A liga de alta temperatura também é chamada de liga de resistência ao calor. De acordo com a estrutura da matriz, os materiais podem ser divididos em três categorias: à base de ferro, à base de níquel e à base de cromo. De acordo com o modo de produção, pode ser dividido em superliga deformada e superliga fundida.
É uma matéria-prima indispensável na área aeroespacial. É o material chave para a parte de alta temperatura dos motores de fabricação aeroespacial e de aviação. É usado principalmente para a fabricação de câmara de combustão, lâmina de turbina, lâmina guia, compressor e disco de turbina, caixa de turbina e outras peças. A faixa de temperatura de serviço é de 600 ℃ - 1200 ℃. O estresse e as condições ambientais variam de acordo com as peças utilizadas. Existem requisitos rigorosos para as propriedades mecânicas, físicas e químicas da liga. É o factor decisivo para o desempenho, fiabilidade e vida útil do motor. Portanto, a superliga é um dos principais projetos de pesquisa nas áreas aeroespacial e de defesa nacional nos países desenvolvidos.
As principais aplicações das superligas são:
1. Liga de alta temperatura para câmara de combustão
A câmara de combustão (também conhecida como tubo de chama) do motor de turbina de aviação é um dos principais componentes de alta temperatura. Como a atomização do combustível, a mistura de óleo e gás e outros processos são realizados na câmara de combustão, a temperatura máxima na câmara de combustão pode atingir 1.500 ℃ - 2.000 ℃, e a temperatura da parede na câmara de combustão pode atingir 1.100 ℃. Ao mesmo tempo, também suporta estresse térmico e estresse gasoso. A maioria dos motores com alta relação empuxo/peso utiliza câmaras de combustão anulares, que possuem comprimento curto e alta capacidade térmica. A temperatura máxima na câmara de combustão atinge 2.000 ℃, e a temperatura da parede atinge 1.150 ℃ após o filme de gás ou resfriamento a vapor. Grandes gradientes de temperatura entre várias partes gerarão estresse térmico, que aumentará e diminuirá drasticamente quando o estado de funcionamento mudar. O material estará sujeito a choque térmico e carga de fadiga térmica, e haverá distorções, rachaduras e outras falhas. Geralmente, a câmara de combustão é feita de chapa de liga, e os requisitos técnicos são resumidos da seguinte forma, de acordo com as condições de serviço de peças específicas: possui certa resistência à oxidação e resistência à corrosão do gás sob as condições de uso de liga e gás de alta temperatura; Possui certa resistência instantânea e de resistência, desempenho de fadiga térmica e baixo coeficiente de expansão; Possui plasticidade e capacidade de soldagem suficientes para garantir processamento, conformação e conexão; Possui boa estabilidade organizacional sob ciclo térmico para garantir uma operação confiável durante a vida útil.
um. Laminado poroso de liga MA956
Na fase inicial, o laminado poroso era feito de folha de liga HS-188 por ligação por difusão após ser fotografado, gravado, ranhurado e perfurado. A camada interna pode ser transformada em um canal de resfriamento ideal de acordo com os requisitos do projeto. Este resfriamento estrutural precisa apenas de 30% do gás de resfriamento do resfriamento de filme tradicional, o que pode melhorar a eficiência do ciclo térmico do motor, reduzir a capacidade real de suporte de calor do material da câmara de combustão, reduzir o peso e aumentar o peso de empuxo razão. Actualmente, ainda é necessário avançar com a tecnologia chave antes que ela possa ser colocada em uso prático. O laminado poroso feito de MA956 é uma nova geração de material de câmara de combustão introduzido pelos Estados Unidos, que pode ser usado a 1300 ℃.
b. Aplicação de compósitos cerâmicos em câmara de combustão
Os Estados Unidos começaram a verificar a viabilidade do uso de cerâmica para turbinas a gás desde 1971. Em 1983, alguns grupos envolvidos no desenvolvimento de materiais avançados nos Estados Unidos formularam uma série de indicadores de desempenho para turbinas a gás utilizadas em aeronaves avançadas. Esses indicadores são: aumentar a temperatura de entrada da turbina para 2.200 ℃; Operar sob o estado de combustão do cálculo químico; Reduzir a densidade aplicada nessas peças de 8g/cm3 para 5g/cm3; Cancele o resfriamento dos componentes. Para atender a esses requisitos, os materiais estudados incluem grafite, matriz metálica, compósitos de matriz cerâmica e compostos intermetálicos, além de cerâmicas monofásicas. Os compósitos de matriz cerâmica (CMC) apresentam as seguintes vantagens:
O coeficiente de expansão do material cerâmico é muito menor que o da liga à base de níquel e o revestimento é fácil de descascar. Fazer compósitos cerâmicos com feltro metálico intermediário pode superar o defeito de descamação, que é a direção de desenvolvimento dos materiais da câmara de combustão. Este material pode ser usado com 10% - 20% de ar de resfriamento, e a temperatura do isolamento traseiro do metal é de apenas cerca de 800 ℃, e a temperatura do suporte térmico é muito mais baixa do que a do resfriamento divergente e do resfriamento do filme. A telha protetora de superliga fundida B1900 + revestimento cerâmico é usada no motor V2500, e a direção de desenvolvimento é substituir a telha B1900 (com revestimento cerâmico) por compósito à base de SiC ou compósito C/C antioxidação. O compósito de matriz cerâmica é o material de desenvolvimento da câmara de combustão do motor com uma relação de peso de empuxo de 15-20 e sua temperatura de serviço é de 1538 ℃ - 1650 ℃. É usado para tubo de chama, parede flutuante e pós-combustor.
2. Liga de alta temperatura para turbina
A pá da turbina do motor aeronáutico é um dos componentes que suportam a carga de temperatura mais severa e o pior ambiente de trabalho no motor aeronáutico. Ele tem que suportar tensões muito grandes e complexas sob altas temperaturas, por isso seus requisitos de material são muito rigorosos. As superligas para pás de turbinas de motores aeronáuticos são divididas em:
a.Liga de alta temperatura para guia
O defletor é uma das partes do motor da turbina que são mais impactadas pelo calor. Quando ocorre combustão desigual na câmara de combustão, a carga de aquecimento da palheta guia do primeiro estágio é grande, o que é a principal razão para o dano da palheta guia. Sua temperatura de serviço é cerca de 100°C mais alta que a da pá da turbina. A diferença é que as partes estáticas não estão sujeitas a cargas mecânicas. Normalmente, é fácil causar estresse térmico, distorção, rachaduras por fadiga térmica e queimaduras locais causadas por rápidas mudanças de temperatura. A liga de palheta guia deve ter as seguintes propriedades: resistência suficiente a altas temperaturas, desempenho de fluência permanente e bom desempenho de fadiga térmica, alta resistência à oxidação e desempenho de corrosão térmica, resistência térmica e resistência à vibração, capacidade de deformação por flexão, bom desempenho de moldagem no processo de fundição e soldabilidade, e desempenho de proteção do revestimento.
Atualmente, os motores mais avançados com alta relação empuxo/peso usam lâminas fundidas ocas e são selecionadas superligas direcionais e monocristalinas à base de níquel. O motor com alta relação peso-empuxo tem alta temperatura de 1650 ℃ - 1930 ℃ e precisa ser protegido por revestimento de isolamento térmico. A temperatura de serviço da liga da lâmina sob condições de resfriamento e proteção de revestimento é superior a 1100 ℃, o que apresenta requisitos novos e mais elevados para o custo de densidade de temperatura do material da lâmina guia no futuro.
b. Superligas para pás de turbina
As pás das turbinas são as principais peças rotativas que suportam calor dos motores aeronáuticos. Sua temperatura operacional é 50 ℃ - 100 ℃ inferior à das lâminas guia. Eles suportam grande tensão centrífuga, tensão vibratória, tensão térmica, desgaste do fluxo de ar e outros efeitos durante a rotação, e as condições de trabalho são ruins. A vida útil dos componentes quentes do motor com alta relação empuxo/peso é superior a 2.000 horas. Portanto, a liga da pá da turbina deve ter alta resistência à fluência e resistência à ruptura na temperatura de serviço, boas propriedades abrangentes de alta e média temperatura, como fadiga de ciclo alto e baixo, fadiga a frio e a quente, plasticidade e resistência ao impacto suficientes e sensibilidade ao entalhe; Alta resistência à oxidação e resistência à corrosão; Boa condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão linear; Bom desempenho no processo de fundição; Estabilidade estrutural a longo prazo, sem precipitação da fase TCP à temperatura de serviço. A liga aplicada passa por quatro etapas; As aplicações de ligas deformadas incluem GH4033, GH4143, GH4118, etc; A aplicação de liga de fundição inclui K403, K417, K418, K405, ouro solidificado direcionalmente DZ4, DZ22, liga de cristal único DD3, DD8, PW1484, etc. Atualmente, desenvolveu-se para a terceira geração de ligas de cristal único. As ligas de cristal único DD3 e DD8 da China são usadas respectivamente em turbinas, motores turbofan, helicópteros e motores de navios da China.
3. Liga de alta temperatura para disco de turbina
O disco da turbina é a parte rotativa mais tensionada do motor da turbina. A temperatura de trabalho do flange da roda do motor com relação de peso de empuxo de 8 e 10 atinge 650 ℃ e 750 ℃, e a temperatura do centro da roda é de cerca de 300 ℃, com uma grande diferença de temperatura. Durante a rotação normal, ele faz a lâmina girar em alta velocidade e suporta a força centrífuga máxima, estresse térmico e estresse vibratório. Cada partida e parada é um ciclo, centro da roda. A garganta, o fundo da ranhura e o aro suportam diferentes tensões compostas. A liga deve ter o maior limite de escoamento, resistência ao impacto e nenhuma sensibilidade ao entalhe na temperatura de serviço; Baixo coeficiente de expansão linear; Certa resistência à oxidação e corrosão; Bom desempenho de corte.
4. Superliga aeroespacial
A superliga no motor de foguete líquido é usada como painel injetor de combustível da câmara de combustão na câmara de empuxo; Cotovelo da bomba de turbina, flange, fixador de leme de grafite, etc. Liga de alta temperatura em motor de foguete líquido é usada como painel injetor de câmara de combustível na câmara de empuxo; Cotovelo da bomba de turbina, flange, fixador de leme de grafite, etc. GH4169 é usado como material de rotor de turbina, eixo, luva de eixo, fixador e outras peças importantes de rolamento.
Os materiais do rotor da turbina do motor de foguete líquido americano incluem principalmente tubo de admissão, lâmina da turbina e disco. A liga GH1131 é usada principalmente na China e a lâmina da turbina depende da temperatura de trabalho. Inconel x, Alloy713c, Astroloy e Mar-M246 devem ser usados sucessivamente; Os materiais do disco da roda incluem Inconel 718, Waspaloy, etc. As turbinas integrais GH4169 e GH4141 são usadas principalmente, e GH2038A é usada para o eixo do motor.