Høj-temperaturlegeringer, også kendt som varme-bestandige legeringer eller superlegeringer, er en klasse af metalmaterialer, der er i stand til langtids-drift i høje-temperaturmiljøer og under visse belastninger. De udviser fremragende modstandsdygtighed over for høj-temperaturoxidation og varm korrosion samt overlegen høj-temperaturstyrke, udmattelsesstyrke og krybebrudsejhed. Disse legeringer bruges primært i rumfarts-, energi- og marineturbinemotorer.
Klassificering af høj-temperaturlegeringer
1. Ifølge matrixmaterialet kan de opdeles i tre kategorier: jern-baseret, nikkel-baseret og kobolt-baseret.
(1) Jern-baserede høj-temperaturlegeringer kaldes også varme-legeringsstål. Varme-legeringsstål kan opdeles i martensit-, austenit-, perlit-, ferritvarme-stål osv. i henhold til deres normaliseringskrav. Jern-baserede høje-temperaturlegeringer har en relativt lav driftstemperatur (600~850 grader), men deres mekaniske-mekaniske egenskaber ved middeltemperatur er gode, hvilket svarer til eller er bedre end tilsvarende nikkel-baserede legeringer. Derudover er de billige og nemme at deformere under varmbearbejdning. De bruges generelt i dele af motoren med lavere driftstemperaturer, såsom turbineskiver, huse og aksler.
(2) Nikkel-baserede høj-temperaturlegeringer har den højeste driftstemperatur (ca. 1000 grader) og bruges i vid udstrækning til fremstilling af de varmeste dele af flyjetmotorer og forskellige industrielle gasturbiner, såsom turbinevinger, ledeskovle, turbiner osv.
(3) Kobolt-baserede høj-temperaturlegeringer har god støbeevne og svejsbarhed og kan bruges ved høje temperaturer på 700~1050 grader. Den er hovedsageligt sammensat af kobolt, og dens typiske repræsentant er K610, som indeholder mere end 58 % kobolt. På grund af den høje pris og mangel på kobolt bruges det sjældent i ind- og udland. Eksisterende mærker inkluderer K640, K644, GH188 osv.
2. I henhold til fremstillingsprocessen kan den opdeles i deformerede-højtemperaturlegeringer, støbte høj-temperaturlegeringer og pulverhøj-temperaturlegeringer.
(1) Deformerede legeringer med høj-temperatur
Deformerede høj-temperaturlegeringer refererer til høj-temperaturlegeringer, der fremstilles ved kold og varm bearbejdning af barrer til forskellige profiler eller delemner og til sidst til varme-endedele. Nøglen er, at legeringsbarren kan dannes. Sammenlignet med støbte-højtemperaturlegeringer har deformerede høj-højtemperaturlegeringer en lav legeringsgrad. Derfor er smeltepunktet højere, den øvre grænse for den varme arbejdstemperatur er højere, legerings rekrystalliseringstemperaturen er lavere, og den nedre grænse for den varme arbejdstemperatur er lavere. Derfor er varmebearbejdningsområdet for deformerede-højtemperaturlegeringer bredere end for støbte{10}højtemperaturlegeringer. I henhold til de forskellige matrixelementer kan deformerede høj-temperaturlegeringer opdeles i jern-baserede deformerede-højtemperaturlegeringer, nikkel-baserede deformerede høj-højtemperaturlegeringer og kobolt-baserede legeringer{18}.
(2) Støbning af legeringer med høj-temperatur
Støbning af legeringer med høj-temperatur er en proces, der direkte støber eller retningsbestemt størkner til dele efter omsmeltning af legeringsbarren. Deres udvikling begyndte i 1940'erne. Støbning af legeringer med høj-temperatur tager ikke længere hensyn til smedningsdeformationsydelse. Præcisionsstøbemetoder eller retningsbestemte størkningsprocesser kan bruges til at støbe hule tynde-væggede klinger med komplekse former og uhindrede indre hulrum. Derfor er den samlede mængde af grundstoffer i støbte superlegeringer væsentligt højere end i deformerede superlegeringer. Forstærkende elementer i fast opløsning omfatter Re og Ru, mens indholdet af det ildfaste metal W øges (i nogle legeringer overstiger 10%). Nedbørs{11}}forstærkende legeringselementer omfatter udover Al og Ti også Nb, Ta, Hf og V.
Støbte superlegeringer kan klassificeres ved størkningsmetode i tre kategorier: ligeaksede støbte superlegeringer, retningsbestemt størknede søjleformede superlegeringer og enkeltkrystal superlegeringer. Enkelt-superlegeringer, en ny type superlegering, dannes ved at eliminere alle korngrænser gennem retningsbestemt størkning. Metaller er sammensat af individuelle krystaller, deraf navnet enkelt-superlegering. Korngrænser er områder i metallet, hvor forskellige forvrængninger, defekter og urenheder ophobes. Selvom de er stærkere ved stuetemperatur end i krystallen, er de modtagelige for at glide ved høje temperaturer. Når styrken af korngrænser falder ved høje temperaturer, falder metallets styrke. Eliminering af korngrænser gennem retningsbestemt størkning giver derfor enkelt-superlegeringer med fremragende ydeevne. I øjeblikket anvender næsten alle avancerede motorer turbineblade eller ledeskovle i en{10}}krystallegering.
(3) Pulveriserede legeringer med høj-temperatur
Efterhånden som arbejdstemperaturen for varme-bestandige legeringer bliver højere og højere, stiger antallet af forstærkende elementer i legeringerne, og sammensætningen bliver mere kompleks, hvilket resulterer i nogle legeringer, der kun kan bruges i støbt tilstand og ikke kan deformeres ved varmbearbejdning. Derudover forårsager stigningen i legeringselementer alvorlig komponentadskillelse i nikkel-baserede legeringer efter størkning, hvilket resulterer i ujævn struktur og ydeevne. Brugen af pulvermetallurgiteknologi til at fremstille høj-temperaturlegeringer kan løse ovenstående problemer. Fordi pulverpartiklerne er små, og kølehastigheden under pulverfremstilling er hurtig, elimineres adskillelse, og varmebearbejdningsegenskaberne forbedres. Legeringen, der kun kan støbes, omdannes til en høj-temperaturlegering, der kan varmebearbejdes-, og flydespændingen og udmattelsesegenskaberne forbedres. Pulveriserede{10}højtemperaturlegeringer har skabt en ny måde at fremstille legeringer med{11}}højere styrke på. Pulverformede højtemperaturlegeringer bruges hovedsageligt til fremstilling af turbineskiver til høj-tryk-til-avancerede flymotorer og bruges også til fremstilling af høj-temperaturvarme-komponenter såsom kompressorskiver, turbineluftfartøjsmotorer og turbine-luftfartøjsmotorer.
Anvendelsesområder for højtemperaturlegeringer
1. Luftfart
(1) Forbrændingskammer
Forbrændingskammeret er det område med den højeste driftstemperatur blandt alle motorkomponenter. Når gastemperaturen i forbrændingskammeret når 1500-2000 grader, kan temperaturen på kammervægslegeringen nå 800-900 grader og lokalt op til 1100 grader. I de senere år er de fleste af de højtemperaturlegeringer, der anvendes i forbrændingskammeret, solide opløsningsforstærkede legeringer. Legeringerne indeholder en stor mængde faste opløsningsforstærkende elementer såsom W, Mo og Nb. De har høj temperaturstyrke og gode formnings- og svejseegenskaber. Repræsentative karakterer inkluderer GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 og GH3170.
(2) Styreskovle
Ledeskovlene er komponenter, der justerer strømningsretningen for den gas, der kommer ud af forbrændingskammeret. De kaldes også ledeskovle. De er en af de dele af turbinemotoren, der er udsat for det største termiske stød. Især når forbrændingen i brændkammeret er ujævn eller driften er dårlig, udsættes styreskovlene for større varmebelastning. Driftstemperaturen for ledeskovlene på avancerede turbinemotorer kan nå 1100 grader. Driftstemperaturen for indenlandske styreskovlelegeringer kan nå 1000 ~ 1050 grader. Repræsentative højtemperaturlegeringer med præcisionsstøbelegeringer omfatter K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B osv.
(3) Turbineblade
Turbinevinger er de komponenter, der har de hårdeste arbejdsforhold i flymotorer. Arbejdsmiljøtemperaturen er høj. Typiske kvaliteter af høj-temperaturlegeringsmaterialer omfatter GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 osv., som kan bruges i et miljø på 750-950 grader. Når man udvikler nye motorer og modificerer gamle modeller, bruges støbte højtemperaturlegeringer til fremstilling af turbinevinger. Typiske kvaliteter af støbte legeringer inkluderer K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 osv.
