一.항공기 엔진에 초합금 적용
터빈 엔진 작업 흐름: 엔진이 시동되면 공기가 입구를 통해 압축기로 들어가고 가압되어 연소실로 들어가고 연료 분사 노즐에서 방출되는 연료와 혼합되어 균일한 혼합물을 형성하고 빠르게 점화되어 연소실에서 연소됩니다. 연소실은 가이드를 통해 터빈으로 흐르는 고온 가스를 생성하고 터빈은 고온 및 고압 가스 흐름 하에서 고속(정상 속도는 1100r/min에 도달할 수 있음)으로 회전합니다. 터빈의 가스는 테일 노즐에서 배출되어 추력을 생성합니다. 진동, 기류 침식, 특히 회전으로 인한 원심 효과로 인해 항공기 엔진의 고온 부분은 더 큰 스트레스를 받게 되며 가스에는 산소, 수증기가 많이 포함되어 있으며 SO2, H2S와 같은 부식성 가스가 있습니다. , 이는 고온 부품의 산화 및 부식에 역할을 합니다. 군용기든 민항기든 구조적, 기능적 성능 외에도 안전성과 안정성이 요구되기 때문에 최신 엔진에는 높은 추력 대 중량비, 고온, 고압비 등의 성능이 더해지며, 엄격한 신뢰성, 내구성, 유지 관리 요구 사항입니다.
초합금은 열 안정성과 열 강도가 높으며 고온에서 내식성과 내 산화성이 우수합니다. 이는 터빈 핫 엔드 부품, 즉 터빈 디스크, 터빈 가이드 블레이드, 터빈 작동 블레이드, 연소실 및 애프터버너 부품의 제조에 주로 사용되는 항공 터빈 엔진의 핫 엔드 부품 제조에 필수적인 핵심 소재입니다. 최신 첨단 항공기 엔진에서 초합금 소재의 양은 전체 엔진의 40%-60%를 차지합니다.
연소실은 엔진 부품의 작동 온도가 가장 높은 영역으로 연소실의 가스 온도가 1500-2000°C에 도달하면 챔버 벽 합금의 온도가 800~900°C에 도달할 수 있으며 국부적으로 온도는 1100°C에 도달할 수 있습니다. 연소실로 사용되는 합금은 특히 이륙, 가속 및 주차 중에 열 응력과 가스 충격력을 받게 되며 온도 변화는 더욱 급격합니다. 순환적인 가열 및 냉각으로 인해 연소실은 가장자리에 변형, 휘어짐 및 열 피로 균열이 자주 나타납니다.
최근 몇 년 동안 연소실에 사용되는 초합금의 대부분은 W, Mo, Nb 및 기타 고용 강화 원소를 많이 포함하고 고온 강도가 우수하며 성형 및 용접 성능이 우수한 고용 강화 합금입니다. 대표적인 브랜드로는 GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 등이 있다.
가이드 블레이드는 연소실에서 나오는 가스의 흐름 방향을 조정하는 부품으로, 가이드라고도 합니다. 이는 큰 열 충격을 받는 터빈 엔진의 부품 중 하나입니다. 특히 연소실이 균일하지 않고 작동이 좋지 않은 경우 가이드 블레이드에 더 큰 열 부하가 가해지며 첨단 터빈 엔진의 가이드 블레이드 작동 온도는 1100도에 도달할 수 있습니다. 열응력으로 인한 변형, 급격한 온도 변화로 인한 열피로 균열, 국부적인 화상 등이 가이드 블레이드 작동 시 주요 결함이다.
가이드 블레이드로 사용되는 대부분의 합금은 정밀 주조 공정으로 생산되며 W, Mo, Nb, Al, Ti 및 기타 고용 강화 및 시효 강화 원소를 합금에 추가할 수 있으며, C 및 B의 함량은 합금은 또한 변형된 고온 합금보다 높습니다. 일부 가이드 블레이드는 노화 강화 시트에서 직접 용접되기도 합니다. 고급 항공기 엔진은 대부분 냉각 효과가 좋고 서비스 온도를 높일 수 있는 중공 주조 블레이드를 사용합니다. 국내 가이드 베인 합금 온도는 000 ~ 1050도, 대표적인 K214 정밀 주조 합금, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B 등을 사용할 수 있습니다.
엔진의 발전에 따라 엔진 터빈 디스크의 온도가 더욱 높아짐에 따라 가이드 블레이드의 구조도 변경되어 GH5605 및 GH5188을 채택하려고 시도하고 있습니다. 변형된 초합금판의 용접 적층 구조를 가이드 블레이드로 사용합니다.
터빈 블레이드는 작동 온도가 높고 원심 응력, 진동 응력, 열 응력 및 회전 중 공기 흐름 침식력이 큰 항공기 엔진에서 가장 심각한 구성 요소입니다. 블레이드 본체의 인장 응력은 약 140MPa이고 블레이드 루트의 평균 응력은 280-560MPa입니다. 칼날 몸체와 뿌리 부분의 온도는 각각 약 650-980도와 760도입니다. 첨단 항공기 엔진의 가스 입구 온도는 1380도에 도달했고 추력은 226kN에 도달했습니다. GH4033, GH4037 GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 등의 일반적인 제품은 750-950 정도에서 사용할 수 있습니다. 새로운 기계의 개발과 오래된 기계의 개조에서 주조 초합금은 터빈 블레이드를 제조하는 데 사용됩니다. 주조 합금의 일반적인 등급은 K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 등입니다.
터빈 디스크는 단일 질량이 50kg 이상으로 항공 엔진 구성 요소에서 가장 큰 질량을 차지하며 대형 터빈 디스크의 단일 질량은 수백 킬로그램에 이릅니다. 터빈 디스크 스튜디오에서 일반적인 림 온도는 550-650°C에 도달할 수 있는 반면 휠 중심 온도는 약 300°C에 불과하며 전체 터빈 디스크의 온도 차이가 매우 큽니다. 따라서 큰 방사형 열응력이 발생합니다. 터빈 블레이드는 정상 회전 중에 고속으로 회전하며 큰 원심력을 견뎌냅니다. 장부 톱니 부분의 응력은 인장 응력 및 비틀림 응력을 포함하여 더 복잡하며, 이는 시작 및 정지 중에 높은 응력과 낮은 사이클 피로를 형성합니다.
터빈 디스크용 변형 초합금은 철-니켈 기반 초합금의 한 유형이며 일반적인 합금 등급은 GH2132, GH2135,GH2901,GH4761 등이며 작동 온도는 650도 미만입니다. 니켈 기반 초합금의 또 다른 종류인 일반적인 브랜드인 GH4196, GH4133, GH4133B, GH4033A, GH4698 등은 온도를 사용하여 700 ^ 800도에 도달할 수 있습니다.
2.로켓 엔진에 초합금 적용
운반로켓은 다양한 우주선을 우주 궤도로 보내기 위한 차량으로, 우주 분야의 초합금은 주로 추력 운반 로켓 엔진에 사용된다. 그림 2는 추진제 저장소나 비행체 내의 반응물(추진제)을 고속 제트로 변환시켜 추력을 발생시키는 액체연료 로켓 엔진과 그 구조의 개략도이다. 그림(b)에서 볼 수 있듯이 로켓 엔진 노즐의 공기 흐름은 2500m/s에 이르고 온도는 1350도에 달한다.
로켓 엔진 초합금은 원칙적으로 항공 터빈 엔진 합금과 함께 사용할 수 있지만 항공 엔진과 비교할 때 로켓 엔진 재료는 몇 가지 새로운 특성을 갖습니다.
니켈 기반 변형 초합금은 일반적으로 합금의 산화 내식성이 우수하도록 10%-25% Cr 원소를 추가하므로 니켈 기반 합금은 실제로 매트릭스인 Ni-Cr입니다. 또한 일부 합금은 Ni-Cr 고용체에 Co(15%-20%), Mo(약 15%) 또는 W(약 11%) 원소를 추가하여 Ni-Cr과 함께 3원계 변형 초합금을 형성합니다. -Co, Ni-Cr-Mo, Ni-Cr-W를 각각 매트릭스로 사용합니다. 표 6은 중국에서 일반적으로 사용되는 니켈 기반 변형 초합금의 브랜드, 화학 성분 및 작동 온도를 보여줍니다. 그림 6은 터빈 블레이드와 플래터에 초합금을 적용하는 개발 추세를 보여줍니다.
코발트 기반 변형 초합금은 본질적으로 Co-Ni-Cr 삼원계를 기반으로 하며 W,Mo,Nb,Ta 및 기타 고용 강화 원소와 탄화물 형성 원소를 포함합니다. 니켈 기반 변형 초합금과 비교하여 가공 경화 속도가 더 크고 성형 후 부품의 표면 품질이 더 좋지만 성형 공정에서는 일반적으로 더 많은 열간 가공 가열 시간 또는 냉간 변형 중간 어닐링 시간이 필요하며 가공 성형 장비의 톤수도 필요합니다. 코발트계 이형 초합금은 980도 이상일 때 강도가 높고 내열피로성, 열부식성, 내마모성이 우수합니다. 그러나 코발트계 변형 초합금은 탄화물을 주요 강화상으로 하고 균일한 강화상이 결여되어 있으며, 저온 및 중온 범위에서 니켈계 변형 초합금에 비해 내구성 강도가 낮습니다. 표 9에는 일반적인 코발트 기반 변형 초합금의 고온 기계적 특성이 나열되어 있습니다.