Superlegierung bezieht sich auf eine Klasse von Metallwerkstoffen auf der Grundlage von Elementen (Eisen, Kobalt, Nickel), die eine große Anzahl von verstärkenden Elementen hinzufügen, die bei hohen Temperaturen über 600℃ und unter bestimmten Belastungen für eine lange Zeit arbeiten können. Superlegierung hat hohe Hochtemperaturfestigkeit und gute Oxidationsbeständigkeit, thermische Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, gute organisatorische Stabilität und Service Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen, so ist es auch bekannt als Hitzefestigkeit Legierung, Hitzebeständigkeit Legierung oder Superlegierung.
Superlegierungen im Überblick
Superlegierung ist ein neuartiges Metallmaterial für die Luftfahrt, das in den 1940er Jahren entwickelt wurde. Es kann komplexen Belastungen standhalten und lange Zeit unter Oxidations- und Gaskorrosionsbedingungen bei 600-1100 °C zuverlässig arbeiten. Superlegierungen werden hauptsächlich in den heißen Endteilen von Flugzeugtriebwerken verwendet und sind auch in der Luft- und Raumfahrt, im Energiesektor, im Transportwesen und in der chemischen Industrie weit verbreitet.
Aus der Sicht der unterteilten Industrien gehören Superlegierungen zu den hochwertigen metallischen Konstruktionswerkstoffen im Bereich der neuen Materialien. Sie haben eine ausgezeichnete umfassende Leistung, eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und Plastizität, eine gute Oxidationsbeständigkeit und thermische Korrosionsbeständigkeit, eine ausgezeichnete Kriechbeständigkeit, Bruchfestigkeit und gute organisatorische Stabilität und sind zu den wichtigsten Spezialwerkstoffen für die Entwicklung vieler wichtiger Industriebereiche geworden
Leistungsmerkmale von Werkstoffen aus Superlegierungen:
- Ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und Plastizität
- Gute Oxidations- und Hitzekorrosionsbeständigkeit
- Ausgezeichnete Kriechfestigkeit und Spaltfestigkeit
- Gute organisatorische Stabilität
- Deformationsbearbeitung ist schwierig
- Gutes Preis-/Leistungsverhältnis
Klassifizierung von Superlegierungen
Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie und der Werkstoffe werden die Produkte aus Superlegierungen ständig weiterentwickelt, die Temperaturbelastbarkeit wird ständig verbessert, und die umfassende Leistung wird ständig erhöht. Sie haben sich von der traditionellen Guss-Superlegierung und Verformungs-Superlegierung verändert. Eine Reihe neuer Superlegierungswerkstoffe wie Pulversuperlegierungen, intermetallische Verbindungen aus Titan und Aluminium, Superlegierungen zur Verstärkung der Oxiddispersion, korrosionsbeständige Superlegierungen, Pulvermetallurgie und Nanomaterialien wurden entwickelt.
Superlegierung Klassifizierung
Superlegierungen können nach verschiedenen Klassifizierungsmethoden eingeteilt werden.
- Eisenbasis oder Eisen-Nickel-Superlegierung
- Superlegierung auf Nickelbasis
- Superlegierung auf Kobaltbasis
- Mischkristallverfestigte Superlegierung
- Ausscheidungsgehärtete Superlegierung
- Verformte Superlegierung
- Gegossene Superlegierung
- Pulverförmige Superlegierung
- Heißkorrosionsbeständige Superlegierung
- Superlegierung mit geringer Ausdehnung
- Superlegierung mit hoher Streckgrenze
- Superlegierung für Turbinenschaufeln
- Superlegierung für Turbinenleitschaufeln
- Superlegierung für die Brennkammer
Herstellungstechnologie von Superlegierungen
Bei der Entwicklung von Superlegierungen spielt die Technologie eine große Rolle bei der Förderung der Entwicklung von Superlegierungen. Der Herstellungs- und Aufbereitungsprozess von Superlegierungen ist kompliziert, wobei Schmelzen, Gießen und Wärmebehandlung die wichtigsten Prozesse sind. Die Stabilität des Produktionsprozesses und der Technologie hat einen direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Superlegierungen. Die rasante Entwicklung der Wirtschaft und der Wissenschaft und Technologie für die Entwicklung und Förderung einer Vielzahl neuer Superlegierungswerkstoffe bieten einen großen Raum für die Entwicklung, bei immer höheren Anforderungen an die Legierungseigenschaften ist es notwendig, eine Vielzahl von Prozessen ständig zu verbessern und zu optimieren, um sicherzustellen, dass eine Vielzahl von Prozessen und Superlegierungswerkstoffen sich an die Veränderungen anpassen. Die kontinuierliche Verbesserung des Prozesses kann die kontinuierliche Verbesserung der Leistung, die Entwicklung neuer Superlegierungen realisieren und dann die Entwicklung verwandter Produkte und Industrien fördern.
- Schmelzverfahren
Eine strenge Kontrolle der chemischen Zusammensetzung ist die Grundlage für die Gewährleistung einer hervorragenden Leistung der Superlegierung. Durch den Schmelzprozess können Einschlüsse, die die kritische Größe überschreiten, wirksam beseitigt, der Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel verringert und die Reinheit der Superlegierung von der Quelle an verbessert werden. Daher steht der Schmelzprozess bei der Herstellung von Superlegierungen an erster Stelle.
Derzeit sind die wichtigsten Schmelzverfahren für Superlegierungen weltweit der Vakuum-Induktionsofen (VIM), der Vakuum-Verbrauchsofen (VAR) und der Elektroschlacke-Umschmelzofen (ESR). In den letzten Jahren hat die Anwendung neuer Superlegierungen in Form von Pulversuperlegierungen immer mehr an Bedeutung gewonnen, und der Schmelzprozess von Pulversuperlegierungen hat sich zu einer Spitzentechnologie entwickelt. Auf internationaler Ebene verwenden russische Pulver-Superlegierungen das VIM- oder VIM+VAR-Doppelschmelzverfahren und amerikanische Pulver-Superlegierungen das VIM+ESR+VAR-Dreifachverfahren. Die inländischen Pulversuperlegierungen werden jedoch im Wesentlichen nach dem VIM-Einzelraffinationsverfahren hergestellt, was dazu führt, dass die Reinheit der chinesischen Pulversuperlegierungen unter dem fortgeschrittenen Niveau der ausländischen Länder liegt.
- Gießen
Die Präzisionsgusstechnologie für Superlegierungen ist hauptsächlich das Feingießen, das sich zu einem gleichachsigen Kristalltyp, einem gerichteten zylindrischen Kristalltyp und einem Einkristalltyp entwickelt hat. Gegenwärtig haben Superlegierungsgussteile begonnen, sich in Richtung Komplexität, Großmaßstab und hohe Präzision zu entwickeln, was gewisse Herausforderungen an den Gießprozess und das Verfahren stellt und auch den kontinuierlichen Fortschritt der Feingusstechnologie fördert, von der Vakuumschmelztechnologie über die nicht-rückstandslose Gießtechnologie, die gerichtete Erstarrungstechnologie, die Einkristalltechnologie und andere Aspekte.
Es besteht auch ein direkter Zusammenhang zwischen der Verbesserung der Gusstechnologie und der Produktion und Herstellung von Superlegierungsrohstoffen. Es ist notwendig, die Eigenschaften von Superlegierungswerkstoffen und die Verwendung von Gussteilen zu kombinieren, die entsprechenden technologischen Verfahren und Mechanismen zu verbessern, die Leistung der Werkstoffe zu kontrollieren und die Stabilität des Produktionsprozesses zu gewährleisten. Gegenwärtig gibt es bei der Herstellung Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Zusammensetzungs- und Erstarrungsparameter von Superlegierungen, so dass bei der gerichteten Erstarrung oder bei der Herstellung von Einkristallen leicht Defekte wie Sommersprossen, Heißrisse und Lockerungen auftreten können, die die Hochtemperaturleistung der Produkte erheblich beeinträchtigen. In den Vereinigten Staaten wird die Technologie der gerichteten Hochgradientenverfestigung zur Herstellung von Triebwerksschaufeln eingesetzt, die das Auftreten von Sommersprossen wirksam reduziert, die Temperaturgradientenparameter unter den Bedingungen der jeweiligen Teilegröße streng kontrolliert und eine gewisse Rolle bei der Optimierung und Verbesserung der Produktion spielt.
Klassifizierung von Präzisionsguss: hauptsächlich Feinguss, Keramikguss, Metallguss, Druckguss, verlorener Guss.
- Wärmebehandlung
Mit dem Einsatz neuer Superlegierungswerkstoffe und den hohen Anforderungen an die Eigenschaften von Legierungen ist die Wärmebehandlung ein wesentlicher Prozess. Die Wärmebehandlung von Superlegierungen ist eine Art Warmumformung von Metallen, bei der Superlegierungswerkstoffe im festen Zustand erhitzt, isoliert und abgekühlt werden, um die erwartete Mikrostruktur und die erwarteten Eigenschaften zu erzielen. In den letzten Jahren wurden die Mischkristallwärmebehandlung und die Alterungswärmebehandlung bei Superlegierungen systematisch untersucht.
⁎ Die Mischkristallwärmebehandlung bedeutet, dass die Ausscheidungsphase mit ungleichmäßiger Verteilung in der Legierung bei einer Temperatur, die höher ist als die Gesamtlösungstemperatur der ausgeschiedenen Phase im Superlegierungsgefüge, vollständig in die Matrixphase aufgelöst wird, um den Mischkristall zu verfestigen, die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern und die Eigenspannungen zu beseitigen, um die Verarbeitung und Umformung fortzusetzen und die Ausscheidungsphase mit gleichmäßiger Verteilung bei der nachfolgenden Alterungsbehandlung vorzubereiten.
⁎ Die Alterungswärmebehandlung bezieht sich auf das Erhitzen und Halten für eine bestimmte Zeit innerhalb des Temperaturintervalls der Ausscheidung der verfestigten Phase, so dass sich die verfestigte Phase der Superlegierung gleichmäßig ausscheidet und das Karbid gleichmäßig verteilt wird, um die Legierung zu härten und ihre Festigkeit zu verbessern.
Verwendung von Superlegierungen
Der Weltmarkt für Superlegierungen wächst weiter, wobei sich China zu einem wichtigen Wachstumsmarkt entwickelt. Auf dem chinesischen Superlegierungsmarkt machen verformte Superlegierungen und Nickelbasis-Superlegierungen den größten Anteil aus. Nach dem Herstellungsverfahren macht die verformte Superlegierung etwa 70% des gesamten Superlegierungsmarktes aus, gefolgt von der Gusssuperlegierung (20%) und der Pulversuperlegierung (10%). Nach den Matrixelementen der Legierung entfallen auf die Nickelbasis-Superlegierung etwa 80%, auf die Nickel-Eisen-Superlegierung und die Kobaltbasis-Superlegierung etwa 14% bzw. 6%.
Das größte Anwendungsszenario für Superlegierungen ist die Luft- und Raumfahrt mit einem Nachfrageanteil von 55%. Superlegierungen sind ein wichtiges Rohmaterial für die Herstellung von Luft- und Raumfahrtmotoren. Es wird hauptsächlich in der Brennkammer, der Führung, der Turbinenschaufel, der Turbinenscheibe, der Heckdüse, dem Gehäuse und anderen Komponenten verwendet. Zweitens hat Superlegierung ausgezeichnete Eigenschaften wie hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit und wird auch in Gasturbinen, in der Petrochemie, in der Industrie und in der Automobilindustrie weit verbreitet.
1) Flugzeugtriebwerk
Superlegierungen werden seit ihren Anfängen in Flugzeugtriebwerken eingesetzt. In modernen Flugzeugtriebwerken werden Superlegierungen hauptsächlich in den vier wichtigsten Komponenten des heißen Endes verwendet: Brennkammer, Leitkammer, Turbinenschaufel und Turbinenscheibe sowie in Gehäusen, Ringteilen, Nachbrennern und Heckdüsen.
2) Turbolader für Kraftfahrzeuge
Die Turbine eines Abgasaufladers für Kraftfahrzeuge ist ebenfalls ein wichtiger Anwendungsbereich für Superlegierungen. Heutzutage sind die meisten Turbolader-Hersteller in unserem Land Superlegierungs-Turbolader auf Nickelbasis, die einen Rotor mit der Wirbelwelle und dem Verdichterlaufrad bilden. Nach dem Superlegierungsverbrauch von Turboladern pro 10.000 Fahrzeuge beträgt etwa 3,5 Tonnen, die Automobilproduktionsindustrie benötigt im Jahr 2021 etwa 9.128,7 Tonnen Superlegierungsmaterialien, und die Marktgröße beträgt etwa 1,83 Milliarden Yuan. In Anbetracht der Zunahme der Zahl der Fahrzeuge in der Zukunft und der Montagerate in China wird geschätzt, dass die Gesamtnachfrage nach Superlegierungswerkstoffen auf dem chinesischen Automobilmarkt bis 2030 etwa 106.000 Tonnen betragen wird, wobei eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 5% angenommen wird.
3) Kernenergie
Zu den Superlegierungen für die Kernkraft gehören: Brennelementhüllen, Strukturwerkstoffe, Brennstab-Positioniergitter, Wärmetauscher für Hochtemperatur-Gasöfen usw., die nur schwer durch andere Werkstoffe ersetzt werden können.
Der von der World Nuclear Energy Association veröffentlichte Bericht über Kernbrennstoffe prognostiziert ein jährliches Wachstum der weltweit installierten Kernkraftkapazität von 2,6%, und bis 2040 wird die weltweit installierte Kernkraftkapazität 615 Millionen Kilowatt erreichen, wobei das Wachstum der installierten Kapazität hauptsächlich von China, Russland und anderen Ländern ausgehen wird. Im Januar 2022, als der Block 6 des Kernkraftwerks Fuqing ans Netz ging, verfügte das chinesische Festland über 53 an das Netz angeschlossene Kernkraftwerke mit einer installierten Gesamtleistung von 5 4636 695 kW, was nach den USA und Frankreich den dritten Platz in der Welt bedeutet. Die Nationale Energiebehörde schätzt, dass Chinas installierte Kernkraftkapazität im Jahr 2030 120 bis 150 Millionen Kilowatt erreichen wird, so dass bis 2030 schätzungsweise 80 Millionen Kilowatt an neuen Kernkraftwerksblöcken fertiggestellt sein werden. Für jedes Kernkraftwerk mit einer Leistung von 600.000 Kilowatt werden etwa 600 Tonnen Superlegierungswerkstoffe benötigt, so dass sich der Gesamtbedarf an Superlegierungswerkstoffen auf etwa 80.000 Tonnen beläuft. Wenn man bedenkt, dass die inländische Produktionsrate für den Bau von Kernkraftwerken bei etwa 80% liegt, wird erwartet, dass die durchschnittliche jährliche Inlandsnachfrage nach Superlegierungen in Zukunft etwa 7.111 Tonnen betragen wird.
4) Andere Bereiche
Superlegierungen werden auch in der Glasherstellung, in der Metallurgie, für medizinische Instrumente und in anderen Bereichen eingesetzt.
