一.Ứng dụng siêu hợp kim trong động cơ máy bay
Quy trình làm việc của động cơ tua-bin: Khi động cơ khởi động, không khí đi vào máy nén bằng cửa vào, được điều áp và đi vào buồng đốt, trộn với nhiên liệu do vòi phun nhiên liệu thải ra, tạo thành hỗn hợp đồng nhất và nhanh chóng bốc cháy và đốt cháy trong Buồng đốt, tạo ra khí nhiệt độ cao chảy qua bộ dẫn hướng vào tuabin và tuabin quay với tốc độ cao (tốc độ bình thường có thể đạt 1100r / phút) dưới dòng khí nhiệt độ cao và áp suất cao. Khí từ tuabin được đẩy ra khỏi vòi ở đuôi để tạo lực đẩy. Do rung động, xói mòn luồng không khí, đặc biệt là hiệu ứng ly tâm do quay, các bộ phận có nhiệt độ cao của động cơ máy bay sẽ chịu ứng suất lớn hơn, khí chứa nhiều oxy, hơi nước và có các loại khí ăn mòn như SO2,H2S. , sẽ đóng vai trò trong quá trình oxy hóa và ăn mòn các bộ phận ở nhiệt độ cao. Cho dù đó là máy bay quân sự, máy bay dân dụng, ngoài hiệu suất về cấu trúc và chức năng, còn đòi hỏi sự an toàn và ổn định, vì vậy, động cơ hiện đại ngoài tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cao, nhiệt độ cao, tỷ lệ áp suất cao và các tính năng khác còn có là những yêu cầu nghiêm ngặt về độ tin cậy, độ bền, khả năng bảo trì.
Superalloy có độ ổn định nhiệt và độ bền nhiệt cao, có thể có khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa tốt ở nhiệt độ cao. Nó là vật liệu chính thiết yếu để sản xuất các bộ phận đầu nóng của động cơ tuabin hàng không, chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các bộ phận đầu nóng của tuabin, cụ thể là đĩa tuabin, lưỡi dẫn hướng tuabin, lưỡi làm việc của tuabin, buồng đốt và các bộ phận đốt sau. Trong động cơ máy bay tiên tiến hiện đại, lượng vật liệu siêu hợp kim chiếm 40%-60% tổng số động cơ.
Buồng đốt là khu vực có nhiệt độ làm việc cao nhất của các bộ phận động cơ, khi nhiệt độ khí trong buồng đốt đạt đến 1500-2000 độ C thì nhiệt độ của hợp kim thành buồng đốt có thể đạt tới 800 ~ 900 độ C, nhiệt độ cục bộ nhiệt độ có thể đạt tới 1100 độ C. Hợp kim dùng làm buồng đốt chịu ứng suất nhiệt và lực tác động của khí, đặc biệt là khi cất cánh, tăng tốc và đỗ xe, nhiệt độ thay đổi mạnh mẽ hơn. Do quá trình gia nhiệt và làm mát theo chu kỳ nên buồng cháy thường xuất hiện các vết biến dạng, cong vênh và nứt mỏi do nhiệt ở mép.
Trong những năm gần đây, hầu hết các siêu hợp kim được sử dụng trong buồng đốt là hợp kim được tăng cường dung dịch rắn, chứa một lượng lớn W, Mo, Nb và các nguyên tố được tăng cường dung dịch rắn khác, độ bền nhiệt độ cao, hiệu suất tạo hình và hàn tốt. Các thương hiệu đại diện là GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170, v.v.
Cánh dẫn hướng là bộ phận điều chỉnh hướng dòng khí từ buồng đốt hay còn gọi là dẫn hướng. Nó là một trong những bộ phận trên động cơ tua-bin chịu tác động nhiệt lớn. Đặc biệt khi buồng đốt không đồng đều và hoạt động không tốt, cánh dẫn hướng phải chịu tải nhiệt lớn hơn, nhiệt độ hoạt động của cánh dẫn hướng của động cơ tua-bin tiên tiến có thể lên tới 1100 độ. Biến dạng do ứng suất nhiệt, nứt do mỏi nhiệt do thay đổi nhiệt độ mạnh và bỏng cục bộ là những khuyết điểm chính của lưỡi dẫn hướng khi vận hành.
Hầu hết các hợp kim được sử dụng làm lưỡi dẫn hướng đều được sản xuất bằng quy trình đúc chính xác và có thể thêm nhiều W, Mo, Nb, Al, Ti và các thành phần tăng cường dung dịch rắn và tăng cường lão hóa khác vào hợp kim, đồng thời hàm lượng C và B trong hợp kim cũng cao hơn so với hợp kim nhiệt độ cao bị biến dạng. Một số lưỡi dẫn hướng cũng được hàn trực tiếp từ các tấm được gia cố theo tuổi. Động cơ hàng không tiên tiến chủ yếu sử dụng cánh đúc rỗng, có tác dụng làm mát tốt và có thể tăng nhiệt độ sử dụng. Việc sử dụng nhiệt độ hợp kim cánh dẫn hướng trong nước có thể đạt tới 000 ~ 1050 độ, hợp kim đúc chính xác đại diện K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, v.v.
Với sự phát triển của động cơ, để đáp ứng sự gia tăng hơn nữa của nhiệt độ đĩa tuabin động cơ, cấu trúc của lưỡi dẫn hướng cũng đã thay đổi, và GH5605 và GH5188 đã được thử áp dụng. Cấu trúc nhiều lớp hàn của tấm siêu hợp kim bị biến dạng được sử dụng làm lưỡi dẫn hướng.
Cánh tuabin là bộ phận nghiêm trọng nhất trong động cơ máy bay có nhiệt độ làm việc cao và ứng suất ly tâm lớn, ứng suất rung, ứng suất nhiệt và lực xói mòn của luồng không khí trong quá trình quay. Ứng suất kéo của thân cánh là khoảng 140MPa và ứng suất trung bình ở gốc cánh là 280-560MPa. Nhiệt độ của thân lưỡi và phần rễ lần lượt là khoảng 650-980 độ và 760 độ. Nhiệt độ khí vào của động cơ hàng không tiên tiến đã đạt tới 1380 độ và lực đẩy đạt tới 226kN. Điển hình là GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220, v.v., có thể được sử dụng ở mức độ 750-950. Trong quá trình phát triển máy mới và sửa đổi máy cũ, siêu hợp kim đúc được sử dụng để chế tạo các cánh tuabin. Các loại hợp kim đúc điển hình là K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002, v.v.
Đĩa tuabin chiếm khối lượng lớn nhất trong các bộ phận của động cơ máy bay, có khối lượng riêng lớn hơn 50kg, riêng khối lượng của đĩa tuabin lớn lên tới hàng trăm kg. Trong xưởng đĩa tuabin, nhiệt độ chung của vành có thể đạt tới 550-650 độ C, trong khi nhiệt độ tâm bánh xe chỉ khoảng 300 độ C và chênh lệch nhiệt độ của toàn bộ đĩa tuabin là rất lớn. Do đó, một ứng suất nhiệt hướng tâm lớn được tạo ra. Các cánh tuabin quay với tốc độ cao trong quá trình quay bình thường và chịu lực ly tâm lớn. Ứng suất trên phần răng mộng phức tạp hơn, bao gồm ứng suất kéo và ứng suất xoắn, tạo thành ứng suất cao và độ mỏi chu kỳ thấp trong quá trình khởi động và dừng.
Siêu hợp kim bị biến dạng cho đĩa tuabin, một loại là siêu hợp kim gốc sắt-niken, các loại hợp kim điển hình là GH2132, GH2135,GH2901,GH4761, v.v., nhiệt độ hoạt động dưới 650 độ; Một loại siêu hợp kim gốc niken khác, điển hình là GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698, v.v., nhiệt độ sử dụng có thể đạt tới 700 ^ 800 độ.
2.Ứng dụng siêu hợp kim trong động cơ tên lửa
Tên lửa đẩy là phương tiện đưa nhiều loại tàu vũ trụ vào quỹ đạo không gian, siêu hợp kim trong lĩnh vực không gian chủ yếu được sử dụng trong động cơ tên lửa mang lực đẩy. Hình 2 là sơ đồ nguyên lý của động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng và cấu trúc của nó, biến đổi chất phản ứng (chất đẩy) trong bình chứa nhiên liệu đẩy hoặc phương tiện thành tia phản lực tốc độ cao để tạo ra lực đẩy. Như có thể thấy trong Hình (b), luồng không khí ở vòi phun của động cơ tên lửa đạt tới 2500m/s và nhiệt độ cao tới 1350 độ.
Siêu hợp kim động cơ tên lửa về nguyên tắc có thể được sử dụng với hợp kim động cơ tua-bin hàng không, nhưng so với động cơ hàng không, vật liệu động cơ tên lửa có một số đặc điểm mới:
Các siêu hợp kim biến dạng gốc niken thường thêm 10%-25% nguyên tố Cr để đảm bảo hợp kim có khả năng chống ăn mòn oxy hóa tốt, do đó hợp kim gốc niken thực chất là Ni-Cr làm nền. Ngoài ra, một số hợp kim còn thêm các nguyên tố Co(15%-20%),Mo (khoảng 15%) hoặc W (khoảng 11%) vào dung dịch rắn Ni-Cr để tạo thành hệ ba siêu hợp kim biến dạng với Ni-Cr. -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W lần lượt là ma trận. Bảng 6 cho thấy nhãn hiệu, thành phần hóa học và nhiệt độ vận hành của các siêu hợp kim biến dạng gốc niken thường được sử dụng ở Trung Quốc. Hình 6 cho thấy xu hướng phát triển của ứng dụng siêu hợp kim trên các cánh tuabin và đĩa cứng.
Siêu hợp kim biến dạng dựa trên coban về cơ bản dựa trên hệ thống bậc ba Co-Ni-Cr và chứa W, Mo, Nb, Ta và các nguyên tố tăng cường dung dịch rắn khác và các nguyên tố tạo thành cacbua. So với các siêu hợp kim biến dạng gốc niken, tốc độ đông cứng gia công lớn hơn và chất lượng bề mặt của các bộ phận sau khi tạo hình tốt hơn, nhưng trong quá trình tạo hình, thường cần nhiều thời gian gia nhiệt nóng hơn hoặc thời gian ủ trung gian biến dạng lạnh hơn, và trọng tải của thiết bị tạo hình chế biến cũng được yêu cầu. Các siêu hợp kim biến dạng dựa trên coban có độ bền cao và khả năng chống mỏi nhiệt tuyệt vời, chống ăn mòn nhiệt và mài mòn khi chúng cao hơn 980 độ. Tuy nhiên, siêu hợp kim biến dạng gốc coban có pha tăng cường chính là cacbua và thiếu pha tăng cường đồng nhất, độ bền bền của chúng thấp hơn so với siêu hợp kim biến dạng gốc niken ở nhiệt độ thấp và trung bình. Bảng 9 liệt kê các tính chất cơ học ở nhiệt độ cao của các siêu hợp kim biến dạng dựa trên coban điển hình.