کاربرد آلیاژ با دمای بالا در صنعت هوافضا

کاربرد آلیاژ با دمای بالا در صنایع هوافضا

سوپرآلیاژها را می توان با توجه به ساختار ماتریکسی خود به سه گروه تقسیم کرد: پایه نیکل مبتنی بر آهن و بر پایه کروم.

با توجه به نحوه تولید، می توان آن را به سوپرآلیاژ تغییر شکل و سوپرآلیاژ ریخته گری تقسیم کرد. این یک ماده خام ضروری در زمینه هوافضا است. این یک ماده کلیدی برای قطعات با دمای بالا موتورهای هوافضا و هوانوردی است. عمدتا برای ساخت محفظه احتراق، تیغه های توربین، تیغه های راهنما، کمپرسور و دیسک توربین، پوشش توربین و سایر قطعات استفاده می شود. دمای کار از 600 درجه سانتیگراد تا 1200 درجه سانتیگراد متغیر است. شرایط مکانیکی و محیطی با استفاده از قطعات متفاوت است. خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی آلیاژ به شدت مورد نیاز است، که عملکرد موتور، عامل تعیین کننده قابلیت اطمینان و عمر است. بنابراین سوپرآلیاژ یکی از پروژه های تحقیقاتی کلیدی در زمینه هوافضا و دفاع ملی در کشورهای توسعه یافته است.

کاربردهای آلیاژی با دمای بالا

1. آلیاژهای با دمای بالا برای محفظه های احتراق

محفظه احتراق یک توربین موتور هوا (که به عنوان لوله شعله نیز شناخته می شود) یکی از اجزای کلیدی در دمای بالا است. با توجه به فرآیندهایی مانند اتمیزه کردن سوخت و اختلاط نفت و گاز که در محفظه احتراق رخ می دهد، دما می تواند به 1500 درجه تا 2000 درجه برسد و دمای دیواره به 1100 درجه برسد. علاوه بر این، محفظه باید تنش های حرارتی و گازی را تحمل کند. موتورهای با نسبت رانش به وزن بالا اغلب از محفظه‌های احتراق حلقوی استفاده می‌کنند که کوتاه‌تر هستند و شدت حرارتی بالاتری دارند. در این محفظه ها، دما می تواند به 2000 درجه برسد، با دمای دیواره 1150 درجه پس از خنک شدن فیلم یا خنک شدن تبخیر بخار. شیب قابل توجه دما بین نواحی مختلف تنش های حرارتی ایجاد می کند که منجر به اعوجاج، ترک و سایر خرابی ها به دلیل شوک حرارتی و بارهای خستگی حرارتی می شود. به طور معمول، محفظه های احتراق از آلیاژهای صفحه ساخته می شوند و الزامات فنی برای اجزای خاص عبارتند از: مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی گاز در شرایط دمای بالا. استحکام گذرا و طولانی مدت کافی، عملکرد خستگی حرارتی و ضرایب انبساط کم. انعطاف پذیری و جوش پذیری کافی برای اطمینان از قابلیت پردازش و اتصالات؛ و پایداری ریزساختاری خوب تحت چرخه حرارتی برای تضمین عملکرد قابل اعتماد در طول عمر آنها.

1) صفحات لایه متخلخل آلیاژی MA956

صفحات لایه متخلخل اولیه از ورقه‌های آلیاژ نازک HS-188 ساخته شده‌اند که از طریق عکاسی، حکاکی خوردگی و سوراخ‌سازی پردازش شده و به دنبال آن پیوند انتشاری انجام می‌شود. لایه های داخلی را می توان برای ایجاد کانال های خنک کننده ایده آل طراحی کرد. این ساختار امکان کاهش نیاز به گاز خنک‌کننده را تا 30 درصد از میزان مورد نیاز برای خنک‌سازی فیلم سنتی، افزایش راندمان چرخه حرارتی موتور و کاهش بار حرارتی واقعی بر روی مواد محفظه احتراق، در نتیجه کاهش وزن و افزایش نسبت رانش به وزن را فراهم می‌کند. در حال حاضر، پیشرفت های تکنولوژیکی برای استفاده عملی هنوز مورد نیاز است. صفحه لایه متخلخل MA956، نسل جدیدی از مواد محفظه احتراق از ایالات متحده است که در دمای 1300 درجه قابل استفاده است.

2) کامپوزیت های ماتریس سرامیکی در محفظه های احتراق

ایالات متحده آزمایش امکان‌سنجی سرامیک برای توربین‌های گازی را در سال 1971 آغاز کرد. در سال 1983، گروه‌های مختلفی که در توسعه مواد پیشرفته شرکت داشتند، معیارهای عملکردی را برای توربین‌های گازی مورد استفاده در هواپیماهای پیشرفته، از جمله افزایش دمای ورودی توربین به 2200 درجه، که تحت احتراق محاسبه‌شده شیمیایی کار می‌کردند، تعیین کردند. شرایط، کاهش چگالی اجزا از 8 گرم بر سانتی‌متر مکعب به 5 گرم بر سانتی‌متر مکعب و حذف سرمایش برای این اجزا. مواد مورد مطالعه نه تنها شامل سرامیک های تک فاز بلکه گرافیت، زمینه فلزی و کامپوزیت های زمینه سرامیکی و همچنین ترکیبات بین فلزی بودند. کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMCs) چندین مزیت دارند: ضرایب انبساط حرارتی آنها بسیار کمتر از آلیاژهای مبتنی بر نیکل است و پوشش ها به راحتی پوسته می شوند. ایجاد CMC با تشک های فلزی متوسط ​​می تواند بر مشکلات پوسته شدن غلبه کند و نشان دهنده جهتی برای توسعه مواد محفظه احتراق است. چنین موادی می‌توانند تنها با 10 تا 20 درصد هوای خنک‌کننده کار کنند و در نتیجه دمای پشتی فلزی حدود 800 درجه است که به طور قابل‌توجهی کمتر از دمای خنک‌کننده واگرا و خنک‌کننده فیلم است. موتور V2500 از آلیاژ ریخته‌گری شده B1900 با دمای بالا با کاشی‌های محافظ با پوشش سرامیکی استفاده می‌کند و جهت توسعه، جایگزینی کاشی‌های B1900 (با پوشش سرامیکی) با کامپوزیت‌های مبتنی بر SiC یا کامپوزیت‌های C/C مقاوم در برابر اکسیداسیون است. CMC ها موادی برای محفظه های احتراق در موتورهایی با نسبت رانش به وزن 15 تا 20 هستند که در دمای 1538 درجه تا 1650 درجه کار می کنند، برای لوله های شعله، پانل های دیواری شناور و محفظه های احتراق پس سوز استفاده می شوند.

2. آلیاژهای با دمای بالا برای مقاطع توربین

پره های توربین موتور هوا از جمله قطعاتی هستند که شدیدترین بارهای دمایی و محیط های عملیاتی سخت را تجربه می کنند. آنها باید تنش های مهم و پیچیده را در دماهای بالا تحمل کنند که منجر به الزامات بسیار سختگیرانه مواد می شود. آلیاژهای با دمای بالا برای پره های توربین را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

1) آلیاژهای با دمای بالا برای استاتورها

استاتورها از جمله اجزای یک موتور توربین هستند که بیشترین شوک حرارتی را تجربه می کنند. هنگامی که احتراق ناهموار در محفظه احتراق رخ می دهد، تیغه های استاتور مرحله اول بارهای حرارتی قابل توجهی را تحمل می کنند که علت اصلی خرابی استاتور است. دمای کار آنها معمولاً حدود 100 درجه بالاتر از پره های توربین است، اما آنها اجزای ساکن هستند و بار مکانیکی کمتری را تجربه می کنند. با این حال، آنها مستعد تنش های حرارتی هستند که می تواند منجر به اعوجاج، ترک های خستگی حرارتی و سوختگی موضعی شود. آلیاژهای مورد استفاده برای تیغه های استاتور باید دارای ویژگی های زیر باشند: استحکام کافی در دمای بالا، دوام در برابر خزش، عملکرد خستگی حرارتی خوب، مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی حرارتی بالا، مقاومت در برابر تنش ها و ارتعاشات حرارتی، قابلیت تغییر شکل خمشی، ریخته گری خوب و پوشش دهی. عملکرد حفاظتی

در حال حاضر، موتورهای پیشرفته با رانش بالا اغلب از تیغه های ریخته گری توخالی ساخته شده از آلیاژهای درجه حرارت بالا مبتنی بر نیکل جهت دار یا تک کریستالی استفاده می کنند. موتورهای رانش بالا در دمای 1650 درجه تا 1930 درجه کار می کنند که استفاده از پوشش های مانع حرارتی را ضروری می کند. تحت شرایط خنک کاری و محافظت از پوشش، دمای عملیاتی آلیاژهای تیغه از 1100 درجه فراتر می رود و تقاضاهای جدید و بالاتری را برای دما، چگالی و هزینه به مواد تیغه استاتور آینده تحمیل می کند.

2) آلیاژهای با دمای بالا برای تیغه های کار توربین

پره های توربین اجزای حیاتی چرخان در موتورهای هوا هستند، با دمای کاری که 50 درجه تا 100 درجه کمتر از پره های استاتور است. در طول چرخش، آنها استرس گریز از مرکز، تنش ارتعاشی، تنش حرارتی و فرسایش جریان هوا را تجربه می‌کنند که تحت شرایط سخت کار می‌کنند. موتورهای با رانش بالا نیاز دارند که طول عمر قطعات انتهایی حرارتی بیش از 2000 ساعت باشد. بنابراین، آلیاژهای تیغه توربین باید مقاومت در برابر خزش و استحکام شکست طولانی مدت در دماهای عملیاتی، عملکرد عالی در دمای بالا و متوسط، از جمله خستگی چرخه بالا و پایین، خستگی حرارتی، انعطاف پذیری کافی و چقرمگی ضربه و همچنین بالا از خود نشان دهند. مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی. آنها باید رسانایی گرمایی خوب و ضریب انبساط خطی تا حد امکان پایین، قابلیت ریخته گری خوب و پایداری ریزساختاری طولانی مدت بدون بارش فاز TCP در دمای عملیاتی داشته باشند. آلیاژهای مورد استفاده در چهار مرحله تکامل یافته اند: آلیاژهای فرفورژه مانند GH4033، GH4143 و GH4118. آلیاژهای ریختگی مانند K403، K417، K418 و K405. آلیاژهای انجماد جهت دار مانند DZ4 و DZ22. و آلیاژهای تک کریستال مانند DD3، DD8 و PW1484. توسعه اکنون به نسل سوم آلیاژهای تک کریستال رسیده است. در چین از آلیاژهای تک کریستال DD3 و DD8 در موتورهای توربین، توربوفن، هلیکوپترها و موتورهای دریایی استفاده می شود.

3) آلیاژهای با دمای بالا برای دیسک های توربین

دیسک توربین جزء دوار باربر است که بیشترین تنش را در موتورهای توربین تجربه می کند. برای موتورهای با نسبت رانش به وزن 8 و 10، دمای رینگ به 650 درجه و 750 درجه می رسد، در حالی که دمای توپی حدود 300 درجه است و در نتیجه تفاوت دما قابل توجهی دارد. در طول چرخش معمولی، دیسک تیغه ها را با سرعت بالا به حرکت در می آورد و حداکثر تنش های گریز از مرکز، حرارتی و ارتعاشی را تحمل می کند. هر شروع و خاموش شدن نشان دهنده یک چرخه است که هاب، گلو، پایین شیار و لبه همگی تنش های ترکیبی متفاوتی را تجربه می کنند. آلیاژهای مورد استفاده باید دارای بالاترین استحکام تسلیم، چقرمگی ضربه و عدم حساسیت بریدگی در دماهای عملیاتی، ضرایب انبساط خطی پایین، مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی خاص و قابلیت ماشینکاری خوب باشند.

4) آلیاژهای با دمای بالا برای کاربردهای هوافضا

در موتورهای موشک مایع، آلیاژهای با دمای بالا برای پانل‌های انژکتور محفظه احتراق، خم‌های پمپ توربین، فلنج‌ها، اتصال دهنده‌های باله گرافیتی و غیره استفاده می‌شوند. در محفظه رانش، آلیاژهای با دمای بالا به عنوان پانل انژکتور سوخت عمل می‌کنند که خم‌های پمپ توربین، فلنج‌ها و بست‌های باله‌های گرافیتی نیز از این مواد ساخته شده‌اند. موتورهای YF73 و YF75 چین از سیم آلیاژی GH3030 استفاده می‌کنند که به صورت توری بافته می‌شود، که سپس نورد شده و به پانل‌های خنک‌کننده متخلخل و واگرا برای انژکتورهای محفظه احتراق تبدیل می‌شود. روتورهای توربین شروع به استفاده از GH1040 و GH2038A کردند، بعداً از طریق آهنگری یکپارچه به GH4169 انتقال یافتند، با ماشینکاری دیسک و پردازش الکترولیتی تیغه ها برای غلبه بر مشکلات تغییر شکل بیش از حد در طول آزمایش طولانی با GH1040. مقایسه عملکرد GH1040 و GH4169 نشان می دهد که مواد مورد نیاز برای روتورهای توربین در موتورهای موشک دوربرد مطابق با استانداردهای 800 درجه در 398 مگاپاسکال به مدت 20 دقیقه است. GH4169 می تواند به مدت 30 دقیقه به عملکرد ریزساختاری پایدار دست یابد، در حالی که GH1040 تنها می تواند 294 مگاپاسکال را به مدت 6 دقیقه در 800 درجه حفظ کند و نیازهای عملیاتی را برآورده نکند. قابل توجه است که از -253 درجه تا دمای اتاق، استحکام GH4169 با 392 مگاپاسکال به 400 مگاپاسکال افزایش می‌یابد، با حداقل تغییر در انعطاف‌پذیری و چقرمگی ضربه در دمای پایین. بنابراین، GH4169 برای اجزای باربر حیاتی مانند روتورهای توربین، شفت ها و بست ها استفاده می شود.

در موتورهای موشک مایع ایالات متحده، مواد روتور توربین شامل منیفولد ورودی، پره‌های توربین و دیسک‌ها می‌شود. چین عمدتاً از آلیاژهای GH1131 برای پره‌های توربین استفاده می‌کند که با دمای عملیاتی متفاوت است و به‌طور متوالی از Inconel x، Alloy 713C، Astroloy و Mar-M246 استفاده می‌کند. مواد دیسک شامل Inconel 718 و Waspaloy است که چین عمدتاً از GH4169 و GH4141 برای توربین‌های انتگرال و GH2038A برای شفت موتور استفاده می‌کند.