Legeringen voor hoge- temperaturen, ook bekend als hitte- hittebestendige legeringen of superlegeringen, zijn een klasse metalen materialen die langdurig - kunnen functioneren in omgevingen met hoge- temperaturen en onder bepaalde spanningen. Ze vertonen uitstekende weerstand tegen oxidatie bij hoge- temperaturen en corrosie door hitte, evenals superieure sterkte bij- hoge temperaturen, vermoeiingssterkte en kruipbreuktaaiheid. Deze legeringen worden voornamelijk gebruikt in ruimtevaart-, energie- en scheepsturbinemotoren.
Classificatie van legeringen voor hoge- temperaturen
1. Afhankelijk van het matrixmateriaal kunnen ze worden onderverdeeld in drie categorieën: op ijzer-gebaseerd, op nikkel-gebaseerd en op kobalt-gebaseerd.
(1) Op ijzer-gebaseerde hoge--legeringen worden ook wel hitte-bestendige gelegeerde staalsoorten genoemd. Hitte-resistente gelegeerde staalsoorten kunnen worden onderverdeeld in martensiet-, austeniet-, perliet-, ferriet-hitte-staalsoorten, enz., afhankelijk van hun normaliserende vereisten. Op ijzer-gebaseerde hoge--legeringen hebben een relatief lage bedrijfstemperatuur (600~850 graden), maar hun mechanische eigenschappen op midden-temperatuur zijn goed, die gelijkwaardig zijn aan of beter dan soortgelijke nikkel-legeringen. Bovendien zijn ze goedkoop en gemakkelijk te vervormen tijdens heet bewerken. Ze worden over het algemeen gebruikt in delen van de motor met lagere bedrijfstemperaturen, zoals turbineschijven, behuizingen en assen.
(2) Op nikkel-gebaseerde hoge--temperatuurlegeringen hebben de hoogste bedrijfstemperatuur (ongeveer 1000 graden) en worden veel gebruikt bij de vervaardiging van de heetste onderdelen van vliegtuigstraalmotoren en verschillende industriële gasturbines, zoals turbinebladen, leischoepen, turbines, enz.
(3) Op kobalt-gebaseerde hoge- temperatuurlegeringen hebben een goede gietbaarheid en lasbaarheid en kunnen worden gebruikt bij hoge temperaturen van 700~1050 graden. Het bestaat voornamelijk uit kobalt en de typische vertegenwoordiger ervan is K610, dat meer dan 58% kobalt bevat. Door de hoge prijs en het tekort aan kobalt wordt het in binnen- en buitenland zelden gebruikt. Bestaande merken zijn onder meer K640, K644, GH188, enz.
2. Afhankelijk van het bereidingsproces kan het worden onderverdeeld in vervormde hoge--legeringen, gegoten hoge--temperatuurlegeringen en poedervormige hoge--legeringen.
(1) Vervormde legeringen bij hoge- temperaturen
Vervormde legeringen voor hoge- temperaturen verwijzen naar legeringen voor hoge- temperaturen die worden gemaakt door koude en warme verwerking van blokken tot verschillende profielen of onbewerkte onderdelen, en uiteindelijk tot onderdelen met hete- eindstukken. De sleutel is dat de legeringsstaaf zich kan vormen. Vergeleken met gegoten hoge--temperatuurlegeringen hebben vervormde hoge--legeringen een lage legeringsgraad. Daarom is het smeltpunt hoger, is de bovengrens van de hete werktemperatuur hoger, is de herkristallisatietemperatuur van de legering lager en is de ondergrens van de hete werktemperatuur lager. Daarom is het warme werkbereik van vervormde hoge--legeringen groter dan dat van gegoten hoge--legeringen. Volgens de verschillende matrixelementen kunnen vervormde hoge--legeringen worden onderverdeeld in op ijzer-gebaseerde vervormde hoge--legeringen, op nikkel-gebaseerde vervormde hoge--legeringen, en op kobalt-gebaseerde vervormde hoge--legeringen.
(2) Gieten van legeringen voor hoge- temperaturen
Het gieten van legeringen op hoge- temperatuur is een proces waarbij onderdelen direct worden gegoten of gericht worden gestold nadat de legeringsblokken opnieuw zijn gesmolten. Hun ontwikkeling begon in de jaren veertig. Bij het gieten van legeringen bij hoge-temperaturen wordt niet langer rekening gehouden met de vervormingsprestaties van het smeden. Precisiegietmethoden of directionele stollingsprocessen kunnen worden gebruikt om holle, dun-wandige bladen met complexe vormen en onbelemmerde binnenholtes te gieten. Daarom is de totale hoeveelheid elementen in gegoten superlegeringen aanzienlijk hoger dan in vervormde superlegeringen. Versterkende elementen voor vaste oplossingen omvatten Re en Ru, terwijl het gehalte aan vuurvast metaal W is verhoogd (in sommige legeringen tot meer dan 10%). Neerslag-versterkende legeringselementen omvatten naast Al en Ti ook Nb, Ta, Hf en V.
Gegoten superlegeringen kunnen via de stollingsmethode worden geclassificeerd in drie categorieën: gelijkassige gegoten superlegeringen, directioneel gestolde kolomvormige superlegeringen en monokristallijne superlegeringen. Superlegeringen met één kristal-, een nieuw type superlegering, worden gevormd door alle korrelgrenzen te elimineren door gerichte stolling. Metalen zijn samengesteld uit individuele kristallen, vandaar de naam single-crystal superlegering. Korrelgrenzen zijn gebieden binnen het metaal waar verschillende vervormingen, defecten en onzuiverheden zich ophopen. Hoewel ze bij kamertemperatuur sterker zijn dan in het kristal, zijn ze gevoelig voor uitglijden bij hoge temperaturen. Wanneer de sterkte van de korrelgrenzen bij hoge temperaturen afneemt, neemt de sterkte van het metaal af. Daarom levert het elimineren van korrelgrenzen door gerichte stolling enkelvoudige kristal-superlegeringen op met uitstekende prestaties. Momenteel maken bijna alle geavanceerde motoren gebruik van turbinebladen of leischoepen van een enkele-kristallegering.
(3) Poedervormige legeringen voor hoge- temperaturen
Naarmate de werktemperatuur van hitte{0}}bestendige legeringen steeds hoger wordt, neemt het aantal versterkende elementen in de legeringen toe en wordt de samenstelling complexer, wat resulteert in sommige legeringen die alleen in gegoten toestand kunnen worden gebruikt en niet kunnen worden vervormd door heet bewerken. Bovendien veroorzaakt de toename van het aantal legeringselementen na het stollen een ernstige segregatie van componenten in legeringen op nikkel--basis, wat resulteert in een ongelijkmatige structuur en prestaties. Het gebruik van poedermetallurgietechnologie voor de productie van hoge-temperatuurlegeringen kan de bovengenoemde problemen oplossen. Omdat de poederdeeltjes klein zijn en de koelsnelheid tijdens het maken van poeder hoog is, wordt segregatie geëlimineerd en worden de warme werkeigenschappen verbeterd. De legering die alleen gegoten kan worden, wordt omgezet in een hoge-temperatuurlegering die heet-bewerkt kan worden, en de vloeigrens en vermoeiingseigenschappen worden verbeterd. Poedervormige legeringen voor hoge-temperaturen hebben een nieuwe manier gecreëerd om legeringen met hogere-sterkte te produceren. Poedervormige legeringen voor hoge-temperaturen worden hoofdzakelijk gebruikt voor de productie van turbineschijven voor -stuwkracht-voor-geavanceerde vliegtuigmotoren, en worden ook gebruikt voor de productie van-hoge- hete- componenten zoals compressorschijven, turbineschachten en turbineschotten voor geavanceerde vliegtuigmotoren.
Toepassingsgebieden van legeringen voor hoge temperaturen
1. Lucht- en ruimtevaart
(1) Verbrandingskamer
De verbrandingskamer is het gebied met de hoogste bedrijfstemperatuur van alle motoronderdelen. Wanneer de gastemperatuur in de verbrandingskamer 1500-2000 graden bereikt, kan de temperatuur van de kamerwandlegering 800-900 graden bereiken, en lokaal tot 1100 graden. De laatste jaren zijn de meeste hogetemperatuurlegeringen die in de verbrandingskamer worden gebruikt, vaste oplossingsversterkte legeringen. De legeringen bevatten een grote hoeveelheid vaste oplossingsversterkende elementen zoals W, Mo en Nb. Ze hebben een hoge temperatuursterkte en goede vorm- en laseigenschappen. Representatieve kwaliteiten zijn onder meer GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 en GH3170.
(2) Geleideschoepen
De leischoepen zijn componenten die de stroomrichting regelen van het gas dat uit de verbrandingskamer komt. Ze worden ook leischoepen genoemd. Ze zijn een van de onderdelen van de turbinemotor die onderhevig zijn aan de grootste thermische schokken. Vooral wanneer de verbranding in de verbrandingskamer ongelijkmatig is of de werking slecht is, worden de leischoepen blootgesteld aan een grotere warmtebelasting. De bedrijfstemperatuur van de leischoepen van geavanceerde turbinemotoren kan 1100 graden bereiken. De bedrijfstemperatuur van binnenlandse leischoepenlegeringen kan 1000 ~ 1050 graden bereiken. Representatieve precisiegietlegeringen van hoge--legeringen zijn onder meer K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, enz.
(3) Turbinebladen
Turbinebladen zijn de componenten met de zwaarste werkomstandigheden in vliegtuigmotoren. De werkomgevingstemperatuur is hoog. Typische soorten legeringsmaterialen voor hoge temperaturen zijn onder meer GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220, enz., die kunnen worden gebruikt in een omgeving van 750-950 graden. Bij het ontwikkelen van nieuwe motoren en het aanpassen van oude modellen worden gegoten hogetemperatuurlegeringen gebruikt om turbinebladen te vervaardigen. Typische soorten gietlegeringen zijn K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002, enz.
