การประยุกต์ใช้โลหะผสมอุณหภูมิสูงในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
ซูเปอร์อัลลอยด์สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่มตามโครงสร้างเมทริกซ์ ได้แก่ โลหะผสมที่มีฐานเป็นเหล็กและมีฐานเป็นนิกเกิล และโลหะผสมที่มีฐานเป็นโครเมียม
ตามโหมดการผลิตสามารถแบ่งออกเป็นโลหะผสมพิเศษแบบเสียรูปและโลหะผสมพิเศษแบบหล่อ เป็นวัตถุดิบที่ขาดไม่ได้ในสาขาการบินและอวกาศ เป็นวัสดุหลักสำหรับชิ้นส่วนอุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์การบินและอวกาศ ส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตห้องเผาไหม้ ใบพัดกังหัน ใบพัดนำทาง คอมเพรสเซอร์และดิสก์กังหัน ตัวเรือนกังหัน และชิ้นส่วนอื่นๆ อุณหภูมิในการทำงานอยู่ระหว่าง 600 องศาเซลเซียสถึง 1,200 องศาเซลเซียส เงื่อนไขทางกลและสิ่งแวดล้อมแตกต่างกันไปตามชิ้นส่วนที่ใช้งาน คุณสมบัติทางกล ทางกายภาพ และทางเคมีของโลหะผสมมีความจำเป็นอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ ปัจจัยชี้ขาดความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งาน ดังนั้น โลหะผสมพิเศษจึงเป็นหนึ่งในโครงการวิจัยที่สำคัญในสาขาการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศในประเทศที่พัฒนาแล้ว
การใช้งานโลหะผสมที่อุณหภูมิสูง
1. โลหะผสมทนอุณหภูมิสูงสำหรับห้องเผาไหม้
ห้องเผาไหม้ของกังหันเครื่องยนต์อากาศยาน (เรียกอีกอย่างว่าท่อเปลวไฟ) เป็นส่วนประกอบสำคัญที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากกระบวนการต่างๆ เช่น การทำให้เชื้อเพลิงเป็นละอองและการผสมน้ำมันและก๊าซที่เกิดขึ้นในห้องเผาไหม้ อุณหภูมิอาจสูงถึง 1,500 ถึง 2,000 องศา โดยอุณหภูมิผนังอาจสูงถึง 1,100 องศา นอกจากนี้ ห้องเผาไหม้จะต้องทนต่อความร้อนและแรงเค้นของก๊าซ เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักสูงมักใช้ห้องเผาไหม้แบบวงแหวน ซึ่งสั้นกว่าและมีความเข้มความร้อนสูงกว่า ภายในห้องเผาไหม้เหล่านี้ อุณหภูมิอาจสูงถึง 2,000 องศา โดยอุณหภูมิผนังจะอยู่ที่ 1,150 องศาหลังจากการระบายความร้อนด้วยฟิล์มหรือการระบายความร้อนด้วยการระเหยของไอ การไล่ระดับอุณหภูมิที่สำคัญระหว่างพื้นที่ต่างๆ ก่อให้เกิดแรงเค้นจากความร้อน ส่งผลให้เกิดการบิดเบี้ยว รอยแตกร้าว และความล้มเหลวอื่นๆ อันเนื่องมาจากแรงกระแทกจากความร้อนและความล้าจากความร้อน โดยทั่วไป ห้องเผาไหม้จะทำจากโลหะผสมแผ่น และข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับส่วนประกอบเฉพาะ ได้แก่ ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนของก๊าซภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง ความแข็งแรงชั่วคราวและระยะยาวที่เพียงพอ ประสิทธิภาพความล้าเนื่องจากความร้อน และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่ต่ำ ความสามารถในการขึ้นรูปและการเชื่อมที่เพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถแปรรูปได้และเชื่อมต่อได้ และเสถียรภาพโครงสร้างจุลภาคที่ดีภายใต้วัฏจักรความร้อนเพื่อรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ตลอดอายุการใช้งาน
1) แผ่นโลหะผสมที่มีรูพรุน MA956
แผ่นชั้นที่มีรูพรุนในยุคแรกทำจากแผ่นโลหะผสม HS-188 บางๆ ที่ผ่านการประมวลผลด้วยการถ่ายภาพ การกัดกร่อน และการเจาะรู จากนั้นจึงทำการยึดติดแบบกระจายตัว ชั้นภายในสามารถออกแบบให้สร้างช่องระบายความร้อนที่เหมาะสมได้ โครงสร้างนี้ช่วยลดความต้องการก๊าซทำความเย็นลงเหลือ 30% ของความต้องการสำหรับการระบายความร้อนด้วยฟิล์มแบบเดิม ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพวงจรความร้อนของเครื่องยนต์ และลดภาระความร้อนจริงบนวัสดุห้องเผาไหม้ ส่งผลให้มีน้ำหนักเบาลงและเพิ่มอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก ปัจจุบัน ยังคงต้องมีการพัฒนาทางเทคโนโลยีเพื่อการใช้งานจริง แผ่นชั้นที่มีรูพรุน MA956 ซึ่งเป็นวัสดุห้องเผาไหม้รุ่นใหม่จากสหรัฐอเมริกา สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิ 1,300 องศา
2) คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกในห้องเผาไหม้
สหรัฐอเมริกาเริ่มทดสอบความเป็นไปได้ของเซรามิกสำหรับกังหันก๊าซในปี 1971 ในปี 1983 กลุ่มต่างๆ ที่มีส่วนร่วมในการพัฒนาวัสดุขั้นสูงได้กำหนดตัวชี้วัดประสิทธิภาพสำหรับกังหันก๊าซที่ใช้ในเครื่องบินขั้นสูง รวมถึงการเพิ่มอุณหภูมิทางเข้ากังหันเป็น 2200 องศา การทำงานภายใต้เงื่อนไขการเผาไหม้ที่คำนวณทางเคมี การลดความหนาแน่นของส่วนประกอบจาก 8 g/cm³ เป็น 5 g/cm³ และการกำจัดการระบายความร้อนสำหรับส่วนประกอบเหล่านี้ วัสดุที่ศึกษามีไม่เพียงแค่เซรามิกเฟสเดียวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกราไฟท์ เมทริกซ์โลหะ และคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก รวมถึงสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกด้วย คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก (CMC) มีข้อดีหลายประการ: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำกว่าของโลหะผสมที่มีฐานเป็นนิกเกิลมาก และสารเคลือบมีแนวโน้มที่จะลอกได้ง่าย การสร้าง CMC ด้วยแผ่นโลหะกลางสามารถเอาชนะปัญหาการลอกได้ และถือเป็นแนวทางสำหรับการพัฒนาวัสดุห้องเผาไหม้ วัสดุเหล่านี้สามารถทำงานได้โดยใช้ลมเย็นเพียง 10% ถึง 20% ส่งผลให้โลหะมีอุณหภูมิด้านหลังอยู่ที่ประมาณ 800 องศา ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิที่ได้จากการระบายความร้อนแบบแยกส่วนและการระบายความร้อนด้วยฟิล์มอย่างเห็นได้ชัด เครื่องยนต์ V2500 ใช้โลหะผสมหล่ออุณหภูมิสูง B1900 พร้อมกระเบื้องป้องกันเคลือบเซรามิก และทิศทางการพัฒนาคือการแทนที่กระเบื้อง B1900 (ที่มีการเคลือบเซรามิก) ด้วยคอมโพสิตที่มีฐานเป็น SiC หรือคอมโพสิต C/C ที่ทนต่อการออกซิเดชัน CMC เป็นวัสดุสำหรับห้องเผาไหม้ในเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 15 ต่อ 20 ทำงานที่อุณหภูมิ 1,538 องศาถึง 1,650 องศา ใช้สำหรับท่อเปลวไฟ แผงผนังลอย และห้องเผาไหม้ท้ายการเผาไหม้
2.โลหะผสมทนอุณหภูมิสูงสำหรับส่วนกังหัน
ใบพัดกังหันของเครื่องยนต์อากาศยานเป็นส่วนประกอบที่ต้องเผชิญกับอุณหภูมิที่รุนแรงที่สุดและสภาพแวดล้อมการทำงานที่เลวร้ายที่สุด ใบพัดเหล่านี้ต้องทนต่อแรงกดดันที่รุนแรงและซับซ้อนในอุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้ต้องมีข้อกำหนดด้านวัสดุที่เข้มงวดมาก โลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูงสำหรับใบพัดกังหันสามารถจำแนกได้ดังนี้:
1) โลหะผสมทนอุณหภูมิสูงสำหรับสเตเตอร์
สเตเตอร์เป็นส่วนประกอบหนึ่งในเครื่องยนต์กังหันที่ต้องเผชิญกับแรงกระแทกจากความร้อนมากที่สุด เมื่อเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สม่ำเสมอในห้องเผาไหม้ ใบพัดสเตเตอร์ขั้นแรกจะต้องรับภาระความร้อนจำนวนมาก ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวของสเตเตอร์ อุณหภูมิในการทำงานโดยทั่วไปจะสูงกว่าใบพัดกังหันประมาณ 100 องศา แต่เป็นส่วนประกอบแบบคงที่และรับภาระทางกลน้อยกว่า อย่างไรก็ตาม สเตเตอร์อาจเกิดความเค้นจากความร้อนได้ ซึ่งอาจนำไปสู่การบิดเบี้ยว รอยแตกร้าวจากความล้าจากความร้อน และการเผาไหม้เฉพาะที่ โลหะผสมที่ใช้สำหรับใบพัดสเตเตอร์ควรมีคุณสมบัติต่อไปนี้: ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ ความทนทานต่อการไหลซึม ประสิทธิภาพความล้าจากความร้อนที่ดี ทนต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนจากความร้อนสูง ทนทานต่อความเค้นจากความร้อนและการสั่นสะเทือน ความสามารถในการดัดงอ การหล่อขึ้นรูปที่ดี และประสิทธิภาพในการปกป้องการเคลือบ
ปัจจุบัน เครื่องยนต์แรงขับสูงขั้นสูงมักใช้ใบพัดหล่อกลวงที่ทำจากโลหะผสมนิกเกิลที่มีทิศทางหรือผลึกเดี่ยวที่ทนอุณหภูมิสูง เครื่องยนต์แรงขับสูงทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 1,650 องศาถึง 1,930 องศา จึงจำเป็นต้องใช้สารเคลือบป้องกันความร้อน ภายใต้เงื่อนไขการระบายความร้อนและการป้องกันการเคลือบ อุณหภูมิการทำงานของโลหะผสมใบพัดจะเกิน 1,100 องศา ทำให้ต้องมีความต้องการอุณหภูมิ ความหนาแน่น และต้นทุนที่สูงขึ้นสำหรับวัสดุใบพัดสเตเตอร์ในอนาคต
2) โลหะผสมทนอุณหภูมิสูงสำหรับใบพัดกังหัน
ใบพัดกังหันเป็นส่วนประกอบหมุนที่สำคัญในเครื่องยนต์อากาศยาน โดยมีอุณหภูมิในการทำงานต่ำกว่าใบพัดสเตเตอร์ 50 ถึง 100 องศา ในระหว่างการหมุน ใบพัดจะต้องเผชิญกับแรงเหวี่ยง แรงสั่นสะเทือน แรงความร้อน และการกัดเซาะของกระแสลมอย่างมาก โดยต้องทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง เครื่องยนต์ที่มีแรงขับสูงต้องมีอายุการใช้งานของส่วนประกอบปลายที่ทนความร้อนเกิน 2,000 ชั่วโมง ดังนั้น โลหะผสมใบพัดกังหันจึงต้องมีความต้านทานการคืบคลานสูงและความแข็งแรงในการแตกหักในระยะยาวที่อุณหภูมิการทำงาน มีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิปานกลาง รวมถึงความล้าของรอบสูงและต่ำ ความล้าของความร้อน ความเป็นพลาสติกที่เพียงพอ และความเหนียวต่อแรงกระแทก ตลอดจนความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนที่สูง โลหะผสมควรมีการนำความร้อนที่ดีและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ความสามารถในการหล่อที่ดี และความเสถียรของโครงสร้างจุลภาคในระยะยาวโดยไม่มีการตกตะกอนของเฟส TCP ที่อุณหภูมิการทำงาน โลหะผสมที่ใช้มีการพัฒนาผ่านสี่ขั้นตอน ได้แก่ โลหะผสมที่ผ่านการดัด เช่น GH4033, GH4143 และ GH4118 โลหะผสมหล่อ เช่น K403, K417, K418 และ K405 โลหะผสมที่แข็งตัวแบบมีทิศทาง เช่น DZ4 และ DZ22 และโลหะผสมผลึกเดี่ยว เช่น DD3, DD8 และ PW1484 ปัจจุบันการพัฒนาได้มาถึงโลหะผสมผลึกเดี่ยวรุ่นที่สามแล้ว ในประเทศจีน โลหะผสมผลึกเดี่ยว DD3 และ DD8 ใช้ในเครื่องยนต์กังหัน เทอร์โบแฟน เฮลิคอปเตอร์ และเครื่องยนต์ของกองทัพเรือ
3) โลหะผสมทนอุณหภูมิสูงสำหรับจานกังหัน
แผ่นดิสก์กังหันเป็นส่วนประกอบรับน้ำหนักหมุนที่รับแรงกดสูงสุดในเครื่องยนต์กังหัน สำหรับเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 8 และ 10 อุณหภูมิของขอบจะสูงถึง 650 องศาและ 750 องศา ในขณะที่อุณหภูมิของดุมล้ออยู่ที่ประมาณ 300 องศา ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิอย่างมีนัยสำคัญ ในระหว่างการหมุนตามปกติ แผ่นดิสก์จะขับเคลื่อนใบพัดด้วยความเร็วสูง ทนต่อแรงเหวี่ยง ความร้อน และแรงสั่นสะเทือนสูงสุด การสตาร์ทและปิดเครื่องแต่ละครั้งแสดงถึงวัฏจักร โดยดุมล้อ คอ ร่องด้านล่าง และขอบล้อทั้งหมดจะประสบกับแรงกดคอมโพสิตที่แตกต่างกัน โลหะผสมที่ใช้จะต้องมีความแข็งแรงสูงสุด ความเหนียวต่อแรงกระแทก และไม่มีความไวต่อรอยบากที่อุณหภูมิการทำงาน ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำ ทนต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนในระดับหนึ่ง และการตัดเฉือนที่ดี
4) โลหะผสมอุณหภูมิสูงสำหรับการใช้งานในอวกาศ
ในเครื่องยนต์จรวดเหลว โลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูงใช้สำหรับแผงหัวฉีดห้องเผาไหม้ ส่วนโค้งของปั๊มเทอร์ไบน์ หน้าแปลน ตัวยึดครีบกราไฟต์ และอื่นๆ ในห้องขับดัน โลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูงทำหน้าที่เป็นแผงหัวฉีดเชื้อเพลิง โดยส่วนโค้งของปั๊มเทอร์ไบน์ หน้าแปลน และตัวยึดครีบกราไฟต์ก็ทำจากวัสดุเหล่านี้เช่นกัน เครื่องยนต์ YF73 และ YF75 ของจีนใช้ลวดโลหะผสม GH3030 ที่ทอเป็นตาข่าย จากนั้นจึงรีดและเผาเป็นแผงระบายความร้อนที่มีรูพรุนและแยกออกจากกันสำหรับหัวฉีดห้องเผาไหม้ โรเตอร์เทอร์ไบน์เริ่มใช้ GH1040 และ GH2038A และต่อมาเปลี่ยนเป็น GH4169 ผ่านการตีขึ้นรูปเป็นชิ้นเดียวกัน โดยดิสก์ถูกกลึงและใบพัดได้รับการประมวลผลด้วยไฟฟ้าเพื่อเอาชนะปัญหาการเสียรูปมากเกินไประหว่างการทดสอบเป็นเวลานานด้วย GH1040 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของ GH1040 และ GH4169 แสดงให้เห็นว่าข้อกำหนดวัสดุสำหรับโรเตอร์เทอร์ไบน์ในเครื่องยนต์ขีปนาวุธพิสัยไกลเป็นไปตามมาตรฐาน 800 องศาที่ 398 MPa เป็นเวลา 20 นาที GH4169 สามารถบรรลุประสิทธิภาพโครงสร้างจุลภาคที่เสถียรเป็นเวลา 30 นาที ในขณะที่ GH1040 สามารถรักษาระดับ 294 MPa เป็นเวลา 6 นาทีที่ 800 องศา ซึ่งไม่เป็นไปตามข้อกำหนดในการปฏิบัติงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จาก -253 องศาถึงอุณหภูมิห้อง ความแข็งแรงของ GH4169 จะเพิ่มขึ้น 392 MPa เป็น 400 MPa โดยมีการเปลี่ยนแปลงของความยืดหยุ่นเพียงเล็กน้อยและมีความเหนียวต่อแรงกระแทกที่อุณหภูมิต่ำที่ดี ดังนั้น GH4169 จึงถูกนำไปใช้สำหรับส่วนประกอบรับน้ำหนักที่สำคัญ เช่น โรเตอร์เทอร์ไบน์ เพลา และตัวยึด
ในเครื่องยนต์จรวดเหลวของสหรัฐฯ วัสดุของโรเตอร์กังหันได้แก่ ท่อร่วมไอดี ใบพัดกังหัน และจานหมุน จีนใช้โลหะผสม GH1131 เป็นหลักสำหรับใบพัดกังหัน โดยจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิในการทำงาน โดยนำ Inconel x, Alloy 713C, Astroloy และ Mar-M246 มาใช้ตามลำดับ วัสดุของจานหมุนได้แก่ Inconel 718 และ Waspaloy โดยจีนใช้ GH4169 และ GH4141 เป็นหลักสำหรับกังหันแบบบูรณาการ และ GH2038A สำหรับเพลาเครื่องยนต์