一.Применение суперсплавов в авиационных двигателях.
Схема работы турбинного двигателя: При запуске двигателя воздух через впускной патрубок поступает в компрессор, подвергается давлению и поступает в камеру сгорания, смешивается с топливом, выбрасываемым из форсунки, образует однородную смесь, быстро воспламеняется и сгорает в Камера сгорания производит высокотемпературный газ, проходящий через направляющую в турбину, и турбина вращается с высокой скоростью (нормальная скорость может достигать 1100 об/мин) под потоком газа высокой температуры и высокого давления. Газ из турбины выбрасывается из хвостового сопла для создания тяги. Из-за вибрации, эрозии воздушного потока, особенно центробежного эффекта, вызванного вращением, высокотемпературные части авиационного двигателя будут подвергаться большей нагрузке, газ содержит много кислорода, водяного пара, а также агрессивные газы, такие как SO2, H2S. , который будет играть роль в окислении и коррозии высокотемпературных деталей. Будь то военный самолет, гражданский самолет, помимо структурных и функциональных характеристик, он также требует безопасности и стабильности, поэтому современные двигатели, помимо высокой тяговооруженности, высокой температуры, высокого коэффициента давления и других характеристик, предъявляются строгие требования к надежности, долговечности, ремонтопригодности.
Суперсплав обладает высокой термической стабильностью и термической прочностью, а также может иметь хорошую коррозионную стойкость и стойкость к окислению при высоких температурах. Это важный ключевой материал для изготовления компонентов горячего конца авиационных турбинных двигателей, который в основном используется при производстве компонентов горячего конца турбины, а именно диска турбины, направляющей лопатки турбины, рабочей лопатки турбины, камеры сгорания и компонентов форсажной камеры. В современных современных авиационных двигателях количество материалов из суперсплавов составляет 40%-60% от общего объема двигателя.
Камера сгорания является областью с самой высокой рабочей температурой компонентов двигателя, и когда температура газа в камере сгорания достигает 1500-2000 градусов C, температура сплава стенок камеры может достигать 800 ~ 900 градусов C, а местное температура может достигать 1100 градусов C. Сплав, используемый в качестве камеры сгорания, подвергается тепловому напряжению и силе воздействия газа, особенно во время взлета, ускорения и парковки, а изменения температуры более резкие. Из-за циклического нагрева и охлаждения в камере сгорания часто появляются деформации, коробления и трещины термической усталости по краям.
В последние годы большинство суперсплавов, используемых в камере сгорания, представляют собой сплавы, упрочненные твердым раствором, которые содержат большое количество W, Mo, Nb и других элементов, упрочненных твердым раствором, обладают высокой термостойкостью, хорошими характеристиками формовки и сварки. Представительскими брендами являются GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 и так далее.
Направляющая лопасть — это компонент, регулирующий направление потока газа из камеры сгорания, также известный как направляющая. Это одна из частей газотурбинного двигателя, которая подвергается сильному тепловому воздействию. Особенно когда камера сгорания неоднородна и ее работа неудовлетворительна, направляющая лопасть подвергается большей тепловой нагрузке, а рабочая температура направляющей лопатки усовершенствованного газотурбинного двигателя может достигать 1100 градусов. Основными дефектами направляющих лопаток в эксплуатации являются деформация, вызванная термическими напряжениями, термоусталостные трещины, вызванные резкими перепадами температур, а также локальные прижоги.
Большинство сплавов, используемых в качестве направляющих лезвий, производятся методом точного литья, и в сплавы можно добавлять больше W, Mo, Nb, Al, Ti и других элементов, упрочняющих твердый раствор и усиливающих старение, а также содержание C и B в сплавов также выше, чем у деформированных жаропрочных сплавов. Некоторые направляющие полотна также сварены непосредственно из стареющих листов. В современных авиационных двигателях в основном используются полые литые лопатки, которые обладают хорошим охлаждающим эффектом и могут повысить рабочую температуру. Температура использования внутреннего сплава направляющего аппарата может достигать 000 ~ 1050 градусов, типичный сплав прецизионного литья K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B и т. д.
С развитием двигателя, чтобы обеспечить дальнейшее повышение температуры диска турбины двигателя, также изменилась структура направляющей лопатки, и пытаются использовать GH5605 и GH5188. В качестве направляющего полотна используется сварная ламинированная конструкция из деформированного листа суперсплава.
Лопатки турбин являются наиболее тяжелыми компонентами авиационных двигателей с высокой рабочей температурой и большими центробежными нагрузками, вибрационными нагрузками, термическими нагрузками и эрозионной силой воздушного потока во время вращения. Растягивающее напряжение тела лопатки составляет около 140 МПа, а среднее напряжение хвостовика лопатки составляет 280-560 МПа. Температура тела лезвия и корневой части составляет около 650-980 градусов и 760 градусов соответственно. Температура газа на входе усовершенствованного авиационного двигателя достигла 1380 градусов, а тяга — 226 кН. Типично для GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 и т. д., можно использовать при степени 750-950. При разработке новых машин и модификации старых машин для изготовления лопаток турбин применяют литейный суперсплав. Типичными марками литейных сплавов являются К403, К417, К417Г, К418, К403, К405, К4002 и так далее.
Диск турбины составляет наибольшую массу среди компонентов авиационного двигателя: общая масса превышает 50 кг, а отдельная масса большого диска турбины достигает сотен килограммов. В студии турбинных дисков общая температура обода может достигать 550-650 градусов C, в то время как температура в центре колеса составляет всего около 300 градусов C, а разница температур всего диска турбины очень велика. Таким образом, создается большое радиальное термическое напряжение. Лопасти турбины при нормальном вращении вращаются с высокой скоростью и несут большую центробежную силу. Нагрузка на шиповую часть зуба более сложная, включая напряжения растяжения и напряжения кручения, которые образуют высокое напряжение и малоцикловую усталость во время запуска и остановки.
Деформированные суперсплавы для дисков турбин, один тип — суперсплавы на основе железа и никеля, типичные марки сплавов — GH2132, GH2135, GH2901, GH4761 и т. д., рабочая температура ниже 650 градусов; Другой вид суперсплава на основе никеля, типичная марка GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 и т. д., температура использования может достигать 700 ^ 800 градусов.
2.Применение суперсплава в ракетном двигателе.
Ракета-носитель — это средство для отправки различных космических кораблей на космическую орбиту. Суперсплавы в космической области в основном используются в тяговых двигателях ракет-носителей. На рисунке 2 представлена принципиальная схема жидкотопливного ракетного двигателя и его конструкция, преобразующая реагенты (горячее топливо) в резервуаре с топливом или транспортном средстве в высокоскоростные струи для создания тяги. Как видно из рисунка (б), скорость воздушного потока в сопле ракетного двигателя достигает 2500 м/с, а температура достигает 1350 градусов.
Суперсплавы для ракетных двигателей в принципе можно использовать со сплавами для авиационных турбинных двигателей, но по сравнению с авиационными двигателями материалы для ракетных двигателей обладают некоторыми новыми характеристиками:
В деформированные суперсплавы на основе никеля обычно добавляют 10%-25% элемента Cr, чтобы обеспечить хорошую стойкость сплава к окислительной коррозии, поэтому сплав на основе никеля на самом деле представляет собой матрицу Ni-Cr. Кроме того, в некоторые сплавы добавляют элементы Co(15%-20%), Mo (около 15%) или W (около 11%) в твердый раствор Ni-Cr с образованием тройной системы деформированного суперсплава с Ni-Cr. -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W в качестве матрицы соответственно. В Таблице 6 показаны марки, химический состав и рабочие температуры деформированных суперсплавов на основе никеля, обычно используемых в Китае. На рис. 6 показана тенденция развития применения суперсплавов на лопатках и пластинах турбин.
Деформационный суперсплав на основе кобальта по существу основан на тройной системе Co-Ni-Cr и содержит W, Mo, Nb, Ta и другие упрочняющие твердый раствор элементы и карбидообразующие элементы. По сравнению с деформированными суперсплавами на основе никеля скорость наклепа выше, а качество поверхности деталей после формовки лучше, но в процессе формования обычно требуется больше времени нагрева при горячей обработке или времени промежуточного отжига при холодной деформации, и также требуется тоннаж обрабатывающего формовочного оборудования. Деформированные суперсплавы на основе кобальта обладают высокой прочностью и превосходной стойкостью к термической усталости, термической коррозии и износостойкости при температуре выше 980 градусов. Однако деформированные суперсплавы на основе кобальта имеют карбид в качестве основной упрочняющей фазы и лишены однородной упрочняющей фазы, а их длительная прочность ниже, чем у деформированных суперсплавов на основе никеля в низких и средних температурных диапазонах. В таблице 9 приведены высокотемпературные механические свойства типичных деформированных суперсплавов на основе кобальта.