一.Süper alaşımın uçak motorunda uygulanması
Türbin motoru iş akışı: Motor çalıştırıldığında, hava girişten kompresöre girer, basınçlandırılır ve yanma odasına girer, yakıt enjeksiyon memesinden yayılan yakıtla karışır, düzgün bir karışım oluşturur ve hızlı bir şekilde ateşlenerek yanma odasına girer. Yanma odası, kılavuzdan türbine akan yüksek sıcaklıkta gaz üretir ve türbin, yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı gaz akışı altında yüksek hızda (normal hız 1100 dev/dak'ya ulaşabilir) döner. Türbinden gelen gaz, itme kuvveti oluşturmak için kuyruk nozulundan dışarı atılır. Titreşim, hava akışı erozyonu, özellikle dönmenin neden olduğu merkezkaç etkisi nedeniyle, uçak motorunun yüksek sıcaklıktaki parçaları daha fazla strese maruz kalacak, gaz çok fazla oksijen, su buharı içerecek ve SO2, H2S gibi aşındırıcı gazlar bulunacaktır. yüksek sıcaklıktaki parçaların oksidasyonunda ve korozyonunda rol oynayacaktır. İster askeri bir uçak olsun, ister sivil bir uçak olsun, yapısal ve işlevsel performansın yanı sıra güvenlik ve stabilite de gerektirir, bu nedenle yüksek itme-ağırlık oranına, yüksek sıcaklığa, yüksek basınç oranına ve diğer performansa ek olarak modern motorlar da mevcuttur. sıkı güvenilirlik, dayanıklılık ve bakım kolaylığı gereksinimleridir.
Süper alaşım, yüksek termal kararlılığa ve termal dayanıklılığa sahiptir ve yüksek sıcaklıklarda iyi korozyon direncine ve oksidasyon direncine sahip olabilir. Havacılık türbin motorlarının sıcak uç bileşenlerinin imalatı için önemli bir anahtar malzemedir ve esas olarak türbin diski, türbin kılavuz bıçağı, türbin çalışma bıçağı, yanma odası ve art yakıcı bileşenleri gibi türbin sıcak uç bileşenlerinin imalatında kullanılır. Modern gelişmiş uçak motorlarında, süper alaşımlı malzemelerin miktarı toplam motorun %-60%'sini oluşturur.
Yanma odası, motor bileşenlerinin en yüksek çalışma sıcaklığına sahip alanıdır ve yanma odasındaki gaz sıcaklığı 1500-2000 derece C'ye ulaştığında, oda duvarı alaşımının sıcaklığı 800 ~ 900 derece C'ye ulaşabilir ve yerel sıcaklık 1100 derece C'ye ulaşabiliyor. Yanma odası olarak kullanılan alaşım, özellikle kalkış, hızlanma ve park etme sırasında termal strese ve gaz darbe kuvvetine maruz kalıyor ve sıcaklık değişimleri daha şiddetli oluyor. Döngüsel ısıtma ve soğutma nedeniyle, yanma odasında sıklıkla deformasyon, eğrilme ve kenarlarda termal yorulma çatlakları görülür.
Son yıllarda yanma odasında kullanılan süper alaşımların çoğu, çok sayıda W, Mo, Nb ve diğer katı çözeltiyle güçlendirilmiş elementler içeren, yüksek sıcaklık dayanımına sahip, iyi şekillendirme ve kaynak performansına sahip katı çözeltiyle güçlendirilmiş alaşımlardır. Temsili markalar GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 vb.'dir.
Kılavuz bıçak, kılavuz olarak da bilinen, yanma odasından çıkan gaz akışının yönünü ayarlayan bir bileşendir. Türbin motorunda büyük termal darbeye maruz kalan parçalardan biridir. Özellikle yanma odası düzgün olmadığında ve çalışma iyi olmadığında, kılavuz bıçak daha fazla ısı yüküne maruz kalır ve gelişmiş türbin motorunun kılavuz bıçağının çalışma sıcaklığı 1100 dereceye ulaşabilir. Termal gerilimden kaynaklanan bozulma, şiddetli sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan termal yorulma çatlakları ve yerel yanıklar, kılavuz kanatların çalışmasındaki ana kusurlarıdır.
Kılavuz bıçak olarak kullanılan alaşımların çoğu hassas döküm prosesi ile üretilir ve alaşımlara daha fazla W, Mo,Nb,Al,Ti ve diğer katı çözelti güçlendirme ve yaşlanma güçlendirme elemanları eklenebilir ve C ve B içeriği alaşımlar aynı zamanda deforme olmuş yüksek sıcaklık alaşımlarından daha yüksektir. Bazı kılavuz bıçaklar da doğrudan yaşla güçlendirilmiş saclardan kaynaklanır. Gelişmiş uçak motorları çoğunlukla iyi soğutma etkisine sahip olan ve servis sıcaklığını artırabilen içi boş döküm bıçaklar kullanır. Yerli kılavuz kanat alaşım sıcaklığının kullanımı 000 ~ 1050 dereceye ulaşabilir, temsili K214 hassas döküm alaşımı, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, vb.
Motorun gelişmesiyle birlikte motor türbin diski sıcaklığının daha da artmasını karşılamak amacıyla kılavuz kanadın yapısı da değiştirilerek GH5605 ve GH5188 benimsenmeye çalışılmaktadır. Deforme olmuş süper alaşım levhanın kaynaklı lamine yapısı kılavuz bıçak olarak kullanılır.
Türbin kanatları, yüksek çalışma sıcaklığına ve dönme sırasında büyük merkezkaç gerilimine, titreşim gerilimine, termal gerilime ve hava akışı erozyon kuvvetine sahip, uçak motorlarındaki en şiddetli bileşenlerdir. Kanat gövdesinin çekme gerilimi yaklaşık 140MPa'dır ve kanat kökünün ortalama gerilimi 280-560MPa'dır. Bıçak gövdesinin ve kök kısmının sıcaklığı sırasıyla yaklaşık 650-980 derece ve 760 derecedir. Gelişmiş uçak motorunun gaz giriş sıcaklığı 1380 dereceye, itme kuvveti ise 226kN'ye ulaştı. Tipik GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 vb., 750-950 derecesinde kullanılabilir. Yeni makinelerin geliştirilmesinde ve eski makinelerin modifikasyonunda, türbin kanatlarının imalatında döküm süper alaşımı kullanılır. Tipik döküm alaşımları kaliteleri K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 vb.'dir.
Türbin diski, 50 kg'ı aşan tek kütlesiyle uçak motoru bileşenleri arasında en büyük kütleyi oluşturur ve büyük türbin diskinin tek kütlesi yüzlerce kilograma ulaşır. Türbin diski stüdyosunda, genel jant sıcaklığı 550-650 derece C'ye ulaşabilirken, tekerlek merkezi sıcaklığı yalnızca 300 derece C civarındadır ve tüm türbin diskinin sıcaklık farkı çok büyüktür. Bu nedenle büyük bir radyal termal gerilim oluşur. Türbin kanatları normal dönüş sırasında yüksek hızda döner ve büyük merkezkaç kuvveti taşır. Zıvana diş kısmındaki stres, başlatma ve durdurma sırasında yüksek stres ve düşük çevrim yorgunluğu oluşturan çekme stresi ve burulma stresi dahil olmak üzere daha karmaşıktır.
Türbin diskleri için deforme olmuş süper alaşımlar, bir tür demir-nikel bazlı süper alaşımlardır, tipik alaşım kaliteleri GH2132, GH2135, GH2901, GH4761 vb.'dir, çalışma sıcaklığı 650 derecenin altındadır; Başka bir nikel bazlı süper alaşım türü olan tipik marka GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 vb. sıcaklık kullanılarak 700 ^ 800 dereceye ulaşabilir.
2. Süper alaşımın roket motorunda uygulanması
Taşıyıcı roket, çeşitli uzay araçlarını uzay yörüngesine göndermek için kullanılan bir araçtır; uzay alanındaki süper alaşım esas olarak itme taşıyıcı roket motorunda kullanılır. Şekil 2, itici gaz deposundaki veya araçtaki reaktanları (itici gazları) itme kuvveti oluşturmak için yüksek hızlı jetlere dönüştüren sıvı yakıtlı roket motorunun ve yapısının şematik bir diyagramıdır. Şekil (b)'den görülebileceği gibi roket motorunun nozulundaki hava akışı 2500 m/s'ye ulaşmakta ve sıcaklık 1350 dereceye kadar çıkmaktadır.
Roket motoru süper alaşımları prensipte havacılık türbin motoru alaşımlarıyla birlikte kullanılabilir, ancak havacılık motorlarıyla karşılaştırıldığında roket motoru malzemeleri bazı yeni özelliklere sahiptir:
Nikel bazlı deforme olmuş süper alaşımlar, alaşımın iyi oksidatif korozyon direncine sahip olmasını sağlamak için genellikle %10-25% Cr elementi ekler, dolayısıyla nikel bazlı alaşım aslında matris olarak Ni-Cr'dir. Ek olarak bazı alaşımlar, Ni-Cr ile üçlü bir sistem deforme edilmiş süper alaşım oluşturmak için Ni-Cr katı çözeltisine Co (%15-20%), Mo (%15 kadar) veya W (yaklaşık %11) elementlerini ekler. Matris olarak sırasıyla -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W. Tablo 6, Çin'de yaygın olarak kullanılan nikel bazlı deforme süper alaşımların markalarını, kimyasal bileşimlerini ve çalışma sıcaklıklarını göstermektedir. Şekil 6, türbin kanatları ve plakaları üzerindeki süper alaşım uygulamasının gelişme eğilimini göstermektedir.
Kobalt bazlı deformasyon süper alaşımı esas olarak Co-Ni-Cr üçlü sistemine dayanmaktadır ve W, Mo, Nb, Ta ve diğer katı çözelti güçlendirme elemanları ile karbür oluşturucu elemanları içerir. Nikel bazlı deforme süper alaşımlarla karşılaştırıldığında iş sertleşme oranı daha yüksektir ve şekillendirme sonrasında parçaların yüzey kalitesi daha iyidir, ancak şekillendirme işleminde genellikle daha fazla sıcak çalışma ısıtma süresi veya soğuk deformasyon ara tavlama süresi gerekir ve işleme şekillendirme ekipmanının tonajı da gereklidir. Kobalt bazlı deforme süper alaşımlar, 980 dereceden yüksek olduğunda yüksek mukavemete ve mükemmel termal yorulma direncine, termal korozyona ve aşınma direncine sahiptir. Bununla birlikte, kobalt bazlı deforme olmuş süper alaşımlar, ana güçlendirme fazı olarak karbür içerir ve homojen bir güçlendirme fazından yoksundur ve bunların dayanıklılık mukavemeti, düşük ve orta sıcaklık aralıklarında nikel bazlı deforme olmuş süper alaşımlardan daha düşüktür. Tablo 9'da tipik kobalt bazlı deforme süper alaşımların yüksek sıcaklıktaki mekanik özellikleri listelenmektedir.