Суперсплав относится к классу металлических материалов на основе элементов (железо, кобальт, никель) с добавлением большого количества упрочняющих элементов, которые могут работать при высокой температуре свыше 600℃ и при определенных нагрузках в течение длительного времени. Суперсплав обладает высокой температурной прочностью и хорошей стойкостью к окислению, термической коррозии, усталостной прочностью, хорошей организационной стабильностью и надежностью работы при высоких температурах, поэтому его также называют жаропрочным сплавом, жаростойким сплавом или суперсплавом.
основной обзор суперсплавов
Суперсплав - новый тип авиационного металлического материала, разработанный в 1940-х годах. Он способен выдерживать сложные нагрузки и надежно работать в течение длительного времени в условиях окисления и газовой коррозии при температуре 600-1100℃. Суперсплавы используются в основном для изготовления деталей горячего конца авиадвигателей, а также широко применяются в аэрокосмической, энергетической, транспортной и химической промышленности.
С точки зрения подразделяемых отраслей промышленности суперсплавы относятся к высококлассным металлическим конструкционным материалам в области новых материалов. Обладая превосходными комплексными характеристиками, отличной высокотемпературной прочностью и пластичностью, хорошей стойкостью к окислению и термической коррозии, отличным сопротивлением ползучести, трещиностойкостью и хорошей организационной стабильностью, они стали ключевыми специальными материалами для развития многих важных промышленных областей
Эксплуатационные характеристики сверхпрочных материалов:
- Отличная высокотемпературная прочность и пластичность
- Хорошая стойкость к окислению и термокоррозии
- Отличное сопротивление ползучести и устойчивость к делению
- Хорошая организационная стабильность
- Деформационная обработка затруднена
- Хорошее соотношение производительности и цены
Классификация суперсплавов
Благодаря непрерывному прогрессу технологий и материалов изделия из сверхпрочных сплавов постоянно итерируются, постоянно улучшается их термостойкость и комплексные характеристики. Они сменили традиционные литейные суперсплавы и деформационные суперсплавы. Разработан ряд новых суперсплавов, таких как порошковый суперсплав, интерметаллические соединения титана и алюминия, оксидно-дисперсионный упрочняющий суперсплав, коррозионно-стойкий суперсплав, порошковая металлургия и наноматериалы.
Классификация суперсплавов
Суперсплавы можно классифицировать по различным методикам.
- Железо-основа или железо-никелевый суперсплав
- Суперсплав на основе никеля
- Суперсплав на основе кобальта
- Упрочненный твердым раствором суперсплав
- Упрочненный осаждением суперсплав
- Деформированный суперсплав
- Литой суперсплав
- Порошковый суперсплав
- Суперсплав с высокой коррозионной стойкостью
- Суперсплав с низким коэффициентом расширения
- Суперсплав с высоким пределом текучести
- Суперсплав для лопаток турбин
- Суперсплав для направляющих лопаток турбин
- Суперсплав для камеры сгорания
Технология приготовления суперсплава
В процессе разработки суперсплава большую роль играет технология. Процесс производства и подготовки суперсплава сложен, основными процессами являются плавка, литье и термообработка. Стабильность производственного процесса и технологии оказывает непосредственное влияние на механические свойства суперсплавов. Быстрое развитие экономики и научно-технического прогресса для разработки и продвижения разнообразных новых суперсплавных материалов предоставляет большой простор для развития, при этом в случае все более высоких требований к свойствам сплавов необходимо постоянно совершенствовать и оптимизировать разнообразные процессы, чтобы обеспечить адаптацию разнообразных процессов и суперсплавных материалов к происходящим изменениям. Постоянное совершенствование процесса может реализовать непрерывное улучшение характеристик, разработку нового суперсплава, а затем способствовать развитию смежных продуктов и отраслей.
- Процесс плавки
Строгий контроль химического состава является основой обеспечения превосходных эксплуатационных характеристик суперсплава. Процесс плавки позволяет эффективно устранить включения, превышающие критический размер, снизить содержание кислорода, азота и серы, а также повысить чистоту суперсплава от исходного сырья. Поэтому процесс плавки занимает первое место в процессе подготовки суперсплава.
В настоящее время основными методами плавки суперсплавов в мире являются вакуумная индукционная печь (ВИМ), вакуумная расходная печь (ВРП), печь электрошлакового переплава (ЭШП). В последние годы все более широкое применение находят новые суперсплавы, представленные порошковыми суперсплавами, а процесс плавки порошковых суперсплавов становится передовой исследовательской технологией. На международном уровне в российских порошковых суперсплавах используется процесс двойной плавки VIM или VIM+VAR, а в американских - тройной VIM+ESR+VAR. Однако в отечественных порошковых суперсплавах в основном используется однократный процесс рафинирования VIM, в результате чего чистота китайского порошкового суперсплава ниже, чем у зарубежных стран.
- литье
Технология точного литья суперсплавов в основном представляет собой литье по выплавляемым моделям, которые развиваются по типу равноосного кристалла, направленного цилиндрического кристалла и монокристалла. В настоящее время литье суперсплавов стало развиваться в направлении сложности, крупномасштабности и высокой точности, что ставит определенные задачи перед процессом и технологией литья, а также способствует непрерывному прогрессу технологии точного литья по выплавляемым моделям, начиная с технологии вакуумной плавки и заканчивая технологией безостаточного литья, технологией направленного затвердевания, технологией монокристаллов и другими аспектами.
Существует также прямая связь между совершенствованием технологии литья и производством и изготовлением суперсплавного сырья. Необходимо сочетать особенности суперсплавных материалов и применение литья, совершенствовать соответствующий технологический режим и механизм, контролировать работоспособность материалов, обеспечивать стабильность производственного процесса. В настоящее время в процессе производства возникают трудности с контролем параметров состава и параметров затвердевания суперсплава, легко появляются такие дефекты, как веснушки, горячие трещины и рыхлость при производстве направленного затвердевания или при производстве монокристаллов, что серьезно влияет на высокотемпературные характеристики изделий. В процессе исследований в США для изготовления лопаток авиадвигателей используется технология высокоградиентной направленной кристаллизации, которая позволяет эффективно снизить частоту появления веснушек, строго контролировать параметры градиента температуры по условию каждого типоразмера детали и играет определенную роль в оптимизации и совершенствовании производства.
Классификация точного литья: в основном литье по выплавляемым моделям, керамическое литье, металлическое литье, литье под давлением, литье с потерей качества.
- Термическая обработка
В связи с применением новых сверхпрочных материалов и высокими требованиями к свойствам сплавов термическая обработка является необходимым процессом. Под термической обработкой суперсплавов понимается вид горячей обработки металла, при которой суперсплавы нагреваются, изолируются и охлаждаются в твердом состоянии для получения требуемой микроструктуры и свойств. В последние годы систематически изучаются термическая обработка твердых растворов и термическая обработка при старении суперсплавов.
⁎ Термообработка твердого раствора означает, что осажденная фаза с неравномерным распределением в сплаве полностью растворяется в матричной фазе при температуре, превышающей температуру полного раствора осажденной фазы в структуре суперсплава, с целью упрочнения твердого раствора, повышения вязкости и коррозионной стойкости, устранения остаточных напряжений для продолжения обработки и формования и подготовки к получению осажденной фазы с равномерным распределением при последующей обработке старением.
⁎ Под термической обработкой старения понимается нагрев и выдержка в течение определенного времени в температурном интервале выпадения упрочненной фазы, в результате чего упрочненная фаза суперсплава выпадает равномерно, а карбид распределяется равномерно, что позволяет реализовать функцию упрочнения сплава и повышения его прочности.
Применение суперсплава
Мировой рынок суперсплавов продолжает расти, при этом Китай становится одним из основных дополнительных рынков. На китайском рынке суперсплавов наибольшая доля приходится на деформированные суперсплавы и суперсплавы на основе никеля. По способу производства на деформированный суперсплав приходится около 70% всего рынка суперсплавов, далее следуют литейный суперсплав (20%) и порошковый суперсплав (10%). По матричным элементам сплава на суперсплав на никелевой основе приходится около 80%, на суперсплав на никель-железной и кобальтовой основе - 14% и 6%, соответственно.
Самым крупным направлением применения суперсплава является аэрокосмическая отрасль, доля спроса в которой составляет 55%. Суперсплав является важным сырьем для производства аэрокосмических двигателей. В основном он используется в камере сгорания двигателя, направляющих, лопатках турбины, дисках турбины, хвостовом сопле, корпусе и других компонентах. Во-вторых, суперсплав обладает превосходными свойствами, такими как термостойкость и коррозионная стойкость, а также широко используется в газотурбинной, нефтехимической, промышленной и автомобильной промышленности.
1) Авиадвигатель
Суперсплавы применяются в авиационных двигателях с момента их появления. В современных авиадвигателях суперсплавы используются в основном в четырех основных узлах горячего тракта: камере сгорания, направляющей камере, лопатке турбины и диске турбины, а также в корпусе, кольцевых деталях, форсажной камере и хвостовом сопле.
2) Автомобильные турбокомпрессоры
Турбина автомобильного нагнетателя выхлопных газов также является важной областью применения сверхпрочных материалов. В настоящее время большинство производителей турбокомпрессоров в нашей стране выпускают турбокомпрессоры из суперсплава на никелевой основе, образующие ротор с вихревым валом и крыльчаткой компрессора. Согласно потреблению суперсплава для турбокомпрессора на каждые 10 тыс. автомобилей около 3,5 т, в 2021 году автомобильной промышленности потребуется около 9128,7 т суперсплавных материалов, а объем рынка составит около 1,83 млрд. юаней. Учитывая увеличение количества автомобилей в будущем и темпов сборки в Китае, предполагается, что общий спрос на суперсплавные материалы на китайском автомобильном рынке к 2030 году составит около 106 000 т при среднегодовом темпе роста 5% в будущем.
3) Атомная энергетика
К суперсплавам для атомной энергетики относятся: материалы оболочек твэлов, конструкционные материалы, сетки позиционирования твэлов, теплообменники для высокотемпературных газовых печей и т.д., которые трудно заменить другими материалами.
Согласно докладу о ядерном топливе, опубликованному Всемирной ассоциацией ядерной энергетики, ожидается, что рост установленной атомной мощности в мире составит 2,6% в год, а к 2040 г. установленная атомная мощность достигнет 615 млн. кВт, причем рост установленной мощности будет происходить в основном за счет Китая, России и других стран. В январе 2022 года, после подключения к сети шестого энергоблока АЭС "Фуцин", на материковой части Китая насчитывалось 53 энергоблока с общей установленной мощностью 54636695 кВт, что соответствует третьему месту в мире после США и Франции. По оценкам Национального энергетического управления, в 2030 году установленная мощность атомных электростанций Китая достигнет 120-150 млн. кВт, поэтому предполагается, что к 2030 году в Китае будет построено около 80 млн. кВт новых атомных энергоблоков. Для каждой атомной электростанции мощностью 600 тыс. кВт требуется около 600 т суперсплавов, таким образом, общая потребность в суперсплавах составляет около 80 тыс. т. Учитывая, что темпы строительства АЭС в стране составляют около 801ТП2Т, можно ожидать, что среднегодовой внутренний спрос на суперсплавы в будущем составит около 7 111 т.
4) Другие области
Суперсплавы также широко используются в производстве стекла, металлургии, медицинских инструментов и других областях
