उच्च तापमान मिश्रधातूला उष्णता शक्ती मिश्रधातू देखील म्हणतात. मॅट्रिक्सच्या संरचनेनुसार, सामग्री तीन श्रेणींमध्ये विभागली जाऊ शकते: लोह-आधारित निकेल-आधारित आणि क्रोमियम-आधारित. उत्पादन मोडनुसार, ते विकृत सुपरॲलॉय आणि कास्ट सुपरॲलॉयमध्ये विभागले जाऊ शकते.
एरोस्पेस क्षेत्रात हा एक अपरिहार्य कच्चा माल आहे. एरोस्पेस आणि एव्हिएशन मॅन्युफॅक्चरिंग इंजिनच्या उच्च-तापमान भागासाठी ही मुख्य सामग्री आहे. हे प्रामुख्याने दहन कक्ष, टर्बाइन ब्लेड, मार्गदर्शक ब्लेड, कंप्रेसर आणि टर्बाइन डिस्क, टर्बाइन केस आणि इतर भागांच्या निर्मितीसाठी वापरले जाते. सेवा तापमान श्रेणी 600 ℃ - 1200 ℃ आहे. वापरलेल्या भागांनुसार तणाव आणि पर्यावरणीय परिस्थिती बदलते. मिश्रधातूच्या यांत्रिक, भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांसाठी कठोर आवश्यकता आहेत. इंजिनची कार्यक्षमता, विश्वासार्हता आणि आयुष्य यासाठी हा निर्णायक घटक आहे. म्हणून, विकसित देशांमधील एरोस्पेस आणि राष्ट्रीय संरक्षण क्षेत्रातील प्रमुख संशोधन प्रकल्पांपैकी एक सुपरऑलॉय आहे.
सुपरऑलॉयजचे मुख्य अनुप्रयोग आहेत:
1. दहन कक्ष साठी उच्च तापमान मिश्र धातु
एव्हिएशन टर्बाइन इंजिनचा ज्वलन कक्ष (ज्याला फ्लेम ट्यूब असेही म्हणतात) हा उच्च-तापमानाच्या प्रमुख घटकांपैकी एक आहे. इंधन अणूकरण, तेल आणि वायूचे मिश्रण आणि इतर प्रक्रिया ज्वलन चेंबरमध्ये केल्या जात असल्याने, दहन कक्षातील कमाल तापमान 1500 ℃ - 2000 ℃ पर्यंत पोहोचू शकते आणि दहन कक्षातील भिंतीचे तापमान 1100 ℃ पर्यंत पोहोचू शकते. त्याच वेळी, ते थर्मल ताण आणि गॅस तणाव देखील सहन करते. उच्च थ्रस्ट/वेट रेशो असलेली बहुतेक इंजिन कंकणाकृती दहन कक्ष वापरतात, ज्यांची लांबी कमी असते आणि उच्च उष्णता क्षमता असते. दहन कक्षातील कमाल तापमान 2000 ℃ पर्यंत पोहोचते आणि गॅस फिल्म किंवा स्टीम कूलिंगनंतर भिंतीचे तापमान 1150 ℃ पर्यंत पोहोचते. विविध भागांमधील मोठे तापमान ग्रेडियंट थर्मल तणाव निर्माण करतील, जे कार्यरत स्थिती बदलल्यावर झपाट्याने वाढेल आणि कमी होईल. सामग्री थर्मल शॉक आणि थर्मल थकवा लोडच्या अधीन असेल आणि विकृती, क्रॅक आणि इतर दोष असतील. सामान्यतः, दहन कक्ष शीट मिश्र धातुपासून बनलेला असतो आणि विशिष्ट भागांच्या सेवा परिस्थितीनुसार तांत्रिक आवश्यकता खालीलप्रमाणे सारांशित केल्या जातात: उच्च-तापमान मिश्र धातु आणि वायू वापरण्याच्या परिस्थितीत विशिष्ट ऑक्सिडेशन प्रतिरोध आणि गॅस गंज प्रतिकार असतो; यात विशिष्ट तात्काळ आणि सहनशक्ती, थर्मल थकवा कार्यक्षमता आणि कमी विस्तार गुणांक आहे; प्रक्रिया, तयार करणे आणि कनेक्शन सुनिश्चित करण्यासाठी त्यात पुरेशी प्लॅस्टिकिटी आणि वेल्ड क्षमता आहे; सेवा जीवनात विश्वसनीय ऑपरेशन सुनिश्चित करण्यासाठी थर्मल सायकल अंतर्गत चांगली संस्थात्मक स्थिरता आहे.
a MA956 मिश्र धातु सच्छिद्र लॅमिनेट
सुरुवातीच्या टप्प्यात, सच्छिद्र लॅमिनेट HS-188 मिश्रधातूच्या शीटचे छायाचित्रण, खोदकाम, खोबणी आणि पंच केल्यानंतर डिफ्यूजन बाँडिंगद्वारे बनवले गेले. डिझाइनच्या गरजेनुसार आतील थर एक आदर्श कूलिंग चॅनेल बनवता येतो. या स्ट्रक्चर कूलिंगला पारंपारिक फिल्म कूलिंगच्या 30% शीतलक वायूची गरज असते, जे इंजिनच्या थर्मल सायकल कार्यक्षमतेत सुधारणा करू शकते, दहन कक्ष सामग्रीची वास्तविक उष्णता सहन करण्याची क्षमता कमी करू शकते, वजन कमी करू शकते आणि थ्रस्ट-वेट वाढवू शकते. प्रमाण सद्यस्थितीत, ते व्यावहारिक वापरात आणण्यापूर्वी मुख्य तंत्रज्ञानाचा वापर करणे आवश्यक आहे. MA956 चे बनलेले सच्छिद्र लॅमिनेट हे युनायटेड स्टेट्सने सादर केलेल्या दहन कक्ष सामग्रीची एक नवीन पिढी आहे, जी 1300 ℃ वर वापरली जाऊ शकते.
b दहन चेंबरमध्ये सिरेमिक कंपोझिटचा वापर
युनायटेड स्टेट्सने 1971 पासून गॅस टर्बाइनसाठी सिरेमिक वापरण्याची व्यवहार्यता तपासण्यास सुरुवात केली आहे. 1983 मध्ये, युनायटेड स्टेट्समधील प्रगत सामग्रीच्या विकासामध्ये गुंतलेल्या काही गटांनी प्रगत विमानांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या गॅस टर्बाइनसाठी कार्यप्रदर्शन निर्देशकांची मालिका तयार केली आहे. हे संकेतक आहेत: टर्बाइन इनलेट तापमान 2200 ℃ पर्यंत वाढवा; रासायनिक गणनेच्या ज्वलन स्थिती अंतर्गत कार्य करा; या भागांवर लागू केलेली घनता 8g/cm3 वरून 5g/cm3 पर्यंत कमी करा; घटकांचे कूलिंग रद्द करा. या आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी, अभ्यास केलेल्या सामग्रीमध्ये सिंगल-फेज सिरॅमिक्स व्यतिरिक्त ग्रेफाइट, मेटल मॅट्रिक्स, सिरॅमिक मॅट्रिक्स कंपोझिट आणि इंटरमेटॅलिक संयुगे यांचा समावेश होतो. सिरेमिक मॅट्रिक्स कंपोजिट्स (सीएमसी) चे खालील फायदे आहेत:
सिरॅमिक सामग्रीचा विस्तार गुणांक निकेल-आधारित मिश्रधातूपेक्षा खूपच लहान आहे आणि कोटिंग सोलणे सोपे आहे. इंटरमीडिएट मेटल फील्डसह सिरेमिक कंपोझिट बनवण्यामुळे फ्लेकिंगच्या दोषावर मात करता येते, जी दहन कक्ष सामग्रीच्या विकासाची दिशा आहे. ही सामग्री 10% - 20% कूलिंग एअरसह वापरली जाऊ शकते आणि मेटल बॅक इन्सुलेशनचे तापमान फक्त 800 ℃ आहे आणि उष्णता सहन करणारे तापमान भिन्न शीतलक आणि फिल्म कूलिंगपेक्षा खूपच कमी आहे. V2500 इंजिनमध्ये कास्ट सुपरॲलॉय B1900+ सिरेमिक कोटिंग संरक्षक टाइल वापरली जाते आणि विकासाची दिशा B1900 (सिरेमिक कोटिंगसह) टाइलला SiC-आधारित संमिश्र किंवा अँटी-ऑक्सिडेशन C/C संमिश्र सह बदलण्याची आहे. सिरॅमिक मॅट्रिक्स कंपोझिट हे 15-20 च्या थ्रस्ट वेट रेशोसह इंजिन ज्वलन चेंबरचे विकास साहित्य आहे आणि त्याचे सेवा तापमान 1538 ℃ - 1650 ℃ आहे. हे फ्लेम ट्यूब, फ्लोटिंग वॉल आणि आफ्टरबर्नरसाठी वापरले जाते.
2. टर्बाइनसाठी उच्च तापमान मिश्र धातु
एरो-इंजिन टर्बाइन ब्लेड हा एक घटक आहे जो सर्वात तीव्र तापमानाचा भार सहन करतो आणि एरो-इंजिनमधील सर्वात खराब कार्य वातावरण आहे. त्याला उच्च तापमानात खूप मोठा आणि गुंतागुंतीचा ताण सहन करावा लागतो, म्हणून त्याच्या भौतिक आवश्यकता खूप कठोर असतात. एरो-इंजिन टर्बाइन ब्लेडसाठी सुपरऑलॉयज विभागले गेले आहेत:
a. मार्गदर्शकासाठी उच्च तापमान मिश्रधातू
डिफ्लेक्टर हा टर्बाइन इंजिनचा एक भाग आहे ज्यावर उष्णतेचा सर्वाधिक परिणाम होतो. जेव्हा ज्वलन चेंबरमध्ये असमान ज्वलन होते, तेव्हा पहिल्या टप्प्यातील मार्गदर्शक व्हेनचे हीटिंग लोड मोठे असते, जे मार्गदर्शक व्हेनच्या नुकसानाचे मुख्य कारण आहे. त्याचे सेवा तापमान टर्बाइन ब्लेडपेक्षा सुमारे 100 ℃ जास्त आहे. फरक असा आहे की स्थिर भाग यांत्रिक लोडच्या अधीन नाहीत. सामान्यतः, थर्मल तणाव, विकृती, थर्मल थकवा क्रॅक आणि जलद तापमान बदलामुळे स्थानिक बर्न करणे सोपे आहे. मार्गदर्शक वेन मिश्रधातूमध्ये खालील गुणधर्म असावेत: पुरेशी उच्च तापमान ताकद, कायमस्वरूपी रांगणे कार्यप्रदर्शन आणि चांगली थर्मल थकवा कामगिरी, उच्च ऑक्सिडेशन प्रतिरोध आणि थर्मल गंज कार्यक्षमता, थर्मल ताण आणि कंपन प्रतिरोध, वाकण्याची विकृती क्षमता, चांगली कास्टिंग प्रक्रिया मोल्डिंग कार्यक्षमता आणि वेल्डेबिलिटी, आणि कोटिंग संरक्षण कामगिरी.
सध्या, उच्च थ्रस्ट/वेट रेशो असलेली बहुतांश प्रगत इंजिने पोकळ कास्ट ब्लेड वापरतात आणि डायरेक्शनल आणि सिंगल क्रिस्टल निकेल-आधारित सुपरऑलॉय निवडले जातात. उच्च थ्रस्ट-वेट रेशो असलेल्या इंजिनमध्ये 1650 ℃ - 1930 ℃ उच्च तापमान असते आणि थर्मल इन्सुलेशन कोटिंगद्वारे संरक्षित करणे आवश्यक आहे. कूलिंग आणि कोटिंग संरक्षण परिस्थितीत ब्लेड मिश्रधातूचे सेवा तापमान 1100 ℃ पेक्षा जास्त आहे, जे भविष्यात मार्गदर्शक ब्लेड सामग्रीच्या तापमान घनतेच्या किंमतीसाठी नवीन आणि उच्च आवश्यकता पुढे ठेवते.
b टर्बाइन ब्लेडसाठी सुपरऑलॉय
टर्बाइन ब्लेड हे एरो-इंजिनचे मुख्य उष्णता-वाहक फिरणारे भाग आहेत. त्यांचे ऑपरेटिंग तापमान मार्गदर्शक ब्लेडपेक्षा 50 ℃ - 100 ℃ कमी आहे. ते फिरताना उत्कृष्ट केंद्रापसारक ताण, कंपनाचा ताण, थर्मल ताण, वायुप्रवाह स्कॉरिंग आणि इतर प्रभाव सहन करतात आणि कामाची परिस्थिती खराब असते. उच्च थ्रस्ट/वेट रेशो असलेल्या इंजिनच्या हॉट एंड घटकांचे सर्व्हिस लाइफ 2000h पेक्षा जास्त आहे. त्यामुळे, टर्बाइन ब्लेड मिश्रधातूमध्ये सेवा तापमानात उच्च रेंगाळण्याची प्रतिकारशक्ती आणि फुटण्याची ताकद, उच्च आणि मध्यम तापमानाचे सर्वसमावेशक गुणधर्म, जसे की उच्च आणि निम्न चक्र थकवा, थंड आणि गरम थकवा, पुरेशी प्लास्टिसिटी आणि प्रभाव कडकपणा, आणि खाच संवेदनशीलता; उच्च ऑक्सिडेशन प्रतिकार आणि गंज प्रतिकार; चांगली थर्मल चालकता आणि रेखीय विस्ताराचे कमी गुणांक; चांगली कास्टिंग प्रक्रिया कामगिरी; दीर्घकालीन संरचनात्मक स्थिरता, सेवा तापमानात TCP फेज पर्जन्य नाही. लागू केलेले मिश्र धातु चार टप्प्यांतून जाते; विकृत मिश्रधातू अनुप्रयोगांमध्ये GH4033, GH4143, GH4118, इ. कास्टिंग मिश्रधातूच्या वापरामध्ये K403, K417, K418, K405, डायरेक्शनली सॉलिड गोल्ड DZ4, DZ22, सिंगल क्रिस्टल मिश्र धातु DD3, DD8, PW1484, इत्यादींचा समावेश आहे. सध्या, हे सिंगल क्रिस्टल मिश्र धातुंच्या तिसऱ्या पिढीमध्ये विकसित झाले आहे. चीनचे सिंगल क्रिस्टल मिश्र धातु DD3 आणि DD8 अनुक्रमे चीनच्या टर्बाइन्स, टर्बोफॅन इंजिन, हेलिकॉप्टर आणि जहाजाच्या इंजिनमध्ये वापरले जातात.
3. टर्बाइन डिस्कसाठी उच्च तापमान मिश्र धातु
टर्बाइन डिस्क हा टर्बाइन इंजिनचा सर्वात जास्त ताणलेला फिरणारा बेअरिंग भाग आहे. 8 आणि 10 च्या थ्रस्ट वेट रेशोसह इंजिनच्या व्हील फ्लँजचे कार्यरत तापमान 650 ℃ आणि 750 ℃ पर्यंत पोहोचते आणि व्हील सेंटरचे तापमान सुमारे 300 ℃ आहे, मोठ्या तापमानात फरक आहे. सामान्य रोटेशन दरम्यान, ते ब्लेडला उच्च वेगाने फिरवते आणि जास्तीत जास्त केंद्रापसारक शक्ती, थर्मल ताण आणि कंपन तणाव सहन करते. प्रत्येक प्रारंभ आणि थांबा एक सायकल, चाक केंद्र आहे. घसा, खोबणीचा तळ आणि रिम हे वेगवेगळे संमिश्र ताण सहन करतात. मिश्रधातूला उच्चतम उत्पादन शक्ती, प्रभाव कडकपणा आणि सेवा तापमानात कोणतीही खाच संवेदनशीलता नसणे आवश्यक आहे; कमी रेखीय विस्तार गुणांक; विशिष्ट ऑक्सिडेशन आणि गंज प्रतिकार; चांगली कटिंग कामगिरी.
4. एरोस्पेस सुपरऑलॉय
लिक्विड रॉकेट इंजिनमधील सुपरऑलॉय थ्रस्ट चेंबरमधील ज्वलन कक्षातील इंधन इंजेक्टर पॅनेल म्हणून वापरला जातो; टर्बाइन पंप एल्बो, फ्लँज, ग्रेफाइट रडर फास्टनर इ. द्रव रॉकेट इंजिनमधील उच्च तापमान मिश्र धातु थ्रस्ट चेंबरमध्ये इंधन चेंबर इंजेक्टर पॅनेल म्हणून वापरले जाते; टर्बाइन पंप एल्बो, फ्लँज, ग्रेफाइट रडर फास्टनर इ. GH4169 चा वापर टर्बाइन रोटर, शाफ्ट, शाफ्ट स्लीव्ह, फास्टनर आणि इतर महत्त्वाच्या बेअरिंग भागांसाठी सामग्री म्हणून केला जातो.
अमेरिकन लिक्विड रॉकेट इंजिनच्या टर्बाइन रोटर मटेरियलमध्ये प्रामुख्याने इनटेक पाईप, टर्बाइन ब्लेड आणि डिस्क यांचा समावेश होतो. GH1131 मिश्र धातु बहुतेक चीनमध्ये वापरली जाते आणि टर्बाइन ब्लेड कार्यरत तापमानावर अवलंबून असते. Inconel x, Alloy713c, Astroloy आणि Mar-M246 यांचा क्रमाने वापर करावा; व्हील डिस्क सामग्रीमध्ये Inconel 718, Waspaloy, इत्यादींचा समावेश आहे. GH4169 आणि GH4141 इंटिग्रल टर्बाइन बहुतेक वापरल्या जातात आणि GH2038A चा वापर इंजिन शाफ्टसाठी केला जातो.