Paduan suhu tinggi juga disebut paduan tahan panas. Berdasarkan struktur matriksnya, material dapat dibagi menjadi tiga kategori: berbasis besi, berbasis nikel, dan berbasis kromium. Berdasarkan metode produksinya, dapat dibagi menjadi superpaduan hasil deformasi dan superpaduan hasil pengecoran.
Paduan super merupakan bahan baku yang sangat penting di bidang kedirgantaraan. Paduan ini adalah material kunci untuk bagian suhu tinggi dari mesin manufaktur kedirgantaraan dan penerbangan. Paduan ini terutama digunakan untuk pembuatan ruang bakar, bilah turbin, bilah pemandu, cakram kompresor dan turbin, casing turbin, dan bagian-bagian lainnya. Rentang suhu operasionalnya adalah 600 ℃ - 1200 ℃. Tegangan dan kondisi lingkungan bervariasi tergantung pada bagian yang digunakan. Terdapat persyaratan ketat untuk sifat mekanik, fisik, dan kimia paduan ini. Hal ini merupakan faktor penentu kinerja, keandalan, dan umur mesin. Oleh karena itu, paduan super merupakan salah satu proyek penelitian utama di bidang kedirgantaraan dan pertahanan nasional di negara-negara maju.
Aplikasi utama dari superalloy adalah:
1. Paduan suhu tinggi untuk ruang pembakaran
Ruang bakar (juga dikenal sebagai tabung api) pada mesin turbin penerbangan merupakan salah satu komponen suhu tinggi yang penting. Karena proses atomisasi bahan bakar, pencampuran minyak dan gas, serta proses lainnya dilakukan di ruang bakar, suhu maksimum di ruang bakar dapat mencapai 1500 ℃ - 2000 ℃, dan suhu dinding di ruang bakar dapat mencapai 1100 ℃. Pada saat yang sama, ruang bakar juga mengalami tegangan termal dan tegangan gas. Sebagian besar mesin dengan rasio dorong/berat yang tinggi menggunakan ruang bakar annular, yang memiliki panjang pendek dan kapasitas panas tinggi. Suhu maksimum di ruang bakar mencapai 2000 ℃, dan suhu dinding mencapai 1150 ℃ setelah pendinginan lapisan gas atau uap. Gradien suhu yang besar antara berbagai bagian akan menghasilkan tegangan termal, yang akan naik dan turun tajam ketika kondisi kerja berubah. Material akan mengalami guncangan termal dan beban kelelahan termal, dan akan terjadi distorsi, retak, dan kerusakan lainnya. Secara umum, ruang bakar terbuat dari paduan lembaran, dan persyaratan teknisnya dirangkum sebagai berikut sesuai dengan kondisi layanan bagian-bagian tertentu: memiliki ketahanan oksidasi dan ketahanan korosi gas tertentu dalam kondisi penggunaan paduan dan gas suhu tinggi; memiliki kekuatan sesaat dan daya tahan tertentu, kinerja kelelahan termal, dan koefisien ekspansi rendah; memiliki plastisitas dan kemampuan pengelasan yang cukup untuk memastikan pemrosesan, pembentukan, dan penyambungan; 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 pengikatan difusi setelah difoto, dietsa, diberi alur, dan dilubangi. Lapisan dalam dapat dibuat menjadi saluran pendingin ideal sesuai dengan persyaratan desain. Struktur pendinginan ini hanya membutuhkan 30% gas pendingin dari pendinginan film tradisional, yang dapat meningkatkan efisiensi siklus termal mesin, mengurangi kapasitas daya dukung panas aktual material ruang bakar, mengurangi berat, dan meningkatkan rasio dorong-berat. Saat ini, masih perlu dilakukan terobosan teknologi kunci sebelum dapat digunakan secara praktis. Laminasi berpori yang terbuat dari MA956 adalah generasi baru material ruang bakar yang diperkenalkan oleh Amerika Serikat, yang dapat digunakan pada suhu 1300 ℃.
b. Penerapan komposit keramik pada ruang pembakaran
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 untuk turbin gas yang digunakan pada pesawat terbang canggih. Indikator-indikator tersebut adalah: meningkatkan suhu masuk turbin hingga 2200 ℃; beroperasi di bawah kondisi pembakaran perhitungan kimia; mengurangi densitas yang diterapkan pada bagian-bagian ini dari 8 g/cm³ menjadi 5 g/cm³; dan menghilangkan pendinginan komponen. Untuk memenuhi persyaratan ini, material yang dipelajari meliputi grafit, matriks logam, komposit matriks keramik, dan senyawa intermetalik selain keramik fase tunggal. Komposit matriks keramik (CMC) memiliki keunggulan sebagai berikut:
Koefisien ekspansi material keramik jauh lebih kecil daripada paduan berbasis nikel, dan lapisannya mudah terkelupas. Pembuatan komposit keramik dengan lapisan logam perantara dapat mengatasi cacat pengelupasan, yang merupakan arah pengembangan material ruang bakar. Material ini dapat digunakan dengan udara pendingin 10% - 20%, dan suhu isolasi belakang logam hanya sekitar 800 ℃, dan suhu pembawa panas jauh lebih rendah daripada pendinginan divergen dan pendinginan film. Ubin pelindung lapisan keramik + superalloy cor B1900 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 adalah material pengembangan ruang bakar mesin dengan rasio berat dorong 15-20, dan suhu operasinya adalah 1538 ℃ - 1650 ℃. Material ini digunakan untuk tabung api, dinding apung, dan afterburner.
2. Paduan suhu tinggi untuk turbin
Bilah turbin mesin pesawat terbang merupakan salah satu komponen yang menanggung beban suhu paling berat dan lingkungan kerja terburuk di dalam mesin pesawat terbang. Komponen ini harus menahan tegangan yang sangat besar dan kompleks pada suhu tinggi, sehingga persyaratan materialnya sangat ketat. Paduan super untuk bilah turbin mesin pesawat terbang dibagi menjadi:
a. Paduan suhu tinggi untuk pemandu
Deflektor merupakan salah satu bagian mesin turbin yang paling terdampak panas. Ketika pembakaran tidak merata terjadi di ruang bakar, beban panas pada sudu pengarah tahap pertama sangat besar, yang merupakan penyebab utama kerusakan sudu pengarah. Suhu kerjanya sekitar 100 ℃ lebih tinggi daripada bilah turbin. Perbedaannya adalah bagian statis tidak mengalami beban mekanis. Biasanya, mudah terjadi tegangan termal, distorsi, retak kelelahan termal, dan luka bakar lokal yang disebabkan oleh perubahan suhu yang cepat. Paduan sudu pengarah harus memiliki sifat-sifat berikut: kekuatan suhu tinggi yang cukup, kinerja creep permanen dan kinerja kelelahan termal yang baik, ketahanan oksidasi dan kinerja korosi termal yang tinggi, ketahanan terhadap tegangan termal dan getaran, kemampuan deformasi lentur, kinerja pencetakan proses pengecoran dan kemampuan pengelasan yang baik, serta kinerja perlindungan lapisan.
Saat ini, sebagian besar mesin canggih dengan rasio dorong/berat tinggi menggunakan bilah cor berongga, dan dipilih superpaduan berbasis nikel kristal tunggal dan terarah. Mesin dengan rasio dorong-berat tinggi memiliki suhu tinggi 1650 ℃ - 1930 ℃ dan perlu dilindungi oleh lapisan isolasi termal. Suhu operasional paduan bilah di bawah kondisi pendinginan dan perlindungan lapisan lebih dari 1100 ℃, yang menimbulkan persyaratan baru dan lebih tinggi untuk biaya kepadatan suhu material bilah pemandu di masa mendatang.
b. Paduan super untuk bilah turbin
Bilah turbin merupakan bagian berputar penahan panas utama pada mesin pesawat terbang. Suhu operasinya 50 ℃ - 100 ℃ lebih rendah daripada bilah pemandu. Saat berputar, bilah turbin menanggung tekanan sentrifugal, tekanan getaran, tekanan termal, pengikisan aliran udara, dan efek lainnya yang besar, sehingga kondisi kerjanya buruk. Masa pakai komponen ujung panas mesin dengan rasio dorong/berat yang tinggi lebih dari 2000 jam. Oleh karena itu, paduan bilah turbin harus memiliki ketahanan mulur dan kekuatan putus yang tinggi pada suhu operasional, sifat komprehensif suhu tinggi dan menengah yang baik, seperti kelelahan siklus tinggi dan rendah, kelelahan dingin dan panas, plastisitas dan ketangguhan benturan yang cukup, dan sensitivitas takik; ketahanan oksidasi dan korosi yang tinggi; konduktivitas termal yang baik dan koefisien ekspansi linier yang rendah; kinerja proses pengecoran yang baik; stabilitas struktural jangka panjang, tidak ada pengendapan fase TCP pada suhu operasional. Paduan yang digunakan melalui empat tahap; aplikasi paduan yang telah mengalami deformasi meliputi GH4033, GH4143, GH4118, dll; Aplikasi paduan cor meliputi K403, K417, K418, K405, emas padat terarah DZ4, DZ22, paduan kristal tunggal DD3, DD8, PW1484, dll. Saat ini, telah berkembang ke generasi ketiga paduan kristal tunggal. Paduan kristal tunggal DD3 dan DD8 buatan Tiongkok masing-masing digunakan dalam turbin, mesin turbofan, helikopter, dan mesin kapal di Tiongkok.
3. Paduan suhu tinggi untuk cakram turbin
Cakram turbin adalah bagian bantalan putar yang paling tertekan pada mesin turbin. Suhu kerja flensa roda mesin dengan rasio berat dorong 8 dan 10 mencapai 650 ℃ dan 750 ℃, dan suhu pusat roda sekitar 300 ℃, dengan perbedaan suhu yang besar. Selama rotasi normal, ia menggerakkan bilah untuk berputar dengan kecepatan tinggi dan menanggung gaya sentrifugal, tegangan termal, dan tegangan getaran maksimum. Setiap start dan stop merupakan satu siklus, pusat roda. Tenggorokan, dasar alur, dan tepi semuanya menanggung tegangan komposit yang berbeda. Paduan yang dibutuhkan harus memiliki kekuatan luluh tertinggi, ketangguhan benturan, dan tidak sensitif terhadap takik pada suhu kerja; koefisien ekspansi linier rendah; ketahanan oksidasi dan korosi tertentu; kinerja pemotongan yang baik.
4. Paduan super untuk industri kedirgantaraan
Paduan super dalam mesin roket cair digunakan sebagai panel injektor bahan bakar ruang pembakaran 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 material rotor turbin, poros, selongsong poros, pengikat, dan bagian bantalan penting lainnya.
Material rotor turbin mesin roket cair Amerika terutama meliputi pipa masuk, bilah turbin, dan cakram. Paduan GH1131 paling banyak digunakan di Tiongkok, dan bilah turbin bergantung pada suhu kerja. Inconel x, Alloy713c, Astroloy, dan Mar-M246 harus digunakan secara berurutan; Material cakram roda meliputi Inconel 718, Waspaloy, dll. Turbin integral GH4169 dan GH4141 paling banyak digunakan, dan GH2038A digunakan untuk poros mesin.