การใช้วัสดุซูเปอร์อัลลอยด์ในสาขาการบินและอวกาศ

一.การใช้ซูเปอร์อัลลอยในเครื่องยนต์แอโร

ขั้นตอนการทำงานของเครื่องยนต์กังหัน: เมื่อสตาร์ทเครื่องยนต์ อากาศจะเข้าสู่คอมเพรสเซอร์ทางทางเข้า เพิ่มแรงดันและเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ผสมกับเชื้อเพลิงที่ปล่อยออกมาจากหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ก่อให้เกิดส่วนผสมที่สม่ำเสมอ และติดไฟและเผาอย่างรวดเร็วใน ห้องเผาไหม้ผลิตก๊าซอุณหภูมิสูงไหลผ่านไกด์เข้าไปในกังหัน และกังหันหมุนด้วยความเร็วสูง (ความเร็วปกติสามารถเข้าถึง 1100r/min) ภายใต้อุณหภูมิสูงและการไหลของก๊าซแรงดันสูง ก๊าซจากกังหันจะถูกขับออกจากหัวฉีดส่วนท้ายเพื่อสร้างแรงขับ เนื่องจากการสั่นสะเทือน การกัดเซาะของกระแสลม โดยเฉพาะแรงเหวี่ยงที่เกิดจากการหมุน ชิ้นส่วนที่มีอุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์เครื่องบินจะต้องเผชิญกับความเครียดที่มากขึ้น ก๊าซประกอบด้วยออกซิเจน ไอน้ำจำนวนมาก และมีก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น SO2,H2S ซึ่งจะมีบทบาทในการออกซิเดชั่นและการกัดกร่อนของชิ้นส่วนที่มีอุณหภูมิสูง ไม่ว่าจะเป็นเครื่องบินทหาร เครื่องบินพลเรือน นอกเหนือจากสมรรถนะด้านโครงสร้างและการใช้งานแล้ว แต่ยังต้องการความปลอดภัยและเสถียรภาพด้วย ดังนั้น เครื่องยนต์ที่ทันสมัยจึงนอกเหนือไปจากอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่สูง อุณหภูมิสูง อัตราส่วนแรงดันสูง และประสิทธิภาพอื่นๆ อีกด้วย มีข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือ ความทนทาน และการบำรุงรักษาที่เข้มงวด

ซูเปอร์อัลลอยด์มีเสถียรภาพทางความร้อนและความแข็งแรงทางความร้อนสูง และสามารถทนต่อการกัดกร่อนและต้านทานการเกิดออกซิเดชันได้ดีที่อุณหภูมิสูง เป็นวัสดุสำคัญที่จำเป็นสำหรับการผลิตส่วนประกอบปลายร้อนของเครื่องยนต์กังหันการบิน ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตส่วนประกอบปลายร้อนของกังหัน ได้แก่ จานกังหัน ใบนำกังหัน ใบมีดทำงานของกังหัน ห้องเผาไหม้ และส่วนประกอบเครื่องเผาทำลายหลัง ในเครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูงสมัยใหม่ ปริมาณวัสดุซูเปอร์อัลลอยด์คิดเป็น 40%-60% ของเครื่องยนต์ทั้งหมด

ห้องเผาไหม้เป็นพื้นที่ที่มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุดของส่วนประกอบเครื่องยนต์ และเมื่ออุณหภูมิของก๊าซในห้องเผาไหม้ถึง 1500-2000 องศา C อุณหภูมิของโลหะผสมที่ผนังห้องจะสูงถึง 800 ~ 900 องศา C และอุณหภูมิในท้องถิ่น อุณหภูมิอาจสูงถึง 1,100 องศาเซลเซียส โลหะผสมที่ใช้เป็นห้องเผาไหม้ต้องเผชิญกับความเครียดจากความร้อนและแรงกระแทกของก๊าซ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการขึ้นเครื่อง การเร่งความเร็ว และการจอดรถ และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะรุนแรงยิ่งขึ้น เนื่องจากการทำความร้อนและความเย็นแบบวนรอบ ห้องเผาไหม้จึงมักเกิดรอยแตกร้าวที่การเสียรูป การบิดงอ และความร้อนจากความร้อนที่ขอบ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซูเปอร์อัลลอยด์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในห้องเผาไหม้เป็นโลหะผสมที่มีความแข็งของสารละลายแข็ง ซึ่งประกอบด้วย W,Mo,Nb และองค์ประกอบเสริมความแข็งแกร่งของสารละลายแข็งอื่นๆ จำนวนมาก ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง การขึ้นรูปที่ดี และประสิทธิภาพการเชื่อม แบรนด์ที่เป็นตัวแทนคือ GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 และอื่นๆ

ไกด์เบลดเป็นส่วนประกอบที่ปรับทิศทางการไหลของก๊าซจากห้องเผาไหม้หรือที่เรียกว่าไกด์ มันเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนของเครื่องยนต์กังหันที่ต้องรับแรงกระแทกทางความร้อนอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อห้องเผาไหม้ไม่สม่ำเสมอและการทำงานไม่ดี ใบนำจะต้องเผชิญกับภาระความร้อนที่มากขึ้น และอุณหภูมิในการทำงานของใบนำของเครื่องยนต์กังหันขั้นสูงสามารถสูงถึง 1100 องศา การบิดเบี้ยวที่เกิดจากความเครียดจากความร้อน รอยแตกเมื่อยล้าจากความร้อนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่รุนแรง และรอยไหม้เฉพาะที่ ถือเป็นข้อบกพร่องหลักของไกด์เบลดในการทำงาน

โลหะผสมส่วนใหญ่ที่ใช้เป็นใบมีดนำทางผลิตโดยกระบวนการหล่อที่มีความแม่นยำ และสามารถเพิ่ม W, Mo, Nb, Al, Ti และองค์ประกอบเสริมความแข็งแกร่งของสารละลายแข็งอื่น ๆ และองค์ประกอบเสริมความชราให้กับโลหะผสมได้มากขึ้น และเนื้อหาของ C และ B ใน โลหะผสมยังสูงกว่าโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงที่เสียรูปอีกด้วย ใบมีดนำบางใบยังเชื่อมโดยตรงจากแผ่นเสริมความแข็งแรงตามอายุอีกด้วย เครื่องยนต์แอโรขั้นสูงส่วนใหญ่ใช้ใบพัดแบบหล่อกลวง ซึ่งมีผลการระบายความร้อนที่ดีและสามารถเพิ่มอุณหภูมิในการให้บริการได้ การใช้อุณหภูมิโลหะผสมใบพัดนำทางในประเทศสามารถเข้าถึง 000 ~ 1,050 องศา ตัวแทนโลหะผสมหล่อความแม่นยำ K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B ฯลฯ

ด้วยการพัฒนาเครื่องยนต์ เพื่อตอบสนองอุณหภูมิจานกังหันของเครื่องยนต์ที่เพิ่มขึ้นอีก โครงสร้างของไกด์เบลดก็เปลี่ยนไปเช่นกัน และพยายามนำ GH5605 และ GH5188 มาใช้ โครงสร้างเคลือบแบบเชื่อมของแผ่นซูเปอร์อัลลอยด์ที่เสียรูปนั้นถูกใช้เป็นไกด์เบลด

ใบพัดกังหันเป็นส่วนประกอบที่รุนแรงที่สุดในเครื่องยนต์อากาศยานที่มีอุณหภูมิการทำงานสูง และความเค้นจากแรงเหวี่ยง ความเค้นจากการสั่น ความเค้นจากความร้อน และแรงกัดเซาะของการไหลของอากาศในระหว่างการหมุนที่ยอดเยี่ยม ความเค้นดึงของตัวใบมีดอยู่ที่ประมาณ 140MPa และความเค้นเฉลี่ยของรากใบมีดคือ 280-560MPa อุณหภูมิของตัวใบและส่วนรากอยู่ที่ประมาณ 650-980 องศา และ 760 องศา ตามลำดับ อุณหภูมิทางเข้าก๊าซของเครื่องยนต์แอโรขั้นสูงสูงถึง 1,380 องศา และแรงขับสูงถึง 226kN โดยทั่วไปของ GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 ฯลฯ สามารถใช้งานได้ใน 750-950 องศา ในการพัฒนาเครื่องจักรใหม่และการดัดแปลงเครื่องจักรเก่านั้น ซูเปอร์อัลลอยด์แบบหล่อจะใช้ในการผลิตใบพัดกังหัน เกรดทั่วไปของโลหะผสมหล่อคือ K403,K417, K417G,K418, K403, K405, K4002 และอื่นๆ

จานกังหันมีมวลมากที่สุดในส่วนประกอบของเครื่องยนต์ทางอากาศ โดยมีมวลเดี่ยวมากกว่า 50 กก. และจานกังหันขนาดใหญ่มีมวลถึงหลายร้อยกิโลกรัม ในสตูดิโอจานกังหัน อุณหภูมิขอบล้อทั่วไปอาจสูงถึง 550-650 องศา C ในขณะที่อุณหภูมิกลางล้ออยู่ที่ประมาณ 300 องศา C และความแตกต่างของอุณหภูมิของจานกังหันทั้งหมดมีขนาดใหญ่มาก ดังนั้นจึงเกิดความเครียดจากความร้อนในแนวรัศมีขนาดใหญ่ ใบพัดกังหันหมุนด้วยความเร็วสูงในระหว่างการหมุนปกติและรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางที่ดีเยี่ยม ความเค้นบนส่วนของฟันเดือยมีความซับซ้อนมากขึ้น รวมถึงความเค้นดึงและความเครียดจากการบิด ซึ่งก่อให้เกิดความเค้นสูงและความล้าในรอบต่ำในระหว่างการสตาร์ทและการหยุด

ซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีรูปร่างผิดปกติสำหรับดิสก์กังหัน ชนิดหนึ่งคือซูเปอร์อัลลอยด์ที่ทำจากเหล็ก-นิกเกิล เกรดโลหะผสมทั่วไปคือ GH2132, GH2135,GH2901,GH4761 ฯลฯ อุณหภูมิในการทำงานต่ำกว่า 650 องศา ซูเปอร์อัลลอยด์ที่ใช้นิกเกิลอีกชนิดหนึ่งซึ่งเป็นแบรนด์ทั่วไป GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 ฯลฯ โดยใช้อุณหภูมิสามารถเข้าถึง 700 ^ 800 องศา

2.การประยุกต์ใช้ซูเปอร์อัลลอยด์ในเครื่องยนต์จรวด

จรวดขนส่งเป็นยานพาหนะที่ใช้ส่งยานอวกาศหลากหลายชนิดขึ้นสู่วงโคจรอวกาศ ซูเปอร์อัลลอยด์ในสนามอวกาศส่วนใหญ่จะใช้ในเครื่องยนต์จรวดส่งแรงผลักดัน รูปที่ 2 เป็นแผนผังของเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวและโครงสร้างของเครื่องยนต์ ซึ่งเปลี่ยนสารตั้งต้น (สารขับเคลื่อน) ในคลังเก็บเชื้อเพลิงจรวดหรือยานพาหนะให้เป็นไอพ่นความเร็วสูงเพื่อสร้างแรงขับ ดังที่เห็นได้จากรูปที่ (b) การไหลของอากาศที่หัวฉีดของเครื่องยนต์จรวดมีความเร็วถึง 2,500 เมตร/วินาที และมีอุณหภูมิสูงถึง 1,350 องศา

ซูเปอร์อัลลอยด์ของเครื่องยนต์จรวดสามารถใช้หลักการกับโลหะผสมของเครื่องยนต์กังหันการบิน แต่เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์การบิน วัสดุของเครื่องยนต์จรวดมีลักษณะใหม่บางประการ:

ซูเปอร์อัลลอยที่มีการเปลี่ยนรูปเป็นนิกเกิลมักจะเพิ่มองค์ประกอบ Cr 10%-25% เพื่อให้แน่ใจว่าโลหะผสมมีความต้านทานการกัดกร่อนแบบออกซิเดชันที่ดี ดังนั้นโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นหลักจึงกลายเป็น Ni-Cr เป็นเมทริกซ์ นอกจากนี้ โลหะผสมบางชนิดยังเติมองค์ประกอบ Co(15%-20%), Mo (ประมาณ 15%) หรือ W (ประมาณ 11%) ในสารละลายของแข็ง Ni-Cr เพื่อสร้างระบบแบบไตรภาคที่เปลี่ยนรูปซูเปอร์อัลลอยด้วย Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W เป็นเมทริกซ์ ตามลำดับ ตารางที่ 6 แสดงยี่ห้อ องค์ประกอบทางเคมี และอุณหภูมิในการทำงานของซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักซึ่งใช้กันทั่วไปในประเทศจีน รูปที่ 6 แสดงแนวโน้มการพัฒนาการใช้งานซูเปอร์อัลลอยด์บนใบพัดกังหันและจาน

ซูเปอร์อัลลอยที่มีการเปลี่ยนรูปที่มีโคบอลต์นั้นมีพื้นฐานมาจากระบบไตรภาค Co-Ni-Cr และมี W,Mo,Nb,Ta และองค์ประกอบเสริมความแข็งแกร่งของสารละลายของแข็งอื่นๆ และองค์ประกอบที่ขึ้นรูปคาร์ไบด์ เมื่อเทียบกับซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีการเปลี่ยนรูปเป็นนิกเกิล อัตราการชุบแข็งของงานจะมีมากกว่า และคุณภาพพื้นผิวของชิ้นส่วนหลังจากการขึ้นรูปจะดีกว่า แต่ในกระบวนการขึ้นรูป โดยทั่วไปต้องใช้เวลาในการทำความร้อนที่ร้อนมากขึ้นหรือเวลาในการหลอมกลางการเปลี่ยนรูปเย็น และ จำเป็นต้องมีน้ำหนักของอุปกรณ์ขึ้นรูปในการประมวลผลด้วย ซูเปอร์อัลลอยที่มีรูปทรงโคบอลต์มีความแข็งแรงสูงและทนทานต่อความล้าจากความร้อน การกัดกร่อนจากความร้อน และความต้านทานการสึกหรอได้ดีเยี่ยมเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 980 องศา อย่างไรก็ตาม ซูเปอร์อัลลอยที่มีการเปลี่ยนรูปเป็นโคบอลต์จะมีคาร์ไบด์เป็นขั้นตอนการเสริมกำลังหลักและไม่มีขั้นตอนการเสริมกำลังที่เป็นเนื้อเดียวกัน และความแข็งแรงคงทนของซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีรูปร่างผิดปกตินั้นต่ำกว่าซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักในช่วงอุณหภูมิต่ำและปานกลาง ตารางที่ 9 แสดงรายการคุณสมบัติทางกลที่อุณหภูมิสูงของซูเปอร์อัลลอยที่มีรูปแบบเป็นโคบอลต์ทั่วไป