一.Primjena superlegure u zrakoplovnim motorima
Tijek rada turbinskog motora: Kada se motor pokrene, zrak ulazi u kompresor kroz ulaz, pod pritiskom je i ulazi u komoru za izgaranje, miješa se s gorivom koje ispušta mlaznica za ubrizgavanje goriva, stvara jednoličnu smjesu i brzo se pali i izgara u komora za izgaranje, proizvodi plin visoke temperature koji teče kroz vodilicu u turbinu, a turbina se okreće velikom brzinom (normalna brzina može doseći 1100 o/min) pod visokom temperaturom i protokom plina visokog tlaka. Plin iz turbine izbacuje se iz repne mlaznice kako bi se stvorio potisak. Zbog vibracija, erozije strujanja zraka, posebno centrifugalnog efekta uzrokovanog rotacijom, visokotemperaturni dijelovi motora zrakoplova bit će izloženi većem naprezanju, plin sadrži puno kisika, vodene pare, a tu su i korozivni plinovi poput SO2,H2S , koji će igrati ulogu u oksidaciji i koroziji visokotemperaturnih dijelova. Bilo da se radi o vojnom zrakoplovu, civilnom zrakoplovu, osim strukturalnih i funkcionalnih performansi, ali također zahtijevaju sigurnost i stabilnost, tako da moderni motori osim visokog omjera potiska i težine, visoke temperature, visokog tlaka i drugih performansi, postoje su strogi zahtjevi za pouzdanost, trajnost, mogućnost održavanja.
Superlegura ima visoku toplinsku stabilnost i toplinsku čvrstoću te može imati dobru otpornost na koroziju i oksidaciju na visokim temperaturama. To je bitan ključni materijal za proizvodnju komponenti vrućeg kraja zrakoplovnih turbinskih motora, uglavnom se koristi u proizvodnji komponenti vrućeg kraja turbine, odnosno turbinskog diska, vodeće lopatice turbine, radne lopatice turbine, komore za izgaranje i komponenti naknadnog izgaranja. U modernim naprednim zrakoplovnim motorima, količina materijala od superlegura čini 40%-60% ukupnog motora.
Komora za izgaranje je područje s najvišom radnom temperaturom komponenti motora, a kada temperatura plina u komori za izgaranje dosegne 1500-2000 stupnjeva C, temperatura legure stijenke komore može doseći 800 ~ 900 stupnjeva C, a lokalna temperatura može doseći 1100 stupnjeva C. Legura koja se koristi kao komora za izgaranje izložena je toplinskom naprezanju i udarnoj sili plina, posebno tijekom polijetanja, ubrzanja i parkiranja, a promjene temperature su drastičnije. Zbog cikličkog zagrijavanja i hlađenja, u komori za izgaranje često se pojavljuju deformacije, savijanje i pukotine od toplinskog zamora na rubu.
Posljednjih godina, većina superlegura koje se koriste u komori za izgaranje su legure ojačane čvrstom otopinom, koje sadrže veliki broj W, Mo, Nb i drugih elemenata ojačanih čvrstom otopinom, čvrstoću na visokim temperaturama, dobre performanse oblikovanja i zavarivanja. Reprezentativni brendovi su GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 i tako dalje.
Vodilica je komponenta koja podešava smjer protoka plina iz komore za izgaranje, također poznata kao vodilica. To je jedan od dijelova turbinskog motora koji je izložen velikom toplinskom udaru. Osobito kada komora za izgaranje nije ujednačena i rad nije dobar, vodeća lopatica je izložena većem toplinskom opterećenju, a radna temperatura vodeće lopatice naprednog turbinskog motora može doseći 1100 stupnjeva. Deformacije uzrokovane toplinskim naprezanjem, pukotine uslijed toplinskog zamora uzrokovane drastičnim promjenama temperature i lokalne opekline glavni su nedostaci vodećih noževa u radu.
Većina legura koje se koriste kao vodeće oštrice proizvedene su postupkom preciznog lijevanja, a legurama se može dodati više W, Mo, Nb, Al, Ti i drugih ojačavajućih elemenata čvrste otopine i starenja, a sadržaj C i B u legura je također veća nego kod deformiranih visokotemperaturnih legura. Neke vodeće oštrice također su zavarene izravno od starenjem ojačanih ploča. Napredni zrakoplovni motori uglavnom koriste šuplje lijevane lopatice, koje imaju dobar učinak hlađenja i mogu povećati radnu temperaturu. Temperatura legure vodeće lopatice pri uporabi domaće može doseći 000 ~ 1050 stupnjeva, reprezentativna legura za precizno lijevanje K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, itd.
S razvojem motora, kako bi se zadovoljilo daljnje povećanje temperature diska turbine motora, promijenila se i struktura vodeće lopatice, a pokušavaju se usvojiti GH5605 i GH5188. Zavarena laminirana struktura deformiranog lima od superlegure koristi se kao oštrica za vođenje.
Lopatice turbine su najteže komponente u zrakoplovnim motorima s visokom radnom temperaturom i velikim centrifugalnim naprezanjem, vibracijskim naprezanjem, toplinskim naprezanjem i silom erozije protoka zraka tijekom rotacije. Vlačno naprezanje tijela lopatice je oko 140MPa, a prosječno naprezanje korijena lopatice je 280-560MPa. Temperatura tijela oštrice i korijenskog dijela je oko 650-980 stupnjeva odnosno 760 stupnjeva. Temperatura plina na ulazu naprednog zrakoplovnog motora dosegla je 1380 stupnjeva, a potisak je dosegao 226 kN. Tipično za GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 itd., može se koristiti u 750-950 stupnju. U razvoju novih strojeva i modifikaciji starih strojeva, superlegura za lijevanje koristi se za izradu turbinskih lopatica. Tipične klase legura za lijevanje su K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 i tako dalje.
Turbinski disk ima najveću masu u komponentama zrakoplovnog motora, s pojedinačnom masom većom od 50 kg, a pojedinačna masa velikog turbinskog diska doseže stotine kilograma. U studiju turbinskih diskova, opća temperatura ruba može doseći 550-650 stupnjeva C, dok je temperatura središta kotača samo oko 300 stupnjeva C, a temperaturna razlika cijelog turbinskog diska je vrlo velika. Zbog toga se stvara veliko radijalno toplinsko naprezanje. Lopatice turbine vrte se velikom brzinom tijekom normalne rotacije i podnose veliku centrifugalnu silu. Naprezanje na dijelu zubnog klina je složenije, uključujući vlačno naprezanje i torzijsko naprezanje, koje stvara visoko naprezanje i nizak ciklus zamora tijekom pokretanja i zaustavljanja.
Deformirane superlegure za turbinske diskove, jedna vrsta su superlegure na bazi željeza i nikla, tipične legure su GH2132, GH2135, GH2901, GH4761 itd., radna temperatura je ispod 650 stupnjeva; Još jedna vrsta superlegure na bazi nikla, tipične marke GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 itd., pri korištenju temperature može doseći 700 ^ 800 stupnjeva.
2.Primjena superlegure u raketnom motoru
Raketa nosač je vozilo za slanje različitih svemirskih letjelica u svemirsku orbitu, superlegura u svemirskom polju uglavnom se koristi u potisnom raketnom motoru nosaču. Slika 2 je shematski dijagram raketnog motora na tekuće gorivo i njegove strukture, koji pretvara reaktante (pogonske tvari) u spremniku pogonskog goriva ili vozilu u mlaznice velike brzine za stvaranje potiska. Kao što se može vidjeti na slici (b), protok zraka na mlaznici raketnog motora doseže 2500 m/s, a temperatura je čak 1350 stupnjeva.
Superlegure raketnih motora mogu se u načelu koristiti s legurama zrakoplovnih turbinskih motora, ali u usporedbi sa zrakoplovnim motorima, materijali raketnih motora imaju neke nove karakteristike:
Deformirane superlegure na bazi nikla obično dodaju 10%-25% Cr elementa kako bi se osiguralo da legura ima dobru otpornost na oksidativnu koroziju, tako da je legura na bazi nikla zapravo Ni-Cr kao matrica. Osim toga, neke legure dodaju elemente Co(15%-20%),Mo (oko 15%) ili W (oko 11%) u Ni-Cr čvrstoj otopini kako bi se formirala superlegura trostrukog sustava deformirana s Ni-Cr -Co, Ni-Cr-Mo, Ni-Cr-W kao matrica, redom. Tablica 6 prikazuje marke, kemijske sastave i radne temperature deformiranih superlegura na bazi nikla koje se obično koriste u Kini. Na slici 6 prikazan je razvojni trend primjene superlegure na turbinskim lopaticama i pločama.
Deformacijska superlegura na bazi kobalta u osnovi se temelji na trostrukom sustavu Co-Ni-Cr i sadrži W, Mo, Nb, Ta i druge elemente za ojačavanje čvrste otopine i elemente koji tvore karbid. U usporedbi s deformiranim superlegurama na bazi nikla, brzina otvrdnjavanja je veća, a kvaliteta površine dijelova nakon oblikovanja je bolja, ali u procesu oblikovanja općenito je potrebno više vremena zagrijavanja pri vrućoj obradi ili vremena međužarenja pri hladnoj deformaciji, a potrebna je i tonaža opreme za oblikovanje obrade. Deformirane superlegure na bazi kobalta imaju visoku čvrstoću i izvrsnu otpornost na toplinski zamor, toplinsku koroziju i otpornost na habanje kada su veće od 980 stupnjeva. Međutim, deformirane superlegure na bazi kobalta imaju karbid kao glavnu fazu ojačanja i nemaju homogenu fazu ojačanja, a njihova je dugotrajna čvrstoća manja nego kod deformiranih superlegura na bazi nikla u rasponu niskih i srednjih temperatura. Tablica 9 navodi visokotemperaturna mehanička svojstva tipičnih deformiranih superlegura na bazi kobalta.