Paduan suhu tinggi juga disebut paduan kekuatan panas. Menurut struktur matriksnya, material dapat dibagi menjadi tiga kategori: berbahan dasar besi berbasis nikel dan berbahan dasar kromium. Menurut cara produksinya, dapat dibagi menjadi superalloy terdeformasi dan superalloy cor.
Ini adalah bahan mentah yang sangat diperlukan di bidang kedirgantaraan. Ini adalah bahan utama untuk bagian suhu tinggi dari mesin manufaktur dirgantara dan penerbangan. Hal ini terutama digunakan untuk pembuatan ruang bakar, bilah turbin, bilah pemandu, kompresor dan cakram turbin, kotak turbin dan bagian lainnya. Kisaran suhu layanan adalah 600 ℃ - 1200 ℃. Stres dan kondisi lingkungan berbeda-beda tergantung suku cadang yang digunakan. Ada persyaratan ketat untuk sifat mekanik, fisik dan kimia paduan. Ini adalah faktor penentu kinerja, keandalan, dan umur mesin. Oleh karena itu, superalloy merupakan salah satu proyek penelitian utama di bidang kedirgantaraan dan pertahanan nasional di negara maju.
Aplikasi utama superalloy adalah:
1. Paduan suhu tinggi untuk ruang bakar
Ruang bakar (juga dikenal sebagai tabung api) mesin turbin penerbangan adalah salah satu komponen utama suhu tinggi. Karena atomisasi bahan bakar, pencampuran minyak dan gas serta proses lainnya dilakukan di ruang bakar, maka suhu maksimum di ruang bakar bisa mencapai 1500 ℃ - 2000 ℃, dan suhu dinding di ruang bakar bisa mencapai 1100 ℃. Pada saat yang sama, ia juga menanggung tekanan termal dan tekanan gas. Kebanyakan mesin dengan rasio dorong/berat tinggi menggunakan ruang bakar berbentuk cincin, yang memiliki panjang pendek dan kapasitas panas tinggi. Suhu maksimum di ruang bakar mencapai 2000 ℃, dan suhu dinding mencapai 1150 ℃ setelah lapisan gas atau pendinginan uap. Gradien suhu yang besar antara berbagai bagian akan menghasilkan tekanan termal, yang akan naik dan turun tajam ketika kondisi kerja berubah. Material tersebut akan terkena guncangan termal dan beban kelelahan termal, serta akan terjadi distorsi, retakan, dan kesalahan lainnya. Umumnya, ruang bakar terbuat dari paduan lembaran, dan persyaratan teknis dirangkum sebagai berikut sesuai dengan kondisi servis bagian tertentu: memiliki ketahanan oksidasi dan ketahanan korosi gas tertentu dalam kondisi penggunaan paduan dan gas suhu tinggi; Ia memiliki kekuatan sesaat dan daya tahan tertentu, kinerja kelelahan termal dan koefisien ekspansi yang rendah; Ini memiliki plastisitas dan kemampuan las yang cukup untuk memastikan pemrosesan, pembentukan dan penyambungan; Ia memiliki stabilitas organisasi yang baik di bawah siklus termal untuk memastikan pengoperasian yang andal dalam masa pakai.
A. Laminasi berpori paduan MA956
Pada tahap awal, laminasi berpori dibuat dari lembaran paduan HS-188 dengan ikatan difusi setelah difoto, digores, diberi alur dan dilubangi. Lapisan dalam dapat dibuat menjadi saluran pendingin yang ideal sesuai dengan persyaratan desain. Pendinginan struktur ini hanya membutuhkan 30% gas pendingin dari pendinginan film tradisional, yang dapat meningkatkan efisiensi siklus termal mesin, mengurangi kapasitas bantalan panas aktual material ruang bakar, mengurangi bobot, dan meningkatkan daya dorong. perbandingan. Saat ini, teknologi utama masih perlu diterobos sebelum dapat diterapkan secara praktis. Laminasi berpori yang terbuat dari MA956 adalah bahan ruang bakar generasi baru yang diperkenalkan oleh Amerika Serikat, yang dapat digunakan pada suhu 1300 ℃.
B. Penerapan komposit keramik pada ruang bakar
Amerika Serikat telah mulai memverifikasi kelayakan penggunaan keramik untuk turbin gas sejak tahun 1971. Pada tahun 1983, beberapa kelompok yang terlibat dalam pengembangan material canggih di Amerika Serikat telah merumuskan serangkaian indikator kinerja turbin gas yang digunakan pada pesawat canggih. Indikator tersebut adalah: meningkatkan suhu masuk turbin hingga 2200 ℃; Beroperasi di bawah keadaan pembakaran perhitungan kimia; Kurangi kepadatan yang diterapkan pada bagian ini dari 8g/cm3 menjadi 5g/cm3; Batalkan pendinginan komponen. Untuk memenuhi persyaratan tersebut, material yang diteliti antara lain grafit, matriks logam, komposit matriks keramik dan senyawa intermetalik selain keramik fasa tunggal. Komposit matriks keramik (CMC) memiliki keunggulan sebagai berikut:
Koefisien muai bahan keramik jauh lebih kecil dibandingkan paduan berbahan dasar nikel, dan lapisannya mudah terkelupas. Pembuatan komposit keramik dengan bahan perantara logam dapat mengatasi cacat pengelupasan yang merupakan arah pengembangan material ruang bakar. Bahan ini dapat digunakan dengan 10% - 20% udara pendingin, dan suhu insulasi belakang logam hanya sekitar 800 ℃, dan suhu bantalan panas jauh lebih rendah dibandingkan dengan pendinginan divergen dan pendinginan film. Ubin pelindung lapisan keramik superalloy B1900+cor digunakan pada mesin V2500, dan arah pengembangannya adalah mengganti ubin B1900 (dengan lapisan keramik) dengan komposit berbasis SiC atau komposit C/C anti-oksidasi. Komposit matriks keramik merupakan material pengembangan ruang bakar mesin dengan rasio berat dorong 15-20, dan temperatur servis 1538 ℃ - 1650 ℃. Ini digunakan untuk tabung api, dinding mengambang dan afterburner.
2. Paduan suhu tinggi untuk turbin
Bilah turbin aero-engine merupakan salah satu komponen yang menanggung beban suhu terberat dan lingkungan kerja terburuk pada aero-engine. Ia harus menanggung tekanan yang sangat besar dan kompleks pada suhu tinggi, sehingga persyaratan materialnya sangat ketat. Superalloy untuk bilah turbin mesin aero dibagi menjadi:
a.Paduan suhu tinggi untuk panduan
Deflektor merupakan salah satu bagian mesin turbin yang paling terkena dampak panas. Ketika pembakaran tidak merata terjadi di ruang bakar, beban pemanasan guide vane tahap pertama yang besar menjadi penyebab utama rusaknya guide vane. Suhu servisnya sekitar 100 ℃ lebih tinggi dibandingkan suhu sudu turbin. Perbedaannya adalah bagian statis tidak terkena beban mekanis. Biasanya mudah menyebabkan tekanan termal, distorsi, retak kelelahan termal, dan luka bakar lokal yang disebabkan oleh perubahan suhu yang cepat. Paduan baling-baling pemandu harus memiliki sifat-sifat berikut: kekuatan suhu tinggi yang cukup, kinerja mulur permanen dan kinerja kelelahan termal yang baik, ketahanan oksidasi tinggi dan kinerja korosi termal, ketahanan terhadap tekanan termal dan getaran, kemampuan deformasi lentur, kinerja pencetakan dan kemampuan las proses pengecoran yang baik, dan kinerja perlindungan lapisan.
Saat ini, sebagian besar mesin canggih dengan rasio dorong/berat tinggi menggunakan bilah cor berongga, dan superalloy berbasis nikel kristal tunggal dan terarah dipilih. Mesin dengan rasio dorong-berat yang tinggi memiliki suhu tinggi 1650 ℃ - 1930 ℃ dan perlu dilindungi dengan lapisan isolasi termal. Temperatur servis paduan bilah dalam kondisi pendinginan dan perlindungan pelapisan lebih dari 1100 ℃, yang mengedepankan persyaratan baru dan lebih tinggi untuk biaya kepadatan suhu material bilah pemandu di masa depan.
B. Superalloy untuk bilah turbin
Bilah turbin adalah bagian utama mesin pesawat yang mampu menahan panas dan berputar. Suhu pengoperasiannya 50 ℃ - 100 ℃ lebih rendah dari bilah pemandu. Mereka menanggung tekanan sentrifugal yang besar, tekanan getaran, tekanan termal, gerusan aliran udara dan efek lainnya saat berputar, dan kondisi kerja yang buruk. Masa pakai komponen mesin ujung panas dengan rasio dorong/berat tinggi lebih dari 2000 jam. Oleh karena itu, paduan bilah turbin harus memiliki ketahanan mulur dan kekuatan pecah yang tinggi pada suhu servis, sifat komprehensif suhu tinggi dan sedang yang baik, seperti kelelahan siklus tinggi dan rendah, kelelahan dingin dan panas, plastisitas dan ketangguhan benturan yang cukup, dan sensitivitas takik; Ketahanan oksidasi yang tinggi dan ketahanan korosi; Konduktivitas termal yang baik dan koefisien ekspansi linier yang rendah; Kinerja proses pengecoran yang baik; Stabilitas struktural jangka panjang, tidak ada presipitasi fase TCP pada suhu layanan. Paduan yang diterapkan melewati empat tahap; Aplikasi paduan terdeformasi termasuk GH4033, GH4143, GH4118, dll; Penerapan paduan pengecoran meliputi K403, K417, K418, K405, emas yang dipadatkan secara terarah DZ4, DZ22, paduan kristal tunggal DD3, DD8, PW1484, dll. Saat ini, telah berkembang ke paduan kristal tunggal generasi ketiga. Paduan kristal tunggal DD3 dan DD8 Tiongkok masing-masing digunakan dalam turbin, mesin turbofan, helikopter, dan mesin kapal Tiongkok.
3. Paduan suhu tinggi untuk disk turbin
Piringan turbin adalah bagian bantalan berputar yang paling tertekan pada mesin turbin. Suhu kerja flensa roda mesin dengan perbandingan berat dorong 8 dan 10 mencapai 650 ℃ dan 750 ℃, serta suhu bagian tengah roda sekitar 300 ℃, dengan perbedaan suhu yang besar. Selama putaran normal, ia menggerakkan bilah untuk berputar dengan kecepatan tinggi dan menanggung gaya sentrifugal, tekanan termal, dan tekanan getaran maksimum. Setiap start dan stop adalah sebuah siklus, pusat roda. Tenggorokan, bagian bawah alur, dan pelek semuanya menanggung tegangan komposit yang berbeda. Paduan tersebut harus memiliki kekuatan luluh tertinggi, ketangguhan impak, dan tidak ada sensitivitas takik pada suhu servis; Koefisien ekspansi linier rendah; Ketahanan oksidasi dan korosi tertentu; Performa pemotongan yang bagus.
4. Superalloy dirgantara
Superalloy pada mesin roket cair digunakan sebagai panel injektor bahan bakar pada ruang bakar di ruang dorong; Siku pompa turbin, flensa, pengikat kemudi grafit, dll. Paduan suhu tinggi dalam mesin roket cair digunakan sebagai panel injektor ruang bahan bakar di ruang dorong; Siku pompa turbin, flensa, pengikat kemudi grafit, dll. GH4169 digunakan sebagai bahan rotor turbin, poros, selongsong poros, pengikat dan bagian bantalan penting lainnya.
Bahan rotor turbin mesin roket cair Amerika terutama meliputi pipa masuk, bilah turbin, dan cakram. Paduan GH1131 banyak digunakan di Cina, dan bilah turbin bergantung pada suhu kerja. Inconel x, Alloy713c, Astroloy dan Mar-M246 harus digunakan secara berturut-turut; Bahan cakram roda antara lain Inconel 718, Waspaloy, dll. Turbin integral GH4169 dan GH4141 paling banyak digunakan, dan GH2038A digunakan untuk poros mesin.