一.Aplicación de superaleación en motores aeronáuticos.
Flujo de trabajo del motor de turbina: cuando se arranca el motor, el aire ingresa al compresor por la entrada, se presuriza y ingresa a la cámara de combustión, se mezcla con el combustible emitido por la boquilla de inyección de combustible, forma una mezcla uniforme y se enciende y quema rápidamente en el La cámara de combustión produce gas de alta temperatura que fluye a través de la guía hacia la turbina, y la turbina gira a alta velocidad (la velocidad normal puede alcanzar 1100 r/min) bajo el flujo de gas de alta temperatura y alta presión. El gas de la turbina se expulsa por la tobera de cola para generar empuje. Debido a la vibración, la erosión del flujo de aire, especialmente el efecto centrífugo causado por la rotación, las partes de alta temperatura del motor de la aeronave estarán sujetas a una mayor tensión, el gas contiene mucho oxígeno, vapor de agua y hay gases corrosivos como SO2, H2S. , que desempeñará un papel en la oxidación y corrosión de piezas a alta temperatura. Ya sea un avión militar o un avión civil, además del rendimiento estructural y funcional, también requieren seguridad y estabilidad, por lo que los motores modernos, además de una alta relación empuje-peso, alta temperatura, alta relación de presión y otros rendimientos, no Son requisitos estrictos de confiabilidad, durabilidad y mantenibilidad.
La superaleación tiene alta estabilidad térmica y resistencia térmica, y puede tener buena resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas. Es un material clave esencial para la fabricación de componentes de extremo caliente de motores de turbina de aviación, y se utiliza principalmente en la fabricación de componentes de extremo caliente de turbina, a saber, disco de turbina, álabe guía de turbina, álabe de trabajo de turbina, cámara de combustión y componentes del postquemador. En los motores de aviones modernos y avanzados, la cantidad de materiales de superaleación representa el 40%-60% del motor total.
La cámara de combustión es el área de temperatura de trabajo más alta de los componentes del motor, y cuando la temperatura del gas en la cámara de combustión alcanza 1500-2000 grados C, la temperatura de la aleación de la pared de la cámara puede alcanzar 800 ~ 900 grados C, y la temperatura local La temperatura puede alcanzar los 1100 grados C. La aleación utilizada como cámara de combustión está sujeta a estrés térmico y fuerza de impacto del gas, especialmente durante el despegue, la aceleración y el estacionamiento, y los cambios de temperatura son más drásticos. Debido al calentamiento y enfriamiento cíclicos, la cámara de combustión a menudo presenta deformaciones, alabeos y grietas por fatiga térmica en los bordes.
En los últimos años, la mayoría de las superaleaciones utilizadas en la cámara de combustión son aleaciones reforzadas con solución sólida, que contienen una gran cantidad de W, Mo, Nb y otros elementos reforzados con solución sólida, resistencia a altas temperaturas y buen rendimiento de conformado y soldadura. Las marcas representativas son GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170, etc.
La paleta guía es un componente que ajusta la dirección del flujo de gas desde la cámara de combustión, también conocida como guía. Es una de las partes del motor de turbina que está sometida a un gran impacto térmico. Especialmente cuando la cámara de combustión no es uniforme y el funcionamiento no es bueno, la pala guía está sujeta a una mayor carga térmica y la temperatura de funcionamiento de la pala guía del motor de turbina avanzado puede alcanzar los 1100 grados. La distorsión causada por el estrés térmico, las grietas por fatiga térmica causadas por cambios drásticos de temperatura y las quemaduras locales son los principales defectos de las hojas guía en funcionamiento.
La mayoría de las aleaciones utilizadas como hojas guía se producen mediante un proceso de fundición de precisión, y se pueden agregar a las aleaciones más W, Mo, Nb, Al, Ti y otros elementos de refuerzo de solución sólida y de envejecimiento, y el contenido de C y B en las aleaciones también es mayor que la de las aleaciones deformadas a alta temperatura. Algunas hojas guía también están soldadas directamente a partir de láminas reforzadas con el paso del tiempo. Los motores aeronáuticos avanzados utilizan principalmente palas huecas de fundición, que tienen un buen efecto de enfriamiento y pueden aumentar la temperatura de servicio. El uso de la temperatura de la aleación de paletas guía domésticas puede alcanzar 000 ~ 1050 grados, aleación de fundición de precisión representativa K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, etc.
Con el desarrollo del motor, para hacer frente al aumento adicional de la temperatura del disco de la turbina del motor, la estructura de la pala guía también cambió y se intentó adoptar GH5605 y GH5188. La estructura laminada soldada de la lámina de superaleación deformada se utiliza como hoja guía.
Las palas de las turbinas son los componentes más severos de los motores de aviación con alta temperatura de trabajo y gran estrés centrífugo, estrés por vibración, estrés térmico y fuerza de erosión del flujo de aire durante la rotación. La tensión de tracción del cuerpo de la pala es de aproximadamente 140 MPa y la tensión media de la raíz de la pala es de 280-560 MPa. La temperatura del cuerpo de la hoja y la parte de la raíz es de aproximadamente 650-980 grados y 760 grados respectivamente. La temperatura de entrada del gas del avanzado motor aeronáutico alcanzó los 1380 grados y el empuje alcanzó los 226 kN. Típico de GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220, etc., se puede utilizar en 750-950 grado. En el desarrollo de nuevas máquinas y en la modificación de máquinas antiguas, se utiliza superaleación de fundición para fabricar álabes de turbina. Los grados típicos de aleaciones de fundición son K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002, etc.
El disco de turbina representa la mayor masa entre los componentes del motor aeronáutico, con una masa única de más de 50 kg, y la masa única del disco de turbina grande alcanza cientos de kilogramos. En el estudio del disco de la turbina, la temperatura general de la llanta puede alcanzar los 550-650 grados C, mientras que la temperatura del centro de la rueda es sólo de unos 300 grados C y la diferencia de temperatura de todo el disco de la turbina es muy grande. Por tanto, se genera una gran tensión térmica radial. Las palas de la turbina giran a alta velocidad durante la rotación normal y soportan una gran fuerza centrífuga. La tensión en la parte del diente de la espiga es más compleja, incluida la tensión de tracción y la tensión de torsión, que forman una tensión alta y una fatiga de ciclo baja durante el arranque y la parada.
Superaleaciones deformadas para discos de turbina, un tipo son las superaleaciones a base de hierro y níquel, los grados de aleación típicos son GH2132, GH2135, GH2901, GH4761, etc., la temperatura de funcionamiento es inferior a 650 grados; Otro tipo de superaleación a base de níquel, la marca típica GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698, etc., con una temperatura que puede alcanzar los 700 ^ 800 grados.
2.Aplicación de superaleación en motores de cohetes.
El cohete portador es un vehículo para enviar una variedad de naves espaciales a la órbita espacial; la superaleación en el campo espacial se utiliza principalmente en el motor de cohete portador de empuje. La Figura 2 es un diagrama esquemático del motor cohete de combustible líquido y su estructura, que transforma los reactivos (propulsores) en el depósito de propulsor o vehículo en chorros de alta velocidad para generar empuje. Como se puede ver en la Figura (b), el flujo de aire en la boquilla del motor del cohete alcanza los 2500 m/s y la temperatura alcanza los 1350 grados.
Las superaleaciones para motores de cohetes se pueden utilizar en principio con aleaciones para motores de turbinas de aviación, pero en comparación con los motores de aviación, los materiales para motores de cohetes tienen algunas características nuevas:
Las superaleaciones deformadas a base de níquel generalmente agregan un 10%-25% de elemento Cr para garantizar que la aleación tenga una buena resistencia a la corrosión oxidativa, por lo que la aleación a base de níquel en realidad tiene Ni-Cr como matriz. Además, algunas aleaciones añaden los elementos Co(15%-20%), Mo (aproximadamente 15%) o W (aproximadamente 11%) en una solución sólida de Ni-Cr para formar un sistema ternario de superaleación deformada con Ni-Cr. -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W como matriz, respectivamente. La Tabla 6 muestra las marcas, composiciones químicas y temperaturas de funcionamiento de superaleaciones deformadas a base de níquel comúnmente utilizadas en China. La Figura 6 muestra la tendencia de desarrollo de la aplicación de superaleaciones en álabes y platos de turbinas.
La superaleación de deformación a base de cobalto se basa esencialmente en el sistema ternario Co-Ni-Cr y contiene W, Mo, Nb, Ta y otros elementos de refuerzo en solución sólida y elementos formadores de carburo. En comparación con las superaleaciones deformadas a base de níquel, la tasa de endurecimiento por trabajo es mayor y la calidad de la superficie de las piezas después del conformado es mejor, pero en el proceso de conformado, generalmente se requieren más tiempos de calentamiento por trabajo en caliente o tiempos de recocido intermedio de deformación en frío, y el También se requiere un tonelaje del equipo de procesamiento y formación. Las superaleaciones deformadas a base de cobalto tienen alta resistencia y excelente resistencia a la fatiga térmica, corrosión térmica y resistencia al desgaste cuando son superiores a 980 grados. Sin embargo, las superaleaciones deformadas a base de cobalto tienen carburo como fase de refuerzo principal y carecen de una fase de refuerzo homogénea, y su resistencia duradera es menor que la de las superaleaciones deformadas a base de níquel en rangos de temperatura baja y media. La Tabla 9 enumera las propiedades mecánicas a alta temperatura de las superaleaciones deformadas típicas a base de cobalto.