Hochtemperaturlegierungen, auch hitzebeständige Legierungen oder Superlegierungen genannt, sind eine Klasse von Metallmaterialien, die für den Langzeitbetrieb in Hochtemperaturumgebungen und unter bestimmten Belastungen geeignet sind. Sie weisen eine hervorragende Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation und Heißkorrosion sowie eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Kriechbruchzähigkeit auf. Diese Legierungen werden hauptsächlich in Luft- und Raumfahrt-, Energie- und Schiffsturbinentriebwerken verwendet.
Klassifizierung von Hochtemperaturlegierungen
1. Je nach Matrixmaterial können sie in drei Kategorien unterteilt werden: auf Eisen--Basis, auf Nickel--Basis und auf Kobalt---Basis.
(1) Hochtemperaturlegierungen auf Eisen--Basis werden auch als hitzebeständige Legierungsstähle bezeichnet. Hitzebeständige legierte Stähle können entsprechend ihren Normalisierungsanforderungen in Martensit-, Austenit-, Perlit-, Ferrit-hitzebeständige Stähle usw. unterteilt werden. Hochtemperaturlegierungen auf Eisenbasis-haben eine relativ niedrige Betriebstemperatur (600–850 Grad), aber ihre mechanischen Eigenschaften bei mittlerer Temperatur sind gut und gleichwertig oder besser als vergleichbare Legierungen auf Nickelbasis-. Darüber hinaus sind sie kostengünstig und lassen sich bei der Warmumformung leicht verformen. Sie werden im Allgemeinen in Teilen des Motors mit niedrigeren Betriebstemperaturen eingesetzt, wie beispielsweise Turbinenscheiben, Gehäusen und Wellen.
(2) Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis-haben die höchste Betriebstemperatur (ca. 1000 Grad) und werden häufig bei der Herstellung der heißesten Teile von Flugzeugtriebwerken und verschiedenen Industriegasturbinen wie Turbinenschaufeln, Leitschaufeln, Turbinen usw. verwendet.
(3) Hochtemperaturlegierungen auf Kobalt--Basis weisen eine gute Gieß- und Schweißbarkeit auf und können bei hohen Temperaturen von 700 bis 1050 Grad verwendet werden. Es besteht hauptsächlich aus Kobalt und sein typischer Vertreter ist K610, das mehr als 58 % Kobalt enthält. Aufgrund des hohen Preises und der Knappheit von Kobalt wird es im In- und Ausland nur selten verwendet. Zu den bestehenden Marken gehören K640, K644, GH188 usw.
2. Je nach Herstellungsverfahren kann es in verformte Hochtemperaturlegierungen, gegossene Hochtemperaturlegierungen und Pulverhochtemperaturlegierungen unterteilt werden.
(1) Verformte Hochtemperaturlegierungen
Unter verformten Hochtemperaturlegierungen versteht man Hochtemperaturlegierungen, die durch Kalt- und Warmverarbeitung von Barren zu verschiedenen Profilen oder Rohlingen und schließlich zu heißen Endteilen hergestellt werden. Der Schlüssel liegt darin, dass sich der Legierungsbarren bilden kann. Im Vergleich zu gegossenen Hochtemperaturlegierungen weisen verformte Hochtemperaturlegierungen einen geringen Legierungsgrad auf. Daher ist der Schmelzpunkt höher, die Obergrenze der Warmumformtemperatur höher, die Rekristallisationstemperatur der Legierung niedriger und die Untergrenze der Warmumformtemperatur niedriger. Daher ist der Warmarbeitsbereich von verformten Hochtemperaturlegierungen breiter als der von gegossenen Hochtemperaturlegierungen. Gemäß den verschiedenen Matrixelementen können verformte Hochtemperaturlegierungen in verformte Hochtemperaturlegierungen auf Eisenbasis, in verformte Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis und in verformte Hochtemperaturlegierungen auf Kobaltbasis unterteilt werden.
(2) Gießen von Hochtemperaturlegierungen
Das Gießen von Hochtemperaturlegierungen ist ein Prozess, bei dem nach dem Umschmelzen der Legierungsbarren direkt Teile gegossen oder gerichtet erstarrt werden. Ihre Entwicklung begann in den 1940er Jahren. Beim Gießen von Hochtemperaturlegierungen wird die Verformungsleistung beim Schmieden nicht mehr berücksichtigt. Mithilfe von Präzisionsgussverfahren oder Verfahren der gerichteten Erstarrung können hohle, dünnwandige Schaufeln mit komplexen Formen und freien inneren Hohlräumen gegossen werden. Daher ist die Gesamtmenge an Elementen in gegossenen Superlegierungen deutlich höher als in verformten Superlegierungen. Zu den Festlösungsverfestigungselementen gehören Re und Ru, während der Gehalt des feuerfesten Metalls W erhöht ist (in einigen Legierungen mehr als 10 %). Zu den ausscheidungsverstärkenden Legierungselementen gehören neben Al und Ti auch Nb, Ta, Hf und V.
Gegossene Superlegierungen können nach der Erstarrungsmethode in drei Kategorien eingeteilt werden: gleichachsige gegossene Superlegierungen, gerichtet erstarrte säulenförmige Superlegierungen und einkristalline Superlegierungen. Einkristalline Superlegierungen, eine neue Art von Superlegierungen, entstehen durch die Beseitigung aller Korngrenzen durch gerichtete Erstarrung. Metalle bestehen aus einzelnen Kristallen, daher der Name Einkristall-Superlegierung. Korngrenzen sind Bereiche innerhalb des Metalls, in denen sich verschiedene Verzerrungen, Defekte und Verunreinigungen ansammeln. Während sie bei Raumtemperatur fester sind als im Kristall, neigen sie bei hohen Temperaturen zum Verrutschen. Wenn die Festigkeit der Korngrenzen bei hohen Temperaturen abnimmt, nimmt die Festigkeit des Metalls ab. Daher führt die Beseitigung von Korngrenzen durch gerichtete Erstarrung zu einkristallinen Superlegierungen mit hervorragender Leistung. Derzeit verwenden fast alle modernen Motoren Turbinenschaufeln oder Leitschaufeln aus einer -Kristalllegierung.
(3) Pulverförmige Hochtemperaturlegierungen
Wenn die Arbeitstemperatur hitzebeständiger Legierungen immer höher wird, nimmt die Anzahl der Verstärkungselemente in den Legierungen zu und die Zusammensetzung wird komplexer, was dazu führt, dass einige Legierungen nur im Gusszustand verwendet werden können und nicht durch Warmumformung verformt werden können. Darüber hinaus führt die Zunahme der Legierungselemente zu einer starken Entmischung der Komponenten in Legierungen auf Nickelbasis nach der Erstarrung, was zu einer ungleichmäßigen Struktur und Leistung führt. Der Einsatz der Pulvermetallurgietechnologie zur Herstellung von Hochtemperaturlegierungen kann die oben genannten Probleme lösen. Da die Pulverpartikel klein sind und die Abkühlgeschwindigkeit bei der Pulverherstellung hoch ist, wird eine Entmischung verhindert und die Warmumformeigenschaften verbessert. Die Legierung, die nur gegossen werden kann, wird in eine Hochtemperaturlegierung umgewandelt, die warm-umgeformt werden kann, und die Streckgrenze und Ermüdungseigenschaften werden verbessert. Pulverförmige Hochtemperaturlegierungen haben eine neue Möglichkeit zur Herstellung von Legierungen mit höherer{11}}Festigkeit geschaffen. Pulverförmige Hochtemperaturlegierungen werden hauptsächlich zur Herstellung von Turbinenscheiben für hoch-Schub-bis-fortgeschrittene Flugzeugtriebwerke verwendet und werden auch zur Herstellung hoch-heißer-Komponenten wie Verdichterscheiben, Turbinenwellen und Turbinenleitbleche für moderne Flugzeugtriebwerke verwendet.
Anwendungsgebiete von Hochtemperaturlegierungen
1. Luft- und Raumfahrt
(1) Brennkammer
Der Brennraum ist der Bereich mit der höchsten Betriebstemperatur aller Motorkomponenten. Wenn die Gastemperatur in der Brennkammer 1500-2000 Grad erreicht, kann die Temperatur der Kammerwandlegierung 800-900 Grad und lokal bis zu 1100 Grad erreichen. In den letzten Jahren sind die meisten in der Brennkammer verwendeten Hochtemperaturlegierungen mischkristallverstärkte Legierungen. Die Legierungen enthalten eine große Menge fester Lösungsverfestigungselemente wie W, Mo und Nb. Sie verfügen über eine hohe Temperaturfestigkeit und gute Umform- und Schweißeigenschaften. Zu den repräsentativen Qualitäten gehören GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 und GH3170.
(2) Leitschaufeln
Die Leitschaufeln sind Bauteile, die die Strömungsrichtung des aus der Brennkammer austretenden Gases einstellen. Sie werden auch Leitschaufeln genannt. Sie gehören zu den Teilen des Turbinentriebwerks, die dem größten Temperaturschock ausgesetzt sind. Insbesondere bei ungleichmäßiger Verbrennung in der Brennkammer oder bei schlechtem Betrieb sind die Leitschaufeln einer größeren Wärmebelastung ausgesetzt. Die Betriebstemperatur der Leitschaufeln moderner Turbinentriebwerke kann 1100 Grad erreichen. Die Betriebstemperatur von inländischen Leitschaufellegierungen kann 1000 bis 1050 Grad erreichen. Zu den repräsentativen Hochtemperatur-Präzisionsgusslegierungen gehören K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B usw.
(3) Turbinenschaufeln
Turbinenschaufeln sind die Komponenten, die in Flugzeugtriebwerken den härtesten Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Die Temperatur der Arbeitsumgebung ist hoch. Typische Qualitäten von Hochtemperatur-Legierungsmaterialien sind GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 usw., die in einer Umgebung von 750 {13}}950 Grad verwendet werden können. Bei der Entwicklung neuer Motoren und der Modifizierung alter Modelle werden gegossene Hochtemperaturlegierungen zur Herstellung von Turbinenschaufeln verwendet. Typische Güten von Gusslegierungen sind K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 usw.
