一.Applicazione della superlega nei motori aeronautici
Flusso di lavoro del motore a turbina: quando il motore viene avviato, l'aria entra nel compressore dall'ingresso, viene pressurizzata ed entra nella camera di combustione, si mescola con il carburante emesso dall'ugello di iniezione del carburante, forma una miscela uniforme e viene rapidamente accesa e bruciata nell'aria. camera di combustione, produce gas ad alta temperatura che scorre attraverso la guida nella turbina e la turbina ruota ad alta velocità (la velocità normale può raggiungere 1100 giri/min) sotto il flusso di gas ad alta temperatura e alta pressione. Il gas della turbina viene espulso dall'ugello di coda per generare la spinta. A causa delle vibrazioni, dell'erosione del flusso d'aria, in particolare dell'effetto centrifugo causato dalla rotazione, le parti ad alta temperatura del motore dell'aereo saranno sottoposte a stress maggiori, il gas contiene molto ossigeno, vapore acqueo e sono presenti gas corrosivi come SO2, H2S , che svolgerà un ruolo nell'ossidazione e nella corrosione delle parti ad alta temperatura. Che si tratti di aerei militari, aerei civili, oltre alle prestazioni strutturali e funzionali, ma richiedono anche sicurezza e stabilità, quindi i motori moderni oltre all'elevato rapporto spinta-peso, alta temperatura, alto rapporto di pressione e altre prestazioni, ci sono rigorosi requisiti di affidabilità, durata e manutenibilità.
La superlega ha un'elevata stabilità termica e resistenza termica e può avere una buona resistenza alla corrosione e all'ossidazione alle alte temperature. È un materiale chiave essenziale per la produzione di componenti hot end di motori a turbina aeronautici, utilizzato principalmente nella produzione di componenti hot end di turbine, ovvero disco di turbina, pala di guida della turbina, pala di lavoro della turbina, camera di combustione e componenti del postcombustore. Nei moderni motori aeronautici avanzati, la quantità di materiali in superleghe rappresenta il 40%-60% del motore totale.
La camera di combustione è l'area con la temperatura di esercizio più alta dei componenti del motore e quando la temperatura del gas nella camera di combustione raggiunge i 1500-2000 gradi C, la temperatura della lega delle pareti della camera può raggiungere gli 800 ~ 900 gradi C e la temperatura locale la temperatura può raggiungere i 1100 gradi C. La lega utilizzata come camera di combustione è soggetta a stress termico e forza d'impatto del gas, soprattutto durante il decollo, l'accelerazione e il parcheggio, e le variazioni di temperatura sono più drastiche. A causa del riscaldamento e del raffreddamento ciclici, la camera di combustione presenta spesso deformazioni, deformazioni e crepe da fatica termica sui bordi.
Negli ultimi anni, la maggior parte delle superleghe utilizzate nella camera di combustione sono leghe rinforzate con soluzione solida, che contengono un gran numero di W, Mo, Nb e altri elementi rinforzati con soluzione solida, resistenza alle alte temperature, buone prestazioni di formatura e saldatura. I marchi rappresentativi sono GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 e così via.
La lama guida è un componente che regola la direzione del flusso di gas dalla camera di combustione, detta anche guida. È una delle parti del motore a turbina soggetta a grande impatto termico. Soprattutto quando la camera di combustione non è uniforme e il funzionamento non è buono, la lama guida è soggetta a un carico termico maggiore e la temperatura operativa della lama guida del motore a turbina avanzato può raggiungere i 1100 gradi. La distorsione causata dallo stress termico, le cricche da fatica termica causate da drastici sbalzi di temperatura e le bruciature locali sono i principali difetti delle lame di guida durante il funzionamento.
La maggior parte delle leghe utilizzate come lame guida sono prodotte mediante processo di fusione di precisione e alle leghe possono essere aggiunti più W, Mo, Nb, Al, Ti e altri elementi solidi di rafforzamento e rafforzamento dell'invecchiamento e il contenuto di C e B in le leghe sono anche superiori a quelle delle leghe deformate ad alta temperatura. Alcune lame guida sono anche saldate direttamente da lamiere invecchiate. I motori aeronautici avanzati utilizzano principalmente pale cave, che hanno un buon effetto di raffreddamento e possono aumentare la temperatura di servizio. L'uso della temperatura della lega per palette guida domestiche può raggiungere 000 ~ 1050 gradi, lega rappresentativa per colata di precisione K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, ecc.
Con lo sviluppo del motore, per far fronte all'ulteriore aumento della temperatura del disco della turbina del motore, è cambiata anche la struttura della lama di guida e si tenta di adottare GH5605 e GH5188. La struttura laminata saldata del foglio deformato di superlega viene utilizzata come lama guida.
Le pale delle turbine sono i componenti più gravosi nei motori aeronautici con temperature di esercizio elevate e grandi sollecitazioni centrifughe, vibrazioni, sollecitazioni termiche e forza di erosione del flusso d'aria durante la rotazione. Lo stress di trazione del corpo della pala è di circa 140 MPa e lo stress medio della radice della pala è di 280-560 MPa. La temperatura del corpo della lama e della parte della radice è rispettivamente di circa 650-980 gradi e 760 gradi. La temperatura di ingresso del gas dell'avanzato motore aeronautico ha raggiunto i 1380 gradi e la spinta ha raggiunto i 226 kN. Tipico di GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 ecc., può essere utilizzato a 750-950 gradi. Nello sviluppo di nuove macchine e nella modifica di vecchie macchine, la superlega di fusione viene utilizzata per produrre pale di turbine. I gradi tipici delle leghe da fusione sono K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 e così via.
Il disco della turbina rappresenta la massa maggiore tra i componenti del motore aeronautico, con una massa singola di oltre 50 kg, e la massa singola del grande disco della turbina raggiunge centinaia di chilogrammi. Nello studio del disco della turbina, la temperatura generale del bordo può raggiungere i 550-650 gradi C, mentre la temperatura del centro della ruota è solo di circa 300 gradi C e la differenza di temperatura dell'intero disco della turbina è molto ampia. Pertanto, viene generato un grande stress termico radiale. Le pale della turbina ruotano ad alta velocità durante la rotazione normale e sopportano una grande forza centrifuga. Lo stress sulla parte del dente del tenone è più complesso, comprendendo lo stress di trazione e lo stress di torsione, che formano uno stress elevato e una fatica a ciclo basso durante l'avvio e l'arresto.
Superleghe deformate per dischi di turbine, un tipo sono superleghe a base di ferro-nichel, i gradi tipici delle leghe sono GH2132, GH2135,GH2901,GH4761, ecc., la temperatura operativa è inferiore a 650 gradi; Un altro tipo di superlega a base di nichel, il tipico marchio GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 ecc., utilizzando la temperatura può raggiungere 700 ^ 800 gradi.
2.Applicazione della superlega nel motore a razzo
Il razzo vettore è un veicolo per inviare una varietà di veicoli spaziali nell'orbita spaziale, la superlega nel campo spaziale viene utilizzata principalmente nei motori a razzo vettore di spinta. La Figura 2 è un diagramma schematico del motore a razzo a combustibile liquido e della sua struttura, che trasforma i reagenti (propellenti) nel serbatoio del propellente o nel veicolo in getti ad alta velocità per generare spinta. Come si può vedere dalla Figura (b), il flusso d'aria all'ugello del motore a razzo raggiunge i 2500 m/s e la temperatura arriva fino a 1350 gradi.
Le superleghe per motori a razzo possono essere utilizzate in linea di principio con leghe per motori a turbina per l'aviazione, ma rispetto ai motori per aviazione, i materiali per motori a razzo hanno alcune nuove caratteristiche:
Le superleghe deformate a base di nichel solitamente aggiungono il 10%-25% di elemento Cr per garantire che la lega abbia una buona resistenza alla corrosione ossidativa, quindi la lega a base di nichel è in realtà Ni-Cr come matrice. Inoltre, alcune leghe aggiungono gli elementi Co(15%-20%), Mo (circa 15%) o W (circa 11%) in una soluzione solida di Ni-Cr per formare una superlega deformata con sistema ternario con Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W come matrice, rispettivamente. La tabella 6 mostra le marche, le composizioni chimiche e le temperature operative delle superleghe deformate a base di nichel comunemente utilizzate in Cina. La Figura 6 mostra il trend di sviluppo dell'applicazione delle superleghe su pale e piatti di turbine.
La superlega di deformazione a base di cobalto si basa essenzialmente sul sistema ternario Co-Ni-Cr e contiene W, Mo, Nb, Ta e altri elementi rinforzanti in soluzione solida ed elementi che formano carburi. Rispetto alle superleghe deformate a base di nichel, il tasso di incrudimento è maggiore e la qualità superficiale delle parti dopo la formatura è migliore, ma nel processo di formatura sono generalmente necessari più tempi di riscaldamento per lavorazione a caldo o tempi di ricottura intermedia per deformazione a freddo e il è richiesto anche il tonnellaggio delle attrezzature per la lavorazione e la formatura. Le superleghe deformate a base di cobalto hanno un'elevata resistenza ed un'eccellente resistenza alla fatica termica, alla corrosione termica e all'usura quando sono superiori a 980 gradi. Tuttavia, le superleghe deformate a base di cobalto hanno il carburo come fase di rinforzo principale e mancano di una fase di rinforzo omogenea, e la loro resistenza durevole è inferiore a quella delle superleghe deformate a base di nichel negli intervalli di temperatura bassa e media. La Tabella 9 elenca le proprietà meccaniche ad alta temperatura delle tipiche superleghe deformate a base di cobalto.