उच्च तापमानाच्या मिश्रधातूला उष्णता शक्ती मिश्रधातू असेही म्हणतात. मॅट्रिक्स रचनेनुसार, पदार्थ तीन श्रेणींमध्ये विभागले जाऊ शकतात: लोह-आधारित निकेल-आधारित आणि क्रोमियम-आधारित. उत्पादन पद्धतीनुसार, ते विकृत सुपरअॅलॉय आणि कास्ट सुपरअॅलॉयमध्ये विभागले जाऊ शकते.
हे एरोस्पेस क्षेत्रात एक अपरिहार्य कच्चा माल आहे. हे एरोस्पेस आणि एव्हिएशन मॅन्युफॅक्चरिंग इंजिनच्या उच्च-तापमानाच्या भागासाठी महत्त्वाचे साहित्य आहे. हे प्रामुख्याने ज्वलन 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 ताण आणि पर्यावरणीय परिस्थिती बदलते. मिश्रधातूच्या यांत्रिक, भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांसाठी कठोर आवश्यकता आहेत. इंजिनच्या कामगिरी, विश्वासार्हता आणि आयुष्यासाठी ते निर्णायक घटक आहे. म्हणूनच, विकसित देशांमध्ये एरोस्पेस आणि राष्ट्रीय संरक्षण क्षेत्रातील प्रमुख संशोधन प्रकल्पांपैकी एक म्हणजे सुपरअलॉय.
सुपरअॅलॉयचे मुख्य उपयोग आहेत:
१. ज्वलन कक्ष साठी उच्च तापमान मिश्रधातू
एव्हिएशन टर्बाइन इंजिनचा ज्वलन कक्ष (ज्याला फ्लेम ट्यूब असेही म्हणतात) हा उच्च-तापमानाच्या प्रमुख घटकांपैकी एक आहे. इंधनाचे अणुकरण, तेल आणि वायू मिश्रण आणि इतर प्रक्रिया ज्वलन कक्षमध्ये केल्या जात असल्याने, ज्वलन कक्षातील कमाल तापमान १५०० ℃ - २००० ℃ पर्यंत पोहोचू शकते आणि ज्वलन कक्षातील भिंतीचे तापमान ११०० ℃ पर्यंत पोहोचू शकते. त्याच वेळी, ते थर्मल स्ट्रेस आणि गॅस स्ट्रेस देखील सहन करते. उच्च थ्रस्ट/वेट रेशो असलेले बहुतेक इंजिन कंकणाकृती ज्वलन कक्ष वापरतात, ज्यांची लांबी कमी असते आणि उष्णता क्षमता जास्त असते. ज्वलन कक्षातील कमाल तापमान २००० ℃ पर्यंत पोहोचते आणि गॅस फिल्म किंवा स्टीम कूलिंगनंतर भिंतीचे तापमान ११५० ℃ पर्यंत पोहोचते. विविध भागांमधील मोठे तापमान ग्रेडियंट थर्मल स्ट्रेस निर्माण करतील, जे कार्यरत स्थिती बदलल्यावर झपाट्याने वाढेल आणि कमी होईल. सामग्री थर्मल शॉक आणि थर्मल थकवा भाराच्या अधीन असेल आणि विकृती, क्रॅक आणि इतर दोष असतील. साधारणपणे, ज्वलन कक्ष शीट मिश्रधातूपासून बनलेला असतो आणि विशिष्ट भागांच्या सेवा परिस्थितीनुसार तांत्रिक आवश्यकता खालीलप्रमाणे सारांशित केल्या जातात: उच्च-तापमान मिश्रधातू आणि वायू वापरण्याच्या परिस्थितीत त्यात विशिष्ट ऑक्सिडेशन प्रतिरोध आणि वायू गंज प्रतिरोध असतो; त्यात विशिष्ट तात्काळ आणि सहनशक्तीची शक्ती, थर्मल थकवा कार्यक्षमता आणि कमी विस्तार गुणांक असतो; प्रक्रिया, निर्मिती आणि कनेक्शन सुनिश्चित करण्यासाठी त्यात पुरेशी प्लॅस्टिकिटी आणि वेल्ड क्षमता असते; सेवा आयुष्यात विश्वसनीय ऑपरेशन सुनिश्चित करण्यासाठी थर्मल सायकल अंतर्गत चांगली संघटनात्मक स्थिरता असते.
a. MA956 मिश्रधातूचा सच्छिद्र लॅमिनेट
सुरुवातीच्या टप्प्यात, सच्छिद्र लॅमिनेट हे छायाचित्रित, खोदकाम, खोबणी आणि पंचिंग केल्यानंतर डिफ्यूजन बाँडिंगद्वारे HS-188 मिश्र धातुच्या शीटपासून बनवले जात असे. डिझाइनच्या आवश्यकतांनुसार आतील थर आदर्श कूलिंग चॅनेलमध्ये बनवता येतो. या स्ट्रक्चर कूलिंगला पारंपारिक फिल्म कूलिंगच्या कूलिंग गॅसच्या फक्त 30% ची आवश्यकता असते, जी इंजिनची थर्मल सायकल कार्यक्षमता सुधारू शकते, ज्वलन कक्ष सामग्रीची वास्तविक उष्णता सहन करण्याची क्षमता कमी करू शकते, वजन कमी करू शकते आणि थ्रस्ट-वेट रेशो वाढवू शकते. सध्या, व्यावहारिक वापरात आणण्यापूर्वी मुख्य तंत्रज्ञानाचा वापर करणे आवश्यक आहे. MA956 पासून बनवलेले सच्छिद्र लॅमिनेट हे युनायटेड स्टेट्सने सादर केलेल्या ज्वलन कक्ष सामग्रीची एक नवीन पिढी आहे, जी 1300 ℃ वर वापरली जाऊ शकते.
b. ज्वलन कक्षात सिरेमिक कंपोझिटचा वापर
१९७१ पासून अमेरिकेने गॅस टर्बाइनसाठी सिरेमिक वापरण्याची व्यवहार्यता पडताळण्यास सुरुवात केली आहे. १९८३ मध्ये, अमेरिकेत प्रगत साहित्याच्या विकासात गुंतलेल्या काही गटांनी प्रगत विमानांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या गॅस टर्बाइनसाठी कामगिरी निर्देशकांची मालिका तयार केली. हे निर्देशक आहेत: टर्बाइन इनलेट तापमान २२०० ℃ पर्यंत वाढवा; रासायनिक गणनाच्या ज्वलन स्थितीत काम करा; या भागांवर लागू केलेली घनता ८ ग्रॅम/सेमी३ वरून ५ ग्रॅम/सेमी३ पर्यंत कमी करा; घटकांचे थंडीकरण रद्द करा. या आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी, अभ्यासलेल्या साहित्यात सिंगल-फेज सिरेमिक व्यतिरिक्त ग्रेफाइट, मेटल मॅट्रिक्स, सिरेमिक मॅट्रिक्स कंपोझिट्स आणि इंटरमेटॅलिक कंपोझिट्स समाविष्ट आहेत. सिरेमिक मॅट्रिक्स कंपोझिट्स (CMC) चे खालील फायदे आहेत:
सिरेमिक मटेरियलचा एक्सपेंशन कोएन्शियंट निकेल-आधारित मिश्रधातूपेक्षा खूपच लहान असतो आणि कोटिंग सोलणे सोपे असते. इंटरमीडिएट मेटल फेल्टसह सिरेमिक कंपोझिट बनवल्याने फ्लेकिंगच्या दोषावर मात करता येते, जी ज्वलन कक्ष सामग्रीची विकास दिशा आहे. हे मटेरियल 10% - 20% थंड हवेसह वापरले जाऊ शकते आणि मेटल बॅक इन्सुलेशनचे तापमान फक्त 800 ℃ आहे आणि उष्णता सहन करणारे तापमान डायव्हर्जंट कूलिंग आणि फिल्म कूलिंगपेक्षा खूपच कमी आहे. V2500 इंजिनमध्ये कास्ट सुपरअॅलॉय B1900+सिरेमिक कोटिंग प्रोटेक्टिव्ह टाइल वापरली जाते आणि विकास दिशा म्हणजे B1900 (सिरेमिक कोटिंगसह) टाइलला SiC-आधारित कंपोझिट किंवा अँटी-ऑक्सिडेशन C/C कंपोझिटने बदलणे. सिरेमिक मॅट्रिक्स कंपोझिट हे इंजिन कम्बशन चेंबरचे डेव्हलपमेंट मटेरियल आहे ज्याचे थ्रस्ट वेट रेशो 15-20 आहे आणि त्याचे सर्व्हिस तापमान 1538 ℃ - 1650 ℃ आहे. ते फ्लेम ट्यूब, फ्लोटिंग वॉल आणि आफ्टरबर्नरसाठी वापरले जाते.
२. टर्बाइनसाठी उच्च तापमान मिश्रधातू
एरो-इंजिन टर्बाइन ब्लेड हा एरो-इंजिनमधील सर्वात गंभीर तापमानाचा भार आणि सर्वात वाईट कार्य वातावरण सहन करणाऱ्या घटकांपैकी एक आहे. उच्च तापमानात त्याला खूप मोठा आणि जटिल ताण सहन करावा लागतो, म्हणून त्याच्या सामग्रीच्या आवश्यकता खूप कठोर आहेत. एरो-इंजिन टर्बाइन ब्लेडसाठी सुपरअलॉय विभागले आहेत:
मार्गदर्शकासाठी उच्च तापमान मिश्रधातू
डिफ्लेक्टर हा टर्बाइन इंजिनच्या अशा भागांपैकी एक आहे ज्यावर उष्णतेचा सर्वाधिक परिणाम होतो. जेव्हा ज्वलन कक्षात असमान ज्वलन होते तेव्हा पहिल्या टप्प्यातील मार्गदर्शक वेनचा गरम भार मोठा असतो, जो मार्गदर्शक वेनच्या नुकसानाचे मुख्य कारण आहे. त्याचे सेवा तापमान टर्बाइन ब्लेडपेक्षा सुमारे 100 ℃ जास्त असते. फरक असा आहे की स्थिर भाग यांत्रिक भाराच्या अधीन नाहीत. सहसा, जलद तापमान बदलामुळे थर्मल ताण, विकृती, थर्मल थकवा क्रॅक आणि स्थानिक बर्न होणे सोपे असते. मार्गदर्शक वेन मिश्रधातूमध्ये खालील गुणधर्म असावेत: पुरेशी उच्च तापमान शक्ती, कायमस्वरूपी क्रिप कामगिरी आणि चांगली थर्मल थकवा कार्यक्षमता, 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 कार्यक्षमता.
सध्या, उच्च थ्रस्ट/वजन गुणोत्तर असलेल्या बहुतेक प्रगत इंजिनमध्ये पोकळ कास्ट ब्लेड वापरले जातात आणि दिशात्मक आणि सिंगल क्रिस्टल निकेल-आधारित सुपरअलॉय निवडले जातात. उच्च थ्रस्ट-वजन गुणोत्तर असलेल्या इंजिनचे उच्च तापमान १६५० ℃ - १९३० ℃ असते आणि ते थर्मल इन्सुलेशन कोटिंगद्वारे संरक्षित करणे आवश्यक असते. कूलिंग आणि कोटिंग संरक्षण परिस्थितीत ब्लेड मिश्रधातूचे सेवा तापमान ११०० ℃ पेक्षा जास्त असते, जे भविष्यात मार्गदर्शक ब्लेड सामग्रीच्या तापमान घनतेच्या किंमतीसाठी नवीन आणि उच्च आवश्यकता पुढे आणते.
b. टर्बाइन ब्लेडसाठी सुपरअॅलॉयज
टर्बाइन ब्लेड हे एरो-इंजिनचे मुख्य उष्णता-वाहक फिरणारे भाग आहेत. त्यांचे ऑपरेटिंग तापमान मार्गदर्शक ब्लेडपेक्षा 50 ℃ - 100 ℃ कमी असते. फिरताना ते खूप केंद्रापसारक ताण, कंपन ताण, थर्मल ताण, एअरफ्लो स्कॉरिंग आणि इतर परिणाम सहन करतात आणि काम करण्याची परिस्थिती खराब असते. उच्च थ्रस्ट/वजन गुणोत्तर असलेल्या इंजिनच्या हॉट एंड घटकांचे सेवा आयुष्य 2000h पेक्षा जास्त असते. म्हणून, टर्बाइन ब्लेड मिश्रधातूमध्ये सेवा तापमानावर उच्च क्रिप प्रतिरोध आणि फाटण्याची शक्ती, उच्च आणि मध्यम तापमानाचे चांगले व्यापक गुणधर्म, जसे की उच्च आणि कमी सायकल थकवा, थंड आणि गरम थकवा, पुरेशी प्लॅस्टिकिटी आणि प्रभाव कडकपणा आणि खाच संवेदनशीलता; उच्च ऑक्सिडेशन प्रतिरोध आणि गंज प्रतिरोध; चांगली थर्मल चालकता आणि रेषीय विस्ताराचे कमी गुणांक; चांगले कास्टिंग प्रक्रिया कार्यक्षमता; दीर्घकालीन संरचनात्मक स्थिरता, सेवा तापमानावर TCP फेज वर्षाव नाही. लागू केलेले मिश्रधातू चार टप्प्यांतून जाते; विकृत मिश्रधातू अनुप्रयोगांमध्ये GH4033, GH4143, GH4118, इत्यादींचा समावेश आहे; कास्टिंग अलॉयच्या वापरामध्ये K403, K417, K418, K405, डायरेक्शनली सॉलिफाइड गोल्ड DZ4, DZ22, सिंगल क्रिस्टल अलॉय DD3, DD8, PW1484 इत्यादींचा समावेश आहे. सध्या, ते सिंगल क्रिस्टल अलॉयच्या तिसऱ्या पिढीपर्यंत विकसित झाले आहे. चीनचे सिंगल क्रिस्टल अलॉय DD3 आणि DD8 अनुक्रमे चीनच्या टर्बाइन, टर्बोफॅन इंजिन, हेलिकॉप्टर आणि जहाजावरील इंजिनमध्ये वापरले जातात.
३. टर्बाइन डिस्कसाठी उच्च तापमान मिश्रधातू
टर्बाइन डिस्क हा टर्बाइन इंजिनचा सर्वात जास्त ताणलेला फिरणारा बेअरिंग भाग आहे. ८ आणि १० च्या थ्रस्ट वेट रेशो असलेल्या इंजिनच्या व्हील फ्लॅंजचे कार्यरत तापमान ६५० ℃ आणि ७५० ℃ पर्यंत पोहोचते आणि व्हील सेंटरचे तापमान सुमारे ३०० ℃ असते, ज्यामध्ये मोठ्या तापमान फरक असतो. सामान्य रोटेशन दरम्यान, ते ब्लेडला उच्च वेगाने फिरवते आणि जास्तीत जास्त केंद्रापसारक बल, थर्मल स्ट्रेस आणि कंपन स्ट्रेस सहन करते. प्रत्येक स्टार्ट आणि स्टॉप हे एक सायकल, व्हील सेंटर असते. थ्रोट, ग्रूव्ह बॉटम आणि रिम हे सर्व वेगवेगळे कंपोझिट स्ट्रेस सहन करतात. सर्व्हिस तापमानात मिश्रधातूमध्ये सर्वाधिक उत्पन्न शक्ती, प्रभाव कडकपणा आणि नॉच संवेदनशीलता असणे आवश्यक आहे; कमी रेषीय विस्तार गुणांक; विशिष्ट ऑक्सिडेशन आणि गंज प्रतिरोध; चांगले कटिंग कामगिरी.
४. एरोस्पेस सुपरअॅलॉय
द्रव रॉकेट इंजिनमधील सुपरअॅलॉय हा थ्रस्ट चेंबरमधील ज्वलन चेंबरच्या इंधन इंजेक्टर पॅनेल म्हणून वापरला जातो; टर्बाइन पंप एल्बो, फ्लॅंज, ग्रेफाइट रडर फास्टनर इ. द्रव रॉकेट इंजिनमध्ये उच्च तापमान मिश्रधातूचा वापर थ्रस्ट चेंबरमध्ये इंधन चेंबर इंजेक्टर पॅनेल म्हणून केला जातो; टर्बाइन पंप एल्बो, फ्लॅंज, ग्रेफाइट रडर फास्टनर इ. टर्बाइन रोटर, शाफ्ट, शाफ्ट स्लीव्ह, फास्टनर आणि इतर महत्त्वाच्या बेअरिंग भागांच्या मटेरियल म्हणून GH4169 वापरला जातो.
अमेरिकन लिक्विड रॉकेट इंजिनच्या टर्बाइन रोटर मटेरियलमध्ये प्रामुख्याने इनटेक पाईप, टर्बाइन ब्लेड आणि डिस्क यांचा समावेश आहे. GH1131 मिश्रधातू बहुतेकदा चीनमध्ये वापरला जातो आणि टर्बाइन ब्लेड कार्यरत तापमानावर अवलंबून असतो. इनकोनेल x, अलॉय713c, अॅस्ट्रोलॉय आणि मार-M246 हे सलग वापरले पाहिजेत; व्हील डिस्क मटेरियलमध्ये इनकोनेल 718, वास्पालॉय इत्यादींचा समावेश आहे. GH4169 आणि GH4141 इंटिग्रल टर्बाइन बहुतेकदा वापरले जातात आणि इंजिन शाफ्टसाठी GH2038A वापरले जाते.