ઉચ્ચ તાપમાન એલોયને ગરમી શક્તિ એલોય પણ કહેવામાં આવે છે. મેટ્રિક્સ સ્ટ્રક્ચર મુજબ, સામગ્રીને ત્રણ કેટેગરીમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: આયર્ન-આધારિત નિકલ-આધારિત અને ક્રોમિયમ-આધારિત. ઉત્પાદન મોડ મુજબ, તેને વિકૃત સુપરએલોય અને કાસ્ટ સુપરએલોયમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.
એરોસ્પેસ ક્ષેત્રમાં તે અનિવાર્ય કાચો માલ છે. એરોસ્પેસ અને એવિએશન મેન્યુફેક્ચરિંગ એન્જિનોના 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 એન્જિનની કામગીરી, વિશ્વસનીયતા અને જીવન માટે નિર્ણાયક પરિબળ છે. તેથી, સુપરએલોય એ વિકસિત દેશોમાં એરોસ્પેસ અને રાષ્ટ્રીય સંરક્ષણના ક્ષેત્રોમાં એક મુખ્ય સંશોધન પ્રોજેક્ટ છે.
સુપરએલોયની મુખ્ય એપ્લિકેશનો છે:
1. કમ્બશન ચેમ્બર માટે ઉચ્ચ તાપમાન એલોય
એવિએશન ટર્બાઇન એન્જિનનું કમ્બશન ચેમ્બર (જેને ફ્લેમ ટ્યુબ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) એ ઉચ્ચ-તાપમાનના મુખ્ય ઘટકોમાંનું એક છે. બળતણ પરમાણુકરણ, તેલ અને ગેસનું મિશ્રણ અને અન્ય પ્રક્રિયાઓ કમ્બશન ચેમ્બરમાં હાથ ધરવામાં 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 એન્જિનો વલયાકાર કમ્બશન ચેમ્બરનો ઉપયોગ કરે છે, જેની લંબાઈ ઓછી હોય છે અને ઊંચી ગરમી ક્ષમતા હોય છે. કમ્બશન ચેમ્બરમાં મહત્તમ તાપમાન 2000 ℃ સુધી પહોંચે છે, અને ગેસ ફિલ્મ અથવા સ્ટીમ ઠંડક પછી દિવાલનું તાપમાન 1150 ℃ સુધી પહોંચે છે. વિવિધ ભાગો વચ્ચેના મોટા તાપમાનના ગ્રેડિએન્ટ્સ થર્મલ તણાવ પેદા કરશે, જે કાર્યકારી સ્થિતિ બદલાય ત્યારે ઝડપથી વધશે અને ઘટશે. સામગ્રી થર્મલ આંચકો અને થર્મલ થાક લોડને આધિન હશે, અને ત્યાં વિકૃતિ, તિરાડો અને અન્ય ખામી હશે. સામાન્ય રીતે, કમ્બશન ચેમ્બર શીટ એલોયથી બનેલું હોય છે, અને ચોક્કસ ભાગોની સેવાની શરતો અનુસાર તકનીકી આવશ્યકતાઓનો સારાંશ નીચે મુજબ છે: તે ઉચ્ચ-તાપમાન એલોય અને ગેસનો ઉપયોગ કરવાની શરતો હેઠળ ચોક્કસ ઓક્સિડેશન પ્રતિકાર અને ગેસ કાટ પ્રતિકાર ધરાવે છે; તે ચોક્કસ ત્વરિત અને સહનશક્તિ, થર્મલ થાક કામગીરી અને નીચા વિસ્તરણ ગુણાંક ધરાવે છે; તેની પાસે પ્રોસેસિંગ, ફોર્મિંગ અને કનેક્શનની ખાતરી કરવા માટે પૂરતી પ્લાસ્ટિસિટી અને વેલ્ડ ક્ષમતા છે; સર્વિસ લાઇફમાં વિશ્વસનીય કામગીરી સુનિશ્ચિત કરવા માટે થર્મલ ચક્ર હેઠળ તેની સારી સંસ્થાકીય સ્થિરતા છે.
a MA956 એલોય છિદ્રાળુ લેમિનેટ
પ્રારંભિક તબક્કામાં, છિદ્રાળુ લેમિનેટ HS-188 એલોય શીટમાંથી ફોટોગ્રાફ, કોતરણી, ગ્રુવ્ડ અને પંચ કર્યા પછી ડિફ્યુઝન બોન્ડિંગ દ્વારા બનાવવામાં આવ્યું હતું. આંતરિક સ્તરને ડિઝાઇનની જરૂરિયાતો અનુસાર આદર્શ ઠંડક ચેનલ બનાવી શકાય છે. આ સ્ટ્રક્ચર કૂલિંગને પરંપરાગત ફિલ્મ કૂલિંગના 30% ઠંડક ગેસની જ જરૂર છે, જે એન્જિનની થર્મલ સાયકલ કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરી શકે છે, કમ્બશન ચેમ્બર સામગ્રીની વાસ્તવિક હીટ બેરિંગ ક્ષમતા ઘટાડી શકે છે, વજન ઘટાડી શકે છે અને થ્રસ્ટ-વેઇટ વધારી શકે છે. ગુણોત્તર હાલમાં, ચાવીરૂપ ટેક્નોલોજીનો વ્યવહારિક ઉપયોગ કરવામાં આવે તે પહેલાં તેને તોડવું જરૂરી છે. MA956 થી બનેલું છિદ્રાળુ લેમિનેટ એ યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ દ્વારા રજૂ કરાયેલ કમ્બશન ચેમ્બર સામગ્રીની નવી પેઢી છે, જેનો ઉપયોગ 1300 ℃ પર થઈ શકે છે.
b કમ્બશન ચેમ્બરમાં સિરામિક કંપોઝીટનો 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 એરક્રાફ્ટમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ગેસ ટર્બાઇન માટે પ્રદર્શન સૂચકોની શ્રેણી તૈયાર કરી છે. આ સૂચકાંકો છે: ટર્બાઇન ઇનલેટ તાપમાનને 2200 ℃ સુધી વધારવું; રાસાયણિક ગણતરીના કમ્બશન સ્ટેટ હેઠળ કાર્ય કરો; આ ભાગો પર લાગુ ઘનતા 8g/cm3 થી 5g/cm3 સુધી ઘટાડવી; ઘટકોના ઠંડકને રદ કરો. આ જરૂરિયાતોને પહોંચી વળવા માટે, અભ્યાસ કરેલ સામગ્રીમાં સિંગલ-ફેઝ સિરામિક્સ ઉપરાંત ગ્રેફાઇટ, મેટલ મેટ્રિક્સ, સિરામિક મેટ્રિક્સ કમ્પોઝીટ અને ઇન્ટરમેટાલિક સંયોજનોનો સમાવેશ થાય છે. સિરામિક મેટ્રિક્સ કમ્પોઝીટ (CMC) ના નીચેના ફાયદા છે:
સિરામિક સામગ્રીનો વિસ્તરણ ગુણાંક નિકલ-આધારિત એલોય કરતા ઘણો નાનો છે, અને કોટિંગને છાલવામાં સરળ છે. મધ્યવર્તી ધાતુની લાગણી સાથે સિરામિક સંયોજનો બનાવવાથી ફ્લેકિંગની ખામીને દૂર કરી શકાય છે, જે કમ્બશન ચેમ્બર સામગ્રીના વિકાસની દિશા છે. આ સામગ્રીનો ઉપયોગ 10% - 20% ઠંડકવાળી હવા સાથે કરી શકાય છે, અને મેટલ બેક ઇન્સ્યુલેશનનું તાપમાન માત્ર 800 ℃ જેટલું છે, અને હીટ બેરિંગ તાપમાન વિવિધ ઠંડક અને ફિલ્મ ઠંડક કરતા ઘણું ઓછું છે. V2500 એન્જિનમાં કાસ્ટ સુપરએલોય B1900+ સિરામિક કોટિંગ પ્રોટેક્ટિવ ટાઇલનો ઉપયોગ થાય છે, અને વિકાસની દિશા B1900 (સિરામિક કોટિંગ સાથે) ટાઇલને SiC-આધારિત સંયુક્ત અથવા એન્ટિ-ઓક્સિડેશન C/C સંયુક્ત સાથે બદલવાની છે. સિરામિક મેટ્રિક્સ કમ્પોઝિટ એ 15-20 ના થ્રસ્ટ વેઇટ રેશિયો સાથે એન્જિન કમ્બશન ચેમ્બરની વિકાસ સામગ્રી છે, અને તેનું સેવા 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 ઘટકોમાંનું એક છે જે સૌથી ગંભીર તાપમાનનો ભાર અને એરો-એન્જિનમાં સૌથી ખરાબ કાર્યકારી વાતાવરણને સહન કરે છે. તેને ઊંચા તાપમાને ખૂબ જ વિશાળ અને જટિલ તાણ સહન કરવું પડે છે, તેથી તેની સામગ્રીની આવશ્યકતાઓ ખૂબ જ કડક છે. એરો-એન્જિન ટર્બાઇન બ્લેડ માટેના સુપરએલોયને વિભાજિત કરવામાં આવે છે:
માર્ગદર્શિકા માટે ઉચ્ચ તાપમાન એલોય
ડિફ્લેક્ટર એ ટર્બાઇન એન્જિનના ભાગોમાંથી એક છે જે ગરમીથી સૌથી વધુ પ્રભાવિત થાય છે. જ્યારે કમ્બશન ચેમ્બરમાં અસમાન કમ્બશન થાય છે, ત્યારે પ્રથમ સ્ટેજ ગાઈડ વેનનો હીટિંગ લોડ મોટો હોય છે, જે ગાઈડ વેનના નુકસાનનું મુખ્ય કારણ છે. તેનું સેવા તાપમાન ટર્બાઇન બ્લેડ કરતા લગભગ 100 ℃ વધારે છે. તફાવત એ છે કે સ્થિર ભાગો યાંત્રિક લોડને આધિન નથી. સામાન્ય રીતે, તાપમાનમાં ઝડપી ફેરફારને કારણે થર્મલ તણાવ, વિકૃતિ, થર્મલ થાક ક્રેક અને સ્થાનિક બર્નનું કારણ બને છે. ગાઈડ વેન એલોયમાં નીચેના ગુણધર્મો હોવા જોઈએ: પર્યાપ્ત ઉચ્ચ તાપમાન શક્તિ, કાયમી ક્રીપ પ્રદર્શન અને સારી થર્મલ થાક કામગીરી, ઉચ્ચ ઓક્સિડેશન પ્રતિકાર અને થર્મલ કાટ કામગીરી, થર્મલ તણાવ અને કંપન પ્રતિકાર, બેન્ડિંગ ડિફોર્મેશન ક્ષમતા, સારી કાસ્ટિંગ પ્રક્રિયા મોલ્ડિંગ કામગીરી અને વેલ્ડેબિલિટી, અને કોટિંગ સંરક્ષણ કામગીરી.
હાલમાં, ઉચ્ચ થ્રસ્ટ/વજન ગુણોત્તર 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 રેશિયોવાળા એન્જિનમાં 1650 ℃ - 1930 ℃ નું ઊંચું તાપમાન હોય છે અને તેને થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન કોટિંગ દ્વારા સુરક્ષિત કરવાની જરૂર છે. ઠંડક અને કોટિંગ સંરક્ષણની સ્થિતિમાં બ્લેડ એલોયનું સેવા તાપમાન 1100 ℃ કરતાં વધુ છે, જે ભવિષ્યમાં માર્ગદર્શિકા બ્લેડ સામગ્રીના તાપમાન ઘનતા ખર્ચ માટે નવી અને ઉચ્ચ આવશ્યકતાઓને આગળ ધપાવે છે.
b ટર્બાઇન બ્લેડ માટે સુપરએલોય
ટર્બાઇન બ્લેડ એરો-એન્જિનોના મુખ્ય ગરમી-વાહક ફરતા ભાગો છે. તેમનું સંચાલન તાપમાન માર્ગદર્શિકા બ્લેડ કરતાં 50 ℃ - 100 ℃ ઓછું છે. ફરતી વખતે તેઓ મહાન કેન્દ્રત્યાગી તણાવ, કંપન તણાવ, થર્મલ તણાવ, એરફ્લો સ્કોરિંગ અને અન્ય અસરો સહન કરે છે, અને કામ કરવાની પરિસ્થિતિઓ નબળી છે. ઉચ્ચ થ્રસ્ટ/વેઇટ રેશિયોવાળા એન્જિનના હોટ એન્ડ ઘટકોની સર્વિસ લાઇફ 2000h કરતાં વધુ છે. તેથી, ટર્બાઇન બ્લેડ એલોયમાં સેવા તાપમાન પર ઉચ્ચ ક્રીપ પ્રતિકાર અને ભંગાણની શક્તિ હોવી જોઈએ, સારા ઉચ્ચ અને મધ્યમ તાપમાન વ્યાપક ગુણધર્મો, જેમ કે ઉચ્ચ અને નીચું ચક્ર થાક, ઠંડા અને ગરમ થાક, પર્યાપ્ત પ્લાસ્ટિસિટી અને અસરની કઠિનતા, અને ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા; ઉચ્ચ ઓક્સિડેશન પ્રતિકાર અને કાટ પ્રતિકાર; સારી થર્મલ વાહકતા અને રેખીય વિસ્તરણના નીચા ગુણાંક; સારી કાસ્ટિંગ પ્રક્રિયા કામગીરી; લાંબા ગાળાની માળખાકીય સ્થિરતા, સેવાના તાપમાને TCP તબક્કામાં વરસાદ નહીં. લાગુ એલોય ચાર તબક્કામાંથી પસાર થાય છે; વિકૃત એલોય એપ્લિકેશન્સમાં GH4033, GH4143, GH4118, વગેરેનો સમાવેશ થાય છે; કાસ્ટિંગ એલોયની એપ્લિકેશનમાં K403, K417, K418, K405, ડાયરેક્ટલી સોલિફાઇડ ગોલ્ડ DZ4, DZ22, સિંગલ ક્રિસ્ટલ એલોય DD3, DD8, PW1484, વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. હાલમાં, તે સિંગલ ક્રિસ્ટલ એલોયની ત્રીજી પેઢીમાં વિકસિત થયું છે. ચીનના સિંગલ ક્રિસ્ટલ એલોય DD3 અને DD8 નો ઉપયોગ અનુક્રમે ચીનના ટર્બાઇન, ટર્બોફન 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 વેઇટ રેશિયો સાથે એન્જિનના વ્હીલ ફ્લેંજનું કાર્યકારી તાપમાન 650 ℃ અને 750 ℃ સુધી પહોંચે છે, અને વ્હીલ સેન્ટરનું તાપમાન મોટા તાપમાનના તફાવત સાથે લગભગ 300 ℃ છે. સામાન્ય પરિભ્રમણ દરમિયાન, તે બ્લેડને ઊંચી ઝડપે ફેરવવા માટે ચલાવે છે અને મહત્તમ કેન્દ્રત્યાગી બળ, થર્મલ સ્ટ્રેસ અને વાઇબ્રેશન સ્ટ્રેસ સહન કરે છે. દરેક સ્ટાર્ટ અને સ્ટોપ એક ચક્ર, ચક્ર કેન્દ્ર છે. ગળું, ગ્રુવ બોટમ અને કિનાર બધા જુદા જુદા સંયુક્ત તાણ સહન કરે છે. એલોયમાં સર્વોચ્ચ ઉપજ શક્તિ, અસરની કઠિનતા અને સેવાના તાપમાને કોઈ ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા હોવી જરૂરી છે; નીચા રેખીય વિસ્તરણ ગુણાંક; ચોક્કસ ઓક્સિડેશન અને કાટ પ્રતિકાર; સારી કટીંગ કામગીરી.
4. 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 ભાગોની સામગ્રી તરીકે થાય છે.
અમેરિકન લિક્વિડ રોકેટ એન્જિનની ટર્બાઇન રોટર સામગ્રીમાં મુખ્યત્વે ઇન્ટેક પાઇપ, ટર્બાઇન બ્લેડ અને ડિસ્કનો સમાવેશ થાય છે. GH1131 એલોય મોટે ભાગે ચીનમાં વપરાય છે, અને ટર્બાઇન બ્લેડ કામ કરતા તાપમાન પર આધાર રાખે છે. Inconel x, Alloy713c, એસ્ટ્રોલોય અને Mar-M246 નો ક્રમિક ઉપયોગ થવો જોઈએ; વ્હીલ ડિસ્ક સામગ્રીમાં ઇન્કોનલ 718, વાસ્પલોય વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. GH4169 અને GH4141 ઇન્ટિગ્રલ ટર્બાઇનનો મોટાભાગે ઉપયોગ થાય છે, અને GH2038A નો ઉપયોગ એન્જિન શાફ્ટ માટે થાય છે.