高溫合金又叫熱強合金。按基體組織材料可分為三類:鐵基、鎳基和鉻基。按生產(chǎn)方式可分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。它是航空航天領(lǐng)域中*的原材。它是航天,航空制造發(fā)動機高溫部分的關(guān)鍵材料。主要用于制造燃燒室,渦輪葉片,導向葉片,壓氣機與渦輪盤,渦輪機匣等部位。使用溫度范圍在600℃-1200℃,受力與環(huán)境條件隨使用零件所在部分不同而異,對合金的力學,物理,化學性能有嚴格的要求,是發(fā)動機的性能,可靠性與壽命的決定性因素。因此高溫合金是各發(fā)達國家航空航天,國防領(lǐng)域中的研究重點項目之一。
高溫合金應(yīng)用中主要有:
一、燃燒室用高溫合金
航空渦輪發(fā)動機燃燒室(也稱火焰筒)是關(guān)鍵的高溫部件之一。由于燃油霧化,油氣混合等過程都是在燃燒室進行的,因此燃燒室內(nèi)溫度最高可達1500℃-2000℃,燃燒室內(nèi)壁溫度達1100℃,同時還要承受熱應(yīng)力和燃氣應(yīng)力。高推重比發(fā)動機多采用環(huán)形燃燒室,其長度短,容熱強度高,燃燒室內(nèi)最高溫溫度達2000℃,采用氣膜或汽蒸發(fā)式冷卻后室壁溫度達到1150℃。各部位間有較大的溫度梯度會產(chǎn)生熱應(yīng)力,工作狀態(tài)改變時會急劇升降,材料受熱沖擊和熱疲勞負荷,出現(xiàn)擾曲變形,裂紋等故障。通常燃燒室采用板材合金制造,按具體零件使用條件提出各項技術(shù)要求概括如下:使用高溫合金和燃氣條件下具有一定的抗氧化,抗燃氣腐蝕能力;具有一定瞬時和持久強度,熱疲勞性能,較低的膨脹系數(shù);具有足夠的塑性,焊接性保證加工成形與連接;在熱循環(huán)下有良好的組織穩(wěn)定性,保證壽命期內(nèi)可靠工作。MA956合金多孔層板,多孔層板早期使用Haynes188合金薄板經(jīng)照相,腐蝕刻槽和打孔后用擴散連接制成。內(nèi)層可按設(shè)計要求制成理想的冷卻通道,這種結(jié)構(gòu)冷卻只需要傳統(tǒng)氣膜冷卻的30%冷卻氣體,可提高發(fā)動機熱循環(huán)效率,降低燃燒室材料的實際承熱量,減輕重量,增大推重比。目前仍有突破技術(shù)關(guān)鍵才能進入實際使用。采用MA956制作多孔層板是美國推出的新一代燃燒室材料,可在1300℃使用。
發(fā)動機燃燒室的發(fā)展材料,使用溫度1538℃-1650℃,用于火焰筒,浮壁片和加力燃燒室。
二、渦輪部分用高溫合金
航空發(fā)動機渦輪葉片是航空發(fā)動機中承受溫度載荷最劇烈和工作環(huán)境的部件之一,在高溫下要承受很大很復雜的應(yīng)力,因此對其材料的要求十分嚴格。而航空發(fā)動機渦輪葉片高溫合金又分為:
1、 導向器用高溫合金
導向器是渦輪發(fā)動機受熱沖擊最大的零件之一。當燃燒室出現(xiàn)燃燒不均勻,1級導向葉片受熱負荷很大,是造成導向葉片破壞的主要原因。其使用溫度比渦輪葉片大約高出100℃,區(qū)別是靜止件,所受機械負荷不大。通常容易發(fā)生熱應(yīng)力,引起的扭曲,溫度急劇變化引起的熱疲勞裂紋及局部燒傷。導向葉片合金應(yīng)具有如下性能:具有足夠的高溫強度,持久蠕性能及良好的熱疲勞性能,較高的抗氧化性和熱腐蝕性能,抗熱應(yīng)力和震動,彎曲變形能力,良好的鑄造工藝成型性能和可焊性,涂層防護性能。
目前,高推重比的先進發(fā)動機多采用空心鑄造葉片,選定定向和單晶鎳基高溫合金。高推重比發(fā)動機使用高溫達1650℃-1930℃,需要采用隔熱涂層防護。冷卻和涂層防護條件下葉片合金的使用溫度達1100℃以上,對未來導向葉片材料使用的溫度 密度 成本提出新的更高要求。
2、渦輪工作葉片用高溫合金
渦輪葉片,是航空發(fā)動機的關(guān)鍵承熱轉(zhuǎn)動部件,工作溫度低于導向葉片50℃-100℃,轉(zhuǎn)動時承受很大的離心應(yīng)力,振動應(yīng)力,熱應(yīng)力,氣流沖刷等作用,工作時條件惡劣。高推重比發(fā)動機要求熱端部件壽命大于2000h。因此,渦輪葉片合金在使用溫度下應(yīng)具有很高的抗蠕變和持久斷裂強度,很好的高,中溫綜合性能,如高,低循環(huán)疲勞,冷熱疲勞,足夠的塑性和沖擊韌性,抗缺口敏感性能;具有高的抗氧化性和腐蝕性能;良好的導熱性能,盡可能低的線膨脹系數(shù);良好的鑄造工藝性能;長期的組織穩(wěn)定性能,使用溫度下無TCP相析出。應(yīng)用的合金經(jīng)歷4個階段;變形合金應(yīng)用有GH4033,GH4143, GH4118, 等;鑄造合金應(yīng)用有K403,K417, K418,; K405,定向凝固合金DZ4,DZ22,單晶合金DD3, DD8, PW1484等。目前已發(fā)展至第三代單晶合金。我國單晶合金DD3和DD8分別用在我國渦輪,渦扇發(fā)動機和直升機,艦載發(fā)動機。
三、渦輪盤用高溫合金
渦輪盤是渦輪發(fā)動機受力最大的轉(zhuǎn)動承力件。推重比8和10發(fā)動機的輪緣使用溫度達到650℃和750℃,輪心溫度300℃左右,溫差大。在正常轉(zhuǎn)動時帶動葉片高速旋轉(zhuǎn),承受最大的離心力,熱應(yīng)力,震動應(yīng)力的綜合作用。每次啟動,停車是一個循環(huán),輪心。喉道,槽底,輪緣均承受不同的復合應(yīng)力。要求合金在使用溫度下具有最高的屈服強度,沖擊韌性,無缺口敏感;低的線膨脹系數(shù);一定的抗氧化,抗腐蝕性能;良好的切削加工性能。
四、航天用高溫合金
液體火箭發(fā)動機中高溫合金用于推力室作燃燒室噴注器面板;渦輪泵彎通,法蘭盤,石墨舵緊固件等。
液體火箭發(fā)動機中高溫合金用于推力室做燃料室噴注器面板;渦輪泵彎通,法盤,石墨舵緊固件等。我國YF73和YF75采用GH3030合金絲編織網(wǎng)經(jīng)18層重疊后再經(jīng)軋制,燒結(jié)成多孔發(fā)散冷卻面板制成燃燒室噴注面板。渦輪轉(zhuǎn)子開始使用GH1040和GH2038A,后用GH4169整體鍛造,輪盤機加工而成,葉片電解加工而成,克服了GH1040長試時變形過大問題。對比GH1040與GH4169合金性能可知,遠程發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子對材料的要求,在800℃398MPa20min符合要求為標準,GH4169可達30min組織性能穩(wěn)定;GH1040則在800℃294MPa下只能保持6min,不能勝任使用要求。更有利:在-253℃至室溫其強度增加392MPa-400MPa 塑性基本不變,低溫沖擊韌性較好。因此,GH4169用作渦輪轉(zhuǎn)子,軸,軸套,緊固件等重要承力件的材料。
美國液體火箭發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子材料主要有進氣管,渦輪葉片和輪盤。我國多采用GH1131合金,渦輪葉片依工作溫度而定,先后應(yīng)采用Inconelx, Alloy713c, Astroloy和Mar-M246;輪盤材料有Inconel718, Waspaloy等,我國多采用GH4169, GH4141整體渦輪,發(fā)動機軸用GH2038A.
與運載火箭姿態(tài)控制的小型液體火箭,一般推力?。?.02N-2000N),脈沖起動數(shù)次數(shù)十萬次,最小脈沖寬度幾毫米秒,總工作時間5年-10年,要求可靠性高,其噴管延伸段采用輻射冷卻的單層結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,質(zhì)量輕,燃燒溫度高,推力室一般選用鈮基合金NbHf10-1,為改善使用性能采用表面噴涂抗氧化涂層。使用溫度1100℃-1600℃,通常采用液膜冷卻保護燃燒室內(nèi)壁。美國采用錸銥合金燃燒室+抗氧化涂層,可取消液膜冷卻,性能明顯提高,相繼研制成功22N 66N 和445N姿態(tài)發(fā)動機燃燒室,投入使用后使衛(wèi)星和飛船有效負荷增加20KG-100KG。
新一代運載火箭發(fā)動機需研制應(yīng)用大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量的新型高溫合金,用Ti,Al基合金代替部分鎳基合金。用GH4169制造泵殼體和低膨脹合金。
隨著航天航空事業(yè)的不斷發(fā)展,為了滿足各種飛行任務(wù)的需要,對于高溫合金領(lǐng)域的材料提出了更高的要求。這就要求我們不斷的向先進國家學習,并且通過自身不斷的實踐和創(chuàng)新,為我國國防科技發(fā)展貢獻力量。