โลหะผสมทนความร้อนสูงเรียกอีกอย่างว่าโลหะผสมเพิ่มความแข็งแรงต่อความร้อน ตามโครงสร้างเมทริกซ์ วัสดุเหล่านี้สามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภท ได้แก่ โลหะผสมที่มีเหล็กเป็นส่วนประกอบหลัก โลหะผสมที่มีนิกเกลเป็นส่วนประกอบหลัก และโลหะผสมที่มีโครเมียมเป็นส่วนประกอบหลัก และตามวิธีการผลิต สามารถแบ่งออกได้เป็นโลหะผสมพิเศษขึ้นรูป และโลหะผสมพิเศษหล่อขึ้นรูป
โลหะผสมพิเศษเป็นวัตถุดิบที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เป็นวัสดุหลักสำหรับชิ้นส่วนที่ทนต่ออุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์สำหรับการบินและอวกาศและการผลิตเครื่องบิน โดยส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตห้องเผาไหม้ ใบพัดกังหัน ใบพัดนำทาง จานคอมเพรสเซอร์และกังหัน ตัวเรือนกังหัน และชิ้นส่วนอื่นๆ ช่วงอุณหภูมิใช้งานอยู่ที่ 600 ℃ - 1200 ℃ สภาวะความเค้นและสภาพแวดล้อมจะแตกต่างกันไปตามชิ้นส่วนที่ใช้ มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับคุณสมบัติทางกล ทางกายภาพ และทางเคมีของโลหะผสม เป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานของเครื่องยนต์ ดังนั้น โลหะผสมพิเศษจึงเป็นหนึ่งในโครงการวิจัยหลักในด้านการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศในประเทศที่พัฒนาแล้ว
การใช้งานหลักของโลหะผสมพิเศษ ได้แก่:
1. โลหะผสมทนความร้อนสูงสำหรับห้องเผาไหม้
ห้องเผาไหม้ (หรือที่เรียกว่าท่อเปลวไฟ) ของเครื่องยนต์กังหันอากาศเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนสำคัญที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากกระบวนการต่างๆ เช่น การพ่นเชื้อเพลิง การผสมน้ำมันและก๊าซ และกระบวนการอื่นๆ เกิดขึ้นในห้องเผาไหม้ อุณหภูมิสูงสุดในห้องเผาไหม้จึงอาจสูงถึง 1500 ℃ - 2000 ℃ และอุณหภูมิผนังในห้องเผาไหม้อาจสูงถึง 1100 ℃ ในขณะเดียวกันก็รับแรงเค้นจากความร้อนและแรงเค้นจากก๊าซด้วย เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักสูงใช้ห้องเผาไหม้แบบวงแหวน ซึ่งมีความยาวสั้นและมีความจุความร้อนสูง อุณหภูมิสูงสุดในห้องเผาไหม้จะสูงถึง 2000 ℃ และอุณหภูมิผนังจะสูงถึง 1150 ℃ หลังจากระบายความร้อนด้วยฟิล์มก๊าซหรือไอน้ำ ความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากระหว่างส่วนต่างๆ จะก่อให้เกิดแรงเค้นจากความร้อน ซึ่งจะเพิ่มขึ้นและลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อสภาวะการทำงานเปลี่ยนแปลง วัสดุจะได้รับแรงกระแทกจากความร้อนและภาระความล้าจากความร้อน และจะเกิดการบิดเบี้ยว รอยแตก และความเสียหายอื่นๆ โดยทั่วไป ห้องเผาไหม้ทำจากแผ่นโลหะผสม และข้อกำหนดทางเทคนิคสามารถสรุปได้ดังนี้ตามเงื่อนไขการใช้งานของชิ้นส่วนเฉพาะ: ต้องมีความต้านทานต่อการออกซิเดชันและการกัดกร่อนของก๊าซในระดับหนึ่งภายใต้สภาวะการใช้งานโลหะผสมและก๊าซที่อุณหภูมิสูง; ต้องมีความแข็งแรงในทันทีและความแข็งแรงต่อเนื่อง ประสิทธิภาพการทนต่อความล้าจากความร้อน และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ; ต้องมีความยืดหยุ่นและความสามารถในการเชื่อมที่เพียงพอเพื่อให้มั่นใจในการแปรรูป การขึ้นรูป และการเชื่อมต่อ; ต้องมีเสถียรภาพของโครงสร้างที่ดีภายใต้รอบความร้อนเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ตลอดอายุการใช้งาน
ก. ลามิเนตพรุนโลหะผสม MA956
ในระยะเริ่มต้น แผ่นลามิเนตพรุนทำจากแผ่นโลหะผสม HS-188 โดยใช้การเชื่อมแบบแพร่กระจายหลังจากผ่านกระบวนการถ่ายภาพ การกัด การเซาะร่อง และการเจาะรู ชั้นในสามารถทำเป็นช่องระบายความร้อนที่เหมาะสมตามข้อกำหนดการออกแบบ โครงสร้างการระบายความร้อนนี้ต้องการก๊าซระบายความร้อนเพียง 30% ของการระบายความร้อนแบบฟิล์มแบบดั้งเดิม ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรความร้อนของเครื่องยนต์ ลดความสามารถในการรับความร้อนจริงของวัสดุห้องเผาไหม้ ลดน้ำหนัก และเพิ่มอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก ปัจจุบันยังคงจำเป็นต้องพัฒนาเทคโนโลยีที่สำคัญก่อนที่จะนำไปใช้งานจริงได้ แผ่นลามิเนตพรุนที่ทำจาก MA956 เป็นวัสดุห้องเผาไหม้รุ่นใหม่ที่นำเข้าจากสหรัฐอเมริกา ซึ่งสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิ 1300 ℃
ข. การประยุกต์ใช้คอมโพสิตเซรามิกในห้องเผาไหม้
สหรัฐอเมริกาเริ่มตรวจสอบความเป็นไปได้ของการใช้เซรามิกสำหรับกังหันก๊าซตั้งแต่ปี 1971 ในปี 1983 กลุ่มที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาวัสดุขั้นสูงในสหรัฐอเมริกาได้กำหนดตัวชี้วัดประสิทธิภาพสำหรับกังหันก๊าซที่ใช้ในอากาศยานขั้นสูง ตัวชี้วัดเหล่านี้ได้แก่: เพิ่มอุณหภูมิทางเข้าของกังหันเป็น 2200 ℃; ทำงานภายใต้สภาวะการเผาไหม้ตามการคำนวณทางเคมี; ลดความหนาแน่นที่ใช้กับชิ้นส่วนเหล่านี้จาก 8 กรัม/ซม³ เหลือ 5 กรัม/ซม³; และยกเลิกการระบายความร้อนของชิ้นส่วน เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้ วัสดุที่ศึกษาได้แก่ กราไฟต์ เมทริกซ์โลหะ คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก และสารประกอบระหว่างโลหะ นอกเหนือจากเซรามิกเฟสเดียว คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก (CMC) มีข้อดีดังต่อไปนี้:
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของวัสดุเซรามิกนั้นน้อยกว่าโลหะผสมนิกเกลมาก และสารเคลือบก็หลุดลอกได้ง่าย การผลิตวัสดุคอมโพสิตเซรามิกโดยใช้แผ่นโลหะเป็นตัวกลางสามารถเอาชนะข้อเสียของการหลุดลอกได้ ซึ่งเป็นทิศทางการพัฒนาของวัสดุห้องเผาไหม้ วัสดุนี้สามารถใช้กับอากาศระบายความร้อนได้ 10% - 20% และอุณหภูมิของฉนวนโลหะด้านหลังอยู่ที่ประมาณ 800 ℃ เท่านั้น และอุณหภูมิการรับความร้อนนั้นต่ำกว่าการระบายความร้อนแบบกระจายและการระบายความร้อนแบบฟิล์มมาก กระเบื้องป้องกันที่ทำจากโลหะผสมพิเศษหล่อ B1900 + เคลือบเซรามิกถูกใช้ในเครื่องยนต์ V2500 และทิศทางการพัฒนาคือการแทนที่กระเบื้อง B1900 (เคลือบเซรามิก) ด้วยวัสดุคอมโพสิต SiC หรือวัสดุคอมโพสิต C/C ป้องกันการเกิดออกซิเดชัน วัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกเป็นวัสดุที่กำลังพัฒนาสำหรับห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 15-20 และอุณหภูมิใช้งานอยู่ที่ 1538 ℃ - 1650 ℃ ใช้สำหรับท่อเปลวไฟ ผนังลอย และห้องเผาไหม้ท้าย
2. โลหะผสมทนความร้อนสูงสำหรับกังหัน
ใบพัดกังหันของเครื่องยนต์อากาศยานเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนที่ต้องรับภาระอุณหภูมิที่รุนแรงที่สุดและสภาพแวดล้อมการทำงานที่เลวร้ายที่สุดในเครื่องยนต์อากาศยาน มันต้องรับแรงเค้นขนาดใหญ่และซับซ้อนมากภายใต้อุณหภูมิสูง ดังนั้นข้อกำหนดด้านวัสดุจึงเข้มงวดมาก โลหะผสมพิเศษสำหรับใบพัดกังหันของเครื่องยนต์อากาศยานแบ่งออกเป็น:
ก.โลหะผสมทนความร้อนสูงสำหรับใช้เป็นตัวนำ
แผ่นบังคับทิศทางลมเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนของเครื่องยนต์กังหันที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมากที่สุด เมื่อเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สม่ำเสมอในห้องเผาไหม้ ภาระความร้อนของแผ่นบังคับทิศทางลมขั้นแรกจะสูง ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้แผ่นบังคับทิศทางลมเสียหาย อุณหภูมิใช้งานของแผ่นบังคับทิศทางลมสูงกว่าใบพัดกังหันประมาณ 100 องศาเซลเซียส ความแตกต่างคือชิ้นส่วนคงที่ไม่ได้รับภาระทางกล โดยปกติแล้ว การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วจะทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน การบิดเบี้ยว รอยแตกร้าวจากความล้าทางความร้อน และการไหม้เฉพาะจุดได้ง่าย โลหะผสมที่ใช้ทำแผ่นบังคับทิศทางลมควรมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้: ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ ประสิทธิภาพการคืบตัวถาวรและประสิทธิภาพความล้าทางความร้อนที่ดี ความต้านทานต่อการออกซิเดชันและประสิทธิภาพการกัดกร่อนจากความร้อนสูง ความต้านทานต่อความเครียดจากความร้อนและการสั่นสะเทือน ความสามารถในการดัดงอ ประสิทธิภาพการขึ้นรูปและการเชื่อมที่ดีในกระบวนการหล่อ และประสิทธิภาพการป้องกันการเคลือบผิว
ในปัจจุบัน เครื่องยนต์ขั้นสูงส่วนใหญ่ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักสูงใช้ใบพัดหล่อกลวง และเลือกใช้โลหะผสมนิกเกลซูเปอร์อัลลอยแบบผลึกเดี่ยวและแบบทิศทางเดียว เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักสูงมีอุณหภูมิสูงถึง 1650 ℃ - 1930 ℃ และจำเป็นต้องได้รับการปกป้องด้วยสารเคลือบฉนวนกันความร้อน อุณหภูมิใช้งานของโลหะผสมใบพัดภายใต้สภาวะการระบายความร้อนและการป้องกันด้วยสารเคลือบนั้นสูงกว่า 1100 ℃ ซึ่งทำให้เกิดข้อกำหนดใหม่และสูงขึ้นสำหรับความหนาแน่นของอุณหภูมิและต้นทุนของวัสดุใบพัดนำทางในอนาคต
ข. โลหะผสมพิเศษสำหรับใบพัดกังหัน
ใบพัดกังหันเป็นชิ้นส่วนหมุนที่รับความร้อนที่สำคัญของเครื่องยนต์อากาศยาน อุณหภูมิในการทำงานของใบพัดกังหันต่ำกว่าใบพัดนำทาง 50-100 องศาเซลเซียส ใบพัดกังหันต้องรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง แรงสั่นสะเทือน ความร้อน การกัดเซาะจากกระแสลม และผลกระทบอื่นๆ มากมายขณะหมุน และสภาพการทำงานไม่ดี อายุการใช้งานของชิ้นส่วนปลายร้อนของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักสูงนั้นมากกว่า 2,000 ชั่วโมง ดังนั้นโลหะผสมที่ใช้ทำใบพัดกังหันจึงต้องมีคุณสมบัติที่ดีหลายประการ เช่น ความต้านทานการคืบและความแข็งแรงต่อการแตกหักที่อุณหภูมิใช้งาน คุณสมบัติโดยรวมที่ดีในอุณหภูมิสูงและปานกลาง เช่น ความทนทานต่อความล้าแบบรอบสูงและต่ำ ความทนทานต่อความล้าแบบเย็นและร้อน ความยืดหยุ่นและความเหนียวต่อแรงกระแทกที่เพียงพอ และความไวต่อรอยบาก ความต้านทานต่อการออกซิเดชันและการกัดกร่อนสูง การนำความร้อนที่ดีและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำ ประสิทธิภาพกระบวนการหล่อที่ดี ความเสถียรของโครงสร้างในระยะยาว และไม่มีการตกตะกอนของเฟส TCP ที่อุณหภูมิใช้งาน โลหะผสมที่ใช้จะผ่านสี่ขั้นตอน การใช้งานโลหะผสมขึ้นรูป ได้แก่ GH4033, GH4143, GH4118 เป็นต้น ส่วนการใช้งานโลหะผสมหล่อ ได้แก่ K403, K417, K418, K405, ทองคำที่แข็งตัวในทิศทางเดียว DZ4, DZ22, โลหะผสมผลึกเดี่ยว DD3, DD8, PW1484 เป็นต้น ปัจจุบันได้พัฒนาไปถึงโลหะผสมผลึกเดี่ยวรุ่นที่สามแล้ว โลหะผสมผลึกเดี่ยว DD3 และ DD8 ของจีนถูกนำไปใช้ในกังหัน เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน เฮลิคอปเตอร์ และเครื่องยนต์เรือของจีนตามลำดับ
3. โลหะผสมทนความร้อนสูงสำหรับจานกังหัน
จานกังหันเป็นชิ้นส่วนแบริ่งหมุนที่รับแรงเค้นมากที่สุดในเครื่องยนต์กังหัน อุณหภูมิใช้งานของหน้าแปลนล้อของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 8 และ 10 จะสูงถึง 650 ℃ และ 750 ℃ ตามลำดับ และอุณหภูมิของศูนย์กลางล้ออยู่ที่ประมาณ 300 ℃ ซึ่งมีความแตกต่างของอุณหภูมิสูง ในระหว่างการหมุนปกติ มันจะขับเคลื่อนใบพัดให้หมุนด้วยความเร็วสูงและรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง แรงเค้นจากความร้อน และแรงเค้นจากการสั่นสะเทือนสูงสุด การเริ่มต้นและหยุดแต่ละครั้งเป็นวัฏจักร ศูนย์กลางล้อ คอ ร่องด้านล่าง และขอบ ล้วนรับแรงเค้นผสมที่แตกต่างกัน โลหะผสมที่ใช้จึงต้องมีความแข็งแรงคราสูงสุด ความเหนียวต่อแรงกระแทก และไม่ไวต่อรอยบากที่อุณหภูมิใช้งาน มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำ มีความต้านทานต่อการออกซิเดชันและการกัดกร่อนในระดับหนึ่ง และมีประสิทธิภาพการตัดที่ดี
4. โลหะผสมพิเศษสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
โลหะผสมพิเศษที่ใช้ในเครื่องยนต์จรวดเหลว ได้แก่ แผงหัวฉีดเชื้อเพลิงในห้องเผาไหม้ภายในห้องขับดัน ข้อต่อปั๊มกังหัน หน้าแปลน ตัวยึดหางเสือกราไฟต์ เป็นต้น โลหะผสมทนความร้อนสูงในเครื่องยนต์จรวดเหลว ได้แก่ แผงหัวฉีดเชื้อเพลิงในห้องเผาไหม้ภายในห้องขับดัน ข้อต่อปั๊มกังหัน หน้าแปลน ตัวยึดหางเสือกราไฟต์ เป็นต้น GH4169 ใช้เป็นวัสดุของโรเตอร์กังหัน เพลา ปลอกเพลา ตัวยึด และชิ้นส่วนแบริ่งที่สำคัญอื่นๆ
วัสดุที่ใช้ทำใบพัดกังหันของเครื่องยนต์จรวดเหลวของอเมริกา ส่วนใหญ่ได้แก่ ท่อดูด ใบพัดกังหัน และจานกังหัน ในประเทศจีนส่วนใหญ่ใช้โลหะผสม GH1131 โดยใบพัดกังหันจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงาน ควรใช้ Inconel x, Alloy713c, Astroloy และ Mar-M246 ตามลำดับ ส่วนวัสดุที่ใช้ทำจานกังหัน ได้แก่ Inconel 718, Waspaloy เป็นต้น กังหันแบบรวมชิ้นส่วน GH4169 และ GH4141 เป็นที่นิยมใช้กันมาก และเพลาเครื่องยนต์ใช้ GH2038A