Aukštos temperatūros lydinys dar vadinamas karščiui atspariu lydiniu. Pagal matricos struktūrą medžiagas galima suskirstyti į tris kategorijas: geležies, nikelio ir chromo pagrindu. Pagal gamybos būdą – deformuotą superlydinį ir liejamąjį superlydinį.
Tai nepakeičiama žaliava aviacijos ir kosmoso srityje. Tai pagrindinė medžiaga, gaminanti aukštos temperatūros aviacijos ir kosmoso gamybos variklių dalis. Ji daugiausia naudojama degimo kameroms, turbinų mentėms, kreipiančiosioms mentėms, kompresoriams ir turbinų diskams, turbinų korpusams ir kitoms dalims gaminti. Darbinės temperatūros diapazonas yra nuo 600 ℃ iki 1200 ℃. Įtempis ir aplinkos sąlygos skiriasi priklausomai nuo naudojamų dalių. Lydinio mechaninėms, fizinėms ir cheminėms savybėms keliami griežti reikalavimai. Tai lemiamas veiksnys, lemiantis variklio veikimą, patikimumą ir tarnavimo laiką. Todėl superlydinys yra vienas iš pagrindinių mokslinių tyrimų projektų aviacijos ir kosmoso bei nacionalinės gynybos srityse išsivysčiusiose šalyse.
Pagrindinės superlydinių taikymo sritys yra:
1. Aukštos temperatūros lydinys degimo kamerai
Aviacinio turbininio variklio degimo kamera (dar vadinama liepsnos vamzdžiu) yra vienas iš pagrindinių aukštos temperatūros komponentų. Kadangi degimo kameroje vyksta kuro atomizavimas, alyvos ir dujų maišymas bei kiti procesai, maksimali temperatūra degimo kameroje gali siekti 1500 ℃–2000 ℃, o sienelės temperatūra degimo kameroje gali siekti 1100 ℃. Tuo pačiu metu ji taip pat patiria terminį ir dujų įtempį. Daugumoje variklių, turinčių didelį traukos ir svorio santykį, naudojamos žiedinės degimo kameros, kurios yra trumpos ir didelės šiluminės talpos. Maksimali temperatūra degimo kameroje siekia 2000 ℃, o sienelės temperatūra po dujų plėvelės arba garų aušinimo pasiekia 1150 ℃. Dideli temperatūros gradientai tarp įvairių dalių sukels terminį įtempį, kuris staigiai kils ir kris, kai keisis darbinė būsena. Medžiaga patirs terminį smūgį ir terminio nuovargio apkrovą, atsiras deformacijų, įtrūkimų ir kitų defektų. Paprastai degimo kamera pagaminta iš lakštinio lydinio, o techniniai reikalavimai, atsižvelgiant į konkrečių dalių eksploatavimo sąlygas, apibendrinami taip: ji turi tam tikrą atsparumą oksidacijai ir dujų korozijai esant aukštos temperatūros lydinio ir dujų naudojimui; ji turi tam tikrą momentinį ir ilgalaikį stiprumą, šiluminio nuovargio savybes ir mažą plėtimosi koeficientą; ji yra pakankamai plastiška ir suvirinama, kad būtų užtikrintas apdorojimas, formavimas ir sujungimas; ji turi gerą organizacinį stabilumą terminio ciklo metu, kad būtų užtikrintas patikimas veikimas per visą eksploatavimo laiką.
a. MA956 lydinio porėtas laminatas
Ankstyvojoje stadijoje porėtas laminatas buvo pagamintas iš HS-188 lydinio lakšto difuzinio sujungimo būdu, prieš tai jį nufotografavus, išgraviravus, išgraviravus ir išmušus. Vidinis sluoksnis, atsižvelgiant į projektavimo reikalavimus, gali būti paverstas idealiu aušinimo kanalu. Šiai konstrukcijai aušinti reikia tik 30 % tradicinio plėvelinio aušinimo aušinimo dujų, o tai gali pagerinti variklio šiluminio ciklo efektyvumą, sumažinti degimo kameros medžiagos faktinę šilumos laikomąją galią, sumažinti svorį ir padidinti traukos ir svorio santykį. Šiuo metu vis dar reikia ištobulinti pagrindines technologijas, kad jas būtų galima praktiškai naudoti. Porėtas laminatas, pagamintas iš MA956, yra naujos kartos degimo kameros medžiaga, pristatyta Jungtinėse Valstijose, kurią galima naudoti 1300 ℃ temperatūroje.
b. Keraminių kompozitų naudojimas degimo kameroje
Jungtinės Valstijos keramikos naudojimo dujų turbinose galimybes pradėjo tikrinti nuo 1971 m. 1983 m. kai kurios grupės, užsiimančios pažangių medžiagų kūrimu Jungtinėse Valstijose, suformulavo pažangiuose orlaiviuose naudojamų dujų turbinų našumo rodiklių seriją. Šie rodikliai yra šie: padidinti turbinos įleidimo temperatūrą iki 2200 ℃; veikti cheminio skaičiavimo degimo būsenoje; sumažinti šioms dalims taikomą tankį nuo 8 g/cm3 iki 5 g/cm3; nutraukti komponentų aušinimą. Siekiant patenkinti šiuos reikalavimus, tiriamos medžiagos, be vienfazės keramikos, apima grafitą, metalo matricą, keraminių matricų kompozitus ir tarpmetalinius junginius. Keraminių matricų kompozitai (CMC) turi šiuos privalumus:
Keraminės medžiagos plėtimosi koeficientas yra daug mažesnis nei nikelio pagrindo lydinio, o danga lengvai nulupama. Keraminių kompozitų gamyba su tarpiniu metaliniu veltiniu gali padėti įveikti pleiskanojimo defektą, kuris yra degimo kameros medžiagų kūrimo kryptis. Ši medžiaga gali būti naudojama su 10–20 % aušinimo oro, o metalinės galinės izoliacijos temperatūra yra tik apie 800 ℃, o šilumos laidumo temperatūra yra daug žemesnė nei divergentinio aušinimo ir plėvelinio aušinimo. V2500 variklyje naudojama lieto superlydinio B1900 + keraminės dangos apsauginė plytelė, o kūrimo kryptis – pakeisti B1900 (su keramine danga) plytelę SiC pagrindo kompozitu arba antioksidaciniu C/C kompozitu. Keraminės matricos kompozitas yra variklio degimo kameros, kurios traukos ir svorio santykis yra 15–20, kūrimo medžiaga, o jos darbinė temperatūra yra 1538 ℃–1650 ℃, kūrimo medžiaga. Jis naudojamas liepsnos vamzdžiams, plaukiojančioms sienelėms ir papildomam degikliui.
2. Aukštos temperatūros lydinys turbinai
Lėktuvų variklio turbinos mentė yra vienas iš komponentų, patiriančių didžiausią temperatūros apkrovą ir blogiausią darbo aplinką aviaciniame variklyje. Ji turi atlaikyti labai didelius ir sudėtingus įtempius aukštoje temperatūroje, todėl jos medžiagų reikalavimai yra labai griežti. Lėktuvų variklių turbinų mentėms skirti superlydiniai skirstomi į:
a.Aukštos temperatūros lydinys kreiptuvui
Deflektorius yra viena iš turbinos variklio dalių, kurias labiausiai veikia šiluma. Kai degimo kameroje vyksta netolygus degimas, pirmojo etapo kreipiamosios mentės kaitinimo apkrova yra didelė, o tai yra pagrindinė kreipiamosios mentės pažeidimo priežastis. Jos darbinė temperatūra yra apie 100 ℃ aukštesnė nei turbinos mentės. Skirtumas tas, kad statinės dalys nėra veikiamos mechaninių apkrovų. Paprastai dėl greito temperatūros pokyčio lengvai atsiranda terminis įtempis, deformacija, terminio nuovargio įtrūkimai ir vietiniai nudegimai. Kreipiamosios mentės lydinys turi turėti šias savybes: pakankamą aukštą temperatūrą, nuolatinį valkšnumo ir gerą terminio nuovargio savybę, didelį atsparumą oksidacijai ir terminei korozijai, atsparumą terminiam įtempimui ir vibracijai, lenkimo ir deformacijos gebėjimą, gerą liejimo proceso formavimo savybę ir suvirinamumą bei dangos apsaugą.
Šiuo metu daugumoje pažangių variklių, pasižyminčių dideliu traukos ir svorio santykiu, naudojami tuščiaviduriai lieti mentes, pasirenkant kryptinius ir monokristalinius nikelio pagrindu pagamintus superlydinius. Didelio traukos ir svorio santykio varikliai atlaiko aukštą 1650 ℃–1930 ℃ temperatūrą ir turi būti apsaugoti termoizoliacine danga. Mentės lydinio darbinė temperatūra aušinimo ir dangos apsaugos sąlygomis viršija 1100 ℃, todėl ateityje kreipiamosios mentės medžiagos temperatūros tankio sąnaudoms keliami nauji ir aukštesni reikalavimai.
b. Superlydiniai turbinų mentėms
Turbinų mentės yra pagrindinės šilumą laiduojančios besisukančios aviacinių variklių dalys. Jų darbinė temperatūra yra 50 ℃–100 ℃ žemesnė nei kreipiančiųjų menčių. Sukamos jos atlaiko didelius išcentrinius įtempius, vibracijos įtempius, terminius įtempius, oro srauto trinties ir kitus poveikius, o darbo sąlygos yra prastos. Variklio karštųjų komponentų, turinčių didelį traukos ir svorio santykį, tarnavimo laikas yra daugiau nei 2000 val. Todėl turbinų menčių lydinys turi pasižymėti dideliu atsparumu šliaužimui ir plyšimo stiprumu darbinėje temperatūroje, geromis visapusiškomis savybėmis aukštoje ir vidutinėje temperatūroje, tokiomis kaip didelio ir mažo ciklo nuovargis, šalto ir karšto nuovargio atsparumas, pakankamas plastiškumas ir smūginis atsparumas, taip pat jautrumas įpjovoms; didelis atsparumas oksidacijai ir korozijai; geras šilumos laidumas ir mažas linijinio plėtimosi koeficientas; geros liejimo proceso charakteristikos; ilgalaikis konstrukcijos stabilumas, darbinėje temperatūroje nesusidaro TCP fazės nuosėdos. Taikomas lydinys pereina keturis etapus; Deformuotų lydinių pritaikymo sritys: GH4033, GH4143, GH4118 ir kt. Liejimo lydinių pritaikymo sritys apima K403, K417, K418, K405, kryptingai sukietintą auksą DZ4, DZ22, monokristalinius lydinius DD3, DD8, PW1484 ir kt. Šiuo metu išsivystė trečios kartos monokristaliniai lydiniai. Kinijos monokristaliniai lydiniai DD3 ir DD8 atitinkamai naudojami Kinijos turbinose, turboventiliatoriniuose varikliuose, sraigtasparnių ir laivų varikliuose.
3. Aukštos temperatūros lydinys turbinos diskui
Turbinos diskas yra labiausiai apkrauta besisukanti turbinos variklio dalis. Variklio rato flanšo darbinė temperatūra, kai traukos svorio santykis yra 8 ir 10, siekia 650 ℃ ir 750 ℃, o rato centro temperatūra yra apie 300 ℃, o temperatūrų skirtumas yra didelis. Įprasto sukimosi metu jis varo mentę dideliu greičiu ir patiria didžiausią išcentrinę jėgą, terminį įtempį ir vibracijos įtempį. Kiekvienas paleidimas ir sustabdymas yra ciklas, rato centras. Gerklė, griovelio dugnas ir kraštas patiria skirtingus kompozitinius įtempius. Lydinys turi pasižymėti didžiausiu takumo stipriu, smūgio stiprumu ir nejautrumu įpjovoms darbinėje temperatūroje; mažas linijinio plėtimosi koeficientas; tam tikras atsparumas oksidacijai ir korozijai; geras pjovimo našumas.
4. Orlaivių superlydinys
Skystųjų degalų raketiniame variklyje superlydinys naudojamas kaip kuro įpurškimo plokštė degimo kameroje traukos kameroje; turbinos siurblio alkūnė, flanšas, grafitinis vairo tvirtinimas ir kt. Aukštos temperatūros lydinys skystųjų degalų raketiniame variklyje naudojamas kaip kuro kameros įpurškimo plokštė traukos kameroje; turbinos siurblio alkūnė, flanšas, grafitinis vairo tvirtinimas ir kt. GH4169 naudojamas kaip turbinos rotoriaus, veleno, veleno įvorės, tvirtinimo detalės ir kitų svarbių guolių dalių medžiaga.
Amerikietiškų skystojo kuro raketinių variklių turbinų rotorių medžiagos daugiausia apima įsiurbimo vamzdį, turbinos mentę ir diską. Kinijoje dažniausiai naudojamas GH1131 lydinys, o turbinos mentės kokybė priklauso nuo darbinės temperatūros. Iš eilės turėtų būti naudojami Inconel x, Alloy 713c, Astroloy ir Mar-M246; ratų diskų medžiagos yra Inconel 718, Waspaloy ir kt. Dažniausiai naudojamos integruotos turbinos GH4169 ir GH4141, o variklio velenui – GH2038A.