Stopy-wysokotemperaturowe, zwane także stopami-odpornymi na ciepło lub nadstopami, to klasa materiałów metalowych zdolnych-do długotrwałej pracy w-środowiskach o wysokiej{3}}temperaturze i pod pewnymi naprężeniami. Wykazują doskonałą odporność na utlenianie w wysokiej-temperaturze i korozję na gorąco, a także doskonałą wytrzymałość-w wysokiej temperaturze, wytrzymałość zmęczeniową i odporność na pękanie pełzające. Stopy te są stosowane głównie w silnikach turbinowych dla przemysłu lotniczego, energetycznego i morskiego.
Klasyfikacja-stopów wysokotemperaturowych
1. W zależności od materiału matrycy można je podzielić na trzy kategorie: na bazie żelaza-, niklu- i kobaltu-.
(1) Wysokotemperaturowe-stopy na bazie żelaza nazywane są także stalami stopowymi-odpornymi na wysoką temperaturę. Żaroodporne-stale stopowe można podzielić na martenzyt, austenit, perlit, ferrytowe-stale żaroodporne itp., zgodnie z ich wymaganiami normalizacyjnymi. Wysokotemperaturowe-stopy na bazie żelaza mają stosunkowo niską temperaturę roboczą (600–850 stopni), ale ich właściwości mechaniczne-w średnich temperaturach są dobre, porównywalne lub lepsze niż podobne stopy na bazie niklu-lub lepsze. Ponadto są tanie i łatwe do odkształcenia podczas obróbki na gorąco. Są one powszechnie stosowane w częściach silnika o niższych temperaturach roboczych, takich jak tarcze turbin, obudowy i wały.
(2) Wysokotemperaturowe-stopy na bazie niklu mają najwyższą temperaturę roboczą (około 1000 stopni) i są szeroko stosowane do produkcji najgorętszych części lotniczych silników odrzutowych i różnych przemysłowych turbin gazowych, takich jak łopatki turbin, łopatki kierujące, turbiny itp.
(3) Wysokotemperaturowe-stopy na bazie kobaltu- charakteryzują się dobrą lejnością i spawalnością i mogą być stosowane w wysokich temperaturach od 700 do 1050 stopni. Składa się głównie z kobaltu, a jego typowym przedstawicielem jest K610, który zawiera ponad 58% kobaltu. Ze względu na wysoką cenę i niedobór kobaltu jest on rzadko stosowany w kraju i za granicą. Istniejące marki to K640, K644, GH188 itp.
2. Zgodnie z procesem przygotowania można je podzielić na odkształcone stopy wysokotemperaturowe-, stopy odlewane wysokotemperaturowe-i stopy wysokotemperaturowe-proszkowe.
(1) Odkształcone-stopy wysokotemperaturowe
Odkształcone-stopy wysokotemperaturowe to stopy wysokotemperaturowe-, które powstają w wyniku obróbki wlewków na zimno i na gorąco w różne profile lub półfabrykaty, a na koniec w części gorące-końcowe. Kluczem jest to, że wlewek stopu może się uformować. W porównaniu z odlewanymi stopami wysokotemperaturowymi-odkształcone stopy wysokotemperaturowe-mają niski stopień stopowania. Dlatego temperatura topnienia jest wyższa, górna granica temperatury pracy na gorąco jest wyższa, temperatura rekrystalizacji stopu jest niższa, a dolna granica temperatury pracy na gorąco jest niższa. Dlatego zakres obróbki na gorąco odkształconych stopów-wysokotemperaturowych jest szerszy niż w przypadku odlewanych stopów wysokotemperaturowych. Według różnych elementów osnowy odkształcone stopy wysokotemperaturowe-można podzielić na odkształcone stopy wysokotemperaturowe-na bazie żelaza,-odkształcone stopy wysokotemperaturowe na bazie niklu-i odkształcone stopy wysokotemperaturowe-na bazie kobaltu.
(2) Odlewanie-stopów wysokotemperaturowych
Odlewanie stopów wysokotemperaturowych-to proces polegający na bezpośrednim odlewaniu lub kierunkowym zestalaniu części po przetopieniu wlewków stopowych. Ich rozwój rozpoczął się w latach czterdziestych XX wieku. Odlewanie stopów wysokotemperaturowych-nie uwzględnia już odporności na odkształcenia podczas kucia. Do odlewania wydrążonych cienkościennych ostrzy o skomplikowanych kształtach i niezakłóconych wnękach wewnętrznych można stosować metody odlewania precyzyjnego lub procesy krzepnięcia kierunkowego. Dlatego sumaryczna ilość pierwiastków w nadstopach odlewanych jest znacznie większa niż w nadstopach odkształconych. Do pierwiastków wzmacniających w roztworze stałym zalicza się Re i Ru, natomiast zawartość metalu ogniotrwałego W jest podwyższona (w niektórych stopach przekraczająca 10%). Do pierwiastków stopowych wzmacniających wytrącanie-oprócz Al i Ti zaliczają się także Nb, Ta, Hf i V.
Nadstopy odlewane można podzielić metodą krzepnięcia na trzy kategorie: nadstopy odlewane równoosiowo, nadstopy kolumnowe krzepnięte kierunkowo i nadstopy monokrystaliczne. Nadstopy jednokrystaliczne, nowy typ nadstopów, powstają poprzez wyeliminowanie wszelkich granic ziaren w wyniku kierunkowego krzepnięcia. Metale składają się z pojedynczych kryształów, stąd nazwa superstop mono{3}}krystaliczny. Granice ziaren to obszary w metalu, w których gromadzą się różne zniekształcenia, defekty i zanieczyszczenia. Chociaż są silniejsze w temperaturze pokojowej niż w krysztale, są podatne na poślizg w wysokich temperaturach. Kiedy wytrzymałość granic ziaren zmniejsza się w wysokich temperaturach, wytrzymałość metalu maleje. Dlatego też wyeliminowanie granic ziaren poprzez kierunkowe krzepnięcie pozwala uzyskać monokrystaliczne nadstopy o doskonałych parametrach. Obecnie prawie wszystkie zaawansowane silniki wykorzystują łopatki turbin lub łopatki kierujące ze stopu pojedynczego-krystalicznego.
(3) Sproszkowane-stopy wysokotemperaturowe
W miarę jak temperatura robocza stopów żaroodpornych- staje się coraz wyższa, liczba elementów wzmacniających w stopach wzrasta, a skład staje się bardziej złożony, w wyniku czego niektóre stopy mogą być stosowane tylko w stanie odlanym i nie mogą być odkształcane podczas obróbki na gorąco. Ponadto wzrost zawartości pierwiastków stopowych powoduje poważną segregację składników w stopach-na bazie niklu po zestaleniu, co skutkuje nierówną strukturą i wydajnością. Zastosowanie technologii metalurgii proszków do produkcji-stopów wysokotemperaturowych może rozwiązać powyższe problemy. Ponieważ cząstki proszku są małe, a prędkość chłodzenia podczas wytwarzania proszku jest duża, eliminuje się segregację i poprawia się właściwości obróbki na gorąco. Stop, który można jedynie odlewać, przekształca się w-stop wysokotemperaturowy, który można-obrobić na gorąco, co poprawia granicę plastyczności i właściwości zmęczeniowe. Sproszkowane stopy wysokotemperaturowe{{10}stworzyły nowy sposób wytwarzania stopów o wyższej.wytrzymałości. Sproszkowane stopy wysokotemperaturowe są używane głównie do produkcji tarcz turbin do-oporu-do-zaawansowanych silników lotniczych, a także do produkcji-temperaturowych-komponentów gorących, takich jak tarcze sprężarek, wały turbin i przegrody turbin do zaawansowanych silników lotniczych.
Obszary zastosowań stopów wysokotemperaturowych
1. Lotnictwo
(1) Komora spalania
Komora spalania to obszar o najwyższej temperaturze roboczej spośród wszystkich elementów silnika. Gdy temperatura gazu w komorze spalania osiągnie 1500-2000 stopni, temperatura stopu ścian komory może osiągnąć 800-900 stopni, a lokalnie nawet 1100 stopni. W ostatnich latach większość stopów wysokotemperaturowych stosowanych w komorze spalania to stopy wzmacniane roztworem stałym. Stopy zawierają dużą ilość pierwiastków wzmacniających w roztworze stałym, takich jak W, Mo i Nb. Mają wysoką wytrzymałość temperaturową oraz dobre właściwości plastyczne i spawalnicze. Reprezentatywne gatunki obejmują GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 i GH3170.
(2) Łopatki kierujące
Kierownice to elementy regulujące kierunek przepływu gazu wychodzącego z komory spalania. Nazywa się je również łopatkami prowadzącymi. Stanowią one jedną z części silnika turbinowego, która podlega największemu szokowi termicznemu. Szczególnie gdy spalanie w komorze spalania jest nierównomierne lub praca jest niewłaściwa, łopatki kierujące poddawane są większemu obciążeniu cieplnemu. Temperatura robocza łopatek kierujących zaawansowanych silników turbinowych może osiągnąć 1100 stopni. Temperatura robocza domowych stopów łopatek kierujących może osiągnąć 1000 ~ 1050 stopni. Reprezentatywne-stopy do precyzyjnego odlewania stopów wysokotemperaturowych obejmują K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B itd.
(3) Łopatki turbin
Łopatki turbin są elementami silników lotniczych, w których panują najcięższe warunki pracy. Temperatura środowiska pracy jest wysoka. Typowe gatunki-stopów wysokotemperaturowych obejmują GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 itp., które mogą być stosowane w środowisku o temperaturze 750-950 stopni. Podczas opracowywania nowych silników i modyfikacji starych modeli do produkcji łopatek turbin stosuje się odlewane stopy wysokotemperaturowe. Typowe gatunki stopów odlewniczych obejmują K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 itp.
