Τι είναι το κράμα υψηλής θερμοκρασίας

Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας χωρίζονται σε τρεις τύπους υλικών: υλικά υψηλής θερμοκρασίας 760 μοιρών, υλικά υψηλής θερμοκρασίας 1200 βαθμών και υλικά υψηλής θερμοκρασίας 1500 βαθμών, με αντοχή εφελκυσμού 800 MPa. Με άλλα λόγια, αναφέρεται σε μεταλλικά υλικά υψηλής θερμοκρασίας που λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε θερμοκρασίες πάνω από 760--1500 βαθμούς και υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Έχουν εξαιρετική αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, καλή αντοχή στην οξείδωση και τη θερμή διάβρωση, καλή απόδοση κόπωσης, ανθεκτικότητα σε θραύση και άλλες ολοκληρωμένες ιδιότητες. Έχει γίνει ένα αναντικατάστατο βασικό υλικό για εξαρτήματα hot-end στρατιωτικών και πολιτικών κινητήρων αεριοστροβίλων.

Τα κύρια κράματα υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εξαρτημάτων υψηλής θερμοκρασίας όπως πτερύγια στροβίλων, πτερύγια, δίσκοι τουρμπίνας, δίσκοι αεριοστροβίλων υψηλής πίεσης και θαλάμοι καύσης για αεροστρόβιλους αεροσκαφών, ναυτικών και βιομηχανικών αερίων. Χρησιμοποιούνται επίσης για την κατασκευή αεροδιαστημικών οχημάτων, πυραυλοκινητήρων, πυρηνικών αντιδραστήρων, πετροχημικού εξοπλισμού και άνθρακα. μετατροπής και άλλες συσκευές μετατροπής ενέργειας.

Από τα τέλη της δεκαετίας του 1930, η Βρετανία, η Γερμανία, οι Ηνωμένες Πολιτείες και άλλες χώρες άρχισαν να μελετούν κράματα υψηλής θερμοκρασίας. Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες νέων αεροδιαστημικών κινητήρων, η έρευνα και η χρήση κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας εισήλθε σε μια περίοδο έντονης ανάπτυξης. Στις αρχές της δεκαετίας του 1940, το Ηνωμένο Βασίλειο πρόσθεσε για πρώτη φορά μια μικρή ποσότητα αλουμινίου και τιτανίου στο κράμα 80Ni{-20Cr για να σχηματίσει μια φάση ενίσχυσης και ανέπτυξε το πρώτο κράμα με βάση το νικέλιο με αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία. Την ίδια περίοδο, προκειμένου να καλύψουν τις ανάγκες της ανάπτυξης στροβιλοσυμπιεστών για αεροκινητήρες με έμβολα, οι Ηνωμένες Πολιτείες άρχισαν να χρησιμοποιούν κράματα με βάση το κοβάλτιο Vitalium για την κατασκευή λεπίδων.

Επιπλέον, οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αναπτύξει επίσης κράμα με βάση το νικέλιο Inconel για την κατασκευή του θαλάμου καύσης των κινητήρων αεριωθουμένων. Αργότερα, προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω η αντοχή του κράματος σε υψηλή θερμοκρασία, οι μεταλλουργοί πρόσθεσαν βολφράμιο, μολυβδαίνιο, κοβάλτιο και άλλα στοιχεία στο κράμα με βάση το νικέλιο, αύξησαν την περιεκτικότητα σε αλουμίνιο και τιτάνιο και ανέπτυξαν μια σειρά από μάρκες κραμάτων, όπως το βρετανικό «Nimonic», το αμερικανικό «Mar-M» και το «IN» κ.λπ. στα κράματα με βάση το κοβάλτιο, στοιχεία όπως το νικέλιο και το βολφράμιο προστίθενται για την ανάπτυξη μιας ποικιλίας κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας, όπως X-45, HA-188, FSX-414, κ.λπ. Λόγω της έλλειψης πόρων κοβαλτίου, η ανάπτυξη υπερκραμάτων με βάση το κοβάλτιο περιορίζεται.

Στη δεκαετία του 1940, αναπτύχθηκαν επίσης υπερκράματα με βάση το σίδηρο. Στη δεκαετία του 1950, εμφανίστηκαν μάρκες όπως η A-286 και η Incoloy901. Ωστόσο, λόγω της κακής σταθερότητας σε υψηλές θερμοκρασίες, η ανάπτυξη ήταν αργή από τη δεκαετία του 1960. Η Σοβιετική Ένωση άρχισε να παράγει υπερκράματα μάρκας "ЭИ" με βάση το νικέλιο γύρω στο 1950 και αργότερα παρήγαγε παραμορφωμένα υπερκράματα της σειράς "ЭП" και χυτά υπερκράματα της σειράς ЖС. Η Κίνα ξεκίνησε τη δοκιμαστική παραγωγή κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας το 1956 και σταδιακά σχημάτισε τη σειρά παραμορφωμένων υπερκραμάτων "GH" και τη σειρά χυτών υπερκραμάτων "Κ". Στη δεκαετία του 1970, οι Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησαν επίσης νέες διαδικασίες παραγωγής για να κατασκευάσουν κατευθυντικά κρυσταλλωμένα πτερύγια και δίσκους τουρμπίνας μεταλλουργίας σκόνης και ανέπτυξαν εξαρτήματα από κράμα υψηλής θερμοκρασίας, όπως πτερύγια μονοκρυστάλλου, για να καλύψουν τις αυξανόμενες ανάγκες των θερμοκρασιών εισόδου του στροβίλου κινητήρα αεροσκαφών.

Μέχρι στιγμής, όλες οι χώρες ερευνούν νέα κράματα υψηλής θερμοκρασίας, πραγματοποιώντας συνεχείς ανακαλύψεις, καινοτομίες και επεκτείνοντας τα πεδία εφαρμογών. Στην ανάπτυξη της σύγχρονης βιομηχανίας, έχουν γίνει προφανώς ένα απαραίτητο υλικό κραμάτων.

(1) Κράμα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το σίδηρο

Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση τον σίδηρο μπορούν επίσης να ονομαστούν ανθεκτικοί στη θερμότητα κράμα χάλυβες. Η μήτρα του είναι στοιχείο Fe, με προσθήκη μικρής ποσότητας Ni, Cr και άλλων κραματικών στοιχείων. Ο ανθεκτικός στη θερμότητα κράμα χάλυβας μπορεί να χωριστεί σε μαρτενσίτη, ωστενίτη, περλίτη, ανθεκτικό στη θερμότητα χάλυβα φερρίτη κ.λπ. σύμφωνα με τις απαιτήσεις κανονικοποίησης του.

(2) Κράμα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο

Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο περιέχουν περισσότερο από το μισό νικέλιο και είναι κατάλληλα για συνθήκες εργασίας πάνω από 1000 βαθμούς. Χρησιμοποιώντας στερεό διάλυμα και επεξεργασία γήρανσης, η αντίσταση ερπυσμού και η αντοχή θλίψης μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά. Επί του παρόντος, με βάση την ανάλυση των υπερκραμάτων που χρησιμοποιούνται σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, το εύρος της χρήσης υπερκραμάτων με βάση το νικέλιο υπερβαίνει κατά πολύ τη χρήση υπερκραμάτων με βάση το σίδηρο και το κοβάλτιο. Ταυτόχρονα, το κράμα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο είναι επίσης το κράμα υψηλής θερμοκρασίας με τη μεγαλύτερη παραγωγή και τη μεγαλύτερη χρήση στη χώρα μου. Πολλά πτερύγια τουρμπίνας κινητήρα στροβίλου και θάλαμοι καύσης, ακόμη και στροβιλοσυμπιεστές χρησιμοποιούν επίσης κράματα με βάση το νικέλιο ως υλικά προετοιμασίας. Για περισσότερο από μισό αιώνα, οι δυνατότητες υψηλής θερμοκρασίας των υλικών υψηλής θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται στις αεροδιαστημικές μηχανές έχουν αυξηθεί από 750 βαθμούς στα τέλη της δεκαετίας του 1940 σε 1200 βαθμούς στα τέλη της δεκαετίας του 1990. Θα πρέπει να ειπωθεί ότι αυτή η τεράστια βελτίωση οδήγησε επίσης σε βελτιώσεις στις διαδικασίες χύτευσης, επιστρώσεις επιφανειών κ.λπ. Ταχεία ανάπτυξη.

(3) Κράμα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το κοβάλτιο

Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το κοβάλτιο χρησιμοποιούν κοβάλτιο ως μήτρα και η περιεκτικότητα σε κοβάλτιο αντιστοιχεί περίπου στο 60%. Ταυτόχρονα, στοιχεία όπως το Cr και το Ni πρέπει να προστεθούν για τη βελτίωση της θερμικής αντίστασης του κράματος υψηλής θερμοκρασίας. Αν και αυτό το κράμα υψηλής θερμοκρασίας έχει καλύτερη αντοχή στη θερμότητα, λόγω διαφόρων χωρών Η παραγωγή πόρων κοβαλτίου είναι σχετικά μικρή και η επεξεργασία είναι δύσκολη, επομένως η ποσότητα δεν είναι μεγάλη. Συνήθως χρησιμοποιείται σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας (600~1000 μοίρες) και σε εξαρτήματα υψηλής θερμοκρασίας που υπόκεινται σε ακραία πολύπλοκη καταπόνηση για μεγάλο χρονικό διάστημα, όπως τα πτερύγια εργασίας των αεροκινητήρων, οι δίσκοι του στροβίλου, τα εξαρτήματα hot-end των θαλάμων καύσης και αεροδιαστημικές μηχανές. Προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη αντίσταση στη θερμότητα, υπό κανονικές συνθήκες, στοιχεία όπως W, MO, Ti, Al και Co θα πρέπει να προστεθούν κατά την προετοιμασία για να διασφαλιστεί η ανώτερη αντίσταση στη θερμότητα και η αντοχή στην κόπωση.

Ανάλογα με τον τύπο ενίσχυσης του κράματος, τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας μπορούν να χωριστούν σε κράματα υψηλής θερμοκρασίας ενισχυμένα με στερεά διαλύματα και κράματα ενισχυμένα με κατακρήμνιση ηλικίας.

(1) Τύπος ενισχυμένος με στερεό διάλυμα

Ο λεγόμενος τύπος ενίσχυσης στερεού διαλύματος είναι η προσθήκη ορισμένων στοιχείων κράματος σε κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το σίδηρο, το νικέλιο ή το κοβάλτιο για να σχηματιστεί μια μονοφασική δομή ωστενίτη. Τα άτομα της διαλυμένης ουσίας παραμορφώνουν το πλέγμα της μήτρας του στερεού διαλύματος, γεγονός που αυξάνει την αντίσταση ολίσθησης στο στερεό διάλυμα και το ενισχύει. Ορισμένα άτομα διαλυμένης ουσίας μπορούν να μειώσουν την ενέργεια σφάλματος στοίβαξης του συστήματος κράματος, να αυξήσουν την τάση αποσύνθεσης της εξάρθρωσης, να κάνουν δύσκολη τη διασταύρωση και να ενισχύσουν το κράμα για να επιτευχθεί ο σκοπός της ενίσχυσης κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας.

(2) Ενίσχυση της γήρανσης των βροχοπτώσεων

Η λεγόμενη ενίσχυση κατακρήμνισης ηλικίας είναι μια διαδικασία θερμικής επεξεργασίας κατά την οποία το τεμάχιο επεξεργασίας κράματος υφίσταται επεξεργασία στερεού διαλύματος, ψυχρή πλαστική παραμόρφωση και τοποθετείται σε υψηλότερη θερμοκρασία ή θερμοκρασία δωματίου για να διατηρήσει τις ιδιότητές του. Για παράδειγμα: Το κράμα GH4169 έχει μέγιστη αντοχή διαρροής 1000MPa στους 650 βαθμούς και η θερμοκρασία του κράματος για την κατασκευή λεπίδων μπορεί να φτάσει τους 950 βαθμούς.

Διαιρείται με μεθόδους σχηματισμού υλικού: χυτά κράματα υψηλής θερμοκρασίας (συμπεριλαμβανομένων των συνηθισμένων κραμάτων χύτευσης, κραμάτων μονοκρυστάλλου, κράματα κατεύθυνσης, κ.λπ.), παραμορφωμένα κράματα υψηλής θερμοκρασίας και κράματα μεταλλουργίας σκόνης υψηλής θερμοκρασίας (συμπεριλαμβανομένης της συνηθισμένης μεταλλουργίας σκόνης και της διασποράς οξειδίων- ενισχυμένα κράματα υψηλής θερμοκρασίας).

(1) Χύτευση κράματος υψηλής θερμοκρασίας

Τα κράματα που χρησιμοποιούν μεθόδους χύτευσης για την άμεση προετοιμασία των εξαρτημάτων ονομάζονται χυτά κράματα υψηλής θερμοκρασίας. Σύμφωνα με τη σύνθεση της μήτρας του κράματος, μπορεί να χωριστεί σε τρεις τύπους: υπερκράμα χύτευσης με βάση σίδηρο, υπερκράμα χύτευσης με βάση το νικέλιο και υπερκράμα χύτευσης με βάση το διαμάντι. Σύμφωνα με τη μέθοδο κρυστάλλωσης, μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις τύπους: πολυκρυσταλλικό χυτό υπερκράμα, χυτό υπερκράμα κατευθυντικής στερεοποίησης, υπερκράμα χυτού κατευθυντικού ευτηκτικού και υπερκράμα χυτού μονοκρυστάλλου.

(2) Παραμορφωμένο κράμα υψηλής θερμοκρασίας

Εξακολουθεί να είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό σε αεροδιαστημικές μηχανές και χρησιμοποιείται ευρέως στο εσωτερικό και στο εξωτερικό. η ετήσια παραγωγή παραμορφωμένων υπερκραμάτων της χώρας μου είναι περίπου το 1/8 αυτής των Ηνωμένων Πολιτειών [2]. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το κράμα GH4169, είναι η κύρια ποικιλία με τις περισσότερες εφαρμογές στο εσωτερικό και στο εξωτερικό. Στη χώρα μου, ως κύρια εξαρτήματα χρησιμοποιούνται κυρίως μπουλόνια, συμπιεστές και τροχοί και λεκάνες λαδιού των κινητήρων στροβιλοκινητήρων. Καθώς άλλα προϊόντα κραμάτων ωριμάζουν ολοένα και περισσότερο, εμφανίζεται παραμόρφωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Η χρήση κραμάτων μπορεί σταδιακά να μειωθεί αλλά θα παραμείνει κυρίαρχη τις επόμενες δεκαετίες.

(3) Νέο κράμα υψηλής θερμοκρασίας

Συμπεριλαμβάνονται κράματα υψηλής θερμοκρασίας σε σκόνη, διαμεταλλικές ενώσεις τιτανίου-αλουμινίου, κράματα υψηλής θερμοκρασίας ενισχυμένα με διασπορά οξειδίων, κράματα υψηλής θερμοκρασίας ανθεκτικά στη διάβρωση, μεταλλουργία σκόνης και νανοϋλικά και άλλα τμήματα προϊόντων.

① Ο βαθμός κράματος της τρίτης γενιάς υπερκραμάτων σκόνης έχει βελτιωθεί, επιτρέποντάς της να λάβει υπόψη τα πλεονεκτήματα των δύο πρώτων γενεών και να επιτύχει μεγαλύτερη αντοχή και μικρότερη ζημιά. Η διαδικασία παραγωγής υπερκραμάτων σε σκόνη γίνεται ολοένα και πιο ώριμη. Στο μέλλον, μπορεί να αναπτυχθεί από τις ακόλουθες πτυχές: Προετοιμασία σκόνης, διαδικασία θερμικής επεξεργασίας, τεχνολογία προσομοίωσης υπολογιστή, δίσκος σκόνης διπλής απόδοσης.

②Οι διαμεταλλικές ενώσεις τιτανίου-αλουμινίου έχουν αναπτυχθεί στην τέταρτη γενιά και σταδιακά επεκτείνονται προς τις δύο κατευθύνσεις του μικροστοιχείου πολλαπλών στοιχείων και του μικροστοιχείου μεγάλων στοιχείων. Το Πανεπιστήμιο του Αμβούργου στη Γερμανία, το Πανεπιστήμιο του Κιότο στην Ιαπωνία και το Κέντρο GKSS στη Γερμανία έχουν κάνει εκτενή έρευνα για το τιτάνιο. Οι διαμεταλλικές ενώσεις αλουμινίου χρησιμοποιούνται τώρα στη ναυπηγική, βιοϊατρική και αθλητικά είδη.

③Τα υπερκράματα ενισχυμένα με διασπορά οξειδίων αποτελούν μέρος των υπερκραμάτων σε σκόνη. Υπάρχουν σχεδόν 20 τύποι υπό παραγωγή και ανάπτυξη. Έχουν υψηλή αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και χαμηλούς συντελεστές καταπόνησης και χρησιμοποιούνται ευρέως σε ανθεκτικά στη θερμότητα και αντιοξειδωτικά εξαρτήματα αεριοστροβίλων, προηγμένους αεροδιαστημικούς κινητήρες κ.λπ. Πετροχημικός αντιδραστήρας κ.λπ.

④ Τα ανθεκτικά στη διάβρωση κράματα υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται κυρίως για την αντικατάσταση των πυρίμαχων υλικών και του ανθεκτικού στη θερμότητα χάλυβα στους τομείς των κατασκευών και της αεροδιαστημικής.

Πλάκα από κράμα μνήμης NiTi

Ιατρικό σύρμα Nitinol