Жоғары температуралы қорытпаны жылу беріктігі қорытпасы деп те атайды. Матрица құрылымы бойынша материалдарды үш санатқа бөлуге болады: темір негізіндегі никель негізіндегі және хром негізіндегі. Өндіріс режимі бойынша оны деформацияланған суперқорытпа және құйылған суперқорытпа деп бөлуге болады.
Ол аэроғарыш саласындағы таптырмас шикізат болып табылады. Бұл аэроғарыштық және авиациялық қозғалтқыштардың жоғары температуралық бөлігі үшін негізгі материал. Ол негізінен жану камерасын, турбиналық қалақтарды, бағыттаушы қалақтарды, компрессор мен турбиналық дискіні, турбиналық корпусты және басқа бөлшектерді жасау үшін қолданылады. Қызмет көрсету температурасының диапазоны 600 ℃ - 1200 ℃. Стресс және қоршаған орта жағдайлары қолданылатын бөліктерге байланысты өзгереді. Қорытпаның механикалық, физикалық және химиялық қасиеттеріне қатаң талаптар қойылады. Бұл қозғалтқыштың өнімділігі, сенімділігі және қызмет ету мерзімі үшін шешуші фактор. Сондықтан суперқорытпа дамыған елдердегі аэроғарыш және ұлттық қорғаныс салаларындағы негізгі ғылыми жобалардың бірі болып табылады.
Суперқорытпаларды қолданудың негізгі бағыттары:
1. Жану камерасына арналған жоғары температуралы қорытпа
Авиациялық турбиналық қозғалтқыштың жану камерасы (жалын түтігі ретінде де белгілі) жоғары температураның негізгі компоненттерінің бірі болып табылады. Жану камерасында отынды атомизациялау, мұнай мен газды араластыру және басқа процестер жүзеге асырылатындықтан, жану камерасындағы максималды температура 1500 ℃ - 2000 ℃, ал жану камерасындағы қабырға температурасы 1100 ℃ жетуі мүмкін. Сонымен бірге ол термиялық кернеу мен газ кернеуін көтереді. Үлкен күш/салмақ қатынасы бар қозғалтқыштардың көпшілігінде ұзындығы қысқа және жылу сыйымдылығы жоғары сақиналы жану камералары қолданылады. Жану камерасындағы максималды температура 2000 ℃ жетеді, ал қабырға температурасы газ пленкасы немесе бу салқындағаннан кейін 1150 ℃ жетеді. Әртүрлі бөліктер арасындағы үлкен температура градиенттері термиялық кернеуді тудырады, ол жұмыс күйі өзгерген кезде күрт көтеріледі және төмендейді. Материал термиялық соққыға және термиялық шаршау жүктемесіне ұшырайды және бұрмалану, жарықтар және басқа да ақаулар болады. Жалпы, жану камерасы қаңылтыр қорытпасынан жасалған, ал техникалық талаптар нақты бөлшектердің қызмет көрсету шарттарына сәйкес төмендегідей жинақталған: ол жоғары температуралы қорытпа мен газды пайдалану жағдайында белгілі бір тотығуға және газдың коррозияға төзімділігіне ие; Ол белгілі бір лездік және төзімділік күші, термиялық шаршау өнімділігі және төмен кеңею коэффициенті бар; Өңдеуді, қалыптауды және қосуды қамтамасыз ету үшін жеткілікті пластикалық және дәнекерлеу қабілеті бар; Ол қызмет ету мерзімі ішінде сенімді жұмысты қамтамасыз ету үшін термиялық цикл кезінде жақсы ұйымдық тұрақтылыққа ие.
а. MA956 қорытпасы кеуекті ламинат
Бастапқы кезеңде кеуекті ламинат HS-188 қорытпасының парағынан фотосуретке түсірілгеннен, ойылғаннан, ойықпен және тесілгеннен кейін диффузиялық байланыстыру арқылы жасалған. Ішкі қабат дизайн талаптарына сәйкес тамаша салқындату арнасына айналуы мүмкін. Бұл құрылымды салқындату үшін дәстүрлі пленка салқындатуының салқындатқыш газының тек 30% қажет, ол қозғалтқыштың жылу циклінің тиімділігін жақсартады, жану камерасының материалының нақты жылу сыйымдылығын төмендетеді, салмақты азайтады және тарту салмағын арттырады. қатынасы. Қазіргі уақытта негізгі технологияны практикалық қолдануға кіріспес бұрын, оны бұзу қажет. MA956-дан жасалған кеуекті ламинат - бұл 1300 ℃ температурада қолдануға болатын Америка Құрама Штаттары ұсынған жану камерасының жаңа буыны.
б. Керамикалық композиттерді жану камерасында қолдану
Америка Құрама Штаттары 1971 жылдан бастап газ турбиналары үшін керамика қолданудың орындылығын тексеруді бастады. 1983 жылы Америка Құрама Штаттарында озық материалдарды әзірлеумен айналысатын кейбір топтар жетілдірілген ұшақтарда қолданылатын газ турбиналары үшін өнімділік көрсеткіштерінің сериясын тұжырымдады. Бұл көрсеткіштер: турбинаның кіріс температурасын 2200 ℃ дейін көтеру; Химиялық есептің жану күйінде жұмыс істеу; Бұл бөліктерге қолданылатын тығыздықты 8г/см3-ден 5г/см3-ге дейін азайтыңыз; Компоненттерді салқындатудан бас тартыңыз. Осы талаптарды қанағаттандыру үшін зерттелетін материалдарға бір фазалы керамикадан басқа графит, металл матрицасы, керамикалық матрицалық композиттер және интерметалдық қосылыстар кіреді. Керамикалық матрицалық композиттердің (CMC) келесі артықшылықтары бар:
Керамикалық материалдың кеңею коэффициенті никель негізіндегі қорытпаға қарағанда әлдеқайда аз, ал жабын оңай аршылады. Аралық металл киізден керамикалық композиттерді жасау жану камерасының материалдарының даму бағыты болып табылатын қабыршақтану ақауын жеңе алады. Бұл материалды 10% - 20% салқындатқыш ауамен пайдалануға болады, ал металлдың артқы оқшаулауының температурасы шамамен 800 ℃, ал жылуды көтеру температурасы дивергентті салқындату мен пленка салқындатуынан әлдеқайда төмен. V2500 қозғалтқышында құйылған суперқорытпа B1900+керамикалық жабын қорғаныш тақтайшасы пайдаланылады және даму бағыты B1900 (керамикалық жабыны бар) плиткасын SiC негізіндегі композитпен немесе тотығуға қарсы C/C композитімен ауыстыру болып табылады. Керамикалық матрицалық композит қозғалтқыштың жану камерасының әзірлеу материалы болып табылады, салмақ қатынасы 15-20 және оның қызмет ету температурасы 1538 ℃ - 1650 ℃. Ол жалын түтігі, қалқымалы қабырға және оттық үшін қолданылады.
2. Турбинаға арналған жоғары температуралы қорытпа
Аэроқозғалтқыштың турбиналық қалақшасы әуе қозғалтқышындағы ең ауыр температуралық жүктемені және ең нашар жұмыс ортасын көтеретін компоненттердің бірі болып табылады. Ол жоғары температура кезінде өте үлкен және күрделі кернеуді көтеруі керек, сондықтан оның материалға қойылатын талаптары өте қатаң. Аэроқозғалтқыштың турбиналық қалақтарына арналған суперқорытпалар келесіге бөлінеді:
a. Бағыттау үшін жоғары температуралы қорытпа
Дефлектор - турбиналық қозғалтқыштың жылу әсерінен ең көп әсер ететін бөліктерінің бірі. Жану камерасында біркелкі емес жану орын алғанда, бірінші сатыдағы бағыттаушы қалақшаның қыздыру жүктемесі үлкен, бұл бағыттаушы қалақтың зақымдалуының негізгі себебі болып табылады. Оның қызмет ету температурасы турбина қалақшасының температурасынан шамамен 100 ℃ жоғары. Айырмашылығы - статикалық бөлшектер механикалық жүктемеге ұшырамайды. Әдетте, температураның жылдам өзгеруінен туындаған термиялық кернеу, бұрмалану, термиялық шаршау жарықшақтар және жергілікті күйік тудыруы оңай. Бағыттаушы қалақшаның қорытпасы келесі қасиеттерге ие болуы керек: жеткілікті жоғары температуралық беріктік, тұрақты сусымалы өнімділік және жақсы термиялық шаршау өнімділігі, жоғары тотығуға төзімділік және термиялық коррозияға төзімділік, термиялық кернеу және дірілге төзімділік, иілу деформациясы қабілеті, құю процесінің жақсы қалыптау өнімділігі және дәнекерлеу қабілеті; және жабынды қорғау өнімділігі.
Қазіргі уақытта жоғары тартылу/салмақ қатынасы бар жетілдірілген қозғалтқыштардың көпшілігі қуыс құйма пышақтарды пайдаланады және бағытталған және бір кристалды никель негізіндегі суперқорытпалар таңдалады. Жоғары салмақ қатынасы бар қозғалтқыштың 1650 ℃ - 1930 ℃ жоғары температурасы бар және жылу оқшаулағыш жабынымен қорғалуы керек. Салқындату және жабуды қорғау жағдайында пышақ қорытпасының қызмет көрсету температурасы 1100 ℃-ден асады, бұл болашақта бағыттаушы пышақ материалының температура тығыздығының құнына жаңа және жоғары талаптар қояды.
б. Турбиналық қалақтарға арналған суперқорытпалар
Турбиналық қалақтар аэроқозғалтқыштардың негізгі жылуды көтеретін айналмалы бөліктері болып табылады. Олардың жұмыс температурасы бағыттаушы пышақтардан 50 ℃ - 100 ℃ төмен. Олар айналу кезінде үлкен орталықтан тепкіш кернеуді, діріл кернеуін, термиялық кернеуді, ауа ағынын тазалауды және басқа әсерлерді көтереді және жұмыс жағдайлары нашар. Қозғалтқыштың жоғары тартылу/салмақ қатынасы бар ыстық соңғы компоненттерінің қызмет ету мерзімі 2000 сағаттан асады. Сондықтан турбиналық қалақтардың қорытпасы қызмет көрсету температурасында жоғары сусылу төзімділігі мен үзілуге төзімділігі, жоғары және төмен циклді шаршау, суық және ыстық шаршау, жеткілікті пластикалық және соққы беріктігі және ойық сезімталдығы сияқты жақсы жоғары және орташа температураның жан-жақты қасиеттері болуы керек; Жоғары тотығуға төзімділік және коррозияға төзімділік; Жақсы жылу өткізгіштік және сызықтық кеңею коэффициенті төмен; Құю процесінің жақсы өнімділігі; Ұзақ мерзімді құрылымдық тұрақтылық, қызмет көрсету температурасында TCP фазалық жауын-шашын болмайды. Қолданылатын қорытпа төрт кезеңнен өтеді; Деформацияланған қорытпа қолданбаларына GH4033, GH4143, GH4118 және т.б. жатады; Құю қорытпасының қолданылуына K403, K417, K418, K405, бағытты қатайтылған алтын DZ4, DZ22, DD3, DD8, PW1484 монокристалды қорытпасы және т.б. кіреді. Қазіргі уақытта ол монокристалды қорытпалардың үшінші буынына дейін дамыды. Қытайдың монокристалды қорытпасы DD3 және DD8 сәйкесінше Қытайдың турбиналарында, турбожелдеткіш қозғалтқыштарында, тікұшақтарында және кеме қозғалтқыштарында қолданылады.
3. Турбиналық дискіге арналған жоғары температуралы қорытпа
Турбиналық диск турбиналық қозғалтқыштың ең кернеулі айналмалы мойынтірек бөлігі болып табылады. Қозғалтқыштың доңғалақ фланецінің жұмыс температурасы 8 және 10 салмақ қатынасы 650 ℃ және 750 ℃ жетеді, ал доңғалақ орталығының температурасы шамамен 300 ℃, үлкен температура айырмашылығы бар. Қалыпты айналу кезінде ол пышақты жоғары жылдамдықпен айналдырады және максималды орталықтан тепкіш күшті, термиялық кернеуді және діріл кернеуін көтереді. Әрбір старт және тоқтау - бұл цикл, доңғалақ орталығы. Тамақтың, ойықтың түбі мен жиегі әртүрлі композициялық кернеулерді көтереді. Қорытпа ең жоғары аққыштыққа, соққыға төзімділікке және қызмет көрсету температурасында ойықтарға сезімталдыққа ие болуы керек; Төмен сызықтық кеңею коэффициенті; Белгілі бір тотығуға және коррозияға төзімділік; Жақсы кесу өнімділігі.
4. Аэроғарыштық суперқорытпа
Сұйық зымыран қозғалтқышындағы суперқорытпа қысым камерасындағы жану камерасының отын бүрку панелі ретінде пайдаланылады; Турбиналық сорғы шынтағы, фланец, графит рульінің бекіткіші және т.б. Сұйық зымыран қозғалтқышындағы жоғары температуралы қорытпа қысым камерасында отын камерасының инжектор панелі ретінде пайдаланылады; Турбина сорғысының шынтағы, фланец, графит рульінің бекіткіші және т.б. GH4169 турбина роторының, біліктің, білік жеңінің, бекіткіштің және басқа да маңызды мойынтірек бөліктерінің материалы ретінде пайдаланылады.
Американдық сұйық зымыран қозғалтқышының турбиналық роторлық материалдарына негізінен қабылдау құбыры, турбиналық қалақ және диск кіреді. GH1131 қорытпасы негізінен Қытайда қолданылады, ал турбиналық қалақ жұмыс температурасына байланысты. Inconel x, Alloy713c, Astroloy және Mar-M246 бірізді пайдаланылуы керек; Доңғалақ дискінің материалдарына Inconel 718, Waspaloy және т.б. кіреді. GH4169 және GH4141 интегралды турбиналары негізінен пайдаланылады, ал қозғалтқыш білігі үшін GH2038A қолданылады.