Aloi ya joto la juu pia huitwa aloi ya nguvu ya joto. Kulingana na muundo wa matrix, vifaa vinaweza kugawanywa katika kategoria tatu: msingi wa nikeli inayotokana na chuma na msingi wa kromiamu. Kulingana na hali ya uzalishaji, inaweza kugawanywa katika superalloy iliyoharibika na superalloy iliyotupwa.
Ni malighafi muhimu katika uwanja wa anga. Ni nyenzo muhimu kwa sehemu ya joto la juu ya injini za utengenezaji wa anga na anga. Inatumika sana kwa ajili ya kutengeneza chumba cha mwako, blade ya turbine, blade ya mwongozo, compressor na diski ya turbine, kesi ya turbine na sehemu zingine. Kiwango cha halijoto ya huduma ni 600 ℃ - 1200 ℃. Hali ya mkazo na mazingira hutofautiana kulingana na sehemu zinazotumika. Kuna mahitaji makali ya sifa za mitambo, kimwili na kemikali za aloi. Ni jambo muhimu kwa utendaji, uaminifu na maisha ya injini. Kwa hivyo, superalloy ni mojawapo ya miradi muhimu ya utafiti katika nyanja za anga na ulinzi wa taifa katika nchi zilizoendelea.
Matumizi makuu ya superalloys ni:
1. Aloi ya joto la juu kwa chumba cha mwako
Chumba cha mwako (pia kinachojulikana kama bomba la moto) cha injini ya turbine ya anga ni mojawapo ya vipengele muhimu vya halijoto ya juu. Kwa kuwa atomi ya mafuta, mchanganyiko wa mafuta na gesi na michakato mingine hufanywa katika chumba cha mwako, halijoto ya juu zaidi katika chumba cha mwako inaweza kufikia 1500 ℃ - 2000 ℃, na halijoto ya ukuta katika chumba cha mwako inaweza kufikia 1100 ℃. Wakati huo huo, pia hubeba mkazo wa joto na mkazo wa gesi. Injini nyingi zenye uwiano wa juu wa msukumo/uzito hutumia vyumba vya mwako vya annular, ambavyo vina urefu mfupi na uwezo wa juu wa joto. Halijoto ya juu zaidi katika chumba cha mwako hufikia 2000 ℃, na halijoto ya ukuta hufikia 1150 ℃ baada ya filamu ya gesi au kupoa kwa mvuke. Miteremko mikubwa ya joto kati ya sehemu mbalimbali itazalisha mkazo wa joto, ambao utaongezeka na kushuka kwa kasi wakati hali ya kufanya kazi inabadilika. Nyenzo itakabiliwa na mshtuko wa joto na mzigo wa uchovu wa joto, na kutakuwa na upotoshaji, nyufa na hitilafu zingine. Kwa ujumla, chumba cha mwako kimetengenezwa kwa aloi ya karatasi, na mahitaji ya kiufundi yamefupishwa kama ifuatavyo kulingana na hali ya huduma ya sehemu maalum: ina upinzani fulani wa oksidi na upinzani wa kutu wa gesi chini ya hali ya kutumia aloi na gesi ya halijoto ya juu; Ina nguvu fulani ya papo hapo na uvumilivu, utendaji wa uchovu wa joto na mgawo mdogo wa upanuzi; Ina unyumbufu wa kutosha na uwezo wa kulehemu ili kuhakikisha usindikaji, uundaji na muunganisho; Ina utulivu mzuri wa shirika chini ya mzunguko wa joto ili kuhakikisha uendeshaji wa kuaminika ndani ya maisha ya huduma.
a. Laminati yenye vinyweleo vya aloi ya MA956
Katika hatua ya mwanzo, laminate yenye vinyweleo ilitengenezwa kwa karatasi ya aloi ya HS-188 kwa kuunganisha usambaaji baada ya kupigwa picha, kuchongwa, kuchomwa na kutobolewa. Safu ya ndani inaweza kutengenezwa kuwa njia bora ya kupoeza kulingana na mahitaji ya muundo. Upoezaji huu wa muundo unahitaji 30% tu ya gesi ya kupoeza ya upoezaji wa filamu ya kitamaduni, ambayo inaweza kuboresha ufanisi wa mzunguko wa joto wa injini, kupunguza uwezo halisi wa kubeba joto wa nyenzo za chumba cha mwako, kupunguza uzito, na kuongeza uwiano wa kusukuma-uzito. Kwa sasa, bado ni muhimu kupitia teknolojia muhimu kabla ya kutumika kwa vitendo. Laminate yenye vinyweleo iliyotengenezwa kwa MA956 ni kizazi kipya cha nyenzo za chumba cha mwako zilizoletwa na Marekani, ambazo zinaweza kutumika kwa 1300 ℃.
b. Matumizi ya mchanganyiko wa kauri katika chumba cha mwako
Marekani imeanza kuthibitisha uwezekano wa kutumia kauri kwa ajili ya mitambo ya gesi tangu 1971. Mnamo 1983, baadhi ya vikundi vinavyohusika katika uundaji wa vifaa vya hali ya juu nchini Marekani vimeunda mfululizo wa viashiria vya utendaji kwa mitambo ya gesi inayotumika katika ndege za hali ya juu. Viashiria hivi ni: kuongeza halijoto ya kuingiza turbine hadi 2200 ℃; Kufanya kazi chini ya hali ya mwako ya hesabu ya kemikali; Kupunguza msongamano unaotumika kwa sehemu hizi kutoka 8g/cm3 hadi 5g/cm3; Kughairi upoezaji wa vipengele. Ili kukidhi mahitaji haya, vifaa vilivyosomwa ni pamoja na grafiti, matrix ya chuma, michanganyiko ya matrix ya kauri na misombo ya kati ya metali pamoja na kauri za awamu moja. Michanganyiko ya matrix ya kauri (CMC) ina faida zifuatazo:
Mgawo wa upanuzi wa nyenzo za kauri ni mdogo sana kuliko ule wa aloi inayotokana na nikeli, na mipako ni rahisi kung'oa. Kutengeneza mchanganyiko wa kauri kwa kutumia feri ya kati ya chuma kunaweza kushinda kasoro ya kung'oka, ambayo ni mwelekeo wa maendeleo ya vifaa vya chumba cha mwako. Nyenzo hii inaweza kutumika na hewa ya kupoeza ya 10% - 20%, na halijoto ya insulation ya nyuma ya chuma ni takriban 800 ℃ tu, na halijoto ya kuzaa joto ni ya chini sana kuliko ile ya kupoeza tofauti na kupoeza kwa filamu. Tile ya kinga ya mipako ya kauri ya superalloy B1900+kauri hutumika katika injini ya V2500, na mwelekeo wa maendeleo ni kuchukua nafasi ya tile ya B1900 (na mipako ya kauri) na mchanganyiko unaotokana na SiC au mchanganyiko wa anti-oxidation C/C. Mchanganyiko wa matrix ya kauri ni nyenzo ya maendeleo ya chumba cha mwako cha injini yenye uwiano wa uzito wa msukumo wa 15-20, na halijoto yake ya huduma ni 1538 ℃ - 1650 ℃. Inatumika kwa bomba la moto, ukuta unaoelea na kichomaji cha baada ya kuungua.
2. Aloi ya joto la juu kwa turbine
Blade ya turbine ya injini ya aero ni mojawapo ya vipengele vinavyobeba mzigo mkubwa zaidi wa halijoto na mazingira mabaya zaidi ya kufanya kazi katika injini ya aero. Lazima istahimili mkazo mkubwa na mgumu chini ya halijoto ya juu, kwa hivyo mahitaji yake ya nyenzo ni makali sana. Aloi bora za vile vya turbine ya injini ya aero zimegawanywa katika:
a. Aloi ya joto la juu kwa mwongozo
Kigeuzaji ni mojawapo ya sehemu za injini ya turbine ambazo huathiriwa zaidi na joto. Wakati mwako usio sawa unapotokea kwenye chumba cha mwako, mzigo wa joto wa vane ya mwongozo ya hatua ya kwanza ni mkubwa, ambayo ndiyo sababu kuu ya uharibifu wa vane ya mwongozo. Halijoto yake ya huduma ni ya juu zaidi ya 100 ℃ kuliko ile ya blade ya turbine. Tofauti ni kwamba sehemu tuli hazipatikani na mzigo wa mitambo. Kawaida, ni rahisi kusababisha msongo wa joto, upotoshaji, ufa wa uchovu wa joto na kuungua kwa ndani kunakosababishwa na mabadiliko ya haraka ya halijoto. Aloi ya vane ya mwongozo itakuwa na sifa zifuatazo: nguvu ya kutosha ya halijoto ya juu, utendaji wa kudumu wa kutambaa na utendaji mzuri wa uchovu wa joto, upinzani mkubwa wa oksidi na utendaji wa kutu wa joto, upinzani wa msongo wa joto na mtetemo, uwezo wa kuinama wa uundaji, utendaji mzuri wa ukingo wa mchakato wa kutupwa na weldability, na utendaji wa ulinzi wa mipako.
Kwa sasa, injini nyingi za hali ya juu zenye uwiano wa juu wa msukumo/uzito hutumia vile vya kutupwa visivyo na mashimo, na aloi za nikeli zenye mwelekeo na fuwele moja huchaguliwa. Injini yenye uwiano wa juu wa msukumo-uzito ina halijoto ya juu ya 1650 ℃ - 1930 ℃ na inahitaji kulindwa na mipako ya insulation ya joto. Halijoto ya huduma ya aloi ya blade chini ya hali ya ulinzi wa kupoeza na mipako ni zaidi ya 1100 ℃, ambayo inaweka mbele mahitaji mapya na ya juu zaidi kwa gharama ya msongamano wa joto wa nyenzo za blade ya mwongozo katika siku zijazo.
b. Aloi za Superalloy kwa vile vya turbine
Vile vya turbine ni sehemu muhimu zinazozunguka zenye kubeba joto za injini za aero. Halijoto yao ya uendeshaji ni 50 ℃ - 100 ℃ chini kuliko vile vya mwongozo. Vina mkazo mkubwa wa centrifugal, mkazo wa mtetemo, mkazo wa joto, kusugua mtiririko wa hewa na athari zingine wakati wa kuzungusha, na hali ya kazi ni duni. Maisha ya huduma ya vipengele vya mwisho wa moto vya injini yenye uwiano wa juu wa msukumo/uzito ni zaidi ya saa 2000. Kwa hivyo, aloi ya blade ya turbine itakuwa na upinzani mkubwa wa kutambaa na nguvu ya kupasuka katika halijoto ya huduma, sifa nzuri za kina za halijoto ya juu na ya kati, kama vile uchovu wa mzunguko wa juu na wa chini, uchovu wa baridi na moto, unyumbufu wa kutosha na uthabiti wa athari, na unyeti wa notch; Upinzani mkubwa wa oksidi na upinzani wa kutu; Upitishaji mzuri wa joto na mgawo mdogo wa upanuzi wa mstari; Utendaji mzuri wa mchakato wa kutupwa; Utulivu wa kimuundo wa muda mrefu, hakuna mvua ya awamu ya TCP katika halijoto ya huduma. Aloi inayotumika hupitia hatua nne; Matumizi ya aloi yaliyoharibika ni pamoja na GH4033, GH4143, GH4118, nk; Matumizi ya aloi ya kutupwa ni pamoja na K403, K417, K418, K405, dhahabu iliyoganda iliyoelekezwa upande DZ4, DZ22, aloi ya fuwele moja DD3, DD8, PW1484, n.k. Kwa sasa, imeendelea hadi kizazi cha tatu cha aloi za fuwele moja. Aloi ya fuwele moja ya China DD3 na DD8 hutumika katika turbine za China, injini za turbofan, helikopta na injini za meli.
3. Aloi ya joto la juu kwa diski ya turbine
Diski ya turbine ndiyo sehemu ya kubeba inayozunguka yenye mkazo zaidi ya injini ya turbine. Halijoto ya kufanya kazi ya flange ya gurudumu la injini yenye uwiano wa uzito wa msukumo wa 8 na 10 hufikia 650 ℃ na 750 ℃, na halijoto ya katikati ya gurudumu ni takriban 300 ℃, ikiwa na tofauti kubwa ya halijoto. Wakati wa mzunguko wa kawaida, huendesha blade kuzunguka kwa kasi ya juu na hubeba nguvu ya juu zaidi ya centrifugal, mkazo wa joto na mkazo wa mtetemo. Kila mwanzo na kusimama ni mzunguko, kituo cha gurudumu. Koo, sehemu ya chini ya mfereji na ukingo vyote hubeba mkazo tofauti wa mchanganyiko. Aloi inahitajika ili kuwa na nguvu ya juu zaidi ya mavuno, uthabiti wa athari na kutokuwa na unyeti wa notch katika halijoto ya huduma; Mgawo wa upanuzi wa mstari mdogo; Upinzani fulani wa oksidi na kutu; Utendaji mzuri wa kukata.
4. Aloi ya angani
Aloi ya juu katika injini ya roketi ya kioevu hutumika kama paneli ya kuingiza mafuta ya chumba cha mwako katika chumba cha kutia msukumo; Kiwiko cha pampu ya turbine, flange, kitasa cha usukani wa grafiti, n.k. Aloi ya joto la juu katika injini ya roketi ya kioevu hutumika kama paneli ya kuingiza mafuta katika chumba cha kutia msukumo; Kiwiko cha pampu ya turbine, flange, kitasa cha usukani wa grafiti, n.k. GH4169 hutumika kama nyenzo ya rotor ya turbine, shimoni, sleeve ya shimoni, kitasa na sehemu zingine muhimu za kubeba.
Nyenzo za rotor ya turbine za injini ya roketi ya kioevu ya Amerika zinajumuisha hasa bomba la kuingiza, blade ya turbine na diski. Aloi ya GH1131 hutumika zaidi nchini China, na blade ya turbine inategemea halijoto ya kufanya kazi. Inconel x, Alloy713c, Astroloy na Mar-M246 zinapaswa kutumika mfululizo; Nyenzo za diski ya gurudumu ni pamoja na Inconel 718, Waspaloy, n.k. Turbine jumuishi za GH4169 na GH4141 hutumika zaidi, na GH2038A hutumika kwa shimoni ya injini.