Vysokoteplotní slitiny, známé také jako tepelně-slitiny nebo superslitiny, jsou třídou kovových materiálů schopných-dlouhodobého provozu ve vysokoteplotních-prostředích a při určitém namáhání. Vykazují vynikající odolnost proti vysokoteplotní -oxidaci a korozi za horka, stejně jako vynikající-pevnost při vysokých teplotách, únavové pevnosti a lomové houževnatosti při tečení. Tyto slitiny se primárně používají v leteckých, energetických a lodních turbínových motorech.
Klasifikace vysokoteplotních-slitin
1. Podle materiálu matrice je lze rozdělit do tří kategorií: na bázi železa-, na bázi niklu-a kobaltu-.
(1) Vysokoteplotní-slitiny na bázi železa-se také nazývají žáruvzdorné-legované oceli. Žáruvzdorné legované oceli lze rozdělit na martenzitické, austenitové, perlitové, feritové žáruvzdorné -oceli atd. podle jejich normalizačních požadavků. Vysokoteplotní-slitiny na bázi železa{10}} mají relativně nízkou provozní teplotu (600–850 stupňů), ale jejich mechanické-teploty jsou dobré, což jsou stejné nebo lepší než podobné slitiny na bázi niklu-. Navíc jsou levné a snadno se deformují při práci za tepla. Obecně se používají v částech motoru s nižšími provozními teplotami, jako jsou kotouče turbín, skříně a hřídele.
(2) Niklové-vysokoteplotní{2}}slitiny mají nejvyšší provozní teplotu (asi 1000 stupňů) a jsou široce používány při výrobě nejžhavějších součástí leteckých proudových motorů a různých průmyslových plynových turbín, jako jsou lopatky turbín, vodicí lopatky, turbíny atd.
(3) Vysokoteplotní slitiny na bázi kobaltu -vysoce- mají dobrou slévatelnost a svařitelnost a lze je použít při vysokých teplotách 700–1050 stupňů. Je složen převážně z kobaltu a jeho typickým představitelem je K610, který obsahuje více než 58 % kobaltu. Vzhledem k vysoké ceně a nedostatku kobaltu se doma i v zahraničí používá jen zřídka. Mezi stávající značky patří K640, K644, GH188 atd.
2. Podle procesu přípravy je lze rozdělit na deformované vysokoteplotní-slitiny, lité vysokoteplotní-slitiny a práškové vysokoteplotní-slitiny.
(1) Deformované vysokoteplotní-slitiny
Deformované vysokoteplotní-slitiny označují vysokoteplotní{1}}slitiny, které se vyrábějí studeným a teplým zpracováním ingotů na různé profily nebo polotovary součástí a nakonec na součásti za tepla-. Klíčem je, že slitinový ingot může vzniknout. Ve srovnání s litými vysokoteplotními-slitinami mají deformované vysokoteplotní-slitiny nízký stupeň legování. Proto je bod tání vyšší, horní mez pracovní teploty za tepla je vyšší, teplota rekrystalizace slitiny je nižší a spodní mez pracovní teploty za tepla je nižší. Proto je pracovní rozsah za tepla u deformovaných vysokoteplotních-slitin širší než u litých vysokoteplotních{10}slitin. Podle různých prvků matrice lze deformované vysokoteplotní slitiny rozdělit na -deformované vysokoteplotní- slitiny na bázi železa, -deformované vysokoteplotní- slitiny na bázi niklu a -kobaltové deformované vysokoteplotní{{18} slitiny.
(2) Odlévání vysokoteplotních- slitin
Odlévání vysokoteplotních slitin{0}} je proces, který po přetavení slitinových ingotů přímo odlévá nebo přímo tuhne do součástí. Jejich vývoj začal ve 40. letech 20. století. Odlévání vysokoteplotních- slitin již nebere v úvahu deformační výkon při kování. K odlévání dutých tenkostěnných čepelí se složitými tvary a volnými vnitřními dutinami lze použít metody přesného lití nebo procesy směrového tuhnutí. Proto je celkové množství prvků v litých superslitinách výrazně vyšší než v deformovaných superslitinách. Mezi prvky zpevňující tuhé roztoky patří Re a Ru, zatímco obsah žáruvzdorného kovu W je zvýšený (u některých slitin přesahuje 10 %). Srážecí-legující prvky zahrnují kromě Al a Ti také Nb, Ta, Hf a V.
Odlévané superslitiny lze klasifikovat metodou tuhnutí do tří kategorií: rovnoosé lité superslitiny, směrově tuhované sloupcové superslitiny a monokrystalické superslitiny. Jednokrystalické superslitiny, nový typ superslitiny, vznikají odstraněním všech hranic zrn prostřednictvím směrového tuhnutí. Kovy se skládají z jednotlivých krystalů, odtud název single-krystalová superslitina. Hranice zrn jsou oblasti v kovu, kde se hromadí různé deformace, defekty a nečistoty. I když jsou při pokojové teplotě silnější než uvnitř krystalu, jsou náchylné ke sklouznutí při vysokých teplotách. Když pevnost hranic zrn při vysokých teplotách klesá, pevnost kovu klesá. Eliminace hranic zrn prostřednictvím směrového tuhnutí proto poskytuje monokrystalické superslitiny s vynikajícím výkonem. V současné době téměř všechny pokročilé motory využívají turbínové lopatky nebo vodicí lopatky{10}}z jednokrystalové slitiny.
(3) Práškové vysokoteplotní-slitiny
Se zvyšující se pracovní teplotou žáru{0}}odolných slitin se zvyšuje počet zpevňujících prvků ve slitinách a složení se stává složitějším, což vede k tomu, že některé slitiny lze použít pouze v litém stavu a nelze je deformovat tvářením za tepla. Nárůst legujících prvků navíc způsobuje vážnou segregaci složek ve slitinách na bázi niklu po ztuhnutí, což má za následek nerovnoměrnou strukturu a výkon. Výše uvedené problémy může vyřešit použití technologie práškové metalurgie k výrobě vysokoteplotních- slitin. Protože částice prášku jsou malé a rychlost chlazení během výroby prášku je rychlá, je eliminována segregace a zlepšují se vlastnosti zpracování za tepla. Slitina, kterou lze pouze odlévat, je přeměněna na vysokoteplotní -slitinu, kterou lze opracovávat- za tepla, a zlepšuje se mez kluzu a únavové vlastnosti. Práškové vysokoteplotní{10} slitiny vytvořily nový způsob výroby slitin s vyšší{11}}pevností. Práškové vysokoteplotní-slitiny se používají hlavně k výrobě turbínových disků pro vysoký-tah{15}}do-pokročilých leteckých motorů a také se používají k výrobě vysoko{17}}teplotních{18}}komponentů, jako jsou kompresorové kotouče, turbínové hřídele a turbíny pro pokročilé letecké motory.
Oblasti použití vysokoteplotních slitin
1. Letectví
(1) Spalovací komora
Spalovací prostor je oblast s nejvyšší provozní teplotou ze všech součástí motoru. Když teplota plynu ve spalovací komoře dosáhne 1500-2000 stupňů , teplota slitiny stěny komory může dosáhnout 800-900 stupňů a lokálně až 1100 stupňů . V posledních letech byla většina vysokoteplotních slitin používaných ve spalovací komoře tvořena pevnými slitinami zpevněnými roztoky. Slitiny obsahují velké množství prvků zpevňujících pevný roztok, jako je W, Mo a Nb. Mají vysokou tepelnou pevnost a dobré tvarovací a svařovací vlastnosti. Reprezentativní třídy zahrnují GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 a GH3170.
(2) Vodicí lopatky
Vodicí lopatky jsou komponenty, které upravují směr proudění plynu vycházejícího ze spalovací komory. Říká se jim také vodicí lopatky. Jsou jednou z částí turbínového motoru, které podléhají největšímu tepelnému šoku. Zejména při nerovnoměrném spalování ve spalovací komoře nebo špatném provozu jsou rozváděcí lopatky vystaveny většímu tepelnému zatížení. Provozní teplota rozváděcích lopatek moderních turbínových motorů může dosáhnout 1100 stupňů. Provozní teplota slitin domácích vodicích lopatek může dosáhnout 1000 ~ 1050 stupňů. Mezi reprezentativní vysokoteplotní slitiny pro přesné lití patří slitiny K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B atd.
(3) Lopatky turbíny
Turbínové lopatky jsou komponenty s nejnáročnějšími pracovními podmínkami v leteckých motorech. Teplota pracovního prostředí je vysoká. Mezi typické typy vysokoteplotních slitinových materiálů patří GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 atd., které lze použít v prostředí 750-950 stupňů. Při vývoji nových motorů a úpravách starých modelů se k výrobě lopatek turbín používají lité vysokoteplotní slitiny. Typické třídy litých slitin zahrnují K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 atd.
