Kõrgtemperatuuri sulamit nimetatakse ka kuumakindlaks sulamiks. Maatriksi struktuuri järgi saab materjalid jagada kolme kategooriasse: raua-, nikli- ja kroomipõhised. Tootmisviisi järgi saab need jagada deformeeritud supersulamiteks ja valatud supersulamiteks.
See on asendamatu tooraine lennunduses. See on lennunduse ja lennunduse mootorite kõrgtemperatuursete osade põhimaterjal. Seda kasutatakse peamiselt põlemiskambri, turbiinilaba, juhtlaba, kompressori ja turbiiniketta, turbiini korpuse ja muude osade tootmiseks. Töötemperatuuride vahemik on 600 ℃ - 1200 ℃. Pinge ja keskkonnatingimused varieeruvad olenevalt kasutatavatest osadest. Sulami mehaanilistele, füüsikalistele ja keemilistele omadustele on kehtestatud ranged nõuded. See on mootori jõudluse, töökindluse ja eluea määrav tegur. Seetõttu on supersulam arenenud riikides üks olulisemaid uurimisprojekte lennunduse ja riigikaitse valdkonnas.
Supersulamite peamised rakendused on:
1. Põlemiskambri jaoks kõgetemperatuuriline sulam
Lennukiturbiinmootori põlemiskamber (tuntud ka kui leegitoru) on üks peamisi kõrgtemperatuurilisi komponente. Kuna põlemiskambris toimuvad kütuse pihustamine, õli ja gaasi segamine ning muud protsessid, võib põlemiskambri maksimaalne temperatuur ulatuda 1500 ℃–2000 ℃-ni ja põlemiskambri seina temperatuur võib ulatuda 1100 ℃-ni. Samal ajal talub see ka termilist pinget ja gaasipinget. Enamik suure tõukejõu/kaalu suhtega mootoreid kasutab rõngakujulisi põlemiskambreid, millel on lühike pikkus ja suur soojusmahtuvus. Põlemiskambri maksimaalne temperatuur ulatub 2000 ℃-ni ja gaasikilega või auruga jahutamisel ulatub seina temperatuur 1150 ℃-ni. Suured temperatuurigradiendid erinevate osade vahel tekitavad termilist pinget, mis tööoleku muutudes järsult tõuseb ja langeb. Materjal kannatab termilise löögi ja termilise väsimuskoormuse all ning tekivad deformatsioonid, praod ja muud vead. Üldiselt on põlemiskamber valmistatud lehtmetallist ja tehnilised nõuded on kokku võetud järgmiselt vastavalt konkreetsete osade töötingimustele: sellel on teatud oksüdatsioonikindlus ja gaasikorrosioonikindlus kõrge temperatuuriga sulami ja gaasi kasutamisel; sellel on teatud hetkeline ja vastupidavustugevus, termilise väsimuse taluvus ja madal paisumiskoefitsient; sellel on piisav plastsus ja keevitusvõime töötlemise, vormimise ja ühendamise tagamiseks; sellel on hea organisatsiooniline stabiilsus termilise tsükli ajal, et tagada usaldusväärne töö kogu kasutusea jooksul.
a. MA956 sulamist poorne laminaat
Algstaadiumis valmistati poorne laminaat HS-188 sulamlehest difusioonliimimise teel pärast pildistamist, söövitamist, soonte tegemist ja stantsimist. Sisemisest kihist saab vastavalt projekteerimisnõuetele valmistada ideaalse jahutuskanali. See konstruktsioonijahutus vajab vaid 30% traditsioonilise kilejahutuse jahutusgaasist, mis võib parandada mootori termilise tsükli efektiivsust, vähendada põlemiskambri materjali tegelikku soojuskandevõimet, vähendada kaalu ja suurendada tõukejõu ja kaalu suhet. Praegu on enne praktilist kasutamist vaja läbi murda võtmetehnoloogia. MA956-st valmistatud poorne laminaat on Ameerika Ühendriikides kasutusele võetud uue põlvkonna põlemiskambri materjal, mida saab kasutada temperatuuril 1300 ℃.
b. Keraamiliste komposiitide kasutamine põlemiskambris
Ameerika Ühendriigid on hakanud gaasiturbiinides keraamika kasutamise teostatavust kontrollima alates 1971. aastast. 1983. aastal sõnastasid mõned Ameerika Ühendriikides täiustatud materjalide väljatöötamisega tegelevad rühmad rea jõudlusnäitajaid täiustatud õhusõidukites kasutatavate gaasiturbiinide jaoks. Need näitajad on: turbiini sisselasketemperatuuri tõstmine 2200 ℃-ni; töötamine keemilise arvutuse põlemisolekus; nendele osadele rakendatava tiheduse vähendamine 8 g/cm3-lt 5 g/cm3-le; komponentide jahtumise tühistamine. Nende nõuete täitmiseks uuriti lisaks ühefaasilisele keraamikale ka grafiiti, metallmaatrikseid, keraamilisi maatriksikomposiite ja metallidevahelisi ühendeid. Keraamilistel maatriksikomposiitidel (CMC) on järgmised eelised:
Keraamilise materjali paisumistegur on palju väiksem kui niklil põhineval sulamil ja kate on kergesti eemaldatav. Keraamiliste komposiitide valmistamine metallvildist vahepealse kihiga võimaldab ületada ketendusdefekti, mis on põlemiskambri materjalide arendussuund. Seda materjali saab kasutada 10–20% jahutusõhuga ja metalli tagaisolatsiooni temperatuur on vaid umbes 800 ℃ ning soojuskande temperatuur on palju madalam kui hajuvjahutus ja kilejahutus. V2500 mootoris kasutatakse valatud supersulamist B1900+ keraamilise kattega kaitseplaati ning arendussuund on B1900 (keraamilise kattega) plaadi asendamine SiC-põhise komposiidi või antioksüdatiivse C/C komposiidiga. Keraamiline maatrikskomposiit on mootori põlemiskambri arendusmaterjal, mille tõukejõu ja kaalu suhe on 15–20 ja mille töötemperatuur on 1538 ℃–1650 ℃. Seda kasutatakse leegitorude, ujuvseinte ja järelpõletite jaoks.
2. Turbiini jaoks mõeldud kõrgtemperatuuriline sulam
Lennukimootori turbiinilaba on üks komponente, mis talub lennukimootoris kõige suuremat temperatuurikoormust ja halvimaid töötingimusi. See peab kõrge temperatuuri all taluma väga suuri ja keerulisi pingeid, seega on selle materjalinõuded väga ranged. Lennukimootori turbiinilabade supersulamid jagunevad järgmiselt:
a.Kõrge temperatuuriga sulam juhiku jaoks
Deflektor on üks turbiinmootori osi, mida kuumus kõige enam mõjutab. Kui põlemiskambris toimub ebaühtlane põlemine, on esimese astme juhtlaba kuumutuskoormus suur, mis on juhtlaba kahjustuste peamine põhjus. Selle töötemperatuur on umbes 100 ℃ kõrgem kui turbiinilabal. Erinevus seisneb selles, et staatilised osad ei ole mehaanilise koormuse all. Tavaliselt on kiire temperatuurimuutuse tõttu lihtne tekitada termilist pinget, deformatsiooni, termilist väsimuspragu ja lokaalset põlemist. Juhtlaba sulamil peaksid olema järgmised omadused: piisav kõrge temperatuuritugevus, püsiv roomekindlus ja hea termiline väsimuskindlus, kõrge oksüdatsioonikindlus ja termiline korrosioonikindlus, termiline pinge ja vibratsioonikindlus, paindedeformatsioonivõime, hea valamisprotsessi vormimisvõime ja keevitatavus ning katte kaitse.
Praegu kasutavad enamik kõrge tõukejõu ja kaalu suhtega mootoritest õõnsaid valatud labasid ning valitakse suunatud ja monokristallilised niklipõhised supersulamid. Kõrge tõukejõu ja kaalu suhtega mootoril on kõrge temperatuur 1650 ℃–1930 ℃ ja see vajab kaitset soojusisolatsioonikihiga. Jahutus- ja kaitsekatte tingimustes on labasulami töötemperatuur üle 1100 ℃, mis seab tulevikus juhtlaba materjali temperatuuritihedusele uusi ja kõrgemaid nõudeid.
b. Supersulamid turbiinilabade jaoks
Turbiinilabad on lennukimootorite peamised soojust kandvad pöörlevad osad. Nende töötemperatuur on 50 ℃–100 ℃ madalam kui juhtlabadel. Pöörlemisel taluvad nad suurt tsentrifugaalpinget, vibratsioonipinget, termilist pinget, õhuvoolu hõõrdumist ja muid mõjusid ning töötingimused on halvad. Mootori suure tõukejõu/kaalu suhtega kuumotsa komponentide kasutusiga on üle 2000 tunni. Seetõttu peaks turbiinilabade sulamil olema töötemperatuuril kõrge roomekindlus ja purunemistugevus, head kõrge ja keskmise temperatuuri üldised omadused, nagu kõrge ja madaltsükliline väsimus, külma- ja kuumväsimus, piisav plastsus ja löögikindlus ning sälgutundlikkus; kõrge oksüdatsioonikindlus ja korrosioonikindlus; hea soojusjuhtivus ja madal lineaarpaisumistegur; hea valamise protsessi jõudlus; pikaajaline konstruktsiooniline stabiilsus, TCP-faasi sadestumist töötemperatuuril ei toimu. Kasutatav sulam läbib neli etappi; Deformeerunud sulami rakenduste hulka kuuluvad GH4033, GH4143, GH4118 jne; Valusulamite rakenduste hulka kuuluvad K403, K417, K418, K405, suunatud tahkestumisega kuld DZ4, DZ22, monokristallisulamid DD3, DD8, PW1484 jne. Praegu on see arenenud kolmanda põlvkonna monokristallisulamini. Hiina monokristallisulameid DD3 ja DD8 kasutatakse vastavalt Hiina turbiinides, turboventilaatormootorites, helikopterites ja laevamootorites.
3. Turbiiniketta kõrgtemperatuuriline sulam
Turbiiniketas on turbiinmootori kõige enam koormatud pöörlev laager. Mootori rattaääriku töötemperatuur tõukejõu ja kaalu suhtega 8 ja 10 ulatub 650 ℃ ja 750 ℃-ni ning ratta keskme temperatuur on umbes 300 ℃, kusjuures temperatuuride vahe on suur. Normaalse pöörlemise ajal paneb see laba pöörlema suurel kiirusel ja kannab maksimaalset tsentrifugaaljõudu, termilist pinget ja vibratsioonipinget. Iga käivitus ja seiskamine on tsükkel, ratta keskme. Sulav soon, soone põhi ja velg kannavad kõik erinevaid komposiitpingeid. Sulamilt nõutakse töötemperatuuril kõrgeimat voolavuspiiri, löögikindlust ja sälgutundlikkuse puudumist; madal lineaarne paisumistegur; kindel oksüdatsiooni- ja korrosioonikindlus; hea lõikeomadus.
4. Lennunduse ja kosmosetööstuse supersulam
Vedelkütuse rakettmootori supersulamit kasutatakse tõukekambri põlemiskambri kütusepihusti paneelina; turbiinipumba küünarnukina, äärikuna, grafiidist roolikinnitusdetailina jne. Kõrgtemperatuurilist sulamit vedelkütuse rakettmootoris kasutatakse kütusekambri pihusti paneelina tõukekambris; turbiinipumba küünarnukina, äärikuna, grafiidist roolikinnitusdetailina jne. GH4169 kasutatakse turbiini rootori, võlli, võlli hülsi, kinnitusdetaili ja muude oluliste laagriosade materjalina.
Ameerika vedelkütusega rakettmootorite turbiini rootorimaterjalide hulka kuuluvad peamiselt sisselasketoru, turbiinilaba ja ketas. Hiinas kasutatakse enamasti GH1131 sulamit ning turbiinilaba töötemperatuur sõltub temperatuurist. Järjepidevalt tuleks kasutada Inconel X, Alloy 713C, Astroloy ja Mar-M246 sulameid; rattaketta materjalide hulka kuuluvad Inconel 718, Waspaloy jne. Enamasti kasutatakse integreeritud turbiine GH4169 ja GH4141 ning mootori võlli jaoks GH2038A.