उच्च तापमान मिश्र धातु को ऊष्मा शक्ति मिश्र धातु भी कहा जाता है। मैट्रिक्स संरचना के अनुसार, सामग्रियों को तीन श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: लौह-आधारित, निकल-आधारित और क्रोमियम-आधारित। उत्पादन मोड के अनुसार, इसे विकृत सुपरअलॉय और कास्ट सुपरअलॉय में विभाजित किया जा सकता है।
यह एयरोस्पेस क्षेत्र में एक अपरिहार्य कच्चा माल है। यह एयरोस्पेस और विमानन विनिर्माण इंजनों के उच्च तापमान वाले हिस्से के लिए प्रमुख सामग्री है। इसका उपयोग मुख्य रूप से दहन कक्ष, टरबाइन ब्लेड, गाइड ब्लेड, कंप्रेसर और टरबाइन डिस्क, टरबाइन केस और अन्य भागों के निर्माण के लिए किया जाता है। सेवा तापमान सीमा 600 ℃ - 1200 ℃ है। इस्तेमाल किए गए हिस्सों के आधार पर तनाव और पर्यावरणीय स्थितियाँ अलग-अलग होती हैं। मिश्र धातु के यांत्रिक, भौतिक और रासायनिक गुणों के लिए सख्त आवश्यकताएं हैं। यह इंजन के प्रदर्शन, विश्वसनीयता और जीवन के लिए निर्णायक कारक है। इसलिए, सुपरअलॉय विकसित देशों में एयरोस्पेस और राष्ट्रीय रक्षा के क्षेत्र में प्रमुख अनुसंधान परियोजनाओं में से एक है।
सुपरअलॉय के मुख्य अनुप्रयोग हैं:
1. दहन कक्ष के लिए उच्च तापमान मिश्र धातु
विमानन टरबाइन इंजन का दहन कक्ष (जिसे फ्लेम ट्यूब भी कहा जाता है) प्रमुख उच्च तापमान वाले घटकों में से एक है। चूंकि ईंधन परमाणुकरण, तेल और गैस मिश्रण और अन्य प्रक्रियाएं दहन कक्ष में की जाती हैं, दहन कक्ष में अधिकतम तापमान 1500 ℃ - 2000 ℃ तक पहुंच सकता है, और दहन कक्ष में दीवार का तापमान 1100 ℃ तक पहुंच सकता है। साथ ही यह थर्मल स्ट्रेस और गैस स्ट्रेस को भी सहन करता है। उच्च प्रणोद/भार अनुपात वाले अधिकांश इंजन कुंडलाकार दहन कक्षों का उपयोग करते हैं, जिनकी लंबाई कम होती है और ताप क्षमता अधिक होती है। दहन कक्ष में अधिकतम तापमान 2000 ℃ तक पहुँच जाता है, और गैस फिल्म या भाप ठंडा होने के बाद दीवार का तापमान 1150 ℃ तक पहुँच जाता है। विभिन्न भागों के बीच बड़े तापमान प्रवणता थर्मल तनाव उत्पन्न करेगी, जो कार्यशील स्थिति में परिवर्तन होने पर तेजी से बढ़ेगी और घटेगी। सामग्री थर्मल शॉक और थर्मल थकान भार के अधीन होगी, और इसमें विकृति, दरारें और अन्य दोष होंगे। आम तौर पर, दहन कक्ष शीट मिश्र धातु से बना होता है, और तकनीकी आवश्यकताओं को विशिष्ट भागों की सेवा शर्तों के अनुसार संक्षेप में प्रस्तुत किया जाता है: इसमें उच्च तापमान मिश्र धातु और गैस का उपयोग करने की शर्तों के तहत कुछ ऑक्सीकरण प्रतिरोध और गैस संक्षारण प्रतिरोध होता है; इसमें कुछ तात्कालिक और सहनशक्ति शक्ति, थर्मल थकान प्रदर्शन और कम विस्तार गुणांक है; इसमें प्रसंस्करण, गठन और कनेक्शन सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त प्लास्टिसिटी और वेल्ड क्षमता है; सेवा जीवन के भीतर विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करने के लिए थर्मल चक्र के तहत इसमें अच्छी संगठनात्मक स्थिरता है।
एक। MA956 मिश्र धातु झरझरा टुकड़े टुकड़े
प्रारंभिक चरण में, झरझरा लेमिनेट को फोटो खींचने, खोदने, खांचे और छिद्रित करने के बाद प्रसार बंधन द्वारा एचएस -188 मिश्र धातु शीट से बनाया गया था। डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार आंतरिक परत को एक आदर्श कूलिंग चैनल में बनाया जा सकता है। इस संरचना को ठंडा करने के लिए पारंपरिक फिल्म कूलिंग की केवल 30% कूलिंग गैस की आवश्यकता होती है, जो इंजन की थर्मल चक्र दक्षता में सुधार कर सकती है, दहन कक्ष सामग्री की वास्तविक गर्मी वहन क्षमता को कम कर सकती है, वजन कम कर सकती है और जोर-वजन बढ़ा सकती है। अनुपात। वर्तमान में, व्यावहारिक उपयोग में लाने से पहले प्रमुख प्रौद्योगिकी को तोड़ना अभी भी आवश्यक है। MA956 से बना झरझरा लेमिनेट संयुक्त राज्य अमेरिका द्वारा शुरू की गई दहन कक्ष सामग्री की एक नई पीढ़ी है, जिसका उपयोग 1300 ℃ पर किया जा सकता है।
बी। दहन कक्ष में सिरेमिक कंपोजिट का अनुप्रयोग
संयुक्त राज्य अमेरिका ने 1971 से गैस टर्बाइनों के लिए सिरेमिक के उपयोग की व्यवहार्यता को सत्यापित करना शुरू कर दिया है। 1983 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में उन्नत सामग्रियों के विकास में लगे कुछ समूहों ने उन्नत विमानों में उपयोग किए जाने वाले गैस टर्बाइनों के लिए प्रदर्शन संकेतकों की एक श्रृंखला तैयार की है। ये संकेतक हैं: टरबाइन इनलेट तापमान को 2200 ℃ तक बढ़ाएं; रासायनिक गणना की दहन अवस्था के तहत कार्य करें; इन भागों पर लागू घनत्व को 8 ग्राम/सेमी3 से घटाकर 5 ग्राम/सेमी3 करें; घटकों का ठंडा होना रद्द करें। इन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, अध्ययन की गई सामग्रियों में एकल-चरण सिरेमिक के अलावा ग्रेफाइट, धातु मैट्रिक्स, सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट और इंटरमेटेलिक यौगिक शामिल हैं। सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट (सीएमसी) के निम्नलिखित फायदे हैं:
सिरेमिक सामग्री का विस्तार गुणांक निकल-आधारित मिश्र धातु की तुलना में बहुत छोटा है, और कोटिंग को छीलना आसान है। इंटरमीडिएट मेटल फेल्ट के साथ सिरेमिक कंपोजिट बनाने से फ्लेकिंग के दोष को दूर किया जा सकता है, जो दहन कक्ष सामग्री की विकास दिशा है। इस सामग्री का उपयोग 10% - 20% ठंडी हवा के साथ किया जा सकता है, और मेटल बैक इन्सुलेशन का तापमान केवल 800 ℃ है, और गर्मी सहन करने वाला तापमान डायवर्जेंट कूलिंग और फिल्म कूलिंग की तुलना में बहुत कम है। कास्ट सुपरअलॉय B1900+सिरेमिक कोटिंग सुरक्षात्मक टाइल का उपयोग V2500 इंजन में किया जाता है, और विकास की दिशा B1900 (सिरेमिक कोटिंग के साथ) टाइल को SiC-आधारित कंपोजिट या एंटी-ऑक्सीडेशन C/C कंपोजिट से बदलना है। सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट 15-20 के थ्रस्ट वेट अनुपात के साथ इंजन दहन कक्ष की विकास सामग्री है, और इसका सेवा तापमान 1538 ℃ - 1650 ℃ है। इसका उपयोग फ्लेम ट्यूब, फ्लोटिंग वॉल और आफ्टरबर्नर के लिए किया जाता है।
2. टरबाइन के लिए उच्च तापमान मिश्र धातु
एयरो-इंजन टरबाइन ब्लेड उन घटकों में से एक है जो एयरो-इंजन में सबसे गंभीर तापमान भार और सबसे खराब कामकाजी वातावरण को सहन करता है। इसे उच्च तापमान के तहत बहुत बड़ा और जटिल तनाव सहन करना पड़ता है, इसलिए इसकी भौतिक आवश्यकताएं बहुत सख्त हैं। एयरो-इंजन टरबाइन ब्लेड के लिए सुपरअलॉय को इसमें विभाजित किया गया है:
a. गाइड के लिए उच्च तापमान मिश्र धातु
डिफ्लेक्टर टरबाइन इंजन के उन हिस्सों में से एक है जो गर्मी से सबसे अधिक प्रभावित होते हैं। जब दहन कक्ष में असमान दहन होता है, तो पहले चरण के गाइड वेन का हीटिंग लोड बड़ा होता है, जो गाइड वेन के क्षतिग्रस्त होने का मुख्य कारण है। इसका सेवा तापमान टरबाइन ब्लेड की तुलना में लगभग 100 ℃ अधिक है। अंतर यह है कि स्थिर हिस्से यांत्रिक भार के अधीन नहीं होते हैं। आमतौर पर, तेजी से तापमान परिवर्तन के कारण थर्मल तनाव, विकृति, थर्मल थकान दरार और स्थानीय जलन पैदा करना आसान होता है। गाइड वेन मिश्र धातु में निम्नलिखित गुण होंगे: पर्याप्त उच्च तापमान शक्ति, स्थायी रेंगना प्रदर्शन और अच्छा थर्मल थकान प्रदर्शन, उच्च ऑक्सीकरण प्रतिरोध और थर्मल संक्षारण प्रदर्शन, थर्मल तनाव और कंपन प्रतिरोध, झुकने विरूपण क्षमता, अच्छी कास्टिंग प्रक्रिया मोल्डिंग प्रदर्शन और वेल्डेबिलिटी, और कोटिंग सुरक्षा प्रदर्शन।
वर्तमान में, उच्च थ्रस्ट/वजन अनुपात वाले अधिकांश उन्नत इंजन खोखले कास्ट ब्लेड का उपयोग करते हैं, और दिशात्मक और एकल क्रिस्टल निकल-आधारित सुपरअलॉय का चयन किया जाता है। उच्च थ्रस्ट-वेट अनुपात वाले इंजन का उच्च तापमान 1650 ℃ - 1930 ℃ होता है और इसे थर्मल इन्सुलेशन कोटिंग द्वारा संरक्षित करने की आवश्यकता होती है। शीतलन और कोटिंग सुरक्षा स्थितियों के तहत ब्लेड मिश्र धातु का सेवा तापमान 1100 ℃ से अधिक है, जो भविष्य में गाइड ब्लेड सामग्री की तापमान घनत्व लागत के लिए नई और उच्च आवश्यकताओं को सामने रखता है।
बी। टरबाइन ब्लेड के लिए सुपरअलॉय
टरबाइन ब्लेड एयरो-इंजन के प्रमुख ताप-असर वाले घूमने वाले हिस्से हैं। उनका ऑपरेटिंग तापमान गाइड ब्लेड से 50 ℃ - 100 ℃ कम है। घूमते समय वे महान केन्द्रापसारक तनाव, कंपन तनाव, थर्मल तनाव, वायु प्रवाह दस्त और अन्य प्रभावों को सहन करते हैं, और काम करने की स्थिति खराब होती है। उच्च प्रणोद/भार अनुपात वाले इंजन के गर्म अंत घटकों की सेवा जीवन 2000h से अधिक है। इसलिए, टरबाइन ब्लेड मिश्र धातु में सेवा तापमान पर उच्च रेंगना प्रतिरोध और टूटने की ताकत, अच्छे उच्च और मध्यम तापमान के व्यापक गुण होंगे, जैसे उच्च और निम्न चक्र थकान, ठंड और गर्म थकान, पर्याप्त प्लास्टिसिटी और प्रभाव क्रूरता, और पायदान संवेदनशीलता; उच्च ऑक्सीकरण प्रतिरोध और संक्षारण प्रतिरोध; अच्छी तापीय चालकता और रैखिक विस्तार का कम गुणांक; अच्छा कास्टिंग प्रक्रिया प्रदर्शन; दीर्घकालिक संरचनात्मक स्थिरता, सेवा तापमान पर कोई टीसीपी चरण वर्षा नहीं। लागू मिश्र धातु चार चरणों से गुजरती है; विकृत मिश्र धातु अनुप्रयोगों में GH4033, GH4143, GH4118, आदि शामिल हैं; कास्टिंग मिश्र धातु के अनुप्रयोग में K403, K417, K418, K405, प्रत्यक्ष रूप से ठोस सोना DZ4, DZ22, एकल क्रिस्टल मिश्र धातु DD3, DD8, PW1484, आदि शामिल हैं। वर्तमान में, यह एकल क्रिस्टल मिश्र धातुओं की तीसरी पीढ़ी के लिए विकसित हुआ है। चीन के एकल क्रिस्टल मिश्र धातु DD3 और DD8 का उपयोग क्रमशः चीन के टर्बाइन, टर्बोफैन इंजन, हेलीकॉप्टर और शिपबॉर्न इंजन में किया जाता है।
3. टरबाइन डिस्क के लिए उच्च तापमान मिश्र धातु
टरबाइन डिस्क टरबाइन इंजन का सबसे अधिक दबाव वाला घूमने वाला असर वाला हिस्सा है। 8 और 10 के थ्रस्ट वेट अनुपात के साथ इंजन के व्हील फ्लैंज का कार्य तापमान 650 ℃ और 750 ℃ तक पहुंच जाता है, और व्हील सेंटर का तापमान लगभग 300 ℃ होता है, जिसमें बड़े तापमान का अंतर होता है। सामान्य घूर्णन के दौरान, यह ब्लेड को तेज़ गति से घुमाता है और अधिकतम केन्द्रापसारक बल, थर्मल तनाव और कंपन तनाव को सहन करता है। प्रत्येक प्रारंभ और पड़ाव एक चक्र, पहिया केंद्र है। गला, ग्रूव बॉटम और रिम सभी अलग-अलग मिश्रित तनाव सहन करते हैं। मिश्र धातु में उच्चतम उपज शक्ति, प्रभाव क्रूरता और सेवा तापमान पर कोई पायदान संवेदनशीलता नहीं होनी आवश्यक है; कम रैखिक विस्तार गुणांक; निश्चित ऑक्सीकरण और संक्षारण प्रतिरोध; अच्छा कटिंग प्रदर्शन.
4. एयरोस्पेस सुपरअलॉय
तरल रॉकेट इंजन में सुपरअलॉय का उपयोग थ्रस्ट चैंबर में दहन कक्ष के ईंधन इंजेक्टर पैनल के रूप में किया जाता है; टरबाइन पंप कोहनी, निकला हुआ किनारा, ग्रेफाइट पतवार फास्टनर, आदि। तरल रॉकेट इंजन में उच्च तापमान मिश्र धातु का उपयोग थ्रस्ट चैंबर में ईंधन कक्ष इंजेक्टर पैनल के रूप में किया जाता है; टरबाइन पंप कोहनी, निकला हुआ किनारा, ग्रेफाइट पतवार फास्टनर, आदि। GH4169 का उपयोग टरबाइन रोटर, शाफ्ट, शाफ्ट आस्तीन, फास्टनर और अन्य महत्वपूर्ण असर भागों की सामग्री के रूप में किया जाता है।
अमेरिकी तरल रॉकेट इंजन की टरबाइन रोटर सामग्री में मुख्य रूप से इनटेक पाइप, टरबाइन ब्लेड और डिस्क शामिल हैं। GH1131 मिश्र धातु का उपयोग ज्यादातर चीन में किया जाता है, और टरबाइन ब्लेड काम करने वाले तापमान पर निर्भर करता है। Inconel x, Alloy713c, Astroloy और Mar-M246 का उपयोग क्रमिक रूप से किया जाना चाहिए; व्हील डिस्क सामग्रियों में इनकोनेल 718, वास्पलोय आदि शामिल हैं। GH4169 और GH4141 इंटीग्रल टर्बाइन का ज्यादातर उपयोग किया जाता है, और GH2038A का उपयोग इंजन शाफ्ट के लिए किया जाता है।