ઉચ્ચ તાપમાનના એલોયને ગરમી શક્તિ એલોય પણ કહેવામાં આવે છે. મેટ્રિક્સ માળખા અનુસાર, સામગ્રીને ત્રણ શ્રેણીઓમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: આયર્ન-આધારિત નિકલ-આધારિત અને ક્રોમિયમ-આધારિત. ઉત્પાદન મોડ અનુસાર, તેને વિકૃત સુપરએલોય અને કાસ્ટ સુપરએલોયમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.
એરોસ્પેસ ક્ષેત્રમાં તે એક અનિવાર્ય કાચો માલ છે. એરોસ્પેસ અને એવિએશન મેન્યુફેક્ચરિંગ એન્જિનના ઉચ્ચ-તાપમાન ભાગ માટે તે મુખ્ય સામગ્રી છે. તેનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે કમ્બશન ચેમ્બર, ટર્બાઇન બ્લેડ, ગાઇડ બ્લેડ, કોમ્પ્રેસર અને ટર્બાઇન ડિસ્ક, ટર્બાઇન કેસ અને અન્ય ભાગોના ઉત્પાદન માટે થાય છે. સેવા તાપમાન શ્રેણી 600 ℃ - 1200 ℃ છે. ઉપયોગમાં લેવાતા ભાગો સાથે તણાવ અને પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓ બદલાય છે. એલોયના યાંત્રિક, ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મો માટે કડક આવશ્યકતાઓ છે. તે એન્જિનના પ્રદર્શન, વિશ્વસનીયતા અને જીવન માટે નિર્ણાયક પરિબળ છે. તેથી, વિકસિત દેશોમાં એરોસ્પેસ અને રાષ્ટ્રીય સંરક્ષણ ક્ષેત્રોમાં સુપરએલોય મુખ્ય સંશોધન પ્રોજેક્ટ્સમાંનો એક છે.
સુપરએલોયના મુખ્ય ઉપયોગો છે:
1. કમ્બશન ચેમ્બર માટે ઉચ્ચ તાપમાન એલોય
એવિએશન ટર્બાઇન એન્જિનનો કમ્બશન ચેમ્બર (જેને ફ્લેમ ટ્યુબ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) એ ઉચ્ચ-તાપમાનના મુખ્ય ઘટકોમાંનો એક છે. બળતણ પરમાણુકરણ, તેલ અને ગેસ મિશ્રણ અને અન્ય પ્રક્રિયાઓ કમ્બશન ચેમ્બરમાં કરવામાં આવતી હોવાથી, કમ્બશન ચેમ્બરમાં મહત્તમ તાપમાન 1500 ℃ - 2000 ℃ સુધી પહોંચી શકે છે, અને કમ્બશન ચેમ્બરમાં દિવાલનું તાપમાન 1100 ℃ સુધી પહોંચી શકે છે. તે જ સમયે, તે થર્મલ તણાવ અને ગેસ તણાવ પણ સહન કરે છે. ઉચ્ચ થ્રસ્ટ/વજન ગુણોત્તર ધરાવતા મોટાભાગના એન્જિન વલયાકાર કમ્બશન ચેમ્બરનો ઉપયોગ કરે છે, જેમાં ટૂંકી લંબાઈ અને ઉચ્ચ ગરમી ક્ષમતા હોય છે. કમ્બશન ચેમ્બરમાં મહત્તમ તાપમાન 2000 ℃ સુધી પહોંચે છે, અને ગેસ ફિલ્મ અથવા સ્ટીમ કૂલિંગ પછી દિવાલનું તાપમાન 1150 ℃ સુધી પહોંચે છે. વિવિધ ભાગો વચ્ચે મોટા તાપમાનના ઢાળ થર્મલ તણાવ પેદા કરશે, જે કાર્યકારી સ્થિતિમાં ફેરફાર થાય ત્યારે ઝડપથી વધશે અને ઘટશે. સામગ્રી થર્મલ શોક અને થર્મલ થાક લોડને આધિન હશે, અને વિકૃતિ, તિરાડો અને અન્ય ખામીઓ હશે. સામાન્ય રીતે, કમ્બશન ચેમ્બર શીટ એલોયથી બનેલો હોય છે, અને ચોક્કસ ભાગોની સેવાની શરતો અનુસાર તકનીકી આવશ્યકતાઓનો સારાંશ નીચે મુજબ આપવામાં આવે છે: ઉચ્ચ-તાપમાન એલોય અને ગેસનો ઉપયોગ કરવાની શરતો હેઠળ તેમાં ચોક્કસ ઓક્સિડેશન પ્રતિકાર અને ગેસ કાટ પ્રતિકાર હોય છે; તેમાં ચોક્કસ તાત્કાલિક અને સહનશક્તિ શક્તિ, થર્મલ થાક કામગીરી અને નીચા વિસ્તરણ ગુણાંક હોય છે; તેમાં પ્રક્રિયા, રચના અને જોડાણ સુનિશ્ચિત કરવા માટે પૂરતી પ્લાસ્ટિસિટી અને વેલ્ડ ક્ષમતા હોય છે; સેવા જીવન દરમિયાન વિશ્વસનીય કામગીરી સુનિશ્ચિત કરવા માટે તેમાં થર્મલ ચક્ર હેઠળ સારી સંગઠનાત્મક સ્થિરતા હોય છે.
a. MA956 એલોય છિદ્રાળુ લેમિનેટ
શરૂઆતના તબક્કામાં, છિદ્રાળુ લેમિનેટ HS-188 એલોય શીટમાંથી ફોટોગ્રાફ, કોતરણી, ખાંચ અને પંચ કર્યા પછી ડિફ્યુઝન બોન્ડિંગ દ્વારા બનાવવામાં આવતું હતું. ડિઝાઇન જરૂરિયાતો અનુસાર આંતરિક સ્તરને આદર્શ કૂલિંગ ચેનલ બનાવી શકાય છે. આ સ્ટ્રક્ચર કૂલિંગને પરંપરાગત ફિલ્મ કૂલિંગના કૂલિંગ ગેસના માત્ર 30% ની જરૂર પડે છે, જે એન્જિનની થર્મલ સાયકલ કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરી શકે છે, કમ્બશન ચેમ્બર મટિરિયલની વાસ્તવિક ગરમી બેરિંગ ક્ષમતા ઘટાડી શકે છે, વજન ઘટાડી શકે છે અને થ્રસ્ટ-વેઇટ રેશિયોમાં વધારો કરી શકે છે. હાલમાં, તેને વ્યવહારુ ઉપયોગમાં મૂકતા પહેલા મુખ્ય ટેકનોલોજીને તોડી નાખવી જરૂરી છે. MA956 માંથી બનેલું છિદ્રાળુ લેમિનેટ એ યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ દ્વારા રજૂ કરાયેલ કમ્બશન ચેમ્બર મટિરિયલની નવી પેઢી છે, જેનો ઉપયોગ 1300 ℃ પર થઈ શકે છે.
b. કમ્બશન ચેમ્બરમાં સિરામિક કમ્પોઝિટનો ઉપયોગ
યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સે 1971 થી ગેસ ટર્બાઇન માટે સિરામિક્સનો ઉપયોગ કરવાની શક્યતા ચકાસવાનું શરૂ કર્યું છે. 1983 માં, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં અદ્યતન સામગ્રીના વિકાસમાં રોકાયેલા કેટલાક જૂથોએ અદ્યતન વિમાનમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ગેસ ટર્બાઇન માટે કામગીરી સૂચકાંકોની શ્રેણી તૈયાર કરી. આ સૂચકાંકો છે: ટર્બાઇન ઇનલેટ તાપમાન 2200 ℃ સુધી વધારવું; રાસાયણિક ગણતરીની દહન સ્થિતિ હેઠળ કાર્ય કરવું; આ ભાગો પર લાગુ ઘનતા 8g/cm3 થી 5g/cm3 સુધી ઘટાડવી; ઘટકોનું ઠંડક રદ કરવું. આ આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરવા માટે, અભ્યાસ કરાયેલ સામગ્રીમાં સિંગલ-ફેઝ સિરામિક્સ ઉપરાંત ગ્રેફાઇટ, મેટલ મેટ્રિક્સ, સિરામિક મેટ્રિક્સ કમ્પોઝિટ્સ અને ઇન્ટરમેટાલિક સંયોજનોનો સમાવેશ થાય છે. સિરામિક મેટ્રિક્સ કમ્પોઝિટ્સ (CMC) ના નીચેના ફાયદા છે:
સિરામિક સામગ્રીનો વિસ્તરણ ગુણાંક નિકલ-આધારિત એલોય કરતા ઘણો નાનો છે, અને કોટિંગને છાલવામાં સરળ છે. મધ્યવર્તી ધાતુના ફેલ્ટથી સિરામિક કમ્પોઝીટ બનાવવાથી ફ્લેકિંગની ખામી દૂર થઈ શકે છે, જે કમ્બશન ચેમ્બર સામગ્રીની વિકાસ દિશા છે. આ સામગ્રીનો ઉપયોગ 10% - 20% ઠંડક હવા સાથે કરી શકાય છે, અને મેટલ બેક ઇન્સ્યુલેશનનું તાપમાન ફક્ત 800 ℃ જેટલું છે, અને ગરમીનું બેરિંગ તાપમાન ડાયવર્જન્ટ કૂલિંગ અને ફિલ્મ કૂલિંગ કરતા ઘણું ઓછું છે. V2500 એન્જિનમાં કાસ્ટ સુપરએલોય B1900+સિરામિક કોટિંગ રક્ષણાત્મક ટાઇલનો ઉપયોગ થાય છે, અને વિકાસ દિશા B1900 (સિરામિક કોટિંગ સાથે) ટાઇલને SiC-આધારિત કમ્પોઝીટ અથવા એન્ટી-ઓક્સિડેશન C/C કમ્પોઝીટથી બદલવાની છે. સિરામિક મેટ્રિક્સ કમ્પોઝીટ એ એન્જિન કમ્બશન ચેમ્બરની વિકાસ સામગ્રી છે જેનો થ્રસ્ટ વેઇટ રેશિયો 15-20 છે, અને તેનું સર્વિસ તાપમાન 1538 ℃ - 1650 ℃ છે. તેનો ઉપયોગ ફ્લેમ ટ્યુબ, ફ્લોટિંગ વોલ અને આફ્ટરબર્નર માટે થાય છે.
2. ટર્બાઇન માટે ઉચ્ચ તાપમાન એલોય
એરો-એન્જિન ટર્બાઇન બ્લેડ એ એવા ઘટકોમાંનો એક છે જે એરો-એન્જિનમાં સૌથી ગંભીર તાપમાન ભાર અને સૌથી ખરાબ કાર્યકારી વાતાવરણ સહન કરે છે. તેને ઊંચા તાપમાન હેઠળ ખૂબ જ મોટા અને જટિલ તાણનો સામનો કરવો પડે છે, તેથી તેની સામગ્રીની આવશ્યકતાઓ ખૂબ જ કડક છે. એરો-એન્જિન ટર્બાઇન બ્લેડ માટેના સુપરએલોયને આમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે:
a. માર્ગદર્શિકા માટે ઉચ્ચ તાપમાન મિશ્રધાતુ
ડિફ્લેક્ટર એ ટર્બાઇન એન્જિનના એવા ભાગોમાંનો એક છે જે ગરમીથી સૌથી વધુ પ્રભાવિત થાય છે. જ્યારે કમ્બશન ચેમ્બરમાં અસમાન દહન થાય છે, ત્યારે પ્રથમ તબક્કાના માર્ગદર્શિકા વેનનો હીટિંગ લોડ મોટો હોય છે, જે માર્ગદર્શિકા વેનને નુકસાનનું મુખ્ય કારણ છે. તેનું સેવા તાપમાન ટર્બાઇન બ્લેડ કરતા લગભગ 100 ℃ વધારે છે. તફાવત એ છે કે સ્થિર ભાગો યાંત્રિક ભારને આધિન નથી. સામાન્ય રીતે, ઝડપી તાપમાનમાં ફેરફારને કારણે થર્મલ તણાવ, વિકૃતિ, થર્મલ થાક ક્રેક અને સ્થાનિક બર્ન થવાનું સરળ છે. માર્ગદર્શિકા વેન એલોયમાં નીચેના ગુણધર્મો હોવા જોઈએ: પૂરતી ઉચ્ચ તાપમાન શક્તિ, કાયમી ક્રીપ કામગીરી અને સારી થર્મલ થાક કામગીરી, ઉચ્ચ ઓક્સિડેશન પ્રતિકાર અને થર્મલ કાટ કામગીરી, થર્મલ તણાવ અને કંપન પ્રતિકાર, બેન્ડિંગ વિકૃતિ ક્ષમતા, સારી કાસ્ટિંગ પ્રક્રિયા મોલ્ડિંગ કામગીરી અને વેલ્ડેબિલિટી, અને કોટિંગ સુરક્ષા કામગીરી.
હાલમાં, ઉચ્ચ થ્રસ્ટ/વેઇટ રેશિયો ધરાવતા મોટાભાગના અદ્યતન એન્જિન હોલો કાસ્ટ બ્લેડનો ઉપયોગ કરે છે, અને ડાયરેક્શનલ અને સિંગલ ક્રિસ્ટલ નિકલ-આધારિત સુપરએલોય પસંદ કરવામાં આવે છે. ઉચ્ચ થ્રસ્ટ-વેઇટ રેશિયો ધરાવતા એન્જિનનું ઉચ્ચ તાપમાન 1650 ℃ - 1930 ℃ છે અને તેને થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન કોટિંગ દ્વારા સુરક્ષિત કરવાની જરૂર છે. ઠંડક અને કોટિંગ સુરક્ષા પરિસ્થિતિઓ હેઠળ બ્લેડ એલોયનું સેવા તાપમાન 1100 ℃ કરતા વધુ છે, જે ભવિષ્યમાં માર્ગદર્શિકા બ્લેડ સામગ્રીના તાપમાન ઘનતા ખર્ચ માટે નવી અને ઉચ્ચ આવશ્યકતાઓ આગળ ધપાવે છે.
b. ટર્બાઇન બ્લેડ માટે સુપરએલોય
ટર્બાઇન બ્લેડ એરો-એન્જિનના મુખ્ય ગરમી-વાહક ફરતા ભાગો છે. તેમનું કાર્યકારી તાપમાન માર્ગદર્શિકા બ્લેડ કરતા 50 ℃ - 100 ℃ ઓછું છે. તેઓ ફરતી વખતે ખૂબ કેન્દ્રત્યાગી તણાવ, કંપન તણાવ, થર્મલ તણાવ, એરફ્લો સ્કોરિંગ અને અન્ય અસરો સહન કરે છે, અને કાર્યકારી પરિસ્થિતિઓ નબળી હોય છે. ઉચ્ચ થ્રસ્ટ/વજન ગુણોત્તરવાળા એન્જિનના ગરમ છેડાના ઘટકોની સેવા જીવન 2000h કરતા વધુ છે. તેથી, ટર્બાઇન બ્લેડ એલોયમાં સેવા તાપમાન પર ઉચ્ચ ક્રીપ પ્રતિકાર અને ભંગાણ શક્તિ, ઉચ્ચ અને મધ્યમ તાપમાનના સારા વ્યાપક ગુણધર્મો, જેમ કે ઉચ્ચ અને નીચા ચક્ર થાક, ઠંડા અને ગરમ થાક, પૂરતી પ્લાસ્ટિસિટી અને અસર કઠિનતા, અને નોચ સંવેદનશીલતા હોવી જોઈએ; ઉચ્ચ ઓક્સિડેશન પ્રતિકાર અને કાટ પ્રતિકાર; સારી થર્મલ વાહકતા અને રેખીય વિસ્તરણનો ઓછો ગુણાંક; સારી કાસ્ટિંગ પ્રક્રિયા કામગીરી; લાંબા ગાળાની માળખાકીય સ્થિરતા, સેવા તાપમાન પર કોઈ TCP તબક્કાનો વરસાદ નહીં. લાગુ કરેલ એલોય ચાર તબક્કાઓમાંથી પસાર થાય છે; વિકૃત એલોય એપ્લિકેશનમાં GH4033, GH4143, GH4118, વગેરેનો સમાવેશ થાય છે; કાસ્ટિંગ એલોયના ઉપયોગમાં K403, K417, K418, K405, ડાયરેક્શનલી સોલિફાઇડ ગોલ્ડ DZ4, DZ22, સિંગલ ક્રિસ્ટલ એલોય DD3, DD8, PW1484, વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. હાલમાં, તે સિંગલ ક્રિસ્ટલ એલોયની ત્રીજી પેઢી સુધી વિકસિત થયું છે. ચીનના સિંગલ ક્રિસ્ટલ એલોય DD3 અને DD8 નો ઉપયોગ અનુક્રમે ચીનના ટર્બાઇન, ટર્બોફેન એન્જિન, હેલિકોપ્ટર અને શિપબોર્ન એન્જિનમાં થાય છે.
3. ટર્બાઇન ડિસ્ક માટે ઉચ્ચ તાપમાન એલોય
ટર્બાઇન ડિસ્ક એ ટર્બાઇન એન્જિનનો સૌથી વધુ તણાવયુક્ત ફરતો બેરિંગ ભાગ છે. 8 અને 10 ના થ્રસ્ટ વજન ગુણોત્તર સાથે એન્જિનના વ્હીલ ફ્લેંજનું કાર્યકારી તાપમાન 650 ℃ અને 750 ℃ સુધી પહોંચે છે, અને વ્હીલ સેન્ટરનું તાપમાન લગભગ 300 ℃ છે, જેમાં મોટા તાપમાન તફાવત છે. સામાન્ય પરિભ્રમણ દરમિયાન, તે બ્લેડને ઉચ્ચ ગતિએ ફેરવવા માટે ચલાવે છે અને મહત્તમ કેન્દ્રત્યાગી બળ, થર્મલ તણાવ અને કંપન તણાવ સહન કરે છે. દરેક શરૂઆત અને સ્ટોપ એક ચક્ર, વ્હીલ સેન્ટર છે. ગળા, ખાંચો તળિયા અને કિનાર બધા અલગ અલગ સંયુક્ત તાણ સહન કરે છે. એલોયમાં સૌથી વધુ ઉપજ શક્તિ, અસર કઠિનતા અને સેવા તાપમાન પર કોઈ નોચ સંવેદનશીલતા હોવી જરૂરી છે; નીચા રેખીય વિસ્તરણ ગુણાંક; ચોક્કસ ઓક્સિડેશન અને કાટ પ્રતિકાર; સારી કટીંગ કામગીરી.
૪. એરોસ્પેસ સુપરએલોય
લિક્વિડ રોકેટ એન્જિનમાં સુપરએલોયનો ઉપયોગ થ્રસ્ટ ચેમ્બરમાં કમ્બશન ચેમ્બરના ફ્યુઅલ ઇન્જેક્ટર પેનલ તરીકે થાય છે; ટર્બાઇન પંપ એલ્બો, ફ્લેંજ, ગ્રેફાઇટ રડર ફાસ્ટનર, વગેરે. લિક્વિડ રોકેટ એન્જિનમાં ઉચ્ચ તાપમાન એલોયનો ઉપયોગ થ્રસ્ટ ચેમ્બરમાં ફ્યુઅલ ચેમ્બર ઇન્જેક્ટર પેનલ તરીકે થાય છે; ટર્બાઇન પંપ એલ્બો, ફ્લેંજ, ગ્રેફાઇટ રડર ફાસ્ટનર, વગેરે. GH4169 નો ઉપયોગ ટર્બાઇન રોટર, શાફ્ટ, શાફ્ટ સ્લીવ, ફાસ્ટનર અને અન્ય મહત્વપૂર્ણ બેરિંગ ભાગોના સામગ્રી તરીકે થાય છે.
અમેરિકન લિક્વિડ રોકેટ એન્જિનના ટર્બાઇન રોટર મટિરિયલ્સમાં મુખ્યત્વે ઇન્ટેક પાઇપ, ટર્બાઇન બ્લેડ અને ડિસ્કનો સમાવેશ થાય છે. GH1131 એલોયનો ઉપયોગ મોટાભાગે ચીનમાં થાય છે, અને ટર્બાઇન બ્લેડ કાર્યકારી તાપમાન પર આધાર રાખે છે. ઇન્કોનેલ x, એલોય713c, એસ્ટ્રોલોય અને માર-M246 નો ક્રમિક ઉપયોગ થવો જોઈએ; વ્હીલ ડિસ્ક મટિરિયલ્સમાં ઇન્કોનેલ 718, વાસ્પલોય વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. GH4169 અને GH4141 ઇન્ટિગ્રલ ટર્બાઇનનો મોટાભાગે ઉપયોગ થાય છે, અને એન્જિન શાફ્ટ માટે GH2038A નો ઉપયોગ થાય છે.