Korkean lämpötilan seosta kutsutaan myös lämmönkestäväksi seokseksi. Matriisirakenteen mukaan materiaalit voidaan jakaa kolmeen luokkaan: rautapohjaisiin, nikkelipohjaisiin ja kromipohjaisiin. Valmistustavan mukaan ne voidaan jakaa deformoituun superseokseen ja valettuun superseokseen.
Se on välttämätön raaka-aine ilmailu- ja avaruustekniikan alalla. Se on avainmateriaali ilmailu- ja ilmailuteollisuuden moottoreiden korkean lämpötilan osille. Sitä käytetään pääasiassa palotilan, turbiinin lapojen, ohjaussiipien, kompressorin ja turbiinilevyn, turbiinikotelon ja muiden osien valmistukseen. Käyttölämpötila-alue on 600 ℃ - 1200 ℃. Rasitus- ja ympäristöolosuhteet vaihtelevat käytettyjen osien mukaan. Seoksen mekaanisille, fysikaalisille ja kemiallisille ominaisuuksille on tiukat vaatimukset. Se on ratkaiseva tekijä moottorin suorituskyvyn, luotettavuuden ja käyttöiän kannalta. Siksi superseos on yksi keskeisistä tutkimushankkeista ilmailu- ja avaruustekniikan sekä maanpuolustuksen aloilla kehittyneissä maissa.
Superseosten tärkeimmät käyttökohteet ovat:
1. Korkean lämpötilan seos palotilaan
Lentokoneturbiinimoottorin palotila (tunnetaan myös liekkiputkena) on yksi tärkeimmistä korkean lämpötilan komponenteista. Koska polttoaineen sumutus, öljyn ja kaasun sekoitus ja muut prosessit suoritetaan palotilassa, palotilan maksimilämpötila voi nousta 1500 ℃ - 2000 ℃:een ja palotilan seinämän lämpötila voi nousta 1100 ℃:een. Samalla se kestää myös lämpöjännitystä ja kaasujännitystä. Useimmat moottorit, joilla on korkea työntövoima/painosuhde, käyttävät rengasmaisia palotiloja, joilla on lyhyt pituus ja suuri lämpökapasiteetti. Palotilan maksimilämpötila saavuttaa 2000 ℃, ja seinämän lämpötila saavuttaa 1150 ℃:n kaasufilmin tai höyryn jäähdytyksen jälkeen. Suuret lämpötilagradientit eri osien välillä aiheuttavat lämpöjännitystä, joka nousee ja laskee jyrkästi käyttötilan muuttuessa. Materiaali altistuu lämpöshokeille ja lämpöväsymiskuormitukselle, ja siinä esiintyy vääntymiä, halkeamia ja muita vikoja. Yleensä palotila on valmistettu levymetalliseoksesta, ja tekniset vaatimukset voidaan tiivistää seuraavasti tiettyjen osien käyttöolosuhteiden mukaan: sillä on tietty hapettumisenkestävyys ja kaasun korroosionkestävyys korkean lämpötilan seoksen ja kaasun käyttöolosuhteissa; sillä on tietty hetkellinen ja kestävyyslujuus, lämpöväsymiskyky ja alhainen laajenemiskerroin; sillä on riittävä plastisuus ja hitsauskyky prosessoinnin, muovauksen ja liittämisen varmistamiseksi; sillä on hyvä organisatorinen stabiilius lämpösyklien aikana, jotta varmistetaan luotettava toiminta käyttöiän aikana.
a. MA956-seosseoksesta valmistettu huokoinen laminaatti
Varhaisessa vaiheessa huokoinen laminaatti valmistettiin HS-188-seoslevystä diffuusioliittämällä sen jälkeen, kun se oli valokuvattu, etsattu, uritettu ja rei'itetty. Sisäkerroksesta voidaan tehdä ihanteellinen jäähdytyskanava suunnitteluvaatimusten mukaisesti. Tämä rakennejäähdytys tarvitsee vain 30 % perinteisen kalvojäähdytyksen jäähdytyskaasusta, mikä voi parantaa moottorin lämpökiertotehokkuutta, vähentää palotilan materiaalin todellista lämmönkantokykyä, vähentää painoa ja lisätä työntövoima-painosuhdetta. Tällä hetkellä on vielä tarpeen murtaa avainteknologia ennen kuin se voidaan ottaa käyttöön käytännössä. MA956:sta valmistettu huokoinen laminaatti on Yhdysvalloissa käyttöön otettu uuden sukupolven palotilan materiaali, jota voidaan käyttää 1300 ℃:n lämpötilassa.
b. Keraamisten komposiittien käyttö palotilassa
Yhdysvalloissa on vuodesta 1971 lähtien tutkittu keraamien käyttökelpoisuutta kaasuturbiineissa. Vuonna 1983 jotkut Yhdysvalloissa edistyneiden materiaalien kehittämiseen osallistuneet ryhmät laativat sarjan suorituskykyindikaattoreita edistyneissä lentokoneissa käytettäville kaasuturbiineille. Nämä indikaattorit ovat: turbiinin sisääntulolämpötilan nostaminen 2200 ℃:een; toiminta kemiallisen laskennan mukaisessa palamistilassa; näiden osien tiheyden vähentäminen 8 g/cm3:stä 5 g/cm3:iin; komponenttien jäähdytyksen peruuttaminen. Näiden vaatimusten täyttämiseksi tutkittuihin materiaaleihin kuuluvat grafiitti, metallimatriisi, keraamiset matriisikomposiitit ja metallien väliset yhdisteet yksifaasisten keraamien lisäksi. Keraamisilla matriisikomposiiteilla (CMC) on seuraavat edut:
Keraamisen materiaalin laajenemiskerroin on paljon pienempi kuin nikkelipohjaisen seoksen, ja pinnoite on helppo kuoria pois. Keraamisten komposiittien valmistaminen metallihuovalla voi poistaa hilseilyongelman, mikä on palotilan materiaalien kehityssuunta. Tätä materiaalia voidaan käyttää 10–20 % jäähdytysilman kanssa, ja metallisen takaeristyksen lämpötila on vain noin 800 ℃, ja lämmönsiirtolämpötila on huomattavasti alhaisempi kuin hajaantuvan jäähdytyksen ja kalvojäähdytyksen. V2500-moottorissa käytetään valettua superseos-B1900+-keraamista pinnoitetta sisältävää suojalaattaa, ja kehityssuuntana on korvata B1900-laatta (keraamisella pinnoitteella) piikarbidipohjaisella komposiitilla tai hapettumisenestolla varustetulla C/C-komposiitilla. Keraaminen matriisikomposiitti on moottorin palotilan kehitysmateriaali, jonka työntövoima-painosuhde on 15–20, ja sen käyttölämpötila on 1538–1650 ℃. Sitä käytetään liekkiputkissa, kelluvissa seinämissä ja jälkipolttimissa.
2. Korkean lämpötilan seos turbiinille
Lentokonemoottorin turbiinin lapa on yksi niistä osista, jotka kärsivät kovimmasta lämpötilakuormituksesta ja huonoimmasta käyttöympäristöstä lentokonemoottorissa. Sen on kestettävä erittäin suuria ja monimutkaisia rasituksia korkeissa lämpötiloissa, joten sen materiaalivaatimukset ovat erittäin tiukat. Lentokonemoottorin turbiinin lapojen superseokset jaetaan seuraaviin:
a.Korkean lämpötilan seos oppaalle
Ohjain on yksi turbiinimoottorin osista, joihin lämpö vaikuttaa eniten. Kun palotilassa tapahtuu epätasaista palamista, ensimmäisen vaiheen ohjaussiiven lämpökuorma on suuri, mikä on ohjaussiiven vaurioitumisen pääsyy. Sen käyttölämpötila on noin 100 ℃ korkeampi kuin turbiinin lavan. Ero on siinä, että staattiset osat eivät ole mekaanisen kuormituksen alaisia. Yleensä nopeat lämpötilan muutokset aiheuttavat helposti lämpöjännitystä, vääntymistä, lämpöväsymishalkeamia ja paikallisia paloja. Ohjaussiiven seoksella on oltava seuraavat ominaisuudet: riittävä korkean lämpötilan lujuus, pysyvä virumiskestävyys ja hyvä lämpöväsymiskestävyys, korkea hapettumisenkestävyys ja lämpökorroosionkestävyys, lämpöjännityksen ja tärinän kestävyys, taivutus- ja muodonmuutoskestävyys, hyvä valuprosessin muovauskyky ja hitsattavuus sekä pinnoitteen suojauskyky.
Tällä hetkellä useimmat kehittyneet moottorit, joilla on korkea työntövoima-painosuhde, käyttävät onttoja valettuja lapoja, ja niihin valitaan suuntaavia ja yksikiteisiä nikkelipohjaisia superseoksia. Korkean työntövoima-painosuhteen omaavien moottoreiden lämpötila on 1650–1930 ℃, ja ne on suojattava lämpöeristyspinnoitteella. Laposeoksen käyttölämpötila jäähdytys- ja pinnoitesuojausolosuhteissa on yli 1100 ℃, mikä asettaa tulevaisuudessa uusia ja korkeampia vaatimuksia ohjauslapamateriaalin lämpötilatiheyskustannuksille.
b. Superseokset turbiinin lapoihin
Turbiinin lavat ovat lentokonemoottoreiden tärkeimmät lämpöä kantavat pyörivät osat. Niiden käyttölämpötila on 50 ℃ - 100 ℃ alhaisempi kuin ohjauslavoilla. Ne kestävät pyöriessään suurta keskipakoisjännitystä, tärinärasitusta, lämpörasitusta, ilmavirran kulumista ja muita vaikutuksia, ja käyttöolosuhteet ovat huonot. Moottorin kuumien osien, joilla on korkea työntövoima/painosuhde, käyttöikä on yli 2000 tuntia. Siksi turbiinin lavan seoksella on oltava korkea virumislujuus ja murtolujuus käyttölämpötilassa, hyvät korkean ja keskilämpötilan kattavat ominaisuudet, kuten korkean ja matalan syklin väsyminen, kylmä- ja kuumaväsymys, riittävä plastisuus ja iskunkestävyys sekä loviherkkyys; korkea hapettumisenkestävyys ja korroosionkestävyys; hyvä lämmönjohtavuus ja alhainen lineaarinen laajenemiskerroin; hyvä valuprosessin suorituskyky; pitkäaikainen rakenteellinen stabiilius, ei TCP-faasin saostumista käyttölämpötilassa. Käytetty seos käy läpi neljä vaihetta; Muodonmuutosseosten sovelluksia ovat GH4033, GH4143, GH4118 jne.; Valuseosten käyttöalueita ovat K403, K417, K418, K405, suunnatusti jähmettynyt kulta DZ4, DZ22, yksittäiskristallimetalliseokset DD3, DD8, PW1484 jne. Tällä hetkellä on kehitetty kolmannen sukupolven yksittäiskristallimetalliseokset. Kiinan yksittäiskristallimetalliseoksia DD3 ja DD8 käytetään vastaavasti Kiinan turbiineissa, ohivirtausmoottoreissa, helikoptereissa ja laivojen moottoreissa.
3. Korkean lämpötilan seos turbiinilevylle
Turbiinilevy on turbiinimoottorin eniten kuormitettu pyörivä laakeriosa. Moottorin pyörän laipan käyttölämpötila työntövoiman ja painon suhteella 8 ja 10 on 650 ℃ ja 750 ℃, ja pyörän keskiön lämpötila on noin 300 ℃, ja lämpötilaero on suuri. Normaalin pyörimisen aikana se pyörittää terää suurella nopeudella ja kantaa suurimman keskipakoisvoiman, lämpöjännityksen ja tärinärasituksen. Jokainen käynnistys ja pysäytys on sykli, pyörän keskiö. Kurkku, uran pohja ja vanne kantavat kaikki erilaisia komposiittijännityksiä. Seoksella on oltava suurin myötölujuus, iskulujuus ja loviherkkyys käyttölämpötilassa; alhainen lineaarinen laajenemiskerroin; tietty hapettumisen- ja korroosionkestävyys; hyvä leikkauskyky.
4. Ilmailu- ja avaruusteollisuuden superseos
Nestemäisen rakettimoottorin superseosta käytetään polttoaineen ruiskutuspaneelina palotilassa työntökammiossa; turbiinipumpun kyynärpäässä, laipassa, grafiittisessa peräsimen kiinnittimessä jne. Korkean lämpötilan seosta nestemäisen rakettimoottorin polttoainekammion ruiskutuspaneelina työntökammiossa; turbiinipumpun kyynärpäässä, laipassa, grafiittisessa peräsimen kiinnittimessä jne. GH4169:ää käytetään turbiinin roottorin, akselin, akseliholkin, kiinnittimen ja muiden tärkeiden laakeriosien materiaalina.
Amerikkalaisten nestemäisten rakettimoottorien turbiiniroottorin roottorin materiaaleja ovat pääasiassa imuputki, turbiinin lapa ja kiekko. Kiinassa käytetään enimmäkseen GH1131-seosta, ja turbiinin lapa riippuu käyttölämpötilasta. Inconel x, Alloy 713c, Astroloy ja Mar-M246 tulisi käyttää peräkkäin; kiekkomateriaaleihin kuuluvat Inconel 718, Waspaloy jne. GH4169 ja GH4141 integroiduissa turbiineissa käytetään enimmäkseen, ja moottorin akselissa käytetään GH2038A:ta.