Високотемпературните-сплави, известни също като топло-устойчиви сплави или суперсплави, са клас метални материали, способни на дългосрочна-работа в среда с висока-температура и при определени напрежения. Те показват отлична устойчивост на високо-температурно окисление и гореща корозия, както и превъзходна висока{6}}температурна якост, якост на умора и устойчивост на счупване при пълзене. Тези сплави се използват предимно в космически, енергийни и морски турбинни двигатели.
Класификация на високо{0}}температурни сплави
1. Според материала на матрицата те могат да бъдат разделени на три категории: на базата на желязо-, на базата на-никел и-на базата на кобалт.
(1) Високотемпературните-сплави на базата на желязо-се наричат още топлоустойчиви-легирани стомани. Топлоустойчивите-легирани стомани могат да бъдат разделени на мартензитни, аустенитни, перлитни, феритни топлоустойчиви-стомани и т.н. според изискванията им за нормализиране. Високотемпературните-сплави на базата на желязо имат относително ниска работна температура (600~850 градуса), но техните механични свойства при средна-температура са добри, които са еквивалентни или по-добри от подобни сплави на базата на никел-. В допълнение, те са евтини и лесно се деформират по време на гореща обработка. Те обикновено се използват в части на двигателя с по-ниски работни температури, като турбинни дискове, корпуси и валове.
(2) Високотемпературните-сплави на базата на никел имат най-високата работна температура (около 1000 градуса) и се използват широко в производството на най-горещите части на авиационни реактивни двигатели и различни промишлени газови турбини, като турбинни лопатки, направляващи лопатки, турбини и др.
(3) Високотемпературните-сплави на базата на кобалт имат добра способност за леене и заваряване и могат да се използват при високи температури от 700~1050 градуса. Състои се основно от кобалт, като негов типичен представител е K610, който съдържа над 58% кобалт. Поради високата цена и недостига на кобалт, той рядко се използва у нас и в чужбина. Съществуващите марки включват K640, K644, GH188 и др.
2. Според процеса на подготовка може да се раздели на деформирани високо-температурни сплави, ляти високо-температурни сплави и прахообразни високо-температурни сплави.
(1) Деформирани високо{1}}температурни сплави
Деформираните високотемпературни-сплави се отнасят за високо-температурни сплави, които са направени чрез студена и гореща обработка на слитъци в различни профили или заготовки за детайли и накрая в горещи-крайни части. Ключът е, че слитъкът от сплав може да се образува. В сравнение с лети високотемпературни сплави, деформираните високотемпературни-сплави имат ниска степен на легиране. Следователно точката на топене е по-висока, горната граница на температурата на гореща работа е по-висока, температурата на прекристализация на сплавта е по-ниска и долната граница на температурата на гореща работа е по-ниска. Следователно обхватът на гореща работа на деформирани високотемпературни-сплави е по-широк от този на лети-температурни сплави. Според различните матрични елементи, деформираните високо{12}}температурни сплави могат да бъдат разделени на -деформирани високотемпературни сплави на базата на желязо,-базирани на никел-деформирани високо{16}}температурни сплави и кобалтови-деформирани високо{18}}температурни сплави.
(2) Леене на високотемпературни-сплави
Леенето на високо{0}}температурни сплави е процес, който директно отлива или насочено втвърдява части след претопяване на слитъците от сплав. Тяхното развитие започва през 40-те години на миналия век. Леенето на високо{4}}температурни сплави вече не отчита производителността на деформация при коване. Методите за прецизно леене или процесите на насочено втвърдяване могат да се използват за отливане на кухи тънкостенни остриета със сложни форми и безпрепятствени вътрешни кухини. Следователно общото количество елементи в лети суперсплави е значително по-високо, отколкото в деформирани суперсплави. Елементите за укрепване на твърдия разтвор включват Re и Ru, докато съдържанието на огнеупорен метал W е увеличено (в някои сплави надвишава 10%). Утаяващите{11}}легиращи елементи, в допълнение към Al и Ti, включват също Nb, Ta, Hf и V.
Летите суперсплави могат да бъдат класифицирани по метода на втвърдяване в три категории: равноосно ляти суперсплави, насочено втвърдени колонни суперсплави и монокристални суперсплави. Еднокристалните-суперсплави, нов тип суперсплави, се образуват чрез елиминиране на всички граници на зърната чрез насочено втвърдяване. Металите са съставени от отделни кристали, откъдето идва и името моно-кристална суперсплав. Границите на зърната са области в метала, където се натрупват различни изкривявания, дефекти и примеси. Въпреки че са по-здрави при стайна температура, отколкото в кристала, те са податливи на подхлъзване при високи температури. Когато силата на границите на зърната намалява при високи температури, силата на метала намалява. Следователно елиминирането на границите на зърната чрез насочено втвърдяване дава моно-кристални суперсплави с отлична производителност. Понастоящем почти всички усъвършенствани двигатели използват турбинни лопатки или водещи лопатки-от монокристална сплав.
(3) Прахообразни високотемпературни-сплави
Тъй като работната температура на топлоустойчивите сплави става все по-висока и по-висока, броят на укрепващите елементи в сплавите се увеличава и съставът става по-сложен, което води до някои сплави, които могат да се използват само в отлято състояние и не могат да бъдат деформирани при гореща обработка. В допълнение, увеличаването на легиращите елементи причинява сериозна сегрегация на компонентите в сплавите на базата на никел- след втвърдяване, което води до неравномерна структура и производителност. Използването на технология на праховата металургия за производство на високо-температурни сплави може да реши горните проблеми. Тъй като прахообразните частици са малки и скоростта на охлаждане по време на правене на прах е бърза, сегрегацията се елиминира и свойствата за работа при гореща обработка се подобряват. Сплавта, която може само да се лее, се превръща във високо-температурна сплав, която може да бъде горещо-обработена, а границата на провлачване и свойствата на умора се подобряват. Прахообразните високотемпературни-сплави създадоха нов начин за производство на по-високо{11}}якостни сплави. Прахообразните високо{13}}температурни сплави се използват главно за производство на турбинни дискове за-тяга-до-усъвършенствани авиационни двигатели и също така се използват за производство на високо{17}}горещи-крайни компоненти като компресорни дискове, турбинни валове и турбинни прегради за усъвършенствани авиационни двигатели.
Области на приложение на високотемпературни сплави
1. Космонавтика
(1) Горивна камера
Горивната камера е зоната с най-висока работна температура сред всички компоненти на двигателя. Когато температурата на газа в горивната камера достигне 1500-2000 градуса, температурата на сплавта на стената на камерата може да достигне 800-900 градуса, а локално до 1100 градуса. През последните години повечето от високотемпературните сплави, използвани в горивната камера, са сплави, подсилени с твърд разтвор. Сплавите съдържат голямо количество укрепващи елементи в твърд разтвор като W, Mo и Nb. Те имат висока температурна якост и добри свойства на формоване и заваряване. Представителните степени включват GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 и GH3170.
(2) Водещи лопатки
Водещите лопатки са компоненти, които регулират посоката на потока на газа, излизащ от горивната камера. Те се наричат още водещи лопатки. Те са една от частите на турбинния двигател, които са подложени на най-голям термичен удар. Особено когато горенето в горивната камера е неравномерно или работата е лоша, направляващите лопатки са подложени на по-голямо топлинно натоварване. Работната температура на направляващите лопатки на усъвършенстваните турбинни двигатели може да достигне 1100 градуса. Работната температура на домашните сплави на водещите лопатки може да достигне 1000 ~ 1050 градуса. Представителните високотемпературни сплави за прецизно леене включват K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B и др.
(3) Турбинни лопатки
Турбинните лопатки са компонентите с най-тежки условия на работа в самолетните двигатели. Температурата на работната среда е висока. Типичните степени на високотемпературни сплави включват GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 и др., които могат да се използват в среда от 750-950 градуса. При разработването на нови двигатели и модифицирането на стари модели, лети високотемпературни сплави се използват за производство на турбинни лопатки. Типичните степени на лети сплави включват K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 и др.
