеу жобаларының бірі болып табылады.
Суперқорытпалардың негізгі қолданылуы:
1. Жану камерасына арналған жоғары температуралы қорытпа
Авиациялық турбиналық қозғалтқыштың жану камерасы (жалын түтігі деп те аталады) жоғары температураның негізгі компоненттерінің бірі болып табылады. Отынды атомдау, мұнай мен газды араластыру және басқа да процестер жану камерасында жүзеге асырылатындықтан, жану камерасындағы максималды температура 1500 ℃ - 2000 ℃ жетуі мүмкін, ал жану камерасындағы қабырға температурасы 1100 ℃ жетуі мүмкін. Сонымен қатар, ол жылулық кернеу мен газдық кернеуге де төтеп береді. Тарту/салмақ қатынасы жоғары қозғалтқыштардың көпшілігі қысқа ұзындыққа және жоғары жылу сыйымдылығына ие сақиналы жану камераларын пайдаланады. Жану камерасындағы максималды температура 2000 ℃ жетеді, ал газ пленкасымен немесе бумен салқындағаннан кейін қабырға температурасы 1150 ℃ жетеді. Әртүрлі бөліктер арасындағы үлкен температура градиенттері жылулық кернеуді тудырады, ол жұмыс күйі өзгерген кезде күрт көтеріліп, төмендейді. Материал жылулық соққыға және жылулық шаршау жүктемесіне ұшырайды, деформация, жарықтар және басқа да ақаулар пайда болады. Жалпы алғанда, жану камерасы парақ қорытпасынан жасалған және техникалық талаптар нақты бөлшектердің қызмет ету шарттарына сәйкес келесідей қорытындыланған: жоғары температуралы қорытпа мен газды пайдалану жағдайында белгілі бір тотығуға және газ коррозиясына төзімділікке ие; белгілі бір лездік және төзімділік беріктігіне, термиялық шаршау өнімділігіне және төмен кеңею коэффициентіне ие; өңдеуді, қалыптауды және қосуды қамтамасыз ету үшін жеткілікті икемділік пен дәнекерлеу қабілетіне ие; қызмет ету мерзімі ішінде сенімді жұмыс істеуді қамтамасыз ету үшін термиялық цикл кезінде жақсы ұйымдастырушылық тұрақтылыққа ие.
a. MA956 қорытпасы бар кеуекті ламинат
Бастапқы кезеңде кеуекті ламинат HS-188 қорытпасынан диффузиялық байланыс арқылы жасалған, суретке түсірілген, ойылған, ойылған және тесілген. Ішкі қабат жобалау талаптарына сәйкес тамаша салқындату арнасына айналуы мүмкін. Бұл құрылымды салқындату үшін дәстүрлі пленкалы салқындатудың салқындату газының тек 30%-ы қажет, бұл қозғалтқыштың жылу циклінің тиімділігін арттыра алады, жану камерасы материалының нақты жылу көтеру қабілетін азайта алады, салмақты азайта алады және тарту-салмақ қатынасын арттыра алады. Қазіргі уақытта оны іс жүзінде қолдануға дейін негізгі технологияны жетілдіру қажет. MA956-дан жасалған кеуекті ламинат - Америка Құрама Штаттары енгізген жану камерасы материалының жаңа буыны, оны 1300 ℃ температурада қолдануға болады.
b. Жану камерасында керамикалық композиттерді қолдану
Америка Құрама Штаттары 1971 жылдан бастап газ турбиналары үшін керамиканы пайдалану мүмкіндігін тексеруді бастады. 1983 жылы Америка Құрама Штаттарында озық материалдарды әзірлеумен айналысатын кейбір топтар озық ұшақтарда қолданылатын газ турбиналары үшін бірқатар өнімділік көрсеткіштерін тұжырымдады. Бұл көрсеткіштер: турбина кірісінің температурасын 2200 ℃ дейін арттыру; Химиялық есептеудің жану күйінде жұмыс істеу; Бұл бөлшектерге қолданылатын тығыздықты 8 г/см3-тен 5 г/см3-ке дейін төмендету; Компоненттерді салқындатуды тоқтату. Осы талаптарды қанағаттандыру үшін зерттелген материалдарға бір фазалы керамикадан басқа графит, металл матрицасы, керамикалық матрицалық композиттер және интерметаллдық қосылыстар кіреді. Керамикалық матрицалық композиттердің (КМА) келесі артықшылықтары бар:
Керамикалық материалдың кеңею коэффициенті никель негізіндегі қорытпаға қарағанда әлдеқайда аз, ал жабынды оңай ажыратуға болады. Аралық металл киізден керамикалық композиттерді жасау жану камерасы материалдарының даму бағыты болып табылатын қабыршақтану кемшілігін жеңе алады. Бұл материалды 10% - 20% салқындатқыш ауамен пайдалануға болады, ал металл артқы оқшаулау температурасы шамамен 800 ℃, ал жылу көтеру температурасы дивергентті салқындату мен пленкамен салқындатуға қарағанда әлдеқайда төмен. V2500 қозғалтқышында құйылған суперқорытпа B1900+керамикалық жабынды қорғаныс плиткасы қолданылады, ал даму бағыты B1900 (керамикалық жабыны бар) плиткасын SiC негізіндегі композитпен немесе антиоксидантты C/C композитімен ауыстыру болып табылады. Керамикалық матрицалық композит - қозғалтқыштың жану камерасының даму материалы, оның тарту салмағының қатынасы 15-20, ал оның жұмыс температурасы 1538 ℃ - 1650 ℃. Ол жалын түтігі, қалқымалы қабырға және артқы жағығыш үшін қолданылады.
2. Турбина үшін жоғары температуралы қорытпа
Аэроқозғалтқыш турбинасының қалағы - әуеқозғалтқышындағы ең ауыр температуралық жүктемені және ең нашар жұмыс ортасын көтеретін компоненттердің бірі. Ол жоғары температурада өте үлкен және күрделі кернеуге төтеп беруі керек, сондықтан оның материалына қойылатын талаптар өте қатаң. Аэроқозғалтқыш турбинасының қалақтарына арналған суперқорытпалар келесіге бөлінеді:
a. Бағыттағышқа арналған жоғары температуралы қорытпа
Дефлектор - турбина қозғалтқышының жылудан ең көп зардап шегетін бөліктерінің бірі. Жану камерасында біркелкі емес жану орын алған кезде, бірінші сатылы бағыттаушы қалақшаның қыздыру жүктемесі үлкен болады, бұл бағыттаушы қалақшаның зақымдануының негізгі себебі болып табылады. Оның жұмыс температурасы турбина қалағына қарағанда шамамен 100 ℃ жоғары. Айырмашылығы - статикалық бөлшектер механикалық жүктемеге ұшырамайды. Әдетте, температураның тез өзгеруінен туындайтын термиялық кернеуді, бұрмалануды, термиялық шаршау жарықшағын және жергілікті күйікті тудыру оңай. Бағыттаушы қалақша қорытпасы келесі қасиеттерге ие болуы керек: жеткілікті жоғары температура беріктігі, тұрақты сырғыма өнімділігі және жақсы термиялық шаршау өнімділігі, жоғары тотығуға және термиялық коррозияға төзімділік, термиялық кернеу мен дірілге төзімділік, иілу деформациясының қабілеті, құю процесінің жақсы қалыптау өнімділігі мен дәнекерленуі, сондай-ақ жабынды қорғау өнімділігі.
Қазіргі уақытта жоғары тарту/салмақ қатынасы бар көптеген озық қозғалтқыштар қуыс құйылған қалақтарды пайдаланады, ал бағыттаушы және бір кристалды никель негізіндегі суперқорытпалар таңдалады. Жоғары тарту-салмақ қатынасы бар қозғалтқыштың температурасы 1650 ℃ - 1930 ℃ аралығында және жылу оқшаулағыш жабынмен қорғалуы керек. Салқындату және жабынды қорғау жағдайында қалақ қорытпасының қызмет ету температурасы 1100 ℃-тан асады, бұл болашақта бағыттаушы қалақ материалының температура тығыздығының құнына жаңа және жоғары талаптар қояды.
b. Турбина қалақтарына арналған суперқорытпалар
Турбина қалақшалары - авиациялық қозғалтқыштардың негізгі жылу тасымалдағыш айналмалы бөліктері. Олардың жұмыс температурасы бағыттаушы қалақшаларға қарағанда 50 ℃ - 100 ℃ төмен. Айналған кезде олар үлкен центрифугалық кернеуге, діріл кернеуіне, термиялық кернеуге, ауа ағынының тазалануына және басқа да әсерлерге төтеп береді, ал жұмыс жағдайлары нашар. Жоғары тарту/салмақ қатынасы бар қозғалтқыштың ыстық ұшты компоненттерінің қызмет ету мерзімі 2000 сағаттан асады. Сондықтан турбина қалақшасының қорытпасы жұмыс температурасында жоғары сырғымаға және үзілуге төзімділікке, жоғары және төмен циклдік шаршау, суық және ыстық шаршау, жеткілікті пластикалық және соққы беріктігі және ойық сезімталдығы сияқты жақсы жоғары және орташа температуралық кешенді қасиеттерге ие болуы керек; жоғары тотығуға төзімділік және коррозияға төзімділік; жақсы жылу өткізгіштік және төмен сызықтық кеңею коэффициенті; жақсы құю процесінің өнімділігі; ұзақ мерзімді құрылымдық тұрақтылық, жұмыс температурасында TCP фазалық тұнбасы болмауы. Қолданылатын қорытпа төрт кезеңнен өтеді; Деформацияланған қорытпаны қолдану GH4033, GH4143, GH4118 және т.б. қамтиды; Құйма қорытпасының қолданылуына K403, K417, K418, K405, бағытта қатқан алтын DZ4, DZ22, монокристалды қорытпа DD3, DD8, PW1484 және т.б. кіреді. Қазіргі уақытта ол монокристалды қорытпалардың үшінші буынына дейін дамыды. Қытайдың монокристалды қорытпалары DD3 және DD8 сәйкесінше Қытайдың турбиналарында, турбовентиляторлы қозғалтқыштарында, тікұшақтарында және кеме қозғалтқыштарында қолданылады.
3. Турбина дискісіне арналған жоғары температуралы қорытпа
Турбина дискісі турбина қозғалтқышының ең кернеулі айналмалы мойынтірек бөлігі болып табылады. 8 және 10 тарту салмағының қатынасы бар қозғалтқыштың доңғалақ фланецінің жұмыс температурасы 650 ℃ және 750 ℃ жетеді, ал доңғалақ орталығының температурасы шамамен 300 ℃, температура айырмашылығы үлкен. Қалыпты айналу кезінде ол пышақты жоғары жылдамдықпен айналдырады және ең жоғары центрифугалық күшке, жылулық кернеуге және діріл кернеуіне төтеп береді. Әрбір іске қосу және тоқтату цикл, доңғалақ орталығы болып табылады. Мойын, ойық түбі және жиек әртүрлі композиттік кернеулерге төтеп береді. Қорытпаның ең жоғары беріктік беріктігі, соққыға төзімділігі және жұмыс температурасында ойық сезімталдығы болмауы қажет; төмен сызықтық кеңею коэффициенті; белгілі бір тотығу және коррозияға төзімділік; жақсы кесу өнімділігі.
4. Аэроғарыштық суперқорытпа
Сұйық зымыран қозғалтқышындағы суперқорытпа жану камерасының отын бүрку панелі ретінде қолданылады; турбина сорғысының шынтағы, фланец, графит руль бекіткіші және т.б. Сұйық зымыран қозғалтқышындағы жоғары температуралы қорытпа тарту камерасында отын камерасының бүрку панелі ретінде қолданылады; турбина сорғысының шынтағы, фланец, графит руль бекіткіші және т.б. GH4169 турбина роторының, білігінің, білік жеңінің, бекіткіштің және басқа да маңызды мойынтірек бөлшектерінің материалы ретінде қолданылады.
Американдық сұйық зымыран қозғалтқышының турбина роторының материалдарына негізінен сору құбыры, турбина қалағы және диск жатады. GH1131 қорытпасы көбінесе Қытайда қолданылады, ал турбина қалағы жұмыс температурасына байланысты. Inconel x, Alloy713c, Astroloy және Mar-M246 кезекпен қолданылуы керек; доңғалақ дискісінің материалдарына Inconel 718, Waspaloy және т.б. жатады. GH4169 және GH4141 интегралды турбиналар көбінесе қолданылады, ал GH2038A қозғалтқыш білігі үшін қолданылады.