一.Εφαρμογή υπερκράματος σε αεροκινητήρες
Ροή εργασίας κινητήρα στροβίλου: Όταν εκκινείται ο κινητήρας, ο αέρας εισέρχεται στον συμπιεστή από την είσοδο, συμπιέζεται και εισέρχεται στον θάλαμο καύσης, αναμιγνύεται με το καύσιμο που εκπέμπεται από το ακροφύσιο ψεκασμού καυσίμου, σχηματίζει ένα ομοιόμορφο μείγμα και αναφλέγεται γρήγορα και καίγεται στο ο θάλαμος καύσης, παράγει αέριο υψηλής θερμοκρασίας που ρέει μέσω του οδηγού στον στρόβιλο και ο στρόβιλος περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα (η κανονική ταχύτητα μπορεί να φτάσει τα 1100 r/min) κάτω από τη ροή αερίου υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης. Το αέριο από τον στρόβιλο αποβάλλεται από το ακροφύσιο της ουράς για να δημιουργήσει ώθηση. Λόγω των κραδασμών, της διάβρωσης της ροής αέρα, ειδικά της φυγόκεντρης επίδρασης που προκαλείται από την περιστροφή, τα μέρη υψηλής θερμοκρασίας του κινητήρα του αεροσκάφους θα υποστούν μεγαλύτερη καταπόνηση, το αέριο περιέχει πολύ οξυγόνο, υδρατμούς και υπάρχουν διαβρωτικά αέρια όπως SO2, H2S , που θα παίξει ρόλο στην οξείδωση και τη διάβρωση εξαρτημάτων υψηλής θερμοκρασίας. Είτε πρόκειται για στρατιωτικό αεροσκάφος, είτε για πολιτικά αεροσκάφη, εκτός από δομικές και λειτουργικές επιδόσεις, αλλά απαιτούν επίσης ασφάλεια και σταθερότητα, έτσι οι σύγχρονοι κινητήρες εκτός από υψηλή αναλογία ώθησης προς βάρος, υψηλή θερμοκρασία, αναλογία υψηλής πίεσης και άλλες επιδόσεις, υπάρχουν είναι αυστηρές απαιτήσεις αξιοπιστίας, ανθεκτικότητας, συντήρησης.
Το υπερκράμα έχει υψηλή θερμική σταθερότητα και θερμική αντοχή και μπορεί να έχει καλή αντοχή στη διάβρωση και αντοχή στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Είναι βασικό υλικό για την κατασκευή εξαρτημάτων θερμού άκρου κινητήρων στροβίλων αεροσκαφών, που χρησιμοποιούνται κυρίως στην κατασκευή εξαρτημάτων θερμού στροβίλου, δηλαδή δίσκου στροβίλου, λεπίδα οδηγού στροβίλου, λεπίδα εργασίας στροβίλου, θαλάμου καύσης και εξαρτημάτων μετακαυστήρα. Στους σύγχρονους προηγμένους κινητήρες αεροσκαφών, η ποσότητα υλικών υπερκράματος αντιπροσωπεύει το 40%-60% του συνολικού κινητήρα.
Ο θάλαμος καύσης είναι η περιοχή με την υψηλότερη θερμοκρασία εργασίας των εξαρτημάτων του κινητήρα και όταν η θερμοκρασία του αερίου στο θάλαμο καύσης φτάσει τους 1500-2000 βαθμούς C, η θερμοκρασία του κράματος τοιχώματος του θαλάμου μπορεί να φτάσει τους 800 ~ 900 βαθμούς C και η τοπική Η θερμοκρασία μπορεί να φτάσει τους 1100 βαθμούς C. Το κράμα που χρησιμοποιείται ως θάλαμος καύσης υπόκειται σε θερμική καταπόνηση και δύναμη κρούσης αερίου, ειδικά κατά την απογείωση, την επιτάχυνση και τη στάθμευση, και οι αλλαγές θερμοκρασίας είναι πιο δραστικές. Λόγω της κυκλικής θέρμανσης και ψύξης, ο θάλαμος καύσης συχνά εμφανίζει παραμόρφωση, παραμόρφωση και ρωγμές θερμικής κόπωσης στην άκρη.
Τα τελευταία χρόνια, τα περισσότερα από τα υπερκράματα που χρησιμοποιούνται στον θάλαμο καύσης είναι κράματα ενισχυμένα με στερεά διαλύματα, τα οποία περιέχουν μεγάλο αριθμό από W,Mo,Nb και άλλα ενισχυμένα σε στερεά διαλύματα στοιχεία, αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, καλή διαμόρφωση και απόδοση συγκόλλησης. Οι αντιπροσωπευτικές μάρκες είναι GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 και ούτω καθεξής.
Η λεπίδα οδήγησης είναι ένα εξάρτημα που ρυθμίζει την κατεύθυνση της ροής αερίου από τον θάλαμο καύσης, γνωστό και ως οδηγός. Είναι ένα από τα μέρη του κινητήρα στροβίλου που υπόκειται σε μεγάλη θερμική κρούση. Ειδικά όταν ο θάλαμος καύσης δεν είναι ομοιόμορφος και η λειτουργία δεν είναι καλή, η λεπίδα οδηγός υπόκειται σε μεγαλύτερο θερμικό φορτίο και η θερμοκρασία λειτουργίας του πτερυγίου οδηγού του προηγμένου κινητήρα στροβίλου μπορεί να φτάσει τους 1100 βαθμούς. Η παραμόρφωση που προκαλείται από τη θερμική καταπόνηση, οι ρωγμές θερμικής κόπωσης που προκαλούνται από δραστικές αλλαγές θερμοκρασίας και τα τοπικά εγκαύματα είναι τα κύρια ελαττώματα των λεπίδων οδηγών κατά τη λειτουργία.
Τα περισσότερα από τα κράματα που χρησιμοποιούνται ως λεπίδες οδηγών παράγονται με τη διαδικασία χύτευσης ακριβείας και μπορούν να προστεθούν στα κράματα περισσότερα W, Mo, Nb, Al, Ti και άλλα ενισχυτικά και γήρανση στερεών διαλυμάτων και η περιεκτικότητα σε C και B σε τα κράματα είναι επίσης υψηλότερα από αυτά των παραμορφωμένων κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας. Ορισμένες λεπίδες οδηγών συγκολλούνται επίσης απευθείας από φύλλα ενισχυμένα για την ηλικία. Οι προηγμένοι αεροκινητήρες χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον κούφια χυτά πτερύγια, τα οποία έχουν καλό αποτέλεσμα ψύξης και μπορούν να αυξήσουν τη θερμοκρασία λειτουργίας. Η χρήση της θερμοκρασίας κράματος οικιακού πτερυγίου οδηγού μπορεί να φτάσει τις 000 ~ 1050 μοίρες, αντιπροσωπευτικό κράμα χύτευσης ακριβείας K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B κ.λπ.
Με την ανάπτυξη του κινητήρα, προκειμένου να ανταποκριθεί στην περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας του δίσκου του στροβίλου του κινητήρα, άλλαξε και η δομή του πτερυγίου οδηγού και επιχειρείται η υιοθέτηση των GH5605 και GH5188. Η συγκολλημένη πολυστρωματική δομή του παραμορφωμένου φύλλου υπερκράματος χρησιμοποιείται ως οδηγός λεπίδα.
Τα πτερύγια του στροβίλου είναι τα πιο σοβαρά εξαρτήματα σε αεροκινητήρες με υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας και μεγάλη φυγόκεντρη τάση, καταπόνηση κραδασμών, θερμική καταπόνηση και δύναμη διάβρωσης ροής αέρα κατά την περιστροφή. Η τάση εφελκυσμού του σώματος της λεπίδας είναι περίπου 140 MPa και η μέση τάση της ρίζας της λεπίδας είναι 280-560MPa. Η θερμοκρασία του σώματος της λεπίδας και του τμήματος της ρίζας είναι περίπου 650-980 βαθμοί και 760 μοίρες αντίστοιχα. Η θερμοκρασία εισόδου αερίου του προηγμένου αεροκινητήρα έχει φτάσει τους 1380 βαθμούς και η ώθηση έχει φτάσει τα 226 kN. Τυπικό για GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 κ.λπ., μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε 750-950 βαθμό . Στην ανάπτυξη νέων μηχανών και την τροποποίηση παλαιών μηχανών, χρησιμοποιείται υπερκράμα χύτευσης για την κατασκευή πτερυγίων στροβίλου. Οι τυπικές ποιότητες των κραμάτων χύτευσης είναι K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 και ούτω καθεξής.
Ο δίσκος του στροβίλου αντιπροσωπεύει τη μεγαλύτερη μάζα στα εξαρτήματα του αεροκινητήρα, με τη μεμονωμένη μάζα να ξεπερνά τα 50 κιλά, και η μεμονωμένη μάζα του μεγάλου δίσκου του στροβίλου φτάνει τα εκατοντάδες κιλά. Στο στούντιο δίσκων στροβίλου, η γενική θερμοκρασία ζάντας μπορεί να φτάσει τους 550-650 βαθμούς C, ενώ η θερμοκρασία του κέντρου του τροχού είναι μόνο περίπου 300 βαθμοί C και η διαφορά θερμοκρασίας ολόκληρου του δίσκου του στροβίλου είναι πολύ μεγάλη. Επομένως, δημιουργείται μια μεγάλη ακτινωτή θερμική τάση. Τα πτερύγια του στροβίλου περιστρέφονται με υψηλή ταχύτητα κατά την κανονική περιστροφή και φέρουν μεγάλη φυγόκεντρο δύναμη. Η πίεση στο τμήμα του τενόντος είναι πιο περίπλοκη, συμπεριλαμβανομένης της τάσης εφελκυσμού και της τάσης στρέψης, που σχηματίζουν υψηλή τάση και χαμηλή κόπωση του κύκλου κατά την εκκίνηση και τη διακοπή.
Παραμορφωμένα υπερκράματα για δίσκους στροβίλου, ένας τύπος είναι υπερκράματα με βάση το σίδηρο-νικέλιο, οι τυπικές ποιότητες κράματος είναι GH2132, GH2135, GH2901, GH4761, κ.λπ., η θερμοκρασία λειτουργίας είναι κάτω από 650 βαθμούς. Ένα άλλο είδος υπερκράματος με βάση το νικέλιο, η τυπική μάρκα GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 κ.λπ., η χρήση της θερμοκρασίας μπορεί να φτάσει τους 700 ^ 800 βαθμούς.
2.Εφαρμογή υπερκράματος σε πυραυλοκινητήρα
Ο πύραυλος μεταφοράς είναι ένα όχημα για την αποστολή μιας ποικιλίας διαστημικών σκαφών σε διαστημική τροχιά, το υπερκράμα στο διαστημικό πεδίο χρησιμοποιείται κυρίως σε κινητήρα πυραύλων ωστικού φορέα. Το Σχήμα 2 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα του πυραυλοκινητήρα υγρού καυσίμου και της δομής του, το οποίο μετατρέπει τα αντιδρώντα (προωστικά) στη δεξαμενή προωθητικού ή στο όχημα σε πίδακες υψηλής ταχύτητας για τη δημιουργία ώθησης. Όπως φαίνεται από το σχήμα (β), η ροή αέρα στο ακροφύσιο του πυραυλοκινητήρα φτάνει τα 2500 m/s και η θερμοκρασία φτάνει τους 1350 βαθμούς.
Τα υπερκράματα πυραυλοκινητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατ' αρχήν με κράματα κινητήρων αεροστροβίλων, αλλά σε σύγκριση με τους κινητήρες αεροσκαφών, τα υλικά πυραυλοκινητήρων έχουν ορισμένα νέα χαρακτηριστικά:
Τα παραμορφωμένα υπερκράματα με βάση το νικέλιο συνήθως προσθέτουν 10%-25% στοιχείο Cr για να διασφαλίσουν ότι το κράμα έχει καλή αντοχή στην οξειδωτική διάβρωση, επομένως το κράμα με βάση το νικέλιο είναι στην πραγματικότητα Ni-Cr ως μήτρα. Επιπλέον, ορισμένα κράματα προσθέτουν τα στοιχεία Co(15%-20%), Mo (περίπου 15%) ή W (περίπου 11%) σε στερεό διάλυμα Ni-Cr για να σχηματίσουν ένα τριμερές σύστημα παραμορφωμένο υπερκράμα με Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W ως μήτρα, αντίστοιχα. Ο Πίνακας 6 δείχνει τις μάρκες, τις χημικές συνθέσεις και τις θερμοκρασίες λειτουργίας των παραμορφωμένων υπερκραμάτων με βάση το νικέλιο που χρησιμοποιούνται συνήθως στην Κίνα. Το Σχήμα 6 δείχνει την τάση ανάπτυξης της εφαρμογής υπερκράματος σε πτερύγια και πλάκες τουρμπίνας.
Το υπερκράμα παραμόρφωσης με βάση το κοβάλτιο βασίζεται ουσιαστικά στο τριμερές σύστημα Co-Ni-Cr και περιέχει W,Mo,Nb,Ta και άλλα στοιχεία ενίσχυσης στερεών διαλυμάτων και στοιχεία σχηματισμού καρβιδίου. Σε σύγκριση με τα παραμορφωμένα υπερκράματα με βάση το νικέλιο, ο ρυθμός σκλήρυνσης εργασίας είναι μεγαλύτερος και η ποιότητα της επιφάνειας των εξαρτημάτων μετά τη διαμόρφωση είναι καλύτερη, αλλά στη διαδικασία μορφοποίησης απαιτούνται γενικά περισσότεροι χρόνοι θερμότητας εργασίας ή ενδιάμεσοι χρόνοι ανόπτησης ψυχρής παραμόρφωσης. απαιτείται επίσης η χωρητικότητα του εξοπλισμού μορφοποίησης επεξεργασίας. Τα παραμορφωμένα υπερκράματα με βάση το κοβάλτιο έχουν υψηλή αντοχή και εξαιρετική αντοχή στη θερμική κόπωση, στη θερμική διάβρωση και αντοχή στη φθορά όταν είναι υψηλότερα από 980 μοίρες. Ωστόσο, τα παραμορφωμένα υπερκράματα με βάση το κοβάλτιο έχουν το καρβίδιο ως κύρια φάση ενίσχυσης και δεν διαθέτουν ομοιογενή φάση ενίσχυσης και η ανθεκτική τους αντοχή είναι χαμηλότερη από αυτή των παραμορφωμένων υπερκράματα με βάση το νικέλιο σε χαμηλές και μεσαίες θερμοκρασίες. Ο Πίνακας 9 παραθέτει τις μηχανικές ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας τυπικών παραμορφωμένων υπερκραμάτων με βάση το κοβάλτιο.