Hợp kim-nhiệt độ cao, còn được gọi là hợp kim chịu nhiệt-hoặc siêu hợp kim, là một loại vật liệu kim loại có khả năng-hoạt động lâu dài trong môi trường nhiệt độ-cao và dưới những áp lực nhất định. Chúng thể hiện khả năng chống lại quá trình oxy hóa-ở nhiệt độ cao và ăn mòn nóng cũng như độ bền nhiệt độ-cao, độ bền mỏi và độ bền đứt gãy vượt trội. Những hợp kim này chủ yếu được sử dụng trong động cơ tua-bin hàng không, năng lượng và hàng hải.
Phân loại hợp kim có nhiệt độ-cao
1. Theo vật liệu nền, chúng có thể được chia thành ba loại: dựa trên sắt-, dựa trên niken-và dựa trên coban-.
(1) Hợp kim nhiệt độ cao{1}}làm từ sắt-còn được gọi là thép hợp kim chịu nhiệt-. Thép hợp kim chịu nhiệt-có thể được chia thành thép chịu nhiệt martensite, austenite, Pearlite, ferrite-, v.v., theo yêu cầu chuẩn hóa của chúng. Hợp kim nhiệt độ cao-làm từ sắt{10}}có nhiệt độ hoạt động tương đối thấp (600~850 độ ), nhưng các đặc tính cơ học ở nhiệt độ trung bình-của chúng tốt, tương đương hoặc tốt hơn các hợp kim làm từ niken{14}}tương tự. Ngoài ra, chúng còn rẻ và dễ biến dạng khi gia công nóng. Chúng thường được sử dụng trong các bộ phận của động cơ có nhiệt độ hoạt động thấp hơn, chẳng hạn như đĩa tuabin, vỏ và trục.
(2) Hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken-có nhiệt độ hoạt động cao nhất (khoảng 1000 độ ) và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bộ phận nóng nhất của động cơ phản lực hàng không và các tua bin khí công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như cánh tuabin, cánh dẫn hướng, tua bin, v.v.
(3) Hợp kim nhiệt độ cao-làm từ cobalt có khả năng đúc và hàn tốt, đồng thời có thể sử dụng ở nhiệt độ cao 700~1050 độ . Nó chủ yếu bao gồm coban, và đại diện tiêu biểu của nó là K610, chứa hơn 58% coban. Do giá cao và thiếu coban nên nó hiếm khi được sử dụng trong và ngoài nước. Các thương hiệu hiện có bao gồm K640, K644, GH188, v.v.
2. Theo quy trình chuẩn bị, nó có thể được chia thành các hợp kim có nhiệt độ-cao bị biến dạng, các hợp kim có nhiệt độ-cao và các hợp kim có nhiệt độ- dạng bột cao.
(1) Hợp kim nhiệt độ cao{1}}bị biến dạng
Hợp kim có nhiệt độ-cao bị biến dạng là hợp kim có nhiệt độ-cao được tạo ra bằng cách xử lý phôi nóng và nguội thành nhiều dạng khác nhau hoặc phôi bộ phận và cuối cùng thành các bộ phận-nóng. Điều quan trọng là phôi hợp kim có thể hình thành. So với hợp kim đúc ở nhiệt độ cao-, hợp kim nhiệt độ cao{6}}bị biến dạng có mức độ hợp kim hóa thấp. Do đó, điểm nóng chảy cao hơn, giới hạn trên của nhiệt độ làm việc nóng cao hơn, nhiệt độ kết tinh lại hợp kim thấp hơn và giới hạn dưới của nhiệt độ làm việc nóng thấp hơn. Do đó, phạm vi hoạt động nóng của hợp kim nhiệt độ cao-bị biến dạng rộng hơn phạm vi hoạt động nóng của hợp kim nhiệt độ{10}cao đúc. Theo các thành phần ma trận khác nhau, hợp kim nhiệt độ cao{12}}biến dạng có thể được chia thành hợp kim nhiệt độ cao biến dạng-dựa trên sắt, hợp kim nhiệt độ cao biến dạng-dựa trên niken và hợp kim nhiệt độ cao biến dạng-dựa trên coban{18}}.
(2) Đúc hợp kim có nhiệt độ-cao
Đúc hợp kim có nhiệt độ-cao là quá trình đúc trực tiếp hoặc đông cứng theo hướng thành các bộ phận sau khi nấu chảy lại các thỏi hợp kim. Sự phát triển của họ bắt đầu vào những năm 1940. Việc đúc hợp kim có nhiệt độ-cao không còn xét đến hiệu suất biến dạng khi rèn. Bạn có thể sử dụng các phương pháp đúc chính xác hoặc quy trình hóa rắn định hướng để đúc các cánh có thành mỏng rỗng-có hình dạng phức tạp và các khoang bên trong không bị cản trở. Do đó, tổng lượng nguyên tố trong siêu hợp kim đúc cao hơn đáng kể so với siêu hợp kim bị biến dạng. Các nguyên tố tăng cường dung dịch rắn bao gồm Re và Ru, trong khi hàm lượng kim loại chịu lửa W tăng lên (trong một số hợp kim, vượt quá 10%). Các nguyên tố hợp kim tăng cường kết tủa, ngoài Al và Ti, còn bao gồm Nb, Ta, Hf và V.
Các siêu hợp kim đúc có thể được phân loại bằng phương pháp hóa rắn thành ba loại: siêu hợp kim đúc đẳng trục, siêu hợp kim dạng cột được hóa rắn theo hướng và siêu hợp kim đơn tinh thể. Siêu hợp kim đơn tinh thể, một loại siêu hợp kim mới, được hình thành bằng cách loại bỏ tất cả các ranh giới hạt thông qua quá trình hóa rắn định hướng. Kim loại được cấu tạo từ các tinh thể riêng lẻ, do đó có tên là siêu hợp kim-tinh thể đơn. Ranh giới hạt là các khu vực bên trong kim loại nơi tích tụ nhiều biến dạng, khuyết tật và tạp chất khác nhau. Mặc dù ở nhiệt độ phòng mạnh hơn bên trong tinh thể nhưng chúng dễ bị trượt ở nhiệt độ cao. Khi độ bền ranh giới hạt giảm ở nhiệt độ cao, độ bền của kim loại giảm. Do đó, việc loại bỏ ranh giới hạt thông qua quá trình hóa rắn định hướng sẽ tạo ra các siêu hợp kim đơn tinh thể có hiệu suất tuyệt vời. Hiện tại, hầu hết các động cơ tiên tiến đều sử dụng{10}các cánh tuabin hoặc cánh dẫn hướng bằng hợp kim đơn tinh thể.
(3) Hợp kim nhiệt độ cao- dạng bột
Khi nhiệt độ làm việc của hợp kim chịu nhiệt-ngày càng cao, số lượng nguyên tố tăng cường trong hợp kim tăng lên và thành phần trở nên phức tạp hơn, dẫn đến một số hợp kim chỉ có thể được sử dụng ở trạng thái đúc và không thể bị biến dạng khi gia công nóng. Ngoài ra, sự gia tăng các nguyên tố hợp kim gây ra sự phân tách thành phần nghiêm trọng trong hợp kim gốc niken-sau khi hóa rắn, dẫn đến cấu trúc và hiệu suất không đồng đều. Việc sử dụng công nghệ luyện kim bột để sản xuất hợp kim có nhiệt độ-cao có thể giải quyết các vấn đề trên. Do các hạt bột nhỏ và tốc độ làm nguội trong quá trình tạo bột nhanh nên loại bỏ sự phân tách và cải thiện đặc tính gia công nóng. Hợp kim chỉ có thể đúc được chuyển thành hợp kim ở nhiệt độ-cao có thể được gia công nóng-, đồng thời độ bền chảy và đặc tính mỏi được cải thiện. Hợp kim có nhiệt độ cao{10}} dạng bột đã tạo ra một phương pháp mới để sản xuất hợp kim có độ bền{11} cao hơn. Hợp kim dạng bột có nhiệt độ-cao chủ yếu được sử dụng để sản xuất đĩa tuabin cho-lực đẩy-đến-động cơ máy bay tiên tiến và cũng được dùng để sản xuất các bộ phận ở đầu có-nóng nhiệt độ-cao như đĩa máy nén, trục tuabin và vách ngăn tuabin cho động cơ máy bay tiên tiến.
Lĩnh vực ứng dụng của hợp kim nhiệt độ cao
1. Hàng không vũ trụ
(1) Buồng đốt
Buồng đốt là khu vực có nhiệt độ hoạt động cao nhất trong số các bộ phận của động cơ. Khi nhiệt độ khí trong buồng đốt đạt tới 1500-2000 độ, nhiệt độ của hợp kim thành buồng đốt có thể đạt tới 800-900 độ và cục bộ lên tới 1100 độ. Trong những năm gần đây, hầu hết các hợp kim nhiệt độ cao được sử dụng trong buồng đốt đều là hợp kim được tăng cường bằng dung dịch rắn. Các hợp kim chứa một lượng lớn các nguyên tố tăng cường dung dịch rắn như W, Mo và Nb. Chúng có độ bền nhiệt độ cao và đặc tính tạo hình và hàn tốt. Các loại đại diện bao gồm GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 và GH3170.
(2) Cánh dẫn hướng
Cánh dẫn hướng là bộ phận điều chỉnh hướng dòng khí thoát ra khỏi buồng đốt. Chúng còn được gọi là cánh dẫn hướng. Chúng là một trong những bộ phận của động cơ tua-bin chịu sốc nhiệt lớn nhất. Đặc biệt khi quá trình cháy trong buồng cháy không đều hoặc hoạt động kém thì các cánh dẫn hướng phải chịu tải nhiệt lớn hơn. Nhiệt độ hoạt động của cánh dẫn hướng của động cơ tua-bin tiên tiến có thể đạt tới 1100 độ. Nhiệt độ hoạt động của hợp kim cánh dẫn hướng trong nước có thể đạt tới 1000 ~ 1050 độ. Các hợp kim đúc chính xác bằng hợp kim nhiệt độ cao-đại diện bao gồm K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, v.v.
(3) Cánh tuabin
Cánh tuabin là bộ phận có điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất trong động cơ máy bay. Nhiệt độ môi trường làm việc cao. Các loại vật liệu hợp kim nhiệt độ cao-thường bao gồm GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220, v.v., có thể được sử dụng trong môi trường 750-950 độ . Khi phát triển động cơ mới và sửa đổi các mẫu cũ, hợp kim đúc ở nhiệt độ cao được sử dụng để chế tạo các cánh tuabin. Các loại hợp kim đúc điển hình bao gồm K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002, v.v.
