Augstas temperatūras sakausējumu sauc arī par karstumizturīgu sakausējumu. Atkarībā no matricas struktūras materiālus var iedalīt trīs kategorijās: dzelzs, niķeļa un hroma bāzes. Atkarībā no ražošanas veida tos var iedalīt deformētos supersakausējumos un lietās supersakausējumos.
Tas ir neaizstājams izejmateriāls kosmosa un aviācijas nozarē. Tas ir galvenais materiāls augstas temperatūras detaļām kosmosa un aviācijas ražošanas dzinējos. To galvenokārt izmanto sadegšanas kameras, turbīnas lāpstiņas, vadotnes lāpstiņas, kompresora un turbīnas diska, turbīnas korpusa un citu detaļu ražošanā. Darba temperatūras diapazons ir no 600 ℃ līdz 1200 ℃. Spriegums un vides apstākļi atšķiras atkarībā no izmantotajām detaļām. Sakausējuma mehāniskajām, fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām ir stingras prasības. Tas ir izšķirošs faktors dzinēja veiktspējai, uzticamībai un kalpošanas laikam. Tāpēc supersakausējums ir viens no galvenajiem pētniecības projektiem kosmosa un valsts aizsardzības jomā attīstītajās valstīs.
Supersakausējumu galvenie pielietojumi ir:
1. Augstas temperatūras sakausējums sadegšanas kamerai
Aviācijas turbīnu dzinēja sadegšanas kamera (saukta arī par liesmas cauruli) ir viena no galvenajām augstas temperatūras sastāvdaļām. Tā kā sadegšanas kamerā notiek degvielas atomizācija, eļļas un gāzes sajaukšana un citi procesi, maksimālā temperatūra sadegšanas kamerā var sasniegt 1500 ℃–2000 ℃, un sienas temperatūra sadegšanas kamerā var sasniegt 1100 ℃. Vienlaikus tā tiek pakļauta arī termiskajam spriegumam un gāzes spriegumam. Lielākā daļa dzinēju ar augstu vilces un svara attiecību izmanto gredzenveida sadegšanas kameras, kurām ir īss garums un augsta siltumietilpība. Maksimālā temperatūra sadegšanas kamerā sasniedz 2000 ℃, un sienas temperatūra pēc atdzesēšanas ar gāzes plēvi vai tvaiku sasniedz 1150 ℃. Lieli temperatūras gradienti starp dažādām detaļām radīs termisko spriegumu, kas strauji palielināsies un samazināsies, mainoties darba stāvoklim. Materiāls tiks pakļauts termiskajam triecienam un termiskajam noguruma slodzei, un radīsies deformācijas, plaisas un citi defekti. Parasti sadegšanas kamera ir izgatavota no lokšņu sakausējuma, un tehniskās prasības ir apkopotas šādi atkarībā no konkrētu detaļu ekspluatācijas apstākļiem: tai ir noteikta oksidēšanās izturība un gāzes korozijas izturība augstas temperatūras sakausējuma un gāzes lietošanas apstākļos; tai ir noteikta momentānā un ilgizturības izturība, termiskā noguruma veiktspēja un zems izplešanās koeficients; tai ir pietiekama plastiskums un metināšanas spēja, lai nodrošinātu apstrādi, formēšanu un savienošanu; tai ir laba organizatoriskā stabilitāte termiskā cikla laikā, lai nodrošinātu uzticamu darbību visā ekspluatācijas laikā.
a. MA956 sakausējuma porains lamināts
Agrīnā stadijā porainais lamināts tika izgatavots no HS-188 sakausējuma loksnes ar difūzijas līmēšanas metodi pēc fotografēšanas, kodināšanas, rievošanas un perforēšanas. Iekšējo slāni var izveidot par ideālu dzesēšanas kanālu atbilstoši konstrukcijas prasībām. Šīs konstrukcijas dzesēšanai nepieciešami tikai 30% no tradicionālās plēves dzesēšanas dzesēšanas gāzes, kas var uzlabot dzinēja termiskā cikla efektivitāti, samazināt sadegšanas kameras materiāla faktisko siltumnesēju, samazināt svaru un palielināt vilces un svara attiecību. Pašlaik joprojām ir jāizlaužas galvenajā tehnoloģijā, pirms to var praktiski izmantot. No MA956 izgatavotais porainais lamināts ir jaunas paaudzes sadegšanas kameras materiāls, ko ieviesa Amerikas Savienotās Valstis, un to var izmantot 1300 ℃ temperatūrā.
b. Keramikas kompozītmateriālu pielietošana sadegšanas kamerā
Kopš 1971. gada Amerikas Savienotās Valstis ir sākušas pārbaudīt keramikas izmantošanas iespējamību gāzturbīnās. 1983. gadā dažas grupas, kas Amerikas Savienotajās Valstīs nodarbojās ar progresīvu materiālu izstrādi, izstrādāja virkni veiktspējas rādītāju gāzturbīnām, ko izmanto modernās lidmašīnās. Šie rādītāji ir: palielināt turbīnas ieplūdes temperatūru līdz 2200 ℃; darboties ķīmiskā aprēķina sadegšanas stāvoklī; samazināt šīm detaļām piemēroto blīvumu no 8 g/cm3 līdz 5 g/cm3; atcelt komponentu atdzišanu. Lai izpildītu šīs prasības, pētītajos materiālos papildus vienfāzes keramikai ir iekļauts grafīts, metāla matrica, keramikas matricas kompozīti un starpmetāliski savienojumi. Keramikas matricas kompozītmateriāliem (CMC) ir šādas priekšrocības:
Keramikas materiāla izplešanās koeficients ir daudz mazāks nekā niķeļa sakausējumam, un pārklājumu ir viegli noņemt. Izgatavojot keramikas kompozītmateriālus ar metāla filca starpslāni, var novērst lobīšanās defektu, kas ir sadegšanas kameras materiālu attīstības virziens. Šo materiālu var izmantot ar 10–20 % dzesēšanas gaisa, un metāla aizmugurējās izolācijas temperatūra ir tikai aptuveni 800 ℃, un siltumvadītspējas temperatūra ir daudz zemāka nekā diverģentās dzesēšanas un plēves dzesēšanas temperatūra. V2500 dzinējā tiek izmantota lieta supersakausējuma B1900+ keramikas pārklājuma aizsargflīze, un attīstības virziens ir aizstāt B1900 (ar keramikas pārklājumu) flīzi ar SiC bāzes kompozītu vai antioksidācijas C/C kompozītu. Keramikas matricas kompozīts ir dzinēja sadegšanas kameras izstrādes materiāls ar vilces un svara attiecību 15–20, un tā darba temperatūra ir 1538 ℃–1650 ℃. To izmanto liesmas caurulēm, peldošajām sienām un pēcdedzinātājiem.
2. Augstas temperatūras sakausējums turbīnai
Aviācijas dzinēja turbīnas lāpstiņa ir viena no sastāvdaļām, kas iztur vislielāko temperatūras slodzi un vissliktāko darba vidi aviācijas dzinējā. Tai jāiztur ļoti lielas un sarežģītas slodzes augstā temperatūrā, tāpēc tās materiāla prasības ir ļoti stingras. Aviācijas dzinēja turbīnu lāpstiņu supersakausējumi tiek iedalīti:
a.Augstas temperatūras sakausējums vadotnei
Deflektors ir viena no turbīnas dzinēja daļām, ko visvairāk ietekmē karstums. Ja sadegšanas kamerā notiek nevienmērīga sadegšana, pirmās pakāpes virzošās lāpstiņas sildīšanas slodze ir liela, kas ir galvenais virzošās lāpstiņas bojājumu iemesls. Tās darba temperatūra ir aptuveni par 100 ℃ augstāka nekā turbīnas lāpstiņai. Atšķirība ir tāda, ka statiskās daļas nav pakļautas mehāniskai slodzei. Parasti straujas temperatūras maiņas dēļ ir viegli rasties termiskajam spriegumam, deformācijai, termiskajam nogurumam un lokālam apdegumam. Virzošās lāpstiņas sakausējumam jābūt ar šādām īpašībām: pietiekama augstās temperatūras izturība, pastāvīga šļūdes veiktspēja un laba termiskā noguruma veiktspēja, augsta oksidācijas izturība un termiskā korozijas veiktspēja, termiskā sprieguma un vibrācijas izturība, lieces deformācijas spēja, laba liešanas procesa formēšanas veiktspēja un metināmība, kā arī pārklājuma aizsardzības veiktspēja.
Pašlaik lielākajā daļā modernāko dzinēju ar augstu vilces un svara attiecību tiek izmantotas dobas liešanas lāpstiņas, un tiek izvēlēti virziena un monokristāla niķeļa bāzes supersakausējumi. Dzinējiem ar augstu vilces un svara attiecību ir augsta temperatūra 1650 ℃–1930 ℃, un tie ir jāaizsargā ar siltumizolācijas pārklājumu. Lāpstiņas sakausējuma darba temperatūra dzesēšanas un pārklājuma aizsardzības apstākļos pārsniedz 1100 ℃, kas nākotnē izvirza jaunas un augstākas prasības virzošās lāpstiņas materiāla temperatūras blīvuma izmaksām.
b. Supersakausējumi turbīnu lāpstiņām
Turbīnu lāpstiņas ir galvenās siltumu nesošās rotējošās daļas aviācijas dzinējos. To darba temperatūra ir par 50 ℃ - 100 ℃ zemāka nekā virzošajiem lāpstiņām. Rotējot tās iztur lielu centrbēdzes spriegumu, vibrācijas spriegumu, termisko spriegumu, gaisa plūsmas berzi un citas ietekmes, un to darba apstākļi ir slikti. Dzinēja karstā gala komponentu ar augstu vilces un svara attiecību kalpošanas laiks pārsniedz 2000 stundas. Tāpēc turbīnu lāpstiņu sakausējumam jābūt ar augstu šļūdes izturību un plīšanas izturību darba temperatūrā, labām visaptverošām īpašībām augstā un vidējā temperatūrā, piemēram, augsta un zema cikla nogurumu, aukstā un karstā nogurumu, pietiekamu plastiskumu un triecienizturību, kā arī iegriezumu jutību; augsta oksidēšanās izturība un izturība pret koroziju; laba siltumvadītspēja un zems lineārās izplešanās koeficients; laba liešanas procesa veiktspēja; ilgtermiņa strukturālā stabilitāte, nav TCP fāzes nogulsnēšanās darba temperatūrā. Pielietotais sakausējums iziet cauri četriem posmiem; Deformēto sakausējumu pielietojumi ietver GH4033, GH4143, GH4118 utt.; Lējumu sakausējumu pielietojums ietver K403, K417, K418, K405, virzīti sacietējušu zeltu DZ4, DZ22, monokristāla sakausējumus DD3, DD8, PW1484 utt. Pašlaik tas ir attīstījies līdz trešās paaudzes monokristāla sakausējumiem. Ķīnas monokristāla sakausējumi DD3 un DD8 tiek izmantoti attiecīgi Ķīnas turbīnās, turbopropelleru dzinējos, helikopteros un kuģu dzinējos.
3. Augstas temperatūras sakausējums turbīnas diskam
Turbīnas disks ir visvairāk noslogotā rotējošā gultņa daļa turbīnas dzinējā. Dzinēja riteņa atloka darba temperatūra ar vilces svara attiecību 8 un 10 sasniedz 650 ℃ un 750 ℃, un riteņa centra temperatūra ir aptuveni 300 ℃, un temperatūras starpība ir liela. Normālas rotācijas laikā tas dzen lāpstiņu griezties lielā ātrumā un iztur maksimālo centrbēdzes spēku, termisko spriegumu un vibrācijas spriegumu. Katra iedarbināšana un apturēšana ir cikls, riteņa centrs. Kakla daļa, rievas apakšdaļa un loka iztur atšķirīgu kompozītmateriālu spriegumu. Sakausējumam jābūt ar visaugstāko tecēšanas robežu, triecienizturību un bez iegriezumu jutības darba temperatūrā; zems lineārās izplešanās koeficients; noteikta oksidēšanās un korozijas izturība; laba griešanas veiktspēja.
4. Aviācijas un kosmosa supersakausējums
Šķidrās degvielas raķešu dzinējā supersakausējums tiek izmantots kā degvielas iesmidzinātāja panelis sadegšanas kamerā vilces kamerā; turbīnas sūkņa elkonis, atloks, grafīta stūres stiprinājums utt. Augstas temperatūras sakausējums šķidrā degvielas raķešu dzinējā tiek izmantots kā degvielas kameras iesmidzinātāja panelis vilces kamerā; turbīnas sūkņa elkonis, atloks, grafīta stūres stiprinājums utt. GH4169 tiek izmantots kā turbīnas rotora, vārpstas, vārpstas uzmavas, stiprinājuma un citu svarīgu gultņu daļu materiāls.
Amerikāņu šķidrā kurināmā raķešu dzinēju turbīnu rotoru materiāli galvenokārt ietver ieplūdes cauruli, turbīnas lāpstiņu un disku. Ķīnā galvenokārt izmanto GH1131 sakausējumu, un turbīnas lāpstiņas darba temperatūra ir atkarīga no tā. Secīgi jāizmanto Inconel x, Alloy 713c, Astroloy un Mar-M246; riteņu disku materiāli ietver Inconel 718, Waspaloy utt. Galvenokārt tiek izmantotas GH4169 un GH4141 integrālās turbīnas, un dzinēja vārpstai tiek izmantots GH2038A.