Thread Content
Ключевой момент: сплавы высоких температур, также называемые сверхсплавами, — это металлические материалы, способные долгое время функционировать при температурах выше 600°C и при определенных нагрузках. Они обладают высокой прочностью при высоких температурах, отличными свойствами против окисления и термической коррозии, а также хорошими показателями усталостной прочности и твердости при разрыве. Материальные свойства высокотемпературных сплавов делают их незаменимым ключевым материалом в авиационных двигателях. В процессе создания передовых двигателей в мире материалы из высокотемпературных сплавов составляют от 40% до 60% от общего объема используемых материалов для двигателей. Поэтому сплавы высокотемпературной стойкости также называются «основой современных двигателей». Сплавы высокой температуры, используемые в авиационных двигателях, составляют более половины всего спроса на такие сплавы. По мере ввода в серийное производство в стране ряда новых моделей авиационных двигателей, спрос на высокотемпературные сплавы может быстро возрасти. Различные истребители третьего поколения с половиной, такие как Цзянь-10Б, Цзянь-15 и Цзянь-16, постепенно вступают на вооружение, в связи с чем спрос на двигатели WS-10 продолжает расти. В ближайшие годы, с вводом в эксплуатацию отечественного крупногабаритного транспортного самолета Il-76М, двигатели с большим коэффициентом струйности перейдут на массовое производство ； Авиационные двигатели с низким соотношением диаметра впускного и выпускного каналов и небольшой тягой также постепенно начнут производиться в серийном объеме. Рост спроса на отечественные авиационные двигатели приведет к быстрому росту спроса на высокотемпературные сплавы для авиационной промышленности. Сплавы высокой температуры находят все более широкое применение в гражданской промышленности. Легкие сплавы находят широкое применение в таких отраслях, как газотурбинные установки, турбонаддуватели для автомобилей, атомная энергетика, нефтегазовая промышленность и др. Продвижение индустриализации и развитие отечественной промышленности по производству высокотехнологичного оборудования будут продолжать способствовать росту спроса на высокотемпературные сплавы в гражданской промышленности. В настоящее время гражданский сектор обеспечивает 20% от общего спроса на такие сплавы, и ожидается, что этот показатель будет продолжать расти в будущем. Согласно нашим расчетам, к 2020 году спрос на высокотемпературные сплавы в нашей стране составит примерно 40 тысяч тонн, что соответствует рыночной стоимости в 9,05 миллиарда юаней. Рост спроса на такие сплавы в области авиационных двигателей, турбонаддувов для автомобилей и в атомной промышленности будет способствовать значительному увеличению общего спроса на эти материалы. В настоящее время мощность производства высокотемпературных сплавов в нашей стране составляет примерно 12,6 тысяч тонн, а фактический объем производства — около 8–9 тысяч тонн. Ожидается, что средний темп роста спроса на высокотемпературные сплавы в ближайшие 7 лет превысит 20%. I. Обзор высокотемпературных сплавов (1) Введение в высокотемпературные сплавы и их классификация. Высокотемпературные сплавы – это разновидность металлов, способных долгое время функционировать при температурах выше 600°C и под действием определенных нагрузок. Отличие высокотемпературных сплавов от традиционных металлов и сплавов заключается в том, что в условиях высоких температур они обладают высокой прочностью, хорошими свойствами против окисления и термической коррозии, устойчивостью к усталости и прочностью при разрыве. Кроме того, они сохраняют стабильную структуру и надежность в работе при различных температурах. На Западе их также называют суперсплавами (Superalloys). Материалы из высокотемпературных сплавов являются предпочтительным материалом для авиационных двигателей и занимают незаменимое место в развитии современной авиастроительной промышленности. Их масштабное использование напрямую определяет уровень развития авиационного оборудования. Кроме того, сплавы высокой температуры широко применяются в тепловых элементах космических двигателей. С развитием индустриализации спрос промышленности на высокотехнологичное оборудование для гражданских целей на сплавы, устойчивые к высоким температурам, постоянно растет. Благодаря своим свойствам — устойчивости к высоким температурам, износу и коррозии — такие сплавы находят широкое применение в дизельных и бензиновых двигателях с турбонаддувом, газотурбинных установках, в отраслях энергетики и нефтехимии, а также в производстве стекла и строительных материалов. Доля использования таких сплавов в гражданской промышленности уже достигла примерно 20%. Высокотемпературные сплавы можно классифицировать по способу их формовки, видам элементов основы, типам укрепления сплава и т. д.: 1) По способу формовки высокотемпературные сплавы делятся на сплавы, получаемые путем деформации, литые высокотемпературные сплавы (включая обычные сплавы, полученные методом точного литья, сплавы с ориентированным затвердеванием, монокристаллические сплавы и т. д.), а также сплавы, получаемые методом порошковой металлургии (включая обычные сплавы, полученные методом порошковой металлургии, и сплавы с укреплением за счет дисперсии оксидов ODS) ； 2) В зависимости от вида элементов основы высокотемпературные сплавы делятся на железосодержащие, никельсодержащие, кобальтосодержащие и т. д ； 3) В зависимости от типа укрепления сплава, высокотемпературные сплавы делятся на сплавы с укреплением за счёт растворения примесей и сплавы с укреплением за счёт осадка фаз. (II) Технические сложности материалов из высокотемпературных сплавов и инновации. В условиях высоких температур скорость различных процессов деградации материалов увеличивается; в процессе эксплуатации может возникать нестабильность структуры материала, деформация под действием температуры и напряжений, а также рост трещин. Кроме того, на поверхности материала может происходить окислительная коррозия. Характеристики высокотемпературных сплавов, такие как устойчивость к высоким температурам и коррозии, в основном определяются их химическим составом и структурой. Состав сплавов высокотемпературной стойкости чрезвычайно сложен; они содержат такие активные элементы, как хром и алюминий. В условиях окисления или термической коррозии эти сплавы проявляют химическую стабильность. Однако на поверхности деталей, полученных путем механической обработки, возникают такие дефекты, как упрочнение в результате обработки и остаточные напряжения. Это негативно сказывается как на химических, так и на механических свойствах материала. Из-за высокого уровня сплавления в материалах из высокотемпературных сплавов легко возникает дисперсия компонентов. Такая дисперсия оказывает значительное влияние как на структуру, так и на свойства как литых, так и деформированных высокотемпературных сплавов. Эти характеристики высокотемпературных сплавов определяют особенности их обработки по сравнению с обычными металлическими материалами. Развитие высокотемпературных сплавов представляет собой процесс постоянного совершенствования теории сплавов и технологий их производства, позволяющий за счёт усиления сплава и улучшения технологических процедур постоянно повышать его материальные свойства. Усиление сплава включает усиление за счёт растворения примесей, усиление на границах кристаллов с использованием вторичных фаз и т. д ； Усиление технологического процесса включает улучшение этапов плавки, затвердевания и кристаллизации, термообработки, а также обработки поверхности с целью улучшения структуры сплава. Процесс производства высокотемпературных сплавов в основном включает три этапа: плавка, литье и термообработка. Производственные процессы оказывают значительное влияние на механические свойства сплавов, используемых в высокотемпературных условиях. Внедрение новых технологий часто позволяет существенно улучшить характеристики таких сплавов, что приводит к созданию новых видов высокотемпературных сплавов. Это, в свою очередь, способствует развитию нового поколения авиационных двигателей и самолетов. Старые модели сплавов также можно улучшить с помощью технологических методов для повышения их характеристик. Например, использование однокристаллических лопастей турбин значительно способствовало развитию авиационных двигателей. Для турбинных лопастей авиационного двигателя F119, используемого в самолетах F-22, был применен третьего поколения однокристаллический высокотемпературный сплав PWA1484. Максимальная температура работы этого материала составляет около 1070°C. Благодаря использованию методов расчетной гидродинамики при проектировании лопастей, их рабочая температура может достигать 1621–1677°C (у двигателя F100 — 1400°C). Это подчеркивает важную роль инноваций в процессе разработки новых материалов. Технологии и процессы изготовления сплавов высокой температуры по-прежнему находятся в состоянии постоянного совершенствования и инноваций. Например, в процессе плавки используется тройной метод: вакуумная индукционная плавка + электролитическая переплавка + вакуумная самовоспламеняющаяся плавка; при вакуумной самовоспламеняющейся плавке применяются современные методы контроля процесса плавки и т. д ； Повышение высокой прочности материалов с помощью технологий направленного охлаждения столбчатых сплавов и однокристаллических сплавов ； Использование метода порошковой металлургии для снижения дисперсии сплавляющихся элементов и повышения прочности материала. Кроме того, высокотемпературные сплавы с усилением за счёт дисперсии оксидов, а также высокотемпературные материалы на основе металловеществ также находятся в процессе постоянного развития и инноваций. II. Применение высокотемпературных сплавов. Исследования показывают, что высокотемпературные сплавы, используемые в авиационных двигателях, составляют более половины от общего спроса на такие сплавы. Кроме того, они широко применяются в таких отраслях, как электроэнергетика, автомобилестроение и машиностроение. 1) Авиационные двигатели. Авиационные двигатели называются «цветком промышленности»; это одни из компонентов в авиационной промышленности, требующих наибольшего уровня технологичности и представляющих наибольшие технические сложности. Для авиационных двигателей, являющихся силовыми устройствами самолетов, крайне важно, чтобы материалы металлической конструкции обладали такими свойствами, как низкая масса, высокая прочность, высокая усталостная прочность, стойкость к высоким температурам, антиоксидантные и антикоррозийные свойства. Это практически самые высокие требования к свойствам конструкционных материалов. Технологический прогресс в области авиационных двигателей тесно связан с развитием высокотемпературных сплавов, которые являются наиболее важными конструкционными материалами для совершенствования авиационных двигателей. Военные авиационные двигатели обычно оцениваются по их коэффициенту тяги к весу (тяга/вес), что позволяет судить о их качестве. Самой прямой и эффективной технической мерой для повышения соотношения тяги к весу является повышение температуры газов перед турбиной. Поэтому характеристики и выбор сплавов высокотемпературной стойкости являются ключевыми факторами, определяющими производительность авиационных двигателей. По мере постоянного совершенствования авиационного оборудования растут требования к тяговым характеристикам авиационных двигателей. В связи с этим двигатели все в большей степени зависят от высокопроизводительных сплавов, устойчивых к высоким температурам. В современных передовых авиационных двигателях сплавы, устойчивые к высоким температурам, составляют от 40% до 60% от общего веса двигателя. В авиационных двигателях сплавы высокой температуры в основном используются в четырех основных компонентах, подвергаемых высоким температурам: камере сгорания, направляющих лопастях, турбинных лопастях и турбинном диске ； Кроме того, он также используется в таких компонентах, как корпуса, кольцевые детали, камеры сгорания и выхлопные отверстия. Военные авиационные двигатели обычно оцениваются по степени соотношения тяги к весу для определения их качества. Самой прямой и эффективной технической мерой для повышения соотношения тяги к весу является повышение температуры газов перед турбиной. Камера сгорания выполняет функцию преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию; она является источником энергии для двигательных устройств. Температура газов, образующихся в камере сгорания, составляет от 1500 до 2000°C. Остальный сжатый воздух циркулирует вокруг камеры сгорания, проходя через щели в стенках камеры, что способствует её охлаждению. Сплавные материалы горячей камеры выдерживают температуру до 800–900°C, а в некоторых местах — до 1100°C. Основными материалами, используемыми для изготовления камеры сгорания, являются высокотемпературные сплавы, нержавеющая сталь и конструкционная сталь ； Среди них наибольшее и наиболее важное значение имеют сплавы с высокой температурной стойкостью. Из-за ограничений, связанных с температурой плавления сплавов, традиционные листы из высокотемпературных сплавов уже достигли своей предельной температуры использования, что затрудняет дальнейшее развитие таких материалов. Для дальнейшего развития камер сгорания из высокотемпературных сплавов необходимо исследовать совершенно новые матрицы и технологии их производства. Среди новых материалов, находящихся в стадии исследований во всем мире, можно выделить углеродно-углеродные композиты, керамические материалы для работы при высоких температурах, сплавы с дисперсно укрепленными оксидами, межметаллические соединения, а также титановые сплавы с высокой прочностью при высоких температурах. Направляющие лопасти – это элементы, которые используются для регулирования направления потока газов, выходящих из камеры сгорания. Это одни из деталей авиационных двигателей, которые наиболее подвержены воздействию тепловых нагрузок. В общем случае температура направляющих лопастей на 100°C выше, чем температура турбинных лопастей при одинаковых условиях, однако напряжения, действующие на лопасти направляющего типа, ниже. После достижения прорывов в технологии лития по формам из расплава, сплавы высокой температуры стали основным материалом для производства направляющих лопастей. В последние годы, благодаря развитию технологии направленного охлаждения, ведутся испытания метода изготовления направляющих лопастей из сплавов, полученных с использованием этой технологии ； Кроме того, для изготовления кольца зубчатых элементов сзади турбонаводителя двигателя FWS10 используется высокотемпературный сплав с дисперсно-усиленной оксидной структурой. Турбинный диск — самый тяжелый из четырех основных компонентов, находящихся в горячей зоне. При работе турбинного диска температура на его краях достигает 550–750°C, в то время как температура в центре диска составляет около 300°C. Разница температур во всем узле очень велика ； При вращении подвергается сильным центробежным силам ； Высокие напряжения в процессе запуска и остановки при низкой частоте циклов износа. Основным материалом для изготовления турбинных дисков являются специальные высокотемпературные сплавы; среди них сплав G4169 является наиболее распространенным и широко используемым вариантом. В последние годы, по мере повышения характеристик авиационных двигателей, возрастают и требования к турбинным дискам. Благодаря таким свойствам, как однородная структура, мелкие кристаллы, высокая прочность и хорошие пластические свойства, порошковые турбинные диски являются идеальными сплавами для использования в авиационных двигателях. Однако в Китае при производстве порошковых турбинных дисков обнаруживается много примесей; в настоящее время ведутся работы по улучшению качества этих дисков. Лопасти турбины являются самыми важными компонентами авиационных двигателей. Условия работы лопастей турбины крайне сложные: они должны выдерживать высокие температуры, а также значительные центробежные, вибрационные и тепловые нагрузки. Основным материалом для изготовления лопастей турбин является литой высокотемпературный сплав. За последние тридцать с лишним лет, благодаря развитию технологий литья, получили широкое применение сплавы для лопастей, изготавливаемые методами обычного точного литья, направленного литья и однокристаллического литья. Монокристаллические сплавы быстро развиваются в мире; на сегодняшний день существует пять поколений таких сплавов. Они стали основным материалом для рабочих лопастей турбин высокотемпературных авиационных двигателей с высокими характеристиками ； Наша страна начала разработку монокристаллических сплавов в 1980-х годах. Согласно монографии «50 лет высокотемпературных сплавов в Китае» (автор — Ши Чансюй), второе поколение монокристаллических сплавов уже используется в современных двигателях. (II) Космические двигатели. Специфические условия работы космических двигателей требуют от используемых материалов способности выдерживать высокие температуры, высокое давление, сильные перепады температур, высокие динамические нагрузки, а также особые физические условия. Поэтому к комплексным свойствам и возможностям обработки материалов предъявляются очень высокие требования. Материалы из высокотемпературных сплавов занимают значительную долю в конструкции космических двигателей; их доля в структуре двигателя составляет почти половину от общего веса. Развитие технологий высокотемпературных сплавов напрямую влияет на уровень разработки космических двигателей. В принципе, для космических двигателей можно использовать те же высокотемпературные сплавы, что и для авиационных двигателей. Однако материалы, используемые в космических двигателях, должны выдерживать не только высокие температуры, но и условия низких температур (ниже -100°C). Из-за ограничений технологии точного литья высокотемпературных сплавов в прошлом чрезвычайно сложные по форме конструктивные элементы так и не находили реального применения в ракетных двигателях. Благодаря развитию технологий в космических двигателях в качестве ключевых тепловыдерживающих компонентов начали использоваться литые изделия из высокотемпературных сплавов, отлитые целиком без остатков металла. Это позволяет упростить конструкцию двигателя, снизить его вес, уменьшить количество мест, требующих сварки, сократить сроки разработки и производства, снизить затраты на их создание и повысить надежность двигателя. С развитием технологий космических двигателей сплавы, используемые в их конструкции, становятся всё более сложными по своей структуре, имеют более тонкие стенки, являются композитными, многофункциональными и изготавливаются без лишних слоев. К типичным компонентам относятся ротор турбины, направляющие, корпус насоса и т. д. В двигателях ракет серии «Чанчжэн» и космических кораблей серии «Шэньчжоу» в нашей стране в качестве основного материала используются высокотемпературные сплавы. В настоящее время уже существуют ракетные двигатели, использующие жидкий кислород и керосин, а также двигатели, работающие на жидком кислороде и жидком водороде; кроме того, существуют небольшие реактивные и турбовентиляторные двигатели. Их производство уже началось в промышленных масштабах. В стране также постоянно растет спрос на высокотемпературные сплавы и детали, изготовленные методом точного литья, что свидетельствует о начале нового периода развития в этой отрасли. (III) Применение высокотемпературных сплавов в гражданской промышленности. По мере развития индустриализации, когда промышленность движется в направлении более высоких стандартов и крупномасштабного производства, спрос на высокотемпературные сплавы в гражданской промышленности также растет. Легированные сплавы высокой температуры также являются предпочтительным материалом для лопастей турбонаддувов на кораблях, поездах и автомобилях, а также для лопастей различных промышленных двигателей внутреннего сгорания ； Ускорение железнодорожных перевозок, высокие требования к качеству в судостроении (особенно при производстве судов для экспорта), необходимость высокой эффективности двигателей для военных кораблей, а также быстрое развитие применения промышленных двигателей на топливных элементах — все это создает острую потребность в высокопроизводительных сплавах для высоких температур. В настоящее время внутренняя гражданская промышленность использует 20% от общего спроса на высокотемпературные сплавы, тогда как в США 50% таких сплавов применяется в гражданской промышленности. Газотурбинные двигатели — ещё одно важное применение высокотемпературных сплавов. Газотурбинный агрегат — это вращающийся тепловой двигатель, использующий в качестве рабочих средств воздух и газ. Его конструкция схожа с конструкцией реактивных двигателей самолетов, а также напоминает конструкцию паровых турбин. Основные принципы работы газотурбин схожи с принципами работы паровых турбин, но отличие заключается в том, что рабочим веществом является не пар, а дым от сгорания топлива. Газотурбинный двигатель относится к двигателям внутреннего сгорания, поэтому его также называют внутреннегазовым газотурбинным двигателем. Конструкция состоит из четырех основных частей: компрессор воздуха, камера сгорания, система лопастей и устройство для восстановления тепла. Спрос на газовые турбины растет быстро; они используются не только для производства электроэнергии, но и в качестве силовых установок для судов, а также на станциях по компрессации природного газа. По сравнению с лопастями из высокотемпературных сплавов, используемыми в авиационной промышленности, лопасти высокотемпературных сплавов для газотурбин имеют более длительный срок службы (100 тысяч часов), устойчивы к термической коррозии, имеют большие размеры, при этом предъявляются очень строгие требования к их качеству. Турбонаддув для автомобильных выхлопных газов — ещё одна важная сфера применения сплавов высокой температуры. В настоящее время производители турбонаддувов в нашей стране используют в качестве лопастей турбины преимущественно лопасти из никелевых высокотемпературных сплавов. Эти лопасти вместе с валом турбины и лопастями компрессора образуют ротор. Кроме того, для седел клапанов, вставок, впускных клапанов, уплотнительных пружин, свечей зажигания, болтов и т. д. в двигателях внутреннего сгорания могут использоваться высокотемпературные сплавы на основе железа или никеля. Система турбонаддува оказывает значительное влияние как на эффективность потребления топлива, так и на производительность. Турбонаддув использует энергию отходящих газов двигателя для приведения в действие турбины, расположенной в турбинном отсеке. Турбина, в свою очередь, приводит в движение лопасти, находящиеся на одной оси. Лопасти заставляют воздух, поступающий из трубки воздушного фильтра, под давлением попадать в цилиндры. По мере увеличения скорости вращения двигателя, скорость выхода отработанных газов и скорость вращения турбины также увеличиваются. В результате лопасти турбины сжимают больше воздуха в цилиндры. Повышение давления и плотности воздуха позволяет сжигать больше топлива; соответственно, увеличение количества топлива способствует повышению мощности двигателя. В целом, после установки турбонаддува мощность и крутящий момент двигателя увеличиваются на 20%–60%. В 2008 году в китайской автомобильной промышленности потребность в турбинных роторах из высокотемпературных сплавов составила более 1 900 тонн. Применение высокотемпературных сплавов в атомной энергетике и других областях. Высокотемпературные сплавы, используемые в атомной промышленности, включают материалы для оболочек топливных элементов, конструкционные материалы, а также элементы для фиксации топливных стержней; кроме того, они применяются в теплообменниках высокотемпературных газовых печей. Ни один другой материал не может заменить их. Например, стенки трубок оболочек топливных элементов во время работы вынуждены выдерживать высокие температуры в диапазоне 600–800 °C, поэтому требуется высокая прочность при криптогенном деформировании; в связи с этим широко используются сплавы для высокотемпературных условий. Материалы из высокотемпературных сплавов также находят широкое применение в таких областях, как производство стекла, металлургия и медицинские устройства. В стекольной промышленности используется более десяти видов сплавов высокой температуры, таких как: центрифугные головки и печи для производства стекловаты, основной вал, концевые элементы и вентиляционные каналы в машинах для формования плоского стекла, каналы подачи материала, заслонки, муфты, чаши для хранения материала и электроды в стекольных печах. Упоры для печей в прокатных цехах металлургической промышленности, направляющие для непрерывной прокатки проволоки, защитные оболочки для термопар в высокотемпературных печах и т. д. Искусственные суставы и т. д. в области медицинских устройств. Мы производим в основном высокотемпературные сплавы, никелевые сплавы, медно-никелевые сплавы, чистый никель и другие специальные материалы. Добро пожаловать для технического обмена мнениями!