Ứng dụng hợp kim chịu nhiệt độ cao trong ngành hàng không vũ trụ
Siêu hợp kim có thể được chia thành ba nhóm theo cấu trúc ma trận của chúng: gốc sắt, gốc niken và gốc crom.
Theo phương thức sản xuất, nó có thể được chia thành siêu hợp kim biến dạng và siêu hợp kim đúc. Đây là nguyên liệu thô không thể thiếu trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Đây là vật liệu chính cho các bộ phận chịu nhiệt độ cao của động cơ hàng không vũ trụ và hàng không. Chủ yếu được sử dụng để sản xuất buồng đốt, Cánh tuabin, cánh dẫn hướng, máy nén và đĩa tuabin, vỏ tuabin và các bộ phận khác. Nhiệt độ làm việc dao động từ 600 độ C đến 1200 độ C. Các điều kiện cơ học và môi trường thay đổi tùy theo các bộ phận đang sử dụng. Các tính chất cơ học, vật lý và hóa học của hợp kim được yêu cầu nghiêm ngặt, đây là hiệu suất của động cơ, yếu tố quyết định độ tin cậy và tuổi thọ. Do đó, siêu hợp kim là một trong những dự án nghiên cứu trọng điểm trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và quốc phòng ở các nước phát triển.
Ứng dụng hợp kim nhiệt độ cao
1. Hợp kim nhiệt độ cao cho buồng đốt
Buồng đốt của tua bin động cơ máy bay (còn được gọi là ống lửa) là một trong những thành phần nhiệt độ cao quan trọng. Do các quá trình như phun nhiên liệu và trộn dầu-khí diễn ra trong buồng đốt, nhiệt độ có thể lên tới 1500 độ đến 2000 độ, với nhiệt độ thành buồng đạt tới 1100 độ. Ngoài ra, buồng phải chịu được ứng suất nhiệt và khí. Động cơ có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cao thường sử dụng buồng đốt hình khuyên, ngắn hơn và có cường độ nhiệt cao hơn; bên trong các buồng này, nhiệt độ có thể đạt tới 2000 độ, với nhiệt độ thành buồng là 1150 độ sau khi làm mát màng hoặc làm mát bay hơi hơi. Các gradient nhiệt độ đáng kể giữa các khu vực khác nhau tạo ra ứng suất nhiệt, dẫn đến biến dạng, nứt và các hỏng hóc khác do sốc nhiệt và tải trọng mỏi nhiệt. Thông thường, buồng đốt được làm từ hợp kim tấm và các yêu cầu kỹ thuật đối với các thành phần cụ thể bao gồm: khả năng chống oxy hóa và ăn mòn khí trong điều kiện nhiệt độ cao; đủ độ bền tạm thời và dài hạn, hiệu suất mỏi nhiệt và hệ số giãn nở thấp; độ dẻo và khả năng hàn thích hợp để đảm bảo khả năng gia công và kết nối; và độ ổn định cấu trúc vi mô tốt trong quá trình tuần hoàn nhiệt để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong suốt vòng đời của chúng.
1)Tấm hợp kim xốp MA956
Các tấm lớp xốp ban đầu được làm từ các tấm hợp kim HS-188 mỏng, được xử lý thông qua nhiếp ảnh, khắc ăn mòn và đục lỗ, sau đó là liên kết khuếch tán. Các lớp bên trong có thể được thiết kế để tạo ra các kênh làm mát lý tưởng. Cấu trúc này cho phép giảm nhu cầu khí làm mát xuống 30% so với nhu cầu làm mát màng truyền thống, tăng cường hiệu suất chu trình nhiệt của động cơ và giảm tải nhiệt thực tế trên các vật liệu buồng đốt, do đó làm giảm trọng lượng và tăng tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng. Hiện tại, vẫn cần có những đột phá về công nghệ để sử dụng thực tế. Tấm lớp xốp MA956, một thế hệ vật liệu buồng đốt mới từ Hoa Kỳ, có thể sử dụng ở nhiệt độ 1300 độ.
2) Vật liệu composite nền gốm trong buồng đốt
Hoa Kỳ bắt đầu thử nghiệm tính khả thi của gốm sứ đối với tua-bin khí vào năm 1971. Đến năm 1983, nhiều nhóm tham gia phát triển vật liệu tiên tiến đã thiết lập các số liệu hiệu suất cho tua-bin khí được sử dụng trong máy bay tiên tiến, bao gồm tăng nhiệt độ đầu vào tua-bin lên 2200 độ, hoạt động trong điều kiện đốt cháy được tính toán về mặt hóa học, giảm mật độ thành phần từ 8 g/cm³ xuống 5 g/cm³ và loại bỏ làm mát cho các thành phần này. Các vật liệu được nghiên cứu không chỉ bao gồm gốm sứ một pha mà còn có than chì, ma trận kim loại và vật liệu composite ma trận gốm, cũng như các hợp chất liên kim loại. Vật liệu composite ma trận gốm (CMC) có một số ưu điểm: hệ số giãn nở nhiệt của chúng thấp hơn nhiều so với hợp kim gốc niken và lớp phủ có xu hướng bong tróc dễ dàng. Việc tạo ra CMC với các tấm kim loại trung gian có thể khắc phục các vấn đề bong tróc và đại diện cho một hướng phát triển vật liệu buồng đốt. Những vật liệu như vậy có thể hoạt động với chỉ 10% đến 20% không khí làm mát, dẫn đến nhiệt độ kim loại trở lại khoảng 800 độ, thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ từ làm mát phân kỳ và làm mát màng. Động cơ V2500 sử dụng hợp kim đúc chịu nhiệt độ cao B1900 với lớp bảo vệ phủ gốm, và hướng phát triển là thay thế lớp B1900 (có lớp phủ gốm) bằng vật liệu composite nền SiC hoặc vật liệu composite C/C chống oxy hóa. CMC là vật liệu cho buồng đốt trong động cơ có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng từ 15 đến 20, hoạt động ở nhiệt độ từ 1538 độ đến 1650 độ, được sử dụng cho ống ngọn lửa, tấm tường nổi và buồng đốt tăng lực.
2. Hợp kim chịu nhiệt độ cao cho các bộ phận tuabin
Các cánh tua bin động cơ hàng không là một trong những thành phần chịu tải nhiệt độ khắc nghiệt nhất và môi trường hoạt động khắc nghiệt nhất. Chúng phải chịu được ứng suất đáng kể và phức tạp ở nhiệt độ cao, dẫn đến các yêu cầu về vật liệu rất nghiêm ngặt. Hợp kim chịu nhiệt độ cao cho cánh tua bin có thể được phân loại như sau:
1) Hợp kim chịu nhiệt độ cao cho stato
Stato là một trong những thành phần trong động cơ tua bin chịu nhiều cú sốc nhiệt nhất. Khi quá trình đốt cháy không đều xảy ra trong buồng đốt, các cánh stato giai đoạn đầu phải chịu tải nhiệt đáng kể, đây là nguyên nhân chính gây ra hỏng stato. Nhiệt độ hoạt động của chúng thường cao hơn khoảng 100 độ so với nhiệt độ của cánh tua bin, nhưng chúng là các thành phần tĩnh và chịu ít tải cơ học hơn. Tuy nhiên, chúng dễ bị ứng suất nhiệt có thể dẫn đến biến dạng, nứt mỏi nhiệt và cháy cục bộ. Các hợp kim được sử dụng cho cánh stato phải có các đặc điểm sau: đủ độ bền nhiệt độ cao, độ bền chống lại sự biến dạng, hiệu suất mỏi nhiệt tốt, khả năng chống oxy hóa và ăn mòn nhiệt cao, khả năng chống ứng suất nhiệt và rung động, khả năng biến dạng uốn, khả năng đúc tốt và hiệu suất bảo vệ lớp phủ.
Hiện nay, các động cơ đẩy cao tiên tiến thường sử dụng các cánh đúc rỗng làm từ hợp kim niken đơn tinh thể hoặc định hướng chịu nhiệt độ cao. Động cơ đẩy cao hoạt động ở nhiệt độ từ 1650 độ đến 1930 độ, đòi hỏi phải sử dụng lớp phủ chắn nhiệt. Trong điều kiện làm mát và bảo vệ lớp phủ, nhiệt độ hoạt động của hợp kim cánh vượt quá 1100 độ, đặt ra các yêu cầu mới và cao hơn về nhiệt độ, mật độ và chi phí đối với vật liệu cánh stato trong tương lai.
2) Hợp kim chịu nhiệt độ cao cho cánh tuabin làm việc
Cánh tua bin là thành phần quay quan trọng trong động cơ máy bay, với nhiệt độ vận hành thấp hơn từ 50 độ đến 100 độ so với cánh stato. Trong quá trình quay, chúng chịu ứng suất ly tâm, ứng suất rung, ứng suất nhiệt và xói mòn luồng khí đáng kể, hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. Động cơ đẩy cao yêu cầu tuổi thọ của các thành phần đầu nhiệt phải vượt quá 2000 giờ. Do đó, hợp kim cánh tua bin phải thể hiện khả năng chống biến dạng cao và độ bền gãy dài hạn ở nhiệt độ vận hành, hiệu suất nhiệt độ cao và trung bình tuyệt vời, bao gồm mỏi chu kỳ cao và thấp, mỏi nhiệt, độ dẻo đủ và độ bền va đập, cũng như khả năng chống oxy hóa và ăn mòn cao. Chúng phải có độ dẫn nhiệt tốt và hệ số giãn nở tuyến tính càng thấp càng tốt, khả năng đúc tốt và độ ổn định vi cấu trúc dài hạn mà không có kết tủa pha TCP ở nhiệt độ vận hành. Các hợp kim được sử dụng đã phát triển qua bốn giai đoạn: hợp kim rèn như GH4033, GH4143 và GH4118; hợp kim đúc như K403, K417, K418 và K405; hợp kim đông đặc định hướng như DZ4 và DZ22; và hợp kim đơn tinh thể như DD3, DD8 và PW1484. Quá trình phát triển hiện đã đạt đến thế hệ thứ ba của hợp kim đơn tinh thể. Ở Trung Quốc, hợp kim đơn tinh thể DD3 và DD8 được sử dụng trong động cơ tua bin, động cơ phản lực cánh quạt, trực thăng và động cơ tàu biển.
3) Hợp kim chịu nhiệt độ cao cho đĩa tua bin
Đĩa tua bin là bộ phận chịu tải quay chịu ứng suất cao nhất trong động cơ tua bin. Đối với động cơ có tỷ số lực đẩy trên trọng lượng là 8 và 10, nhiệt độ vành đạt 650 độ và 750 độ, trong khi nhiệt độ trục là khoảng 300 độ, dẫn đến chênh lệch nhiệt độ đáng kể. Trong quá trình quay bình thường, đĩa dẫn động các cánh quạt ở tốc độ cao, chịu ứng suất ly tâm, nhiệt và rung động tối đa. Mỗi lần khởi động và tắt máy đại diện cho một chu kỳ, với trục, họng, đáy rãnh và vành đều chịu ứng suất tổng hợp khác nhau. Các hợp kim được sử dụng phải thể hiện độ bền kéo cao nhất, độ bền va đập và không có độ nhạy khía ở nhiệt độ vận hành, hệ số giãn nở tuyến tính thấp, khả năng chống oxy hóa và ăn mòn nhất định và khả năng gia công tốt.
4) Hợp kim nhiệt độ cao cho ứng dụng hàng không vũ trụ
Trong động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng, hợp kim nhiệt độ cao được sử dụng cho các tấm phun buồng đốt, uốn bơm tua bin, mặt bích, chốt cánh than chì, v.v. Trong buồng đẩy, hợp kim nhiệt độ cao đóng vai trò là tấm phun nhiên liệu, với uốn bơm tua bin, mặt bích và chốt cánh than chì cũng được làm từ những vật liệu này. Động cơ YF73 và YF75 của Trung Quốc sử dụng dây hợp kim GH3030 đan thành lưới, sau đó được cán và thiêu kết thành các tấm làm mát phân kỳ, xốp cho các bộ phun buồng đốt. Roto tua bin bắt đầu sử dụng GH1040 và GH2038A, sau đó chuyển sang GH4169 thông qua rèn tích hợp, với đĩa được gia công và cánh được xử lý điện phân để khắc phục các vấn đề biến dạng quá mức trong quá trình thử nghiệm kéo dài với GH1040. So sánh hiệu suất của GH1040 và GH4169 cho thấy các yêu cầu về vật liệu đối với rôto tua bin trong động cơ tên lửa tầm xa tuân thủ các tiêu chuẩn 800 độ ở 398 MPa trong 20 phút; GH4169 có thể đạt được hiệu suất vi cấu trúc ổn định trong 30 phút, trong khi GH1040 chỉ có thể duy trì 294 MPa trong 6 phút ở 800 độ, không đáp ứng được các yêu cầu vận hành. Đáng chú ý, từ -253 độ đến nhiệt độ phòng, độ bền của GH4169 tăng 392 MPa lên 400 MPa, với sự thay đổi tối thiểu về độ dẻo và độ bền va đập ở nhiệt độ thấp tốt. Do đó, GH4169 được sử dụng cho các thành phần chịu tải quan trọng như rôto tua-bin, trục và chốt.
Trong động cơ tên lửa đẩy lỏng của Hoa Kỳ, vật liệu rôto tua bin bao gồm ống nạp, cánh tua bin và đĩa. Trung Quốc chủ yếu sử dụng hợp kim GH1131 cho cánh tua bin, thay đổi theo nhiệt độ vận hành, lần lượt áp dụng Inconel x, Hợp kim 713C, Astroloy và Mar-M246; vật liệu đĩa bao gồm Inconel 718 và Waspaloy, với Trung Quốc chủ yếu sử dụng GH4169 và GH4141 cho tua bin tích hợp và GH2038A cho trục động cơ.