Высокотемпературный сплав также называют жаропрочным сплавом. В зависимости от матричной структуры материалы можно разделить на три категории: на основе железа, на основе никеля и на основе хрома. По способу производства их можно разделить на деформированные суперсплавы и литые суперсплавы.
Это незаменимый сырьевой материал в аэрокосмической отрасли. Он является ключевым материалом для высокотемпературных деталей двигателей авиационной и аэрокосмической техники. В основном используется для изготовления камер сгорания, лопаток турбин, направляющих лопаток, дисков компрессора и турбины, корпусов турбин и других деталей. Диапазон рабочих температур составляет 600–1200 ℃. Напряжения и условия окружающей среды варьируются в зависимости от используемых деталей. К механическим, физическим и химическим свойствам сплава предъявляются строгие требования. Это решающий фактор для производительности, надежности и срока службы двигателя. Поэтому разработка суперсплавов является одним из ключевых направлений исследований в области аэрокосмической техники и национальной обороны в развитых странах.
Основные области применения суперсплавов:
1. Высокотемпературный сплав для камеры сгорания
Камера сгорания (также известная как пламенная труба) авиационного турбинного двигателя является одним из ключевых высокотемпературных компонентов. Поскольку в камере сгорания происходит распыление топлива, смешивание масла и газа и другие процессы, максимальная температура в камере сгорания может достигать 1500–2000 ℃, а температура стенок камеры сгорания — 1100 ℃. Одновременно с этим она также подвергается термическим и газовым напряжениям. В большинстве двигателей с высоким отношением тяги к весу используются кольцевые камеры сгорания, которые имеют малую длину и высокую теплоемкость. Максимальная температура в камере сгорания достигает 2000 ℃, а температура стенок после газовой пленки или парового охлаждения — 1150 ℃. Большие температурные градиенты между различными частями создают термические напряжения, которые резко возрастают и падают при изменении рабочего состояния. Материал подвергается термическому удару и термической усталости, возникают деформации, трещины и другие дефекты. Как правило, камера сгорания изготавливается из листового сплава, а технические требования, в зависимости от условий эксплуатации конкретных деталей, можно суммировать следующим образом: она обладает определенной стойкостью к окислению и газовой коррозии в условиях использования высокотемпературного сплава и газа; она обладает определенной мгновенной и пределом прочности, устойчивостью к термической усталости и низким коэффициентом теплового расширения; она обладает достаточной пластичностью и свариваемостью для обеспечения возможности обработки, формования и соединения; она обладает хорошей структурной стабильностью при термических циклах, что обеспечивает надежную работу в течение всего срока службы.
а. Пористый ламинат из сплава MA956
На ранних этапах пористый ламинат изготавливался из листов сплава HS-188 методом диффузионной сварки после фотопечати, травления, нарезки канавок и штамповки. Внутренний слой мог быть выполнен в виде идеального канала охлаждения в соответствии с требованиями конструкции. Такая конструкция охлаждения требует всего 30% охлаждающего газа по сравнению с традиционным пленочным охлаждением, что позволяет повысить эффективность теплового цикла двигателя, снизить фактическую теплоемкость материала камеры сгорания, уменьшить вес и увеличить отношение тяги к весу. В настоящее время для практического применения этой технологии все еще необходимы ключевые технологические прорывы. Пористый ламинат из MA956 — это новое поколение материалов для камер сгорания, разработанное в США, которое может использоваться при температуре 1300 ℃.
б. Применение керамических композитов в камере сгорания
В Соединенных Штатах проверка возможности использования керамики в газовых турбинах началась еще в 1971 году. В 1983 году некоторые группы, занимающиеся разработкой передовых материалов в США, сформулировали ряд показателей эффективности газовых турбин, используемых в современных летательных аппаратах. Эти показатели включают: повышение температуры на входе в турбину до 2200 ℃; работу в режиме химического сгорания; снижение плотности, прикладываемой к этим деталям, с 8 г/см³ до 5 г/см³; отказ от охлаждения компонентов. Для удовлетворения этих требований, помимо однофазной керамики, исследовались такие материалы, как графит, металломатричные композиты, керамические матричные композиты и интерметаллические соединения. Керамические матричные композиты (КМК) обладают следующими преимуществами:
Коэффициент теплового расширения керамического материала значительно меньше, чем у никелевого сплава, и покрытие легко отслаивается. Изготовление керамических композитов с промежуточным металлическим войлоком позволяет преодолеть этот недостаток, что является перспективным направлением развития материалов для камер сгорания. Этот материал может использоваться с 10–20% охлаждающего воздуха, а температура металлической задней изоляции составляет всего около 800 ℃, при этом температура теплопередачи значительно ниже, чем при дивергентном и пленочном охлаждении. В двигателе V2500 используется защитная плитка из литого суперсплава B1900 с керамическим покрытием, и перспективным направлением развития является замена плитки из B1900 (с керамическим покрытием) на композит на основе SiC или антиоксидантный композит C/C. Керамический матричный композит является перспективным материалом для камер сгорания двигателя с соотношением тяги к массе 15–20, его рабочая температура составляет 1538–1650 ℃. Он используется для пламенной трубки, плавающей стенки и форсажной камеры.
2. Высокотемпературный сплав для турбины
Лопатка турбины авиационного двигателя — один из компонентов, подвергающихся наиболее сильным температурным нагрузкам и работающих в самых неблагоприятных условиях. Она должна выдерживать очень большие и сложные напряжения при высоких температурах, поэтому к материалам, из которых она изготовлена, предъявляются очень строгие требования. Сверхсплавы для лопаток турбин авиационных двигателей делятся на следующие категории:
а. Высокотемпературный сплав для направляющей
Дефлектор является одной из наиболее подверженных тепловому воздействию частей турбинного двигателя. При неравномерном сгорании в камере сгорания тепловая нагрузка на направляющую лопатку первой ступени велика, что является основной причиной ее повреждения. Ее рабочая температура примерно на 100 ℃ выше, чем у лопатки турбины. Разница заключается в том, что статические части не подвергаются механической нагрузке. Обычно быстрое изменение температуры легко приводит к возникновению термических напряжений, деформаций, трещин от термической усталости и локального обгорания. Сплав для направляющей лопатки должен обладать следующими свойствами: достаточной прочностью при высоких температурах, хорошей ползучестью и устойчивостью к термической усталости, высокой стойкостью к окислению и термической коррозии, устойчивостью к термическим напряжениям и вибрации, способностью к изгибной деформации, хорошими литьевыми свойствами и свариваемостью, а также защитными свойствами покрытия.
В настоящее время большинство передовых двигателей с высоким отношением тяги к весу используют полые литые лопатки, при этом выбираются направленные и монокристаллические никелевые суперсплавы. Двигатель с высоким отношением тяги к весу работает при высоких температурах 1650–1930 ℃ и требует защиты теплоизоляционным покрытием. Рабочая температура сплава лопатки в условиях охлаждения и защиты покрытием превышает 1100 ℃, что предъявляет новые и более высокие требования к температурно-плотностным характеристикам материала направляющей лопатки в будущем.
б. Суперсплавы для лопаток турбин
Лопатки турбин являются ключевыми теплонесущими вращающимися деталями авиационных двигателей. Их рабочая температура на 50–100 ℃ ниже, чем у направляющих лопаток. При вращении они подвергаются значительным центробежным напряжениям, вибрационным напряжениям, термическим напряжениям, воздействию воздушного потока и другим эффектам, что создает неблагоприятные условия эксплуатации. Срок службы компонентов горячей части двигателя с высоким отношением тяги к весу составляет более 2000 часов. Поэтому сплав для лопаток турбин должен обладать высокой ползучестью и прочностью на разрыв при рабочей температуре, хорошими комплексными свойствами при высоких и средних температурах, такими как высоко- и низкоцикловая усталость, холодная и горячая усталость, достаточная пластичность и ударная вязкость, а также чувствительность к надрезам; высокой стойкостью к окислению и коррозии; хорошей теплопроводностью и низким коэффициентом линейного расширения; хорошими характеристиками процесса литья; долговременной структурной стабильностью, отсутствием осаждения фазы TCP при рабочей температуре. Применяемый сплав проходит четыре стадии обработки; среди деформированных сплавов можно выделить GH4033, GH4143, GH4118 и др. К областям применения литейных сплавов относятся K403, K417, K418, K405, направленно затвердевший золотой сплав DZ4, DZ22, монокристаллические сплавы DD3, DD8, PW1484 и др. В настоящее время разработано третье поколение монокристаллических сплавов. Китайские монокристаллические сплавы DD3 и DD8 используются соответственно в китайских турбинах, турбовентиляторных двигателях, вертолетах и судовых двигателях.
3. Высокотемпературный сплав для турбинного диска
Турбинный диск является наиболее нагруженной вращающейся подшипниковой частью турбинного двигателя. Рабочая температура фланца колеса двигателя с соотношением осевой нагрузки 8 и 10 достигает 650 ℃ и 750 ℃, а температура в центре колеса составляет около 300 ℃, что представляет собой значительную разницу температур. Во время нормального вращения он приводит лопатку во вращение с высокой скоростью и испытывает максимальную центробежную силу, термические и вибрационные напряжения. Каждый запуск и остановка представляют собой цикл, в течение которого центр колеса, горловина, дно канавки и обод испытывают различные суммарные напряжения. Для изготовления диска требуется сплав, обладающий наивысшей прочностью на разрыв, ударной вязкостью и отсутствием чувствительности к надрезам при рабочей температуре; низким коэффициентом линейного расширения; определенной стойкостью к окислению и коррозии; хорошими режущими свойствами.
4. Аэрокосмический суперсплав
В жидкостных ракетных двигателях сверхсплав используется в качестве топливных форсунок камеры сгорания, патрубков турбинного насоса, фланцев, графитовых крепежных элементов руля и т. д. Высокотемпературный сплав GH4169 используется в жидкостных ракетных двигателях в качестве топливных форсунок камеры сгорания, патрубков турбинного насоса, фланцев, графитовых крепежных элементов руля и т. д. Ротор турбины, вал, втулка вала, крепежные элементы и другие важные подшипниковые детали также используются в жидкостных ракетных двигателях.
Материалы ротора турбины американских жидкостных ракетных двигателей в основном включают в себя впускной патрубок, лопатки турбины и диск. В Китае в основном используется сплав GH1131, а материал лопаток турбины зависит от рабочей температуры. Последовательно используются Inconel x, Alloy713c, Astroloy и Mar-M246; в качестве материалов диска колеса используются Inconel 718, Waspaloy и др. В качестве цельнолитых турбин чаще всего используются GH4169 и GH4141, а для вала двигателя используется GH2038A.