一.تطبيق السبائك الفائقة في المحرك الهوائي
سير عمل المحرك التوربيني: عند تشغيل المحرك، يدخل الهواء إلى الضاغط عن طريق المدخل، ويتم ضغطه ويدخل إلى غرفة الاحتراق، ويختلط مع الوقود المنبعث من فوهة حقن الوقود، فيشكل خليطًا متجانسًا ويتم إشعاله واحتراقه بسرعة في غرفة الاحتراق، تنتج غازًا بدرجة حرارة عالية يتدفق عبر الدليل إلى التوربين، ويدور التوربين بسرعة عالية (يمكن أن تصل السرعة العادية إلى 1100 دورة/دقيقة) تحت درجة حرارة عالية وتدفق غاز عالي الضغط. يتم طرد الغاز من التوربين من فوهة الذيل لتوليد قوة الدفع. بسبب الاهتزاز وتآكل تدفق الهواء، وخاصة تأثير الطرد المركزي الناتج عن الدوران، ستتعرض أجزاء محرك الطائرة ذات درجة الحرارة المرتفعة لضغط أكبر، ويحتوي الغاز على الكثير من الأكسجين، وبخار الماء، وهناك غازات قابلة للتآكل مثل SO2، H2S والذي سيكون له دور في أكسدة وتآكل الأجزاء ذات الحرارة المرتفعة. سواء كانت طائرة عسكرية أو طائرة مدنية، بالإضافة إلى الأداء الهيكلي والوظيفي، ولكنها تتطلب أيضًا السلامة والاستقرار، لذلك فإن المحركات الحديثة بالإضافة إلى نسبة الدفع إلى الوزن العالية، وارتفاع درجة الحرارة، ونسبة الضغط العالي وغيرها من الأداء، هناك هي الموثوقية الصارمة والمتانة ومتطلبات الصيانة.
تتمتع Superalloy بثبات حراري عالي وقوة حرارية، ويمكن أن تتمتع بمقاومة جيدة للتآكل ومقاومة الأكسدة في درجات الحرارة العالية. إنها مادة أساسية أساسية لتصنيع المكونات الساخنة لمحركات توربينات الطيران، وتستخدم بشكل رئيسي في تصنيع المكونات الساخنة للتوربينات، وهي قرص التوربين، شفرة التوجيه التوربينية، شفرة العمل التوربينية، غرفة الاحتراق ومكونات الحارق اللاحق. في محركات الطائرات الحديثة المتقدمة، تمثل كمية مواد السبائك الفائقة 40%-60% من إجمالي المحرك.
غرفة الاحتراق هي أعلى منطقة درجة حرارة عمل لمكونات المحرك، وعندما تصل درجة حرارة الغاز في غرفة الاحتراق إلى 1500-2000 درجة مئوية، يمكن أن تصل درجة حرارة سبيكة جدار الغرفة إلى 800 ~ 900 درجة مئوية، والمحلية يمكن أن تصل درجة الحرارة إلى 1100 درجة مئوية. تتعرض السبيكة المستخدمة كغرفة الاحتراق للضغط الحراري وقوة تأثير الغاز، خاصة أثناء الإقلاع والتسارع ومواقف السيارات، وتكون التغيرات في درجات الحرارة أكثر جذرية. بسبب التسخين والتبريد الدوريين، غالبًا ما تظهر غرفة الاحتراق تشوهًا وتزييفًا وشقوقًا بسبب التعب الحراري عند الحافة.
في السنوات الأخيرة، معظم السبائك الفائقة المستخدمة في غرفة الاحتراق عبارة عن سبائك معززة بالمحلول الصلب، والتي تحتوي على عدد كبير من W، Mo، Nb وغيرها من العناصر المقواة بالمحلول الصلب، وقوة درجة الحرارة العالية، وأداء التشكيل واللحام الجيد. العلامات التجارية التمثيلية هي GH1140، GH3030، GH3039، GH3333، GH3018، GH3022، GH3044، GH3128، GH3170 وما إلى ذلك.
الشفرة التوجيهية هي أحد المكونات التي تعمل على ضبط اتجاه تدفق الغاز من غرفة الاحتراق، والمعروفة أيضًا باسم الدليل. وهو أحد أجزاء المحرك التوربيني الذي يتعرض لتأثير حراري كبير. خاصة عندما تكون غرفة الاحتراق غير موحدة والتشغيل ليس جيدًا، تتعرض شفرة التوجيه لحمل حراري أكبر، ويمكن أن تصل درجة حرارة تشغيل شفرة التوجيه للمحرك التوربيني المتقدم إلى 1100 درجة. يعد التشوه الناتج عن الإجهاد الحراري وشقوق التعب الحراري الناتجة عن التغيرات الجذرية في درجات الحرارة والحروق المحلية من العيوب الرئيسية لشفرات التوجيه أثناء التشغيل.
يتم إنتاج معظم السبائك المستخدمة كشفرات توجيه من خلال عملية الصب الدقيقة، ويمكن إضافة المزيد من عناصر W وMo وNb وAl وTi وغيرها من عناصر تقوية المحاليل الصلبة وتقوية التقادم إلى السبائك، كما يمكن إضافة محتوى C وB في السبائك. كما أن السبائك أعلى من تلك الموجودة في السبائك المشوهة ذات درجات الحرارة العالية. يتم أيضًا لحام بعض شفرات التوجيه مباشرة من صفائح مقوية بالعمر. تستخدم المحركات الهوائية المتقدمة في الغالب شفرات مصبوبة مجوفة، والتي لها تأثير تبريد جيد ويمكن أن تزيد من درجة حرارة الخدمة. يمكن أن يصل استخدام درجة حرارة سبيكة ريشة التوجيه المحلية إلى 000 ~ 1050 درجة، وسبائك الصب الدقيقة التمثيلية K214، K233، K406، K417، K403، K409، K408، K423B، إلخ.
مع تطور المحرك، من أجل تلبية الزيادة الإضافية في درجة حرارة قرص توربين المحرك، تغير أيضًا هيكل شفرة التوجيه، وتمت محاولة اعتماد GH5605 وGH5188. يتم استخدام الهيكل الرقائقي الملحوم لصفائح السبائك الفائقة المشوهة كشفرة توجيه.
تعد شفرات التوربينات من أشد المكونات خطورة في المحركات الهوائية، حيث تتميز بدرجة حرارة تشغيل عالية وإجهاد طرد مركزي كبير، وإجهاد اهتزاز، وإجهاد حراري، وقوة تآكل تدفق الهواء أثناء الدوران. يبلغ ضغط الشد لجسم الشفرة حوالي 140 ميجا باسكال، ومتوسط ضغط جذر الشفرة هو 280-560 ميجا باسكال. تبلغ درجة حرارة جسم النصل والجزء الجذري حوالي 650-980 درجة و760 درجة على التوالي. وصلت درجة حرارة مدخل الغاز للمحرك الهوائي المتقدم إلى 1380 درجة ووصلت قوة الدفع إلى 226 كيلو نيوتن. نموذجي GH4033، GH4037 GH4143، GH4049، GH4151، GH4118، GH4220 وما إلى ذلك، يمكن استخدامه في درجة 750-950 . في تطوير الآلات الجديدة وتعديل الآلات القديمة، يتم استخدام السبائك الفائقة لتصنيع شفرات التوربينات. الدرجات النموذجية لسبائك الصب هي K403، K417، K417G، K418، K403، K405، K4002 وما إلى ذلك.
ويشكل القرص التوربيني الكتلة الأكبر في مكونات المحرك الهوائي، إذ تبلغ الكتلة الواحدة أكثر من 50 كيلوغراما، وتصل الكتلة الواحدة لقرص التوربين الكبير إلى مئات الكيلوغرامات. في استوديو قرص التوربين، يمكن أن تصل درجة حرارة الحافة العامة إلى 550-650 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة حرارة مركز العجلة حوالي 300 درجة مئوية فقط، ويكون فرق درجة الحرارة لقرص التوربين بأكمله كبيرًا جدًا. ولذلك، يتم إنشاء إجهاد حراري شعاعي كبير. تدور شفرات التوربين بسرعة عالية أثناء الدوران الطبيعي وتتحمل قوة طرد مركزية كبيرة. يعتبر الضغط على جزء سن اللسان أكثر تعقيدًا، بما في ذلك إجهاد الشد وإجهاد الالتواء، مما يشكل إجهادًا عاليًا وإجهادًا منخفضًا للدورة أثناء البدء والتوقف.
السبائك الفائقة المشوهة لأقراص التوربينات، نوع واحد هو السبائك الفائقة القائمة على الحديد والنيكل، ودرجات السبائك النموذجية هي GH2132، GH2135، GH2901، GH4761، وما إلى ذلك، ودرجة حرارة التشغيل أقل من 650 درجة؛ نوع آخر من السبائك الفائقة القائمة على النيكل، العلامة التجارية النموذجية GH4196، GH4133، GH4133B، GH4033A، GH4698 وما إلى ذلك، يمكن أن تصل درجة حرارة الاستخدام إلى 700 ^ 800 درجة.
2. تطبيق السبائك الفائقة في محرك الصاروخ
الصاروخ الحامل هو وسيلة لإرسال مجموعة متنوعة من المركبات الفضائية إلى مدار فضائي، ويستخدم السبائك الفائقة في مجال الفضاء بشكل رئيسي في محرك الصاروخ الحامل الدفع. الشكل 2 عبارة عن رسم تخطيطي لمحرك الصاروخ الذي يعمل بالوقود السائل وبنيته، والذي يحول المواد المتفاعلة (الوقود) في خزان الوقود أو المركبة إلى نفاثات عالية السرعة لتوليد الدفع. وكما يتبين من الشكل (ب)، فإن تدفق الهواء عند فوهة محرك الصاروخ يصل إلى 2500 م/ث وتصل درجة الحرارة إلى 1350 درجة.
يمكن استخدام السبائك الفائقة للمحركات الصاروخية من حيث المبدأ مع سبائك المحركات التوربينية للطيران، ولكن بالمقارنة مع محركات الطيران، تتمتع مواد المحركات الصاروخية ببعض الخصائص الجديدة:
عادةً ما تضيف السبائك الفائقة المشوهة المعتمدة على النيكل 10%-25% من عنصر الكروم للتأكد من أن السبيكة تتمتع بمقاومة جيدة للتآكل التأكسدي، وبالتالي فإن السبائك القائمة على النيكل هي في الواقع Ni-Cr باعتبارها المصفوفة. بالإضافة إلى ذلك، تضيف بعض السبائك عناصر Co(15%-20%)، Mo (حوالي 15%) أو W (حوالي 11%) في المحلول الصلب Ni-Cr لتكوين نظام ثلاثي مشوه من السبائك الفائقة باستخدام Ni-Cr -Co، Ni-Cr-Mo، Ni-Cr-W كمصفوفة، على التوالي. يوضح الجدول 6 العلامات التجارية والتركيبات الكيميائية ودرجات حرارة التشغيل للسبائك الفائقة المشوهة القائمة على النيكل والمستخدمة بشكل شائع في الصين. يوضح الشكل 6 اتجاه تطوير تطبيق السبائك الفائقة على شفرات وأطباق التوربينات.
تعتمد السبائك الفائقة للتشوه القائمة على الكوبالت أساسًا على النظام الثلاثي Co-Ni-Cr، وتحتوي على W، Mo، Nb، Ta وعناصر تقوية المحاليل الصلبة الأخرى وعناصر تشكيل الكربيد. بالمقارنة مع السبائك الفائقة المشوهة القائمة على النيكل، فإن معدل تصلب العمل أكبر، وجودة سطح الأجزاء بعد التشكيل أفضل، ولكن في عملية التشكيل، يلزم بشكل عام المزيد من أوقات تسخين العمل الساخنة أو أوقات التلدين المتوسطة للتشوه البارد، و مطلوب أيضًا حمولة معدات تشكيل المعالجة. تتمتع السبائك الفائقة المشوهة القائمة على الكوبالت بقوة عالية ومقاومة ممتازة للتعب الحراري والتآكل الحراري ومقاومة التآكل عندما تكون أعلى من 980 درجة. ومع ذلك، فإن السبائك الفائقة المشوهة القائمة على الكوبالت تحتوي على كربيد كمرحلة تقوية رئيسية وتفتقر إلى مرحلة تقوية متجانسة، كما أن قوتها الدائمة أقل من قوة السبائك الفائقة المشوهة القائمة على النيكل في نطاقات درجات الحرارة المنخفضة والمتوسطة. يسرد الجدول 9 الخواص الميكانيكية ذات درجة الحرارة المرتفعة للسبائك الفائقة المشوهة النموذجية القائمة على الكوبالت.