โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงคืออะไร

โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงแบ่งออกเป็นวัสดุสามประเภท: วัสดุที่มีอุณหภูมิสูง 760 องศา, วัสดุที่มีอุณหภูมิสูง 1200 องศา และวัสดุที่มีอุณหภูมิสูง 1500 องศา โดยมีความต้านทานแรงดึง 800MPa กล่าวอีกนัยหนึ่ง หมายถึงวัสดุโลหะที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งทำงานเป็นเวลานานที่อุณหภูมิสูงกว่า 760--1500 องศาและภายใต้เงื่อนไขบางประการ มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงเป็นเลิศ ทนทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนที่ร้อนได้ดี มีประสิทธิภาพการล้าที่ดี ความเหนียวแตกหัก และคุณสมบัติอื่น ๆ ที่ครอบคลุม มันได้กลายเป็นวัสดุหลักที่ไม่สามารถทดแทนได้สำหรับส่วนประกอบปลายร้อนของเครื่องยนต์กังหันก๊าซของกองทัพและพลเรือน

โลหะผสมหลักที่มีอุณหภูมิสูงจะใช้ในการผลิตส่วนประกอบที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ใบพัดกังหัน ใบพัด จานกังหัน จานกังหันก๊าซแรงดันสูง และห้องเผาไหม้สำหรับกังหันก๊าซการบิน กองทัพเรือ และอุตสาหกรรม นอกจากนี้ยังใช้ในการผลิตยานยนต์อวกาศ เครื่องยนต์จรวด เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ อุปกรณ์ปิโตรเคมี และถ่านหิน การแปลงและอุปกรณ์แปลงพลังงานอื่น ๆ

นับตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษที่ 1930 สหราชอาณาจักร เยอรมนี สหรัฐอเมริกา และประเทศอื่นๆ ได้เริ่มศึกษาโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เพื่อตอบสนองความต้องการของเครื่องยนต์การบินและอวกาศใหม่ๆ การวิจัยและการใช้โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงได้เข้าสู่ยุคของการพัฒนาอย่างแข็งแกร่ง ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1940 สหราชอาณาจักรได้เพิ่มอะลูมิเนียมและไททาเนียมจำนวนเล็กน้อยลงในโลหะผสม 80Ni-20Cr เป็นครั้งแรกเพื่อสร้างระยะในการเสริมกำลัง และพัฒนาโลหะผสมนิกเกิลชนิดแรกที่มีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง ในช่วงเวลาเดียวกัน เพื่อตอบสนองความต้องการในการพัฒนาเทอร์โบชาร์จเจอร์สำหรับเครื่องยนต์อากาศยานแบบลูกสูบ สหรัฐอเมริกาจึงเริ่มใช้โลหะผสมที่มีส่วนประกอบหลักโคบอลต์ของ Vitallium ในการผลิตใบพัด

นอกจากนี้ สหรัฐอเมริกายังได้พัฒนาโลหะผสมนิกเกิลอินโคเนลเพื่อใช้เป็นห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ไอพ่นอีกด้วย ต่อมา เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงของโลหะผสมต่อไป นักโลหะวิทยาได้เพิ่มทังสเตน โมลิบดีนัม โคบอลต์ และองค์ประกอบอื่น ๆ ให้กับโลหะผสมที่มีนิกเกิล เพิ่มปริมาณอลูมิเนียมและไทเทเนียม และพัฒนาชุดของแบรนด์โลหะผสม เช่น อังกฤษ "Nimonic", อเมริกัน "Mar-M" และ "IN" ฯลฯ; ในโลหะผสมที่มีโคบอลต์ องค์ประกอบต่างๆ เช่น นิกเกิลและทังสเตน จะถูกเติมเพื่อพัฒนาโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงหลายประเภท เช่น X-45, HA-188, FSX-414 เป็นต้น เนื่องจาก เนื่องจากขาดแคลนทรัพยากรโคบอลต์ การพัฒนาซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีโคบอลต์จึงถูกจำกัด

ในช่วงทศวรรษที่ 1940 ซูเปอร์อัลลอยที่มีธาตุเหล็กก็ได้รับการพัฒนาเช่นกัน ในช่วงทศวรรษ 1950 แบรนด์ต่างๆ เช่น A-286 และ Incoloy901 ก็ได้ปรากฏขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเสถียรที่อุณหภูมิสูงต่ำ การพัฒนาจึงล่าช้านับตั้งแต่ทศวรรษ 1960 สหภาพโซเวียตเริ่มผลิตซูเปอร์อัลลอยที่ใช้นิกเกิลยี่ห้อ "ЭИ" ประมาณปี 1950 และต่อมาได้ผลิตซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีรูปทรง "ЭП" และซูเปอร์อัลลอยด์แบบหล่อในซีรีส์ ЖС จีนเริ่มทดลองการผลิตโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงในปี 1956 และค่อยๆ ก่อตั้งซีรีส์ "GH" ของซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีการเปลี่ยนรูป และซีรีส์ "K" ของซูเปอร์อัลลอยแบบหล่อ ในทศวรรษ 1970 สหรัฐอเมริกายังใช้กระบวนการผลิตใหม่เพื่อผลิตใบพัดตกผลึกทิศทางและจานกังหันโลหะผสมผง และพัฒนาส่วนประกอบโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ใบพัดผลึกเดี่ยว เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิขาเข้าของกังหันของเครื่องยนต์เครื่องบิน

จนถึงตอนนี้ ทุกประเทศกำลังค้นคว้าโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงใหม่ๆ สร้างความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง สร้างสรรค์นวัตกรรม และขยายขอบเขตการใช้งาน ในการพัฒนาอุตสาหกรรมสมัยใหม่ พวกเขาได้กลายเป็นวัสดุโลหะผสมที่ขาดไม่ได้อย่างเห็นได้ชัด

(1) โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงจากเหล็ก

โลหะผสมอุณหภูมิสูงที่มีธาตุเหล็กสามารถเรียกได้ว่าเป็นโลหะผสมที่ทนความร้อนได้ เมทริกซ์ของมันคือองค์ประกอบ Fe โดยมี Ni, Cr และองค์ประกอบโลหะผสมอื่นๆ เพิ่มเล็กน้อย เหล็กโลหะผสมทนความร้อนสามารถแบ่งออกเป็นมาร์เทนไซต์ ออสเทนไนต์ เพิร์ลไลต์ เหล็กทนความร้อนเฟอร์ไรต์ ฯลฯ ตามความต้องการในการทำให้เป็นมาตรฐาน

(2) โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงจากนิกเกิล

โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงจากนิกเกิลมีนิกเกิลมากกว่าครึ่งหนึ่ง และเหมาะสำหรับสภาพการทำงานที่สูงกว่า 1,000 องศา การใช้สารละลายของแข็งและกระบวนการชราภาพ ความต้านทานการคืบคลานและความแข็งแรงของผลผลิตอัดสามารถปรับปรุงได้อย่างมาก ในปัจจุบัน จากการวิเคราะห์ซูเปอร์อัลลอยที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ขอบเขตของการใช้ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบนั้นเกินกว่าการใช้ซูเปอร์อัลลอยที่มีธาตุเหล็กและโคบอลต์เป็นอย่างมาก ในเวลาเดียวกัน โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งมีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักก็เป็นโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงด้วยการผลิตที่ใหญ่ที่สุดและการใช้งานที่ใหญ่ที่สุดในประเทศของฉัน ใบพัดกังหันและห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์กังหันจำนวนมาก และแม้แต่เทอร์โบชาร์จเจอร์ยังใช้โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นวัสดุในการเตรียม เป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษที่ความสามารถด้านอุณหภูมิสูงของวัสดุอุณหภูมิสูงที่ใช้ในเครื่องยนต์การบินและอวกาศได้เพิ่มขึ้นจาก 750 องศาในช่วงปลายทศวรรษ 1940 เป็น 1,200 องศาในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ควรจะกล่าวว่าการปรับปรุงครั้งใหญ่นี้ได้กระตุ้นให้มีการปรับปรุงกระบวนการหล่อ การเคลือบผิว ฯลฯ การพัฒนาอย่างรวดเร็ว

(3) โลหะผสมอุณหภูมิสูงที่มีโคบอลต์

โลหะผสมอุณหภูมิสูงที่มีโคบอลต์ใช้โคบอลต์เป็นเมทริกซ์ และปริมาณโคบอลต์คิดเป็นประมาณ 60% ในเวลาเดียวกัน จำเป็นต้องเพิ่มองค์ประกอบ เช่น Cr และ Ni เพื่อปรับปรุงการต้านทานความร้อนของโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง แม้ว่าโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงนี้จะต้านทานความร้อนได้ดีกว่าเนื่องจากหลายประเทศ ผลผลิตของทรัพยากรโคบอลต์ค่อนข้างน้อยและการแปรรูปทำได้ยากดังนั้นปริมาณจึงไม่มาก โดยปกติจะใช้ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง (600~1,000 องศา) และชิ้นส่วนที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งมีความเครียดที่ซับซ้อนมากเป็นเวลานาน เช่น ใบพัดทำงานของเครื่องยนต์อากาศยาน จานกังหัน ส่วนประกอบปลายร้อนของห้องเผาไหม้ และ เครื่องยนต์การบินและอวกาศ เพื่อให้ได้ความต้านทานความร้อนที่ดีขึ้น ภายใต้สภาวะปกติ ควรเพิ่มองค์ประกอบต่างๆ เช่น W, MO, Ti, Al และ Co ในระหว่างการเตรียมเพื่อให้แน่ใจว่ามีคุณสมบัติต้านทานความร้อนและต้านทานความล้าที่เหนือกว่า

ตามประเภทของการเสริมความแข็งแรงของโลหะผสม โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงสามารถแบ่งออกเป็นสารละลายแข็งที่เสริมความแข็งแกร่งของโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง และโลหะผสมที่เสริมการตกตะกอนตามอายุ

(1) ชนิดเสริมสารละลายแข็ง

ประเภทการเสริมความแข็งแกร่งของสารละลายของแข็งที่เรียกว่าคือการเติมธาตุผสมลงในโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงที่มีธาตุเหล็ก นิกเกิล หรือโคบอลต์ เพื่อสร้างโครงสร้างออสเทนไนต์เฟสเดียว อะตอมของตัวถูกละลายจะบิดเบือนตาข่ายเมทริกซ์ของสารละลายของแข็ง ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานการลื่นในสารละลายของแข็งและเสริมความแข็งแกร่งให้กับมัน อะตอมของตัวถูกละลายบางชนิดสามารถลดพลังงานความผิดพลาดในการซ้อนของระบบโลหะผสม เพิ่มแนวโน้มของการสลายตัวของการเคลื่อนที่ ทำให้การลื่นไถลทำได้ยาก และเสริมความแข็งแกร่งให้โลหะผสมเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการเสริมสร้างโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง

(2) การเสริมสร้างความเข้มแข็งของการตกตะกอนของวัย

สิ่งที่เรียกว่าการเสริมแกร่งการตกตะกอนตามอายุคือกระบวนการบำบัดความร้อนซึ่งชิ้นงานโลหะผสมผ่านการบำบัดด้วยสารละลายที่เป็นของแข็ง การเสียรูปพลาสติกเย็น และถูกวางไว้ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นหรืออุณหภูมิห้องเพื่อรักษาคุณสมบัติของมัน ตัวอย่างเช่น: โลหะผสม GH4169 มีความแข็งแรงของผลผลิตสูงสุด 1,000MPa ที่ 650 องศา และอุณหภูมิของโลหะผสมสำหรับทำใบมีดสามารถเข้าถึง 950 องศา

แบ่งตามวิธีการขึ้นรูปวัสดุ: โลหะผสมที่อุณหภูมิสูงหล่อ (รวมถึงโลหะผสมหล่อธรรมดา, โลหะผสมผลึกเดี่ยว, โลหะผสมทิศทาง ฯลฯ ), โลหะผสมอุณหภูมิสูงที่ผิดรูป และโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงของโลหะผง (รวมถึงโลหะผงธรรมดาและการกระจายตัวของออกไซด์- เสริมความแข็งแกร่งของโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง)

(1) การหล่อโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง

วัสดุโลหะผสมที่ใช้วิธีการหล่อเพื่อเตรียมชิ้นส่วนโดยตรงเรียกว่าโลหะผสมที่อุณหภูมิสูงแบบหล่อ ตามองค์ประกอบของเมทริกซ์โลหะผสม มันสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท: ซูเปอร์อัลลอยหล่อที่ใช้เหล็ก ซูเปอร์อัลลอยหล่อที่ใช้นิกเกิล และซูเปอร์อัลลอยหล่อที่ใช้เพชร ตามวิธีการตกผลึก มันสามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภท: ซูเปอร์อัลลอยหล่อโพลีคริสตัลไลน์, ซูเปอร์อัลลอยหล่อแข็งทิศทาง, ซูเปอร์อัลลอยหล่อยูเทคติกทิศทาง และซูเปอร์อัลลอยหล่อคริสตัลเดี่ยว

(2) โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงผิดรูป

ยังคงเป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุดในเครื่องยนต์การบินและอวกาศ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในประเทศและต่างประเทศ ผลผลิตซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีรูปทรงผิดปกติในประเทศของฉันคือประมาณ 1/8 ของผลผลิตของสหรัฐอเมริกา [2] ยกตัวอย่างโลหะผสม GH4169 ซึ่งเป็นพันธุ์หลักที่มีการใช้งานมากที่สุดทั้งในและต่างประเทศ ในประเทศของฉัน โบลต์ คอมเพรสเซอร์ และล้อ รวมถึงถาดสลิงน้ำมันของเครื่องยนต์เทอร์โบชาฟต์ใช้เป็นชิ้นส่วนหลักเป็นหลัก เมื่อผลิตภัณฑ์โลหะผสมอื่นๆ เติบโตเต็มที่ การเสียรูปจึงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง การใช้โลหะผสมอาจค่อยๆ ลดลงแต่จะยังคงโดดเด่นในทศวรรษต่อๆ ไป

(3) โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงใหม่

รวมถึงโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงแบบผง สารประกอบระหว่างโลหะไทเทเนียม-อลูมิเนียม โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงที่มีความแข็งแกร่งด้วยการกระจายตัวของออกไซด์ โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงที่ทนต่อการกัดกร่อน โลหะผสมผงและวัสดุนาโน และกลุ่มผลิตภัณฑ์อื่น ๆ

①ระดับการผสมของซูเปอร์อัลลอยด์แบบผงรุ่นที่สามได้รับการปรับปรุง ทำให้สามารถคำนึงถึงข้อดีของสองรุ่นแรกและได้รับความแข็งแกร่งที่สูงขึ้นและความเสียหายที่ลดลง กระบวนการผลิตซูเปอร์อัลลอยแบบผงกำลังมีความสมบูรณ์มากขึ้น ในอนาคตอาจมีการพัฒนาจากด้านต่างๆ ดังต่อไปนี้ การเตรียมผง กระบวนการบำบัดความร้อน เทคโนโลยีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ จานผงแบบสองประสิทธิภาพ

2. สารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกไทเทเนียม-อะลูมิเนียมได้รับการพัฒนาจนถึงรุ่นที่ 4 และกำลังค่อยๆ ขยายออกไปในสองทิศทางขององค์ประกอบไมโครหลายองค์ประกอบและองค์ประกอบขนาดเล็กที่มีองค์ประกอบขนาดใหญ่ มหาวิทยาลัยฮัมบูร์กในเยอรมนี มหาวิทยาลัยเกียวโตในญี่ปุ่น และศูนย์ GKSS ในเยอรมนี ล้วนทำการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับไทเทเนียม ปัจจุบันสารประกอบอะลูมิเนียมอินเตอร์เมทัลลิกถูกนำมาใช้ในการต่อเรือ ชีวการแพทย์ และสินค้ากีฬา

3. ซูเปอร์อัลลอยที่เสริมความแข็งแกร่งด้วยการกระจายตัวของออกไซด์เป็นส่วนหนึ่งของซูเปอร์อัลลอยแบบผง มีอยู่ระหว่างการผลิตและพัฒนาเกือบ 20 ชนิด มีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูงและมีค่าสัมประสิทธิ์ความเครียดต่ำ และใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบทนความร้อนและต่อต้านอนุมูลอิสระของกังหันก๊าซ เครื่องยนต์การบินและอวกาศขั้นสูง ฯลฯ เครื่องปฏิกรณ์ปิโตรเคมี ฯลฯ

④โลหะผสมอุณหภูมิสูงที่ทนต่อการกัดกร่อนส่วนใหญ่จะใช้แทนวัสดุทนไฟและเหล็กทนความร้อนในด้านการก่อสร้างและการบินและอวกาศ

แผ่นโลหะผสมหน่วยความจำ NiTi

ลวดนิทินอลทางการแพทย์