一.Penerapan superalloy pada mesin aero
Alur kerja mesin turbin: Saat mesin dihidupkan, udara masuk ke kompresor melalui saluran masuk, diberi tekanan dan masuk ke ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar yang dikeluarkan oleh nosel injeksi bahan bakar, membentuk campuran seragam dan cepat menyala dan terbakar di dalam. ruang bakar, menghasilkan gas bersuhu tinggi yang mengalir melalui pemandu ke turbin, dan turbin berputar dengan kecepatan tinggi (kecepatan normal bisa mencapai 1100r/menit) di bawah aliran gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi. Gas dari turbin dikeluarkan dari tail nozzle untuk menghasilkan gaya dorong. Akibat getaran, pengikisan aliran udara, terutama efek sentrifugal akibat putaran, bagian mesin pesawat yang bersuhu tinggi akan mengalami tekanan yang lebih besar, gas banyak mengandung oksigen, uap air, dan terdapat gas korosif seperti SO2,H2S. , yang akan berperan dalam oksidasi dan korosi pada bagian bersuhu tinggi. Baik itu pesawat militer, pesawat sipil, selain kinerja struktural dan fungsional, tetapi juga memerlukan keselamatan dan stabilitas, sehingga mesin modern selain rasio dorong-terhadap-berat yang tinggi, suhu tinggi, rasio tekanan tinggi dan kinerja lainnya, ada adalah persyaratan keandalan, daya tahan, dan pemeliharaan yang ketat.
Superalloy memiliki stabilitas termal dan kekuatan termal yang tinggi, serta dapat memiliki ketahanan korosi dan ketahanan oksidasi yang baik pada suhu tinggi. Ini adalah bahan kunci penting untuk pembuatan komponen ujung panas mesin turbin penerbangan, terutama digunakan dalam pembuatan komponen ujung panas turbin, yaitu cakram turbin, bilah pemandu turbin, bilah kerja turbin, komponen ruang bakar dan afterburner. Pada mesin pesawat terbang modern yang canggih, jumlah material superalloy menyumbang 40%-60% dari total mesin.
Ruang bakar adalah area suhu kerja tertinggi dari komponen mesin, dan ketika suhu gas di ruang bakar mencapai 1500-2000 derajat C, suhu paduan dinding ruang dapat mencapai 800 ~ 900 derajat C, dan suhu lokal suhunya bisa mencapai 1100 derajat C. Paduan yang digunakan sebagai ruang bakar mengalami tekanan termal dan gaya tumbukan gas, terutama saat lepas landas, akselerasi dan parkir, serta perubahan suhu yang lebih drastis. Akibat siklus pemanasan dan pendinginan, ruang bakar sering mengalami deformasi, lengkungan, dan retakan kelelahan termal di bagian tepinya.
Dalam beberapa tahun terakhir, sebagian besar superalloy yang digunakan di ruang bakar adalah paduan yang diperkuat larutan padat, yang mengandung sejumlah besar W,Mo,Nb dan elemen yang diperkuat larutan padat lainnya, kekuatan suhu tinggi, kinerja pembentukan dan pengelasan yang baik. Merek perwakilannya adalah GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 dan seterusnya.
Guide blade merupakan komponen pengatur arah aliran gas dari ruang bakar yang disebut juga dengan guide. Ini adalah salah satu bagian pada mesin turbin yang terkena dampak termal yang besar. Terutama ketika ruang bakar tidak seragam dan pengoperasiannya tidak baik, bilah pemandu terkena beban panas yang lebih besar, dan suhu pengoperasian bilah pemandu mesin turbin canggih bisa mencapai 1100 derajat. Distorsi yang disebabkan oleh tekanan termal, retakan kelelahan termal yang disebabkan oleh perubahan suhu yang drastis, dan luka bakar lokal merupakan cacat utama bilah pemandu dalam pengoperasiannya.
Sebagian besar paduan yang digunakan sebagai bilah pemandu diproduksi melalui proses pengecoran presisi, dan lebih banyak W, Mo,Nb,Al,Ti dan elemen penguat larutan padat lainnya dan elemen penguat penuaan dapat ditambahkan ke paduan, dan kandungan C dan B di dalamnya paduannya juga lebih tinggi dibandingkan paduan suhu tinggi yang terdeformasi. Beberapa bilah pemandu juga dilas langsung dari lembaran yang diperkuat usia. Mesin aero canggih sebagian besar menggunakan bilah cor berongga, yang memiliki efek pendinginan yang baik dan dapat meningkatkan suhu servis. Penggunaan suhu paduan baling-baling pemandu domestik dapat mencapai 000 ~ 1050 derajat, paduan pengecoran presisi K214 yang representatif, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, dll.
Dengan perkembangan mesin, untuk memenuhi peningkatan lebih lanjut suhu cakram turbin mesin, struktur bilah pemandu juga telah berubah, dan GH5605 dan GH5188 dicoba untuk diadopsi. Struktur laminasi yang dilas dari lembaran superalloy yang terdeformasi digunakan sebagai bilah pemandu.
Bilah turbin merupakan komponen terberat pada mesin aero dengan temperatur kerja tinggi dan tegangan sentrifugal, tegangan getaran, tegangan termal, dan gaya erosi aliran udara yang besar selama putaran. Tegangan tarik pada badan bilah adalah sekitar 140MPa, dan tegangan rata-rata pada akar bilah adalah 280-560MPa. Suhu badan pisau dan bagian akar masing-masing sekitar 650-980 derajat dan 760 derajat. Temperatur saluran masuk gas mesin aero canggih telah mencapai 1380 derajat dan daya dorongnya mencapai 226kN. Khas GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 dll., dapat digunakan dalam derajat 750-950 . Dalam pengembangan mesin baru dan modifikasi mesin lama, pengecoran superalloy digunakan untuk pembuatan bilah turbin. Nilai khas paduan pengecoran adalah K403,K417, K417G,K418, K403, K405, K4002 dan seterusnya.
Cakram turbin menyumbang massa terbesar pada komponen mesin aero, dengan massa tunggal lebih dari 50kg, dan massa tunggal cakram turbin besar mencapai ratusan kilogram. Di studio cakram turbin, suhu pelek secara umum dapat mencapai 550-650 derajat C, sedangkan suhu pusat roda hanya sekitar 300 derajat C, dan perbedaan suhu seluruh cakram turbin sangat besar. Oleh karena itu, tegangan termal radial yang besar dihasilkan. Bilah turbin berputar dengan kecepatan tinggi selama putaran normal dan menghasilkan gaya sentrifugal yang besar. Tegangan pada bagian duri gigi lebih kompleks, antara lain tegangan tarik dan tegangan torsi, yang membentuk tegangan tinggi dan siklus kelelahan yang rendah pada saat memulai dan menghentikan.
Superalloy terdeformasi untuk cakram turbin, salah satu jenisnya adalah superalloy berbahan dasar besi-nikel, nilai paduan tipikal adalah GH2132, GH2135,GH2901,GH4761, dll., suhu pengoperasian di bawah 650 derajat; Jenis superalloy berbahan dasar nikel lainnya, merek khas GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 dll, menggunakan suhu bisa mencapai 700^800 derajat.
2.Aplikasi superalloy pada mesin roket
Roket pembawa adalah kendaraan untuk mengirim berbagai pesawat ruang angkasa ke orbit luar angkasa, paduan super di bidang luar angkasa terutama digunakan dalam mesin roket pembawa dorong. Gambar 2 adalah diagram skema mesin roket berbahan bakar cair dan strukturnya, yang mengubah reaktan (propelan) dalam reservoir propelan atau kendaraan menjadi jet berkecepatan tinggi untuk menghasilkan daya dorong. Terlihat dari Gambar (b), aliran udara pada nosel mesin roket mencapai 2500m/s dan suhu mencapai 1350 derajat.
Superalloy mesin roket pada prinsipnya dapat digunakan dengan paduan mesin turbin penerbangan, tetapi dibandingkan dengan mesin penerbangan, material mesin roket memiliki beberapa karakteristik baru:
Superalloy terdeformasi berbasis nikel biasanya menambahkan 10%-25% elemen Cr untuk memastikan bahwa paduan tersebut memiliki ketahanan korosi oksidatif yang baik, sehingga paduan berbasis nikel sebenarnya adalah Ni-Cr sebagai matriksnya. Selain itu, beberapa paduan menambahkan unsur Co(15%-20%),Mo (sekitar 15%) atau W (sekitar 11%) dalam larutan padat Ni-Cr untuk membentuk superalloy terdeformasi sistem terner dengan Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W sebagai matriksnya masing-masing. Tabel 6 menunjukkan merek, komposisi kimia, dan suhu pengoperasian superalloy terdeformasi berbasis nikel yang umum digunakan di Tiongkok. Gambar 6 menunjukkan tren perkembangan penerapan superalloy pada bilah dan pelat turbin.
Superalloy deformasi berbasis kobalt pada dasarnya didasarkan pada sistem terner Co-Ni-Cr, dan mengandung W,Mo,Nb,Ta dan elemen penguat larutan padat lainnya serta elemen pembentuk karbida. Dibandingkan dengan superalloy terdeformasi berbasis nikel, tingkat pengerasan kerja lebih besar, dan kualitas permukaan bagian setelah pembentukan lebih baik, tetapi dalam proses pembentukan, waktu pemanasan kerja panas yang lebih banyak atau waktu anil antara deformasi dingin umumnya diperlukan, dan tonase peralatan pembentuk pemrosesan juga diperlukan. Superalloy terdeformasi berbasis kobalt memiliki kekuatan tinggi dan ketahanan lelah termal yang sangat baik, korosi termal, dan ketahanan aus ketika suhunya lebih tinggi dari 980 derajat. Namun, superalloy terdeformasi berbasis kobalt memiliki karbida sebagai fase penguatan utama dan tidak memiliki fase penguatan homogen, serta kekuatan tahan lamanya lebih rendah dibandingkan superalloy terdeformasi berbasis nikel dalam rentang suhu rendah dan menengah. Tabel 9 mencantumkan sifat mekanik suhu tinggi dari superalloy terdeformasi berbasis kobalt.