โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงเรียกอีกอย่างว่าโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูง ตามโครงสร้างเมทริกซ์ วัสดุสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท: นิกเกิลที่ใช้เหล็กและโครเมียม ตามโหมดการผลิต มันสามารถแบ่งออกเป็นซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีรูปทรงและซูเปอร์อัลลอยด์แบบหล่อ
เป็นวัตถุดิบที่ขาดไม่ได้ในด้านการบินและอวกาศ เป็นวัสดุหลักสำหรับชิ้นส่วนที่มีอุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์การผลิตการบินและอวกาศและการบิน ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการผลิตห้องเผาไหม้, ใบพัดกังหัน, ใบมีดนำ, คอมเพรสเซอร์และดิสก์กังหัน, กล่องกังหันและชิ้นส่วนอื่น ๆ ช่วงอุณหภูมิบริการคือ 600 ℃ - 1200 ℃ ความเครียดและสภาพแวดล้อมจะแตกต่างกันไปตามชิ้นส่วนที่ใช้ มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับคุณสมบัติทางกล ทางกายภาพ และทางเคมีของโลหะผสม เป็นปัจจัยชี้ขาดต่อประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานของเครื่องยนต์ ดังนั้น ซูเปอร์อัลลอยด์จึงเป็นหนึ่งในโครงการวิจัยที่สำคัญในสาขาการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศในประเทศที่พัฒนาแล้ว
การใช้งานหลักของซูเปอร์อัลลอยคือ:
1. โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงสำหรับห้องเผาไหม้
ห้องเผาไหม้ (หรือที่เรียกว่าท่อเปลวไฟ) ของเครื่องยนต์กังหันการบินเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่สำคัญที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากการทำให้เป็นอะตอมของเชื้อเพลิง การผสมน้ำมันและก๊าซ และกระบวนการอื่น ๆ ดำเนินการในห้องเผาไหม้ อุณหภูมิสูงสุดในห้องเผาไหม้สามารถเข้าถึง 1,500 ℃ - 2,000 ℃ และอุณหภูมิผนังในห้องเผาไหม้สามารถสูงถึง 1,100 ℃ ในขณะเดียวกันก็ทนต่อความเครียดจากความร้อนและความเครียดจากก๊าซด้วย เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ที่มีอัตราส่วนแรงขับ/น้ำหนักสูงจะใช้ห้องเผาไหม้แบบวงแหวน ซึ่งมีความยาวสั้นและมีความจุความร้อนสูง อุณหภูมิสูงสุดในห้องเผาไหม้ถึง 2,000 ℃ และอุณหภูมิผนังถึง 1,150 ℃ หลังจากการระบายความร้อนด้วยฟิล์มแก๊สหรือไอน้ำ การไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่ระหว่างส่วนต่างๆ จะทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน ซึ่งจะเพิ่มขึ้นและลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อสถานะการทำงานเปลี่ยนแปลง วัสดุจะต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลันและภาระความล้าจากความร้อน และจะมีการบิดเบี้ยว รอยแตกร้าว และความผิดปกติอื่นๆ โดยทั่วไปห้องเผาไหม้ทำจากโลหะผสมแผ่น และข้อกำหนดทางเทคนิคสรุปได้ดังต่อไปนี้ตามเงื่อนไขการบริการของชิ้นส่วนเฉพาะ: มีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและความต้านทานการกัดกร่อนของก๊าซภายใต้เงื่อนไขของการใช้โลหะผสมและก๊าซที่มีอุณหภูมิสูง มีความแข็งแรงทันทีและทนทาน ประสิทธิภาพการล้าจากความร้อน และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ มีความเป็นพลาสติกและความสามารถในการเชื่อมเพียงพอที่จะรับประกันการแปรรูป การขึ้นรูป และการเชื่อมต่อ มีความเสถียรขององค์กรที่ดีภายใต้วงจรความร้อนเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ตลอดอายุการใช้งาน
ก. MA956 อัลลอยด์มีรูพรุนลามิเนต
ในระยะแรก แผ่นลามิเนตที่มีรูพรุนทำจากแผ่นโลหะผสม HS-188 โดยการเชื่อมติดแบบแพร่หลังจากถ่ายภาพ กัดเซาะ เซาะร่อง และเจาะ ชั้นในสามารถทำเป็นช่องระบายความร้อนในอุดมคติได้ตามความต้องการในการออกแบบ การระบายความร้อนด้วยโครงสร้างนี้ต้องการเพียง 30% ของก๊าซทำความเย็นของการทำความเย็นแบบฟิล์มแบบดั้งเดิม ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพวงจรความร้อนของเครื่องยนต์ ลดความสามารถในการรับความร้อนที่แท้จริงของวัสดุห้องเผาไหม้ ลดน้ำหนัก และเพิ่มน้ำหนักแรงขับ อัตราส่วน ปัจจุบันยังจำเป็นต้องเจาะลึกเทคโนโลยีหลักก่อนจึงจะสามารถใช้งานได้จริง ลามิเนตที่มีรูพรุนที่ทำจาก MA956 เป็นวัสดุห้องเผาไหม้รุ่นใหม่ที่นำโดยสหรัฐอเมริกา ซึ่งสามารถใช้งานได้ที่ 1300 ℃
ข. การใช้เซรามิกคอมโพสิตในห้องเผาไหม้
สหรัฐอเมริกาได้เริ่มตรวจสอบความเป็นไปได้ของการใช้เซรามิกสำหรับกังหันก๊าซตั้งแต่ปี 1971 ในปี 1983 บางกลุ่มที่มีส่วนร่วมในการพัฒนาวัสดุขั้นสูงในสหรัฐอเมริกาได้กำหนดชุดตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพสำหรับกังหันก๊าซที่ใช้ในเครื่องบินขั้นสูง ตัวชี้วัดเหล่านี้คือ: เพิ่มอุณหภูมิทางเข้ากังหันเป็น 2200 ℃; ทำงานภายใต้สถานะการเผาไหม้ของการคำนวณทางเคมี ลดความหนาแน่นที่ใช้กับชิ้นส่วนเหล่านี้จาก 8g/cm3 เป็น 5g/cm3 ยกเลิกการระบายความร้อนของส่วนประกอบ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้ วัสดุที่ศึกษา ได้แก่ กราไฟท์ เมทริกซ์ของโลหะ คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก และสารประกอบระหว่างโลหะ นอกเหนือจากเซรามิกเฟสเดียว เซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิต (CMC) มีข้อดีดังต่อไปนี้:
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของวัสดุเซรามิกมีค่าน้อยกว่าโลหะผสมที่มีนิกเกิลมากและการเคลือบก็ลอกออกได้ง่าย การทำเซรามิกคอมโพสิตด้วยสักหลาดโลหะขั้นกลางสามารถเอาชนะข้อบกพร่องของการหลุดล่อน ซึ่งเป็นทิศทางการพัฒนาของวัสดุห้องเผาไหม้ วัสดุนี้สามารถใช้กับอากาศเย็น 10% - 20% และอุณหภูมิของฉนวนด้านหลังโลหะอยู่ที่ประมาณ 800 ℃เท่านั้น และอุณหภูมิแบริ่งความร้อนนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิของการระบายความร้อนและการทำความเย็นแบบฟิล์มที่แตกต่างกันมาก กระเบื้องป้องกันเคลือบซูเปอร์อัลลอยด์ B1900+เซรามิกใช้ในเครื่องยนต์ V2500 และทิศทางการพัฒนาคือการแทนที่กระเบื้อง B1900 (พร้อมเคลือบเซรามิก) ด้วยคอมโพสิตที่ใช้ SiC หรือคอมโพสิต C/C ที่ต้านการเกิดออกซิเดชัน เซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิตเป็นวัสดุการพัฒนาของห้องเผาไหม้เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนน้ำหนักแรงขับ 15-20 และอุณหภูมิบริการอยู่ที่ 1,538 ℃ - 1,650 ℃ ใช้สำหรับท่อเปลวไฟ ผนังลอย และเครื่องเผาทำลายหลัง
2. โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงสำหรับกังหัน
ใบพัดกังหันของเครื่องยนต์ Aero เป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่ทนต่อภาระอุณหภูมิที่รุนแรงที่สุดและสภาพแวดล้อมการทำงานที่เลวร้ายที่สุดในเครื่องยนต์อากาศยาน ต้องทนต่อความเครียดที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนมากภายใต้อุณหภูมิสูง ดังนั้นข้อกำหนดด้านวัสดุจึงเข้มงวดมาก ซูเปอร์อัลลอยด์สำหรับใบพัดกังหันของเครื่องยนต์อากาศยานแบ่งออกเป็น:
ก. โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงเพื่อเป็นแนวทาง
แผงเบี่ยงเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องยนต์กังหันที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมากที่สุด เมื่อเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สม่ำเสมอในห้องเผาไหม้ ภาระความร้อนของใบพัดนำทางขั้นแรกจะมีขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ใบพัดนำทางเสียหาย อุณหภูมิการใช้งานสูงกว่าใบพัดกังหันประมาณ 100 ℃ ข้อแตกต่างก็คือชิ้นส่วนที่อยู่นิ่งไม่อยู่ภายใต้ภาระทางกล โดยปกติแล้ว เป็นเรื่องง่ายที่จะทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน การบิดเบี้ยว รอยแตกเมื่อยล้าจากความร้อน และการเผาไหม้เฉพาะที่ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว โลหะผสมใบพัดนำทางจะต้องมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้: ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ ประสิทธิภาพการคืบถาวร และประสิทธิภาพความล้าจากความร้อนที่ดี ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันสูงและประสิทธิภาพการกัดกร่อนจากความร้อน ความเครียดจากความร้อนและความต้านทานการสั่นสะเทือน ความสามารถในการเปลี่ยนรูปโค้งงอ ประสิทธิภาพการขึ้นรูปกระบวนการหล่อที่ดีและการเชื่อมได้ และประสิทธิภาพการป้องกันการเคลือบ
ในปัจจุบัน เครื่องยนต์ที่ทันสมัยที่สุดที่มีอัตราส่วนแรงขับ/น้ำหนักสูงใช้ใบพัดแบบหล่อกลวง และเลือกใช้ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นผลึกเดี่ยวและทิศทาง เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักสูงจะมีอุณหภูมิสูงถึง 1,650 ℃ - 1930 ℃ และจำเป็นต้องได้รับการปกป้องด้วยการเคลือบฉนวนกันความร้อน อุณหภูมิการใช้งานของโลหะผสมใบมีดภายใต้สภาวะการทำความเย็นและการป้องกันการเคลือบมากกว่า 1100 ℃ ซึ่งทำให้มีข้อกำหนดใหม่และสูงขึ้นสำหรับต้นทุนความหนาแน่นของอุณหภูมิของวัสดุใบมีดนำทางในอนาคต
ข. ซูเปอร์อัลลอยด์สำหรับใบพัดกังหัน
ใบพัดกังหันเป็นชิ้นส่วนหมุนที่รับความร้อนที่สำคัญของเครื่องยนต์อากาศยาน อุณหภูมิในการทำงานอยู่ที่ 50 ℃ - 100 ℃ ต่ำกว่าใบมีดนำทาง ทนต่อแรงเหวี่ยงจากแรงเหวี่ยง แรงสั่นสะเทือน ความเครียดจากความร้อน การไหลของอากาศ และผลกระทบอื่นๆ เมื่อหมุน และสภาพการทำงานไม่ดี อายุการใช้งานของส่วนประกอบปลายร้อนของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับ/น้ำหนักสูงคือมากกว่า 2000 ชม. ดังนั้น โลหะผสมของใบพัดกังหันจะต้องมีความต้านทานการคืบคลานและความแข็งแรงการแตกร้าวสูงที่อุณหภูมิใช้งาน มีคุณสมบัติครอบคลุมอุณหภูมิสูงและปานกลางที่ดี เช่น ความล้าในรอบสูงและต่ำ ความล้าที่เย็นและร้อน ความเป็นพลาสติกและความเหนียวต่อแรงกระแทกที่เพียงพอ และความไวของรอยบาก ทนต่อการเกิดออกซิเดชันสูงและทนต่อการกัดกร่อน การนำความร้อนที่ดีและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำ ประสิทธิภาพกระบวนการหล่อที่ดี ความเสถียรของโครงสร้างในระยะยาว ไม่มีการตกตะกอนของเฟส TCP ที่อุณหภูมิบริการ โลหะผสมที่ใช้ต้องผ่านสี่ขั้นตอน การใช้งานโลหะผสมข้ออ้อย ได้แก่ GH4033, GH4143, GH4118 ฯลฯ การใช้โลหะผสมหล่อ ได้แก่ K403, K417, K418, K405, ทองคำ DZ4, DZ22, โลหะผสมคริสตัลเดี่ยว DD3, DD8, PW1484 เป็นต้น ปัจจุบันได้พัฒนาเป็นโลหะผสมคริสตัลเดี่ยวรุ่นที่สาม โลหะผสมผลึกเดี่ยวของจีน DD3 และ DD8 ถูกนำมาใช้ตามลำดับในกังหัน เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน เฮลิคอปเตอร์ และเครื่องยนต์ทางเรือของจีน
3. โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงสำหรับดิสก์กังหัน
จานกังหันเป็นส่วนแบริ่งหมุนที่ได้รับแรงกดมากที่สุดของเครื่องยนต์กังหัน อุณหภูมิในการทำงานของหน้าแปลนล้อของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนน้ำหนักแรงขับ 8 และ 10 ถึง 650 ℃ และ 750 ℃ และอุณหภูมิของศูนย์กลางล้ออยู่ที่ประมาณ 300 ℃ โดยมีความแตกต่างของอุณหภูมิมาก ในระหว่างการหมุนตามปกติ ใบพัดจะหมุนด้วยความเร็วสูง และรับแรงเหวี่ยงสูงสุด ความเครียดจากความร้อน และความเครียดจากการสั่นสะเทือน การสตาร์ทและหยุดแต่ละครั้งจะเป็นแบบวนรอบศูนย์กลางล้อ คอ ร่องด้านล่าง และขอบล้วนรับแรงเค้นจากคอมโพสิตที่แตกต่างกัน โลหะผสมจะต้องมีความแข็งแรงของผลผลิตสูงสุด ทนทานต่อแรงกระแทก และไม่มีความไวต่อรอยบากที่อุณหภูมิการใช้งาน ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำ ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนบางอย่าง ประสิทธิภาพการตัดที่ดี
4. ซูเปอร์อัลลอยด์การบินและอวกาศ
ซูเปอร์อัลลอยด์ในเครื่องยนต์จรวดเหลวถูกใช้เป็นแผงหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงของห้องเผาไหม้ในห้องแทง ข้อศอกปั๊มกังหัน, หน้าแปลน, ตัวยึดหางเสือกราไฟท์ ฯลฯ โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงในเครื่องยนต์จรวดเหลวใช้เป็นแผงหัวฉีดห้องเชื้อเพลิงในห้องแรงขับ ข้อศอกปั๊มกังหัน หน้าแปลน ตัวยึดหางเสือกราไฟท์ ฯลฯ GH4169 ใช้เป็นวัสดุของโรเตอร์กังหัน เพลา ปลอกเพลา ตัวยึด และชิ้นส่วนแบริ่งที่สำคัญอื่น ๆ
วัสดุโรเตอร์กังหันของเครื่องยนต์จรวดเหลวของอเมริกาส่วนใหญ่ประกอบด้วยท่อไอดี ใบพัดกังหัน และจาน โลหะผสม GH1131 ส่วนใหญ่ใช้ในประเทศจีน และใบพัดกังหันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการทำงาน ควรใช้ Inconel x, Alloy713c, Astroloy และ Mar-M246 อย่างต่อเนื่อง วัสดุจานล้อ ได้แก่ Inconel 718, Waspaloy ฯลฯ ส่วนใหญ่จะใช้กังหันแบบรวม GH4169 และ GH4141 และ GH2038A ใช้สำหรับเพลาเครื่องยนต์