उच्च तापमान मिश्रधातु को ऊष्मा-प्रतिरोधी मिश्रधातु भी कहा जाता है। मैट्रिक्स संरचना के आधार पर, इन सामग्रियों को तीन श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: लौह-आधारित, निकेल-आधारित और क्रोमियम-आधारित। उत्पादन विधि के आधार पर, इसे विकृत सुपरमिश्रधातु और ढलाई सुपरमिश्रधातु में विभाजित किया जा सकता है।
यह एयरोस्पेस क्षेत्र में एक अपरिहार्य कच्चा माल है। यह एयरोस्पेस और विमानन निर्माण इंजनों के उच्च तापमान वाले भागों 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 में किया जाता है। इसका सेवा तापमान 600 ℃ से 1200 ℃ तक होता है। उपयोग किए जाने वाले भागों के अनुसार तनाव और पर्यावरणीय परिस्थितियाँ भिन्न होती हैं। मिश्र धातु के यांत्रिक, भौतिक और रासायनिक गुणों के लिए सख्त आवश्यकताएँ हैं। यह इंजन के प्रदर्शन, विश्वसनीयता और जीवनकाल के लिए निर्णायक कारक है। इसलिए, सुपरअलॉय विकसित देशों में एयरोस्पेस और राष्ट्रीय रक्षा के क्षेत्रों में प्रमुख अनुसंधान परियोजनाओं में से एक है।
सुपरअलॉय के मुख्य अनुप्रयोग निम्नलिखित 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 घटकों में से एक है। ईंधन के परमाणुकरण, तेल और गैस के मिश्रण और अन्य प्रक्रियाओं के कारण दहन कक्ष का अधिकतम तापमान 1500 ℃ से 2000 ℃ तक पहुँच सकता है, और कक्ष की दीवारों का तापमान 1100 ℃ तक पहुँच सकता है। साथ ही, इस पर ऊष्मीय तनाव और गैसीय तनाव भी पड़ता है। उच्च थ्रस्ट/भार अनुपात वाले अधिकांश इंजन वलयाकार दहन कक्षों का उपयोग करते हैं, जिनकी लंबाई कम और ऊष्मा क्षमता अधिक होती है। गैसीय परत या भाप से ठंडा करने के बाद दहन कक्ष का अधिकतम तापमान 2000 ℃ तक पहुँच जाता है, और दीवारों का तापमान 1150 ℃ तक पहुँच जाता है। विभिन्न भागों के बीच तापमान में बड़े अंतर के कारण ऊष्मीय तनाव उत्पन्न होता है, जो कार्यशील अवस्था में परिवर्तन के साथ तेजी से बढ़ता और घटता है। सामग्री ऊष्मीय आघात और ऊष्मीय थकान भार के अधीन होती है, जिसके परिणामस्वरूप विकृति, दरारें और अन्य दोष उत्पन्न होते हैं। सामान्यतः, दहन कक्ष शीट मिश्र धातु से बना होता है, और विशिष्ट भागों की सेवा स्थितियों के अनुसार तकनीकी आवश्यकताओं को संक्षेप में इस प्रकार बताया जा सकता है: उच्च तापमान मिश्र धातु और गैस के उपयोग की स्थिति में इसमें निश्चित ऑक्सीकरण प्रतिरोध और गैस संक्षारण प्रतिरोध होता है; इसमें निश्चित तात्कालिक और सहनशक्ति, ऊष्मीय थकान प्रदर्शन और कम विस्तार गुणांक होता है; इसमें प्रसंस्करण, निर्माण और संयोजन सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त प्लास्टिसिटी और वेल्ड क्षमता होती है; सेवा जीवन के दौरान विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करने के लिए ऊष्मीय चक्र के तहत इसमें अच्छी संगठनात्मक स्थिरता होती है।
ए. एमए956 मिश्र धातु छिद्रयुक्त लैमिनेट
प्रारंभिक चरण में, छिद्रयुक्त लैमिनेट को HS-188 मिश्र धातु की शीट से फोटोग्राफ, एचिंग, ग्रूविंग और पंचिंग के बाद डिफ्यूजन बॉन्डिंग द्वारा बनाया गया था। आंतरिक परत को डिजाइन आवश्यकताओं के अनुसार एक आदर्श शीतलन चैनल में बदला जा सकता है। इस संरचना से शीतलन के लिए पारंपरिक फिल्म शीतलन की तुलना में केवल 30% शीतलन गैस की आवश्यकता होती है, जिससे इंजन की तापीय चक्र दक्षता में सुधार होता है, दहन कक्ष सामग्री की वास्तविक ताप वहन क्षमता कम होती है, वजन कम होता है और थ्रस्ट-वेट अनुपात बढ़ता है। वर्तमान में, व्यावहारिक उपयोग में लाने से पहले प्रमुख तकनीकी विकास की आवश्यकता है। MA956 से बना छिद्रयुक्त लैमिनेट संयुक्त राज्य अमेरिका द्वारा प्रस्तुत दहन कक्ष सामग्री की एक नई पीढ़ी है, जिसका उपयोग 1300 ℃ पर किया जा सकता है।
b. दहन कक्ष में सिरेमिक कंपोजिट का अनुप्रयोग
संयुक्त राज्य अमेरिका ने 1971 से गैस टर्बाइनों के लिए सिरेमिक के उपयोग की व्यवहार्यता का सत्यापन शुरू कर दिया था। 1983 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में उन्नत सामग्रियों के विकास में लगे कुछ समूहों ने उन्नत विमानों में उपयोग होने वाले गैस टर्बाइनों के लिए प्रदर्शन संकेतकों की एक श्रृंखला तैयार की। ये संकेतक हैं: टर्बाइन इनलेट तापमान को 2200 ℃ तक बढ़ाना; रासायनिक गणना की दहन अवस्था के तहत संचालन करना; इन भागों पर लागू घनत्व को 8 ग्राम/सेमी³ से घटाकर 5 ग्राम/सेमी³ करना; घटकों के शीतलन को समाप्त करना। इन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, अध्ययन की गई सामग्रियों में एकल-चरण सिरेमिक के अलावा ग्रेफाइट, धातु मैट्रिक्स, सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट और इंटरमेटैलिक यौगिक शामिल हैं। सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट (सीएमसी) के निम्नलिखित लाभ हैं:
सिरेमिक सामग्री का विस्तार गुणांक निकल-आधारित मिश्र धातु की तुलना में बहुत कम होता है, और इसकी परत आसानी से उतर जाती है। मध्यवर्ती धातु फेल्ट के साथ सिरेमिक कंपोजिट बनाने से परत उतरने की समस्या दूर हो जाती है, जो दहन कक्ष सामग्री के विकास की दिशा है। इस सामग्री का उपयोग 10% - 20% शीतलन वायु के साथ किया जा सकता है, और धातु बैक इन्सुलेशन का तापमान लगभग 800 ℃ ही रहता है, तथा ऊष्मा वहन तापमान अपसारी शीतलन और फिल्म शीतलन की तुलना में काफी कम होता है। V2500 इंजन में कास्ट सुपरअलॉय B1900+सिरेमिक कोटिंग सुरक्षात्मक टाइल का उपयोग किया जाता है, और विकास की दिशा B1900 (सिरेमिक कोटिंग के साथ) टाइल को SiC-आधारित कंपोजिट या एंटी-ऑक्सीडेशन C/C कंपोजिट से बदलने की है। सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट 15-20 के थ्रस्ट वेट अनुपात वाले 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 अधिक तापमान भार और सबसे खराब कार्य वातावरण का सामना करते हैं। इसे उच्च तापमान के तहत बहुत अधिक और जटिल तनाव सहन करना पड़ता है, इसलिए इसकी सामग्री संबंधी आवश्यकताएं बहुत सख्त होती हैं। एयरो-इंजन टरबाइन ब्लेड के लिए सुपरअलॉय को निम्नलिखित श्रेणियों में विभाजित किया गया है:
ए. गाइड के लिए उच्च तापमान मिश्र धातु
डिफ्लेक्टर टरबाइन इंजन के उन भागों में से एक है जो ऊष्मा से सबसे अधिक प्रभावित होते हैं। जब दहन कक्ष में असमान दहन होता है, तो प्रथम चरण के गाइड वेन पर ऊष्मा का भार अधिक होता है, जो गाइड वेन के क्षतिग्रस्त होने का मुख्य कारण है। इसका सेवा तापमान टरबाइन ब्लेड की तुलना में लगभग 100 ℃ अधिक होता है। अंतर यह है कि स्थिर भागों पर यांत्रिक भार नहीं पड़ता है। आमतौर पर, तापमान में तेजी से परिवर्तन के कारण ऊष्मीय तनाव, विरूपण, ऊष्मीय थकान दरार और स्थानीय जलन आसानी से हो सकती है। गाइड वेन मिश्र धातु में निम्नलिखित गुण होने चाहिए: पर्याप्त उच्च तापमान शक्ति, स्थायी क्रीप प्रदर्शन और अच्छा ऊष्मीय थकान प्रदर्शन, उच्च ऑक्सीकरण प्रतिरोध और ऊष्मीय संक्षारण प्रदर्शन, ऊष्मीय तनाव और कंपन प्रतिरोध, झुकने की विरूपण क्षमता, अच्छी ढलाई प्रक्रिया मोल्डिंग प्रदर्शन और वेल्डेबिलिटी, और कोटिंग सुरक्षा प्रदर्शन।
वर्तमान में, उच्च थ्रस्ट/वजन अनुपात वाले अधिकांश उन्नत इंजन खोखले ढाले हुए ब्लेड का उपयोग करते हैं, और दिशात्मक और एकल क्रिस्टल निकल-आधारित सुपरअलॉय का चयन किया जाता है। उच्च थ्रस्ट-वजन अनुपात वाले इंजन का तापमान 1650 ℃ से 1930 ℃ तक होता है और इसे थर्मल इन्सुलेशन कोटिंग द्वारा संरक्षित करने की आवश्यकता होती है। शीतलन और कोटिंग सुरक्षा की स्थिति में ब्लेड मिश्र धातु का सेवा तापमान 1100 ℃ से अधिक होता है, जो भविष्य में गाइड ब्लेड सामग्री की तापमान घनत्व लागत के लिए नई और उच्चतर आवश्यकताओं को सामने रखता है।
बी. टरबाइन ब्लेड के लिए सुपरअलॉय
टरबाइन ब्लेड एयरो-इंजन के प्रमुख ऊष्मा-सहनशील घूर्णनशील भाग होते हैं। इनका परिचालन तापमान गाइड ब्लेड की तुलना में 50 ℃ से 100 ℃ कम होता है। घूर्णन के दौरान इन पर अत्यधिक अपकेंद्री तनाव, कंपन तनाव, ऊष्मीय तनाव, वायु प्रवाह द्वारा घर्षण और अन्य प्रभाव पड़ते हैं, और इनकी कार्य परिस्थितियाँ प्रतिकूल होती हैं। उच्च थ्रस्ट/भार अनुपात वाले इंजन के गर्म सिरे के घटकों का सेवा जीवन 2000 घंटे से अधिक होता है। इसलिए, टरबाइन ब्लेड मिश्र धातु में सेवा तापमान पर उच्च क्रीप प्रतिरोध और विखंडन सामर्थ्य, उच्च और मध्यम तापमान पर अच्छे व्यापक गुण होने चाहिए, जैसे उच्च और निम्न चक्र थकान, शीत और ऊष्मीय थकान, पर्याप्त प्लास्टिसिटी और प्रभाव कठोरता, और नॉच संवेदनशीलता; उच्च ऑक्सीकरण प्रतिरोध और संक्षारण प्रतिरोध; अच्छी ऊष्मीय चालकता और कम रैखिक विस्तार गुणांक; अच्छी ढलाई प्रक्रिया प्रदर्शन; दीर्घकालिक संरचनात्मक स्थिरता, और सेवा तापमान पर टीसीपी चरण अवक्षेपण का अभाव। प्रयुक्त मिश्र धातु चार चरणों से गुजरती है; विकृत मिश्र धातु अनुप्रयोगों में GH4033, GH4143, GH4118 आदि शामिल हैं। ढलाई मिश्र धातुओं के अनुप्रयोगों में K403, K417, K418, K405, दिशात्मक रूप से ठोस किए गए सोने के DZ4, DZ22, एकल क्रिस्टल मिश्र धातु DD3, DD8, PW1484 आदि शामिल हैं। वर्तमान में, यह एकल क्रिस्टल मिश्र धातुओं की तीसरी पीढ़ी तक विकसित हो चुका है। चीन की एकल क्रिस्टल मिश्र धातु DD3 और DD8 का उपयोग क्रमशः चीन के टर्बाइन, टर्बोफैन इंजन, हेलीकॉप्टर और जहाज पर लगे इंजनों में किया जाता है।
3. टरबाइन डिस्क के लिए उच्च तापमान मिश्र धातु
टरबाइन डिस्क, टरबाइन इंजन का सबसे अधिक तनावग्रस्त घूर्णनशील बेयरिंग भाग है। 8 और 10 के थ्रस्ट वेट अनुपात वाले इंजन के व्हील फ्लेंज का कार्यकारी तापमान क्रमशः 650 ℃ और 750 ℃ तक पहुँच जाता है, जबकि व्हील सेंटर का तापमान लगभग 300 ℃ होता है, जिससे तापमान में काफी अंतर होता है। सामान्य घूर्णन के दौरान, यह ब्लेड को उच्च गति से घुमाता है और अधिकतम अपकेंद्री बल, ऊष्मीय तनाव और कंपन तनाव को सहन करता है। प्रत्येक प्रारंभ और समाप्ति एक चक्र है, जिसमें व्हील सेंटर, थ्रोट, ग्रूव बॉटम और रिम सभी अलग-अलग मिश्रित तनावों को सहन करते हैं। मिश्र धातु में सेवा तापमान पर उच्चतम यील्ड स्ट्रेंथ, इम्पैक्ट टफनेस और नॉच सेंसिटिविटी न होना आवश्यक है; साथ ही कम रैखिक विस्तार गुणांक, निश्चित ऑक्सीकरण और संक्षारण प्रतिरोध और उत्कृष्ट कटिंग क्षमता भी होनी चाहिए।
4. एयरोस्पेस सुपरअलॉय
तरल रॉकेट इंजन में प्रयुक्त सुपरअलॉय का उपयोग थ्रस्ट चैंबर में दहन कक्ष के ईंधन इंजेक्टर पैनल, टरबाइन पंप एल्बो, फ्लेंज, ग्रेफाइट रडर फास्टनर आदि के लिए किया जाता है। उच्च तापमान मिश्र धातु का उपयोग थ्रस्ट चैंबर में ईंधन चैंबर इंजेक्टर पैनल, टरबाइन पंप एल्बो, फ्लेंज, ग्रेफाइट रडर फास्टनर आदि के लिए किया जाता है। GH4169 का उपयोग टरबाइन रोटर, शाफ्ट, शाफ्ट स्लीव, फास्टनर और अन्य महत्वपूर्ण बेयरिंग भागों की सामग्री के रूप में किया जाता है।
अमेरिकी तरल रॉकेट इंजन के टरबाइन रोटर की सामग्रियों में मुख्य रूप से इनटेक पाइप, टरबाइन ब्लेड और डिस्क शामिल हैं। चीन में GH1131 मिश्र धातु का सबसे अधिक उपयोग होता है, और टरबाइन ब्लेड का प्रकार कार्यशील तापमान पर निर्भर करता है। इसके लिए क्रमशः Inconel x, Alloy713c, Astroloy और Mar-M246 का उपयोग किया जाता है। व्हील डिस्क की सामग्रियों में Inconel 718, Waspaloy आदि शामिल हैं। GH4169 और GH4141 इंटीग्रल टरबाइन का सबसे अधिक उपयोग होता है, और इंजन शाफ्ट के लिए GH2038A का उपयोग किया जाता है।