Hög-temperaturlegeringar, även känd som värme-beständiga legeringar eller superlegeringar, är en klass av metallmaterial som kan fungera under lång tid i-högtemperaturmiljöer och under vissa påfrestningar. De uppvisar utmärkt motståndskraft mot hög-temperaturoxidation och varmkorrosion, såväl som överlägsen hög-temperaturhållfasthet, utmattningshållfasthet och krypbrottseghet. Dessa legeringar används främst i flyg-, energi- och marinturbinmotorer.
Klassificering av hög-temperaturlegeringar
1. Beroende på matrismaterialet kan de delas in i tre kategorier: järn-baserad, nickel-baserad och kobolt-baserad.
(1) Järn-baserade hög-temperaturlegeringar kallas även värmebeständiga-legerade stål. Värme-beständigt legerat stål kan delas in i martensit-, austenit-, perlit-, ferritvärme--stål, etc., enligt deras normaliseringskrav. Järn-baserade-högtemperaturlegeringar har en relativt låg driftstemperatur (600~850 grader), men deras mekaniska-mekaniska egenskaper för medeltemperatur är goda, som är likvärdiga med eller bättre än liknande nickelbaserade-legeringar. Dessutom är de billiga och lätta att deformera vid varmbearbetning. De används vanligtvis i delar av motorn med lägre driftstemperaturer, såsom turbinskivor, höljen och axlar.
(2) Nickel-baserade hög-temperaturlegeringar har den högsta driftstemperaturen (cirka 1000 grader) och används i stor utsträckning vid tillverkning av de hetaste delarna av flygjetmotorer och olika industriella gasturbiner, såsom turbinblad, ledskovlar, turbiner, etc.
(3) Kobolt-baserade hög-temperaturlegeringar har god gjutbarhet och svetsbarhet och kan användas vid höga temperaturer på 700~1050 grader. Den består huvudsakligen av kobolt, och dess typiska representant är K610, som innehåller mer än 58 % kobolt. På grund av det höga priset och bristen på kobolt används den sällan hemma och utomlands. Befintliga varumärken inkluderar K640, K644, GH188, etc.
2. Enligt beredningsprocessen kan den delas upp i deformerade hög-temperaturlegeringar, gjutna hög-temperaturlegeringar och pulverhög-temperaturlegeringar.
(1) Deformerade hög-temperaturlegeringar
Deformerade hög-temperaturlegeringar avser hög-temperaturlegeringar som tillverkas genom kall och varm bearbetning av göt till olika profiler eller delämnen och slutligen till heta-änddelar. Nyckeln är att legeringsgötet kan bildas. Jämfört med gjutna legeringar med hög-temperatur har deformerade högtemperaturlegeringar en låg legeringsgrad. Därför är smältpunkten högre, den övre gränsen för varmarbetstemperaturen är högre, legeringsrekristalliseringstemperaturen är lägre och den nedre gränsen för varmarbetstemperaturen är lägre. Därför är varmbearbetningsintervallet för deformerade högtemperaturlegeringar bredare{{10} än för gjutna högtemperaturlegeringar. Enligt de olika matriselementen kan deformerade hög-temperaturlegeringar delas in i järn-baserade deformerade hög-högtemperaturlegeringar, nickel-baserade deformerade hög-högtemperaturlegeringar och kobolt-baserade deformerade{18}högtemperaturlegeringar.
(2) Gjutning av legeringar med hög-temperatur
Att gjuta legeringar med hög- temperatur är en process som direkt gjuter eller stelnar till delar efter omsmältning av legeringsgöten. Deras utveckling började på 1940-talet. Att gjuta legeringar med hög-temperatur tar inte längre hänsyn till prestanda för smidesdeformation. Precisionsgjutningsmetoder eller riktade stelningsprocesser kan användas för att gjuta ihåliga tunna-väggiga blad med komplexa former och fria inre hålrum. Därför är den totala mängden grundämnen i gjutna superlegeringar betydligt högre än i deformerade superlegeringar. Förstärkande element i fast lösning inkluderar Re och Ru, medan halten av den eldfasta metallen W ökar (i vissa legeringar överstiger 10%). Nederbördsförstärkande legeringselement{11}utöver Al och Ti inkluderar även Nb, Ta, Hf och V.
Gjutna superlegeringar kan klassificeras genom stelningsmetod i tre kategorier: likaxliga gjutna superlegeringar, riktat stelnade kolumnära superlegeringar och enkristallsuperlegeringar. Enkel-superlegeringar, en ny typ av superlegeringar, bildas genom att eliminera alla korngränser genom riktad stelning. Metaller är sammansatta av individuella kristaller, därav namnet enkelkristall superlegering. Korngränser är områden inom metallen där olika förvrängningar, defekter och föroreningar ackumuleras. Även om de är starkare vid rumstemperatur än i kristallen, är de känsliga för att glida vid höga temperaturer. När styrkan på korngränserna minskar vid höga temperaturer minskar metallens hållfasthet. Eliminering av korngränser genom riktad stelning ger därför enkristall-superlegeringar med utmärkt prestanda. För närvarande använder nästan alla avancerade motorer turbinblad eller ledskovlar i enkla-legeringar.
(3) Pulveriserade legeringar med hög-temperatur
När arbetstemperaturen för värme-beständiga legeringar blir högre och högre, ökar antalet förstärkningselement i legeringarna och sammansättningen blir mer komplex, vilket resulterar i vissa legeringar som endast kan användas i gjutet tillstånd och inte kan deformeras genom varmbearbetning. Dessutom orsakar ökningen av legeringselement allvarlig komponentsegregering i nickel-baserade legeringar efter stelning, vilket resulterar i ojämn struktur och prestanda. Användningen av pulvermetallurgisk teknik för att producera hög-temperaturlegeringar kan lösa ovanstående problem. Eftersom pulverpartiklarna är små och kylningshastigheten under pulvertillverkning är snabb, elimineras segregering och varmbearbetningsegenskaperna förbättras. Legeringen som bara kan gjutas omvandlas till en hög-temperaturlegering som kan varmbearbetas- och sträckgränsen och utmattningsegenskaperna förbättras. Pulveriserade högtemperaturlegeringar har skapat ett nytt sätt att producera legeringar med högre{11}}hållfasthet. Pulverformade högtemperaturlegeringar används huvudsakligen för att tillverka turbinskivor för hög-dragkraft-till-avancerade flygplansmotorer, och används även för att tillverka hög-temperaturvarma-komponenter såsom kompressorskivor, turbinaxlar för luftfartygsmotorer och turbinaxlar.
Användningsområden för högtemperaturlegeringar
1. Flyg och rymd
(1) Förbränningskammare
Förbränningskammaren är det område med den högsta driftstemperaturen bland alla motorkomponenter. När gastemperaturen i förbränningskammaren når 1500-2000 grader, kan temperaturen på kammarväggslegeringen nå 800-900 grader och lokalt upp till 1100 grader. De senaste åren har de flesta av de högtemperaturlegeringar som används i förbränningskammaren varit solida lösningsförstärkta legeringar. Legeringarna innehåller en stor mängd fast lösningsförstärkande element som W, Mo och Nb. De har hög temperaturhållfasthet och goda formnings- och svetsegenskaper. Representativa betyg inkluderar GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 och GH3170.
(2) Ledskovlar
Ledskovlarna är komponenter som justerar flödesriktningen för gasen som kommer ut ur förbränningskammaren. De kallas också ledskenor. De är en av de delar av turbinmotorn som utsätts för de största termiska chocken. Speciellt när förbränningen i brännkammaren är ojämn eller driften är dålig utsätts ledskovlarna för större värmebelastning. Driftstemperaturen för ledskovlarna på avancerade turbinmotorer kan nå 1100 grader. Driftstemperaturen för inhemska ledskovellegeringar kan nå 1000 ~ 1050 grader. Representativa hög-precisionsgjutlegeringar av legeringar inkluderar K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, etc.
(3) Turbinblad
Turbinblad är de komponenter som har de svåraste arbetsförhållandena i flygplansmotorer. Arbetsmiljötemperaturen är hög. Typiska kvaliteter av hög-temperaturlegeringsmaterial inkluderar GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220, etc., som kan användas i en miljö på 750-950 grader. Vid utveckling av nya motorer och modifiering av gamla modeller används gjutna högtemperaturlegeringar för att tillverka turbinblad. Typiska kvaliteter av gjutna legeringar inkluderar K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002, etc.
