고온합금은 내열합금이라고도 합니다. 매트릭스 구조에 따라 재료는 철 기반 니켈 기반과 크롬 기반의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 생산 방식에 따라 변형 초합금과 주조 초합금으로 나눌 수 있습니다.
항공우주 분야에서는 없어서는 안 될 원자재입니다. 항공우주 및 항공제조 엔진의 고온부품의 핵심 소재입니다. 주로 연소실, 터빈 블레이드, 가이드 블레이드, 압축기 및 터빈 디스크, 터빈 케이스 및 기타 부품 제조에 사용됩니다. 서비스 온도 범위는 600 ℃ - 1200 ℃입니다. 스트레스와 환경 조건은 사용되는 부품에 따라 다릅니다. 합금의 기계적, 물리적, 화학적 특성에 대한 엄격한 요구 사항이 있습니다. 엔진의 성능과 신뢰성, 수명을 좌우하는 결정적인 요소입니다. 따라서 초합금은 선진국의 항공우주 및 국방 분야의 핵심 연구 프로젝트 중 하나입니다.
초합금의 주요 용도는 다음과 같습니다.
1. 연소실용 고온합금
항공 터빈 엔진의 연소실(플레임 튜브라고도 함)은 핵심 고온 구성 요소 중 하나입니다. 연료 원자화, 오일과 가스 혼합 및 기타 공정이 연소실에서 수행되기 때문에 연소실의 최대 온도는 1500℃~2000℃에 도달할 수 있고 연소실의 벽 온도는 1100℃에 도달할 수 있습니다. 동시에 열 응력과 가스 응력도 견뎌냅니다. 추력/중량 비율이 높은 대부분의 엔진은 길이가 짧고 열용량이 높은 환형 연소실을 사용합니다. 연소실의 최고 온도는 2000℃에 도달하고, 가스막 또는 증기 냉각 후 벽 온도는 1150℃에 도달합니다. 다양한 부품 사이의 온도 변화가 크면 열 응력이 발생하며, 이는 작동 상태가 변할 때 급격하게 상승하거나 하락합니다. 재료는 열충격 및 열피로 하중을 받게 되며 뒤틀림, 균열 및 기타 결함이 발생합니다. 일반적으로 연소실은 판금으로 만들어지며 특정 부품의 서비스 조건에 따라 기술 요구 사항은 다음과 같이 요약됩니다. 고온 합금 및 가스를 사용하는 조건에서 특정 내 산화성과 가스 내식성을 갖습니다. 그것은 특정 순간 및 내구성 강도, 열 피로 성능 및 낮은 팽창 계수를 가지고 있습니다. 가공, 성형 및 연결을 보장하기에 충분한 가소성과 용접 능력을 갖추고 있습니다. 열주기 하에서 조직 안정성이 뛰어나 서비스 수명 내에서 안정적인 작동을 보장합니다.
에이. MA956 합금 다공성 라미네이트
초기 단계에서는 HS-188 합금 시트를 사용하여 사진 촬영, 에칭, 홈 가공 및 펀칭을 거쳐 확산 접합을 통해 다공성 적층체를 만들었습니다. 내부 레이어는 설계 요구 사항에 따라 이상적인 냉각 채널로 만들 수 있습니다. 이 구조 냉각은 기존 필름 냉각의 냉각 가스의 30%만 필요하므로 엔진의 열주기 효율을 향상시키고 연소실 재료의 실제 열 베어링 용량을 감소시키며 중량을 감소시키고 추력 중량을 증가시킬 수 있습니다. 비율. 현재로서는 핵심 기술을 실용화하기 위해서는 여전히 돌파구가 필요합니다. MA956으로 만든 다공성 적층체는 미국에서 도입한 차세대 연소실 소재로 1300℃에서 사용할 수 있다.
비. 연소실에 세라믹 복합재 적용
미국은 1971년부터 가스 터빈용 세라믹 사용의 타당성을 검증하기 시작했습니다. 1983년 미국의 첨단 소재 개발에 참여한 일부 그룹은 첨단 항공기에 사용되는 가스 터빈에 대한 일련의 성능 지표를 공식화했습니다. 이러한 지표는 다음과 같습니다. 터빈 입구 온도를 2200℃로 높입니다. 화학 계산의 연소 상태에서 작동합니다. 이 부품에 적용되는 밀도를 8g/cm3에서 5g/cm3으로 줄입니다. 구성 요소 냉각을 취소합니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 연구되는 재료에는 단상 세라믹 외에도 흑연, 금속 매트릭스, 세라믹 매트릭스 복합재 및 금속간 화합물이 포함됩니다. 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)에는 다음과 같은 장점이 있습니다.
세라믹 재료의 팽창 계수는 니켈 기반 합금의 팽창 계수보다 훨씬 작으며 코팅이 벗겨지기 쉽습니다. 중간 금속 펠트를 사용하여 세라믹 복합재를 만들면 연소실 재료의 발전 방향인 박리 결함을 극복할 수 있습니다. 이 재료는 10% - 20%의 냉각 공기로 사용할 수 있으며 금속 후면 단열재의 온도는 약 800℃에 불과하며 열 베어링 온도는 발산 냉각 및 필름 냉각의 온도보다 훨씬 낮습니다. 주조 초합금 B1900+세라믹 코팅 보호 타일은 V2500 엔진에 사용되며, 개발 방향은 B1900(세라믹 코팅 적용) 타일을 SiC 기반 복합재 또는 항산화 C/C 복합재로 대체하는 것입니다. 세라믹 매트릭스 복합재는 추력 중량비가 15~20이고 사용 온도는 1538℃~1650℃인 엔진 연소실 개발 소재입니다. 화염관, 부유벽, 애프터버너 등에 사용됩니다.
2. 터빈용 고온합금
항공기 엔진 터빈 블레이드는 항공기 엔진에서 가장 가혹한 온도 부하와 최악의 작업 환경을 견디는 부품 중 하나입니다. 고온에서 매우 크고 복잡한 응력을 견뎌야 하므로 재료 요구 사항이 매우 엄격합니다. 항공기 엔진 터빈 블레이드용 초합금은 다음과 같이 분류됩니다.
a. 가이드 용 고온 합금
디플렉터는 열의 영향을 가장 많이 받는 터빈 엔진 부품 중 하나입니다. 연소실에서 불균일 연소가 발생하면 1단 가이드베인의 가열부하가 크고, 이는 가이드베인 파손의 주요 원인이 된다. 사용 온도는 터빈 블레이드의 사용 온도보다 약 100℃ 더 높습니다. 차이점은 정적 부품이 기계적 부하를 받지 않는다는 것입니다. 일반적으로 급격한 온도변화로 인해 열응력, 뒤틀림, 열피로균열, 국부화상 등이 발생하기 쉽습니다. 가이드 베인 합금은 충분한 고온 강도, 영구 크리프 성능 및 우수한 열 피로 성능, 높은 내산화성 및 열 부식 성능, 열 응력 및 진동 저항, 굽힘 변형 능력, 우수한 주조 공정 성형 성능 및 용접성 등의 특성을 가져야 합니다. 및 코팅 보호 성능.
현재 높은 추력/중량 비율을 갖춘 대부분의 첨단 엔진은 중공 주조 블레이드를 사용하며 방향성 및 단결정 니켈 기반 초합금이 선택됩니다. 추력비가 높은 엔진은 1650℃~1930℃의 높은 온도를 가지므로 단열 코팅으로 보호해야 합니다. 냉각 및 코팅 보호 조건에서 블레이드 합금의 사용 온도는 1100℃ 이상이며, 이는 향후 가이드 블레이드 재료의 온도 밀도 비용에 대한 새롭고 더 높은 요구 사항을 제시합니다.
비. 터빈 블레이드용 초합금
터빈 블레이드는 항공 엔진의 주요 열 베어링 회전 부품입니다. 작동 온도는 가이드 블레이드보다 50℃ - 100℃ 낮습니다. 회전 시 원심 응력, 진동 응력, 열 응력, 기류 수색 및 기타 영향이 크며 작업 조건이 열악합니다. 추력/중량 비율이 높은 엔진의 핫 엔드 구성 요소의 서비스 수명은 2000시간 이상입니다. 따라서 터빈 블레이드 합금은 사용 온도에서 높은 크리프 저항과 파단 강도를 갖고, 고온 및 저온 사이클 피로, 저온 및 고온 피로, 충분한 가소성 및 충격 인성, 노치 감도와 같은 우수한 고온 및 중온 종합 특성을 가져야 합니다. 높은 내산화성 및 내식성; 좋은 열 전도성과 낮은 선형 팽창 계수; 좋은 주조 공정 성능; 장기적인 구조적 안정성, 서비스 온도에서 TCP 단계 침전 없음. 적용된 합금은 4단계를 거칩니다. 변형된 합금 응용 분야에는 GH4033, GH4143, GH4118 등이 포함됩니다. 주조 합금의 적용에는 K403, K417, K418, K405, 방향성 응고 금 DZ4, DZ22, 단결정 합금 DD3, DD8, PW1484 등이 포함됩니다. 현재 3세대 단결정 합금으로 발전했습니다. 중국의 단결정 합금 DD3 및 DD8은 각각 중국의 터빈, 터보팬 엔진, 헬리콥터 및 선박용 엔진에 사용됩니다.
3. 터빈 디스크용 고온 합금
터빈 디스크는 터빈 엔진에서 가장 큰 응력을 받는 회전 베어링 부분입니다. 추력 중량비가 8과 10인 엔진의 휠 플랜지 작동 온도는 650℃와 750℃에 달하며, 휠 중심 온도는 약 300℃로 온도차가 크다. 정상적인 회전 중에는 블레이드를 고속으로 회전시키고 최대 원심력, 열 응력 및 진동 응력을 견뎌냅니다. 각 시작과 정지는 사이클, 휠 중심입니다. 스로트, 홈 바닥 및 림은 모두 서로 다른 복합 응력을 받습니다. 합금은 서비스 온도에서 최고의 항복 강도, 충격 인성 및 노치 민감도가 없어야 합니다. 낮은 선팽창 계수; 특정 산화 및 내식성; 절단 성능이 좋습니다.
4. 항공우주 초합금
액체 로켓 엔진의 초합금은 추력실 연소실의 연료 분사기 패널로 사용됩니다. 터빈 펌프 엘보우, 플랜지, 흑연 방향타 패스너 등. 액체 로켓 엔진의 고온 합금은 추력실의 연료실 인젝터 패널로 사용됩니다. 터빈 펌프 엘보우, 플랜지, 흑연 방향타 패스너 등 GH4169는 터빈 로터, 샤프트, 샤프트 슬리브, 패스너 및 기타 중요한 베어링 부품의 재료로 사용됩니다.
미국 액체로켓 엔진의 터빈 로터 재료는 주로 흡입관, 터빈 블레이드 및 디스크를 포함합니다. GH1131 합금은 주로 중국에서 사용되며 터빈 블레이드는 작동 온도에 따라 다릅니다. Inconel x, Alloy713c, Astroloy 및 Mar-M246을 연속적으로 사용해야 합니다. 휠 디스크 재질로는 인코넬 718, 와스팔로이 등이 있다. 일체형 터빈인 GH4169, GH4141이 주로 사용되며, 엔진 샤프트에는 GH2038A가 사용된다.