一.Anwendung von Superlegierungen in Flugzeugtriebwerken
Arbeitsablauf des Turbinentriebwerks: Wenn das Triebwerk gestartet wird, gelangt die Luft über den Einlass in den Kompressor, wird unter Druck gesetzt und gelangt in die Brennkammer, vermischt sich mit dem von der Kraftstoffeinspritzdüse abgegebenen Kraftstoff, bildet eine gleichmäßige Mischung und wird in der schnell gezündet und verbrannt Die Brennkammer erzeugt Gas mit hoher Temperatur, das durch die Führung in die Turbine strömt, und die Turbine dreht sich unter dem Gasfluss mit hoher Temperatur und hohem Druck mit hoher Geschwindigkeit (die normale Geschwindigkeit kann 1100 U/min erreichen). Das Gas der Turbine wird aus der Heckdüse ausgestoßen, um Schub zu erzeugen. Aufgrund von Vibrationen, Luftströmungserosion und insbesondere der durch Rotation verursachten Zentrifugalwirkung werden die Hochtemperaturteile des Flugzeugtriebwerks einer größeren Belastung ausgesetzt, Gas enthält viel Sauerstoff, Wasserdampf und es gibt korrosive Gase wie SO2, H2S , was bei der Oxidation und Korrosion von Hochtemperaturteilen eine Rolle spielt. Unabhängig davon, ob es sich um ein Militärflugzeug oder ein Zivilflugzeug handelt, sind neben struktureller und funktionaler Leistung auch Sicherheit und Stabilität erforderlich, sodass moderne Triebwerke neben einem hohen Schub-Gewichts-Verhältnis, einer hohen Temperatur, einem hohen Druckverhältnis und anderen Leistungen vorhanden sind Es gelten strenge Anforderungen an Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Wartbarkeit.
Superlegierungen weisen eine hohe thermische Stabilität und thermische Festigkeit auf und können bei hohen Temperaturen eine gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Es ist ein wesentliches Schlüsselmaterial für die Herstellung von Hot-End-Komponenten von Flugzeugturbinentriebwerken und wird hauptsächlich bei der Herstellung von Turbinen-Hot-End-Komponenten verwendet, nämlich Turbinenscheibe, Turbinenleitschaufel, Turbinenarbeitsschaufel, Brennkammer- und Nachbrennerkomponenten. In modernen, fortschrittlichen Flugzeugtriebwerken macht der Anteil an Superlegierungsmaterialien 40 %-60 % des gesamten Triebwerks aus.
Die Brennkammer ist der Bereich mit der höchsten Arbeitstemperatur der Motorkomponenten, und wenn die Gastemperatur in der Brennkammer 1500-2000 Grad C erreicht, kann die Temperatur der Kammerwandlegierung 800 bis 900 Grad C und die lokale Temperatur erreichen Die Temperatur kann 1100 Grad C erreichen. Die als Brennkammer verwendete Legierung ist thermischen Belastungen und Gasstoßkräften ausgesetzt, insbesondere beim Start, beim Beschleunigen und beim Parken, und die Temperaturänderungen sind drastischer. Aufgrund der zyklischen Erwärmung und Abkühlung der Brennkammer kommt es häufig zu Verformungen, Verwerfungen und thermischen Ermüdungsrissen am Rand.
In den letzten Jahren sind die meisten in der Brennkammer verwendeten Superlegierungen mischkristallverstärkte Legierungen, die eine große Anzahl von W, Mo, Nb und anderen mischkristallverstärkten Elementen enthalten und eine hohe Temperaturfestigkeit sowie eine gute Umform- und Schweißleistung aufweisen. Die repräsentativen Marken sind GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 und so weiter.
Die Leitschaufel ist eine Komponente, die die Richtung des Gasstroms aus der Brennkammer anpasst, auch Leitschaufel genannt. Es ist eines der Teile des Turbinentriebwerks, das einer großen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Insbesondere wenn die Brennkammer nicht gleichmäßig ist und der Betrieb nicht gut ist, ist die Leitschaufel einer größeren Wärmebelastung ausgesetzt und die Betriebstemperatur der Leitschaufel des fortschrittlichen Turbinentriebwerks kann 1100 Grad erreichen. Verformungen durch thermische Belastung, thermische Ermüdungsrisse durch drastische Temperaturwechsel und lokale Verbrennungen sind die Hauptmängel von Leitschaufeln im Betrieb.
Die meisten Legierungen, die als Führungsschaufeln verwendet werden, werden im Präzisionsgussverfahren hergestellt, und den Legierungen können mehr W, Mo, Nb, Al, Ti und andere feste Lösungsverfestigungs- und Alterungsverfestigungselemente zugesetzt werden, und der Gehalt an C und B kann erhöht werden der Legierungen ist auch höher als bei verformten Hochtemperaturlegierungen. Einige Leitschaufeln werden auch direkt aus verfestigten Blechen geschweißt. Fortgeschrittene Flugtriebwerke verwenden meist Hohlgussschaufeln, die eine gute Kühlwirkung haben und die Betriebstemperatur erhöhen können. Die Verwendung der inländischen Leitschaufellegierungstemperatur kann 000 ~ 1050 Grad erreichen, repräsentative K214-Präzisionsgusslegierung, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B usw.
Mit der Entwicklung des Motors hat sich auch die Struktur der Leitschaufel geändert, um dem weiteren Anstieg der Turbinenscheibentemperatur des Motors gerecht zu werden, und es wird versucht, GH5605 und GH5188 zu übernehmen. Als Führungsschaufel wird die geschweißte Laminatstruktur des verformten Superlegierungsblechs verwendet.
Turbinenschaufeln sind die anspruchsvollsten Komponenten in Flugtriebwerken mit hoher Arbeitstemperatur und großer Zentrifugalbelastung, Vibrationsbelastung, thermischer Belastung und Erosionskraft des Luftstroms während der Rotation. Die Zugspannung des Blattkörpers beträgt etwa 140 MPa und die durchschnittliche Spannung der Blattwurzel beträgt 280-560MPa. Die Temperatur des Blattkörpers und des Wurzelteils beträgt etwa 650-980 Grad bzw. 760 Grad. Die Gaseinlasstemperatur des fortschrittlichen Flugtriebwerks hat 1380 Grad erreicht und der Schub hat 226 kN erreicht. Typisch für GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 usw., kann in 750-950 Grad verwendet werden. Bei der Entwicklung neuer Maschinen und dem Umbau alter Maschinen wird Guss-Superlegierung zur Herstellung von Turbinenschaufeln verwendet. Typische Qualitäten von Gusslegierungen sind K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 und so weiter.
Die Turbinenscheibe stellt mit einer Einzelmasse von mehr als 50 kg die größte Masse der Flugzeugtriebwerkskomponenten dar, und die Einzelmasse der großen Turbinenscheibe erreicht Hunderte von Kilogramm. Im Turbinenscheibenstudio kann die allgemeine Felgentemperatur 550-650 Grad C erreichen, während die Radmittentemperatur nur etwa 300 Grad C beträgt und der Temperaturunterschied der gesamten Turbinenscheibe sehr groß ist. Daher wird eine große radiale thermische Spannung erzeugt. Die Turbinenschaufeln rotieren bei normaler Rotation mit hoher Geschwindigkeit und üben eine große Zentrifugalkraft aus. Die Beanspruchung des Zapfenzahnteils ist komplexer und umfasst Zug- und Torsionsbeanspruchung, die beim Starten und Stoppen zu einer hohen Belastung und einer Ermüdung mit geringem Lastspiel führen.
Verformte Superlegierungen für Turbinenscheiben, eine Art sind Superlegierungen auf Eisen-Nickel-Basis, typische Legierungsqualitäten sind GH2132, GH2135, GH2901, GH4761 usw., die Betriebstemperatur liegt unter 650 Grad; Eine andere Art von Superlegierung auf Nickelbasis, die typischen Marken GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 usw., kann bei Temperaturen von 700 bis 800 Grad verwendet werden.
2. Anwendung von Superlegierungen in Raketentriebwerken
Eine Trägerrakete ist ein Vehikel, um eine Vielzahl von Raumfahrzeugen in die Weltraumumlaufbahn zu schicken. Superlegierungen werden im Weltraumbereich hauptsächlich in Schubträgerraketentriebwerken verwendet. Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm des Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks und seiner Struktur, das die Reaktanten (Treibstoffe) im Treibstoffreservoir oder Fahrzeug in Hochgeschwindigkeitsstrahlen umwandelt, um Schub zu erzeugen. Wie aus Abbildung (b) ersichtlich ist, erreicht der Luftstrom an der Düse des Raketentriebwerks 2500 m/s und die Temperatur beträgt bis zu 1350 Grad.
Superlegierungen für Raketentriebwerke können grundsätzlich mit Legierungen für Flugturbinentriebwerke verwendet werden, im Vergleich zu Flugtriebwerken weisen Raketentriebwerkswerkstoffe jedoch einige neue Eigenschaften auf:
Verformte Superlegierungen auf Nickelbasis fügen normalerweise 10 % -25 % Cr-Element hinzu, um sicherzustellen, dass die Legierung eine gute oxidative Korrosionsbeständigkeit aufweist, sodass die Nickelbasislegierung tatsächlich aus Ni-Cr als Matrix besteht. Darüber hinaus fügen einige Legierungen der Ni-Cr-Mischkristalllösung die Elemente Co (15 %-20 %), Mo (ca. 15 %) oder W (ca. 11 %) hinzu, um mit Ni-Cr eine verformte Superlegierung mit ternärem System zu bilden -Co, Ni-Cr-Mo, Ni-Cr-W als Matrix. Tabelle 6 zeigt die Marken, chemischen Zusammensetzungen und Betriebstemperaturen der in China üblicherweise verwendeten verformten Superlegierungen auf Nickelbasis. Abbildung 6 zeigt den Entwicklungstrend der Superlegierungsanwendung auf Turbinenschaufeln und -platten.
Die Deformations-Superlegierung auf Kobaltbasis basiert im Wesentlichen auf dem ternären System Co-Ni-Cr und enthält W, Mo, Nb, Ta und andere Festlösungsverfestigungselemente sowie karbidbildende Elemente. Im Vergleich zu verformten Superlegierungen auf Nickelbasis ist die Kaltverfestigungsrate größer und die Oberflächenqualität der Teile nach der Umformung ist besser, aber im Umformprozess sind im Allgemeinen mehr Warmumform-Erwärmungszeiten oder Kaltverformungs-Zwischenglühzeiten erforderlich Außerdem ist eine Tonnage der Verarbeitungs- und Umformausrüstung erforderlich. Verformte Superlegierungen auf Kobaltbasis weisen eine hohe Festigkeit und eine ausgezeichnete thermische Ermüdungsbeständigkeit, thermische Korrosion und Verschleißbeständigkeit auf, wenn sie höher als 980 Grad sind. Allerdings haben verformte Superlegierungen auf Kobaltbasis Karbid als Hauptverfestigungsphase und es fehlt ihnen an einer homogenen Verfestigungsphase, und ihre Dauerfestigkeit ist in niedrigen und mittleren Temperaturbereichen geringer als die von verformten Superlegierungen auf Nickelbasis. Tabelle 9 listet die mechanischen Hochtemperatureigenschaften typischer verformter Superlegierungen auf Kobaltbasis auf.