一.Aplicação de superliga em motores aeronáuticos
Fluxo de trabalho do motor turbina: Quando o motor é ligado, o ar entra no compressor pela entrada, é pressurizado e entra na câmara de combustão, mistura-se com o combustível emitido pelo bico injetor de combustível, forma uma mistura uniforme e é rapidamente inflamado e queimado no câmara de combustão, produz gás de alta temperatura fluindo através da guia para a turbina, e a turbina gira em alta velocidade (a velocidade normal pode chegar a 1100 r/min) sob o fluxo de gás de alta temperatura e alta pressão. O gás da turbina é expelido do bocal de cauda para gerar empuxo. Devido à vibração, erosão do fluxo de ar, especialmente o efeito centrífugo causado pela rotação, as partes de alta temperatura do motor da aeronave serão submetidas a maior estresse, o gás contém muito oxigênio, vapor de água e existem gases corrosivos como SO2,H2S , que desempenhará um papel na oxidação e corrosão de peças de alta temperatura. Quer se trate de uma aeronave militar, aeronave civil, além de desempenho estrutural e funcional, mas também exige segurança e estabilidade, portanto, motores modernos, além de alta relação empuxo-peso, alta temperatura, alta relação de pressão e outros desempenhos, há são requisitos rigorosos de confiabilidade, durabilidade e capacidade de manutenção.
A superliga possui alta estabilidade térmica e resistência térmica, podendo ter boa resistência à corrosão e resistência à oxidação em altas temperaturas. É um material chave essencial para a fabricação de componentes hot end de motores de turbina de aviação, usado principalmente na fabricação de componentes hot end de turbinas, nomeadamente disco de turbina, lâmina guia de turbina, lâmina de trabalho de turbina, câmara de combustão e componentes de pós-combustão. Em motores de aeronaves modernos e avançados, a quantidade de materiais de superliga representa 40%-60% do motor total.
A câmara de combustão é a área de temperatura de trabalho mais alta dos componentes do motor, e quando a temperatura do gás na câmara de combustão atinge 1500-2000 graus C, a temperatura da liga da parede da câmara pode atingir 800 ~ 900 graus C, e o local a temperatura pode chegar a 1100 graus C. A liga utilizada como câmara de combustão está sujeita a estresse térmico e força de impacto de gás, principalmente durante a decolagem, aceleração e estacionamento, e as mudanças de temperatura são mais drásticas. Devido ao aquecimento e resfriamento cíclicos, a câmara de combustão freqüentemente apresenta deformações, empenamentos e rachaduras por fadiga térmica nas bordas.
Nos últimos anos, a maioria das superligas utilizadas na câmara de combustão são ligas reforçadas com solução sólida, que contêm um grande número de W, Mo, Nb e outros elementos reforçados com solução sólida, resistência a altas temperaturas, bom desempenho de conformação e soldagem. As marcas representativas são GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 e assim por diante.
A lâmina guia é um componente que ajusta a direção do fluxo de gás da câmara de combustão, também conhecida como guia. É uma das peças do motor da turbina que está sujeita a grandes impactos térmicos. Especialmente quando a câmara de combustão não é uniforme e a operação não é boa, a lâmina guia é submetida a maior carga térmica e a temperatura de operação da lâmina guia do motor de turbina avançado pode atingir 1100 graus. Distorção causada por estresse térmico, rachaduras por fadiga térmica causadas por mudanças drásticas de temperatura e queimaduras locais são os principais defeitos das lâminas guia em operação.
A maioria das ligas usadas como lâminas guia são produzidas por processo de fundição de precisão, e mais W, Mo, Nb, Al, Ti e outros elementos de reforço de solução sólida e reforço de envelhecimento podem ser adicionados às ligas, e o conteúdo de C e B em as ligas também é maior do que as ligas deformadas de alta temperatura. Algumas lâminas guia também são soldadas diretamente de chapas reforçadas pelo envelhecimento. Os motores aeronáuticos avançados usam principalmente lâminas fundidas ocas, que têm bom efeito de resfriamento e podem aumentar a temperatura de serviço. O uso de temperatura de liga de palheta guia doméstica pode atingir 000 ~ 1050 graus, liga de fundição de precisão representativa K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, etc.
Com o desenvolvimento do motor, para atender ao aumento adicional da temperatura do disco da turbina do motor, a estrutura da lâmina guia também mudou, e tenta-se adotar GH5605 e GH5188. A estrutura laminada soldada da folha de superliga deformada é usada como lâmina guia.
As pás das turbinas são os componentes mais severos em motores aeronáuticos com alta temperatura de trabalho e grande tensão centrífuga, tensão vibratória, tensão térmica e força de erosão do fluxo de ar durante a rotação. A tensão de tração do corpo da lâmina é de cerca de 140MPa, e a tensão média da raiz da lâmina é de 280-560MPa. A temperatura do corpo da lâmina e da parte da raiz é de cerca de 650-980 graus e 760 graus, respectivamente. A temperatura de entrada do gás do motor aeronáutico avançado atingiu 1.380 graus e o empuxo atingiu 226kN. Típico de GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 etc., pode ser usado em 750-950 grau. No desenvolvimento de novas máquinas e na modificação de máquinas antigas, a superliga fundida é utilizada para fabricar pás de turbinas. Os graus típicos de ligas fundidas são K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 e assim por diante.
O disco da turbina é responsável pela maior massa nos componentes do motor aeronáutico, com a massa única de mais de 50kg, e a massa única do grande disco da turbina chega a centenas de quilogramas. No estúdio do disco da turbina, a temperatura geral do aro pode atingir 550-650 graus C, enquanto a temperatura do centro da roda é de apenas cerca de 300 graus C, e a diferença de temperatura de todo o disco da turbina é muito grande. Portanto, é gerada uma grande tensão térmica radial. As pás da turbina giram em alta velocidade durante a rotação normal e suportam grande força centrífuga. A tensão na parte do dente da espiga é mais complexa, incluindo tensão de tração e tensão de torção, que formam uma alta tensão e baixa fadiga de ciclo durante a partida e a parada.
Superligas deformadas para discos de turbina, um tipo são superligas à base de ferro-níquel, os tipos de liga típicos são GH2132, GH2135, GH2901, GH4761, etc., a temperatura operacional está abaixo de 650 graus; Outro tipo de superliga à base de níquel, a marca típica GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 etc., usando a temperatura pode chegar a 700 ^ 800 graus.
2. Aplicação de superliga em motor de foguete
O foguete transportador é um veículo para enviar uma variedade de espaçonaves para a órbita espacial. A superliga no campo espacial é usada principalmente no motor de foguete transportador de empuxo. A Figura 2 é um diagrama esquemático do motor de foguete de combustível líquido e sua estrutura, que transforma os reagentes (propelentes) no reservatório de propelente ou veículo em jatos de alta velocidade para gerar empuxo. Como pode ser visto na Figura (b), o fluxo de ar no bocal do motor do foguete atinge 2.500 m/s e a temperatura chega a 1.350 graus.
As superligas para motores de foguete podem ser usadas em princípio com ligas para motores de turbina de aviação, mas em comparação com os motores de aviação, os materiais para motores de foguete têm algumas características novas:
Superligas deformadas à base de níquel geralmente adicionam 10%-25% de elemento Cr para garantir que a liga tenha boa resistência à corrosão oxidativa, de modo que a liga à base de níquel é na verdade Ni-Cr como matriz. Além disso, algumas ligas adicionam os elementos Co(15%-20%),Mo (cerca de 15%) ou W (cerca de 11%) em solução sólida de Ni-Cr para formar uma superliga deformada de sistema ternário com Ni-Cr -Co,Ni-Cr-Mo,Ni-Cr-W como matriz, respectivamente. A Tabela 6 mostra as marcas, composições químicas e temperaturas operacionais de superligas deformadas à base de níquel comumente usadas na China. A Figura 6 mostra a tendência de desenvolvimento da aplicação de superligas em pás e pratos de turbinas.
A superliga de deformação à base de cobalto é essencialmente baseada no sistema ternário Co-Ni-Cr e contém W, Mo, Nb, Ta e outros elementos de reforço de solução sólida e elementos formadores de carboneto. Em comparação com superligas deformadas à base de níquel, a taxa de endurecimento por trabalho é maior e a qualidade da superfície das peças após a conformação é melhor, mas no processo de conformação, geralmente são necessários mais tempos de aquecimento por trabalho a quente ou tempos de recozimento intermediários por deformação a frio, e o a tonelagem do equipamento de formação de processamento também é necessária. As superligas deformadas à base de cobalto têm alta resistência e excelente resistência à fadiga térmica, corrosão térmica e resistência ao desgaste quando são superiores a 980 graus. No entanto, as superligas deformadas à base de cobalto têm o carboneto como principal fase de reforço e carecem de uma fase de reforço homogênea, e sua resistência durável é inferior à das superligas deformadas à base de níquel em faixas de temperatura baixa e média. A Tabela 9 lista as propriedades mecânicas de alta temperatura de superligas deformadas típicas à base de cobalto.