การจำแนกประเภทและการประยุกต์ใช้โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง

โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-หรือที่เรียกว่าโลหะผสมที่ทนความร้อน-หรือซูเปอร์อัลลอยด์เป็นวัสดุโลหะประเภทหนึ่งที่สามารถใช้งานได้ยาวนาน-ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง-และภายใต้ความเค้นบางอย่าง มีความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อ-การออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและการกัดกร่อนที่ร้อน เช่นเดียวกับความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูง- ที่เหนือกว่า ความแข็งแรงเมื่อยล้า และความเหนียวของการแตกหักแบบคืบ โลหะผสมเหล่านี้ใช้เป็นหลักในเครื่องยนต์กังหันอากาศยาน พลังงาน และทางทะเล

การจำแนกประเภทของโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-

1. ตามวัสดุเมทริกซ์ สามารถแบ่งได้เป็นสามประเภท: มีธาตุเหล็ก-เป็นส่วนประกอบ ธาตุนิกเกิล- และธาตุโคบอลต์-

(1) โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-จากเหล็ก-เรียกอีกอย่างว่าเหล็กโลหะผสมที่ทนความร้อน- เหล็กโลหะผสมทนความร้อน-สามารถแบ่งออกเป็นเหล็กทนความร้อนมาร์เทนไซต์ ออสเทนไนต์ เพิร์ลไลต์ เฟอร์ไรต์ - เป็นต้น ตามความต้องการในการทำให้เป็นมาตรฐาน โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่เป็นเหล็ก-จะมีอุณหภูมิในการทำงานค่อนข้างต่ำ (600~850 องศา ) แต่คุณสมบัติทางกลของอุณหภูมิ-ปานกลางนั้นดี ซึ่งเทียบเท่าหรือดีกว่าโลหะผสมที่มีนิกเกิล-ที่คล้ายคลึงกัน นอกจากนี้ยังมีราคาถูกและเสียรูปง่ายระหว่างการทำงานที่ร้อน โดยทั่วไปจะใช้ในชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ที่มีอุณหภูมิการทำงานต่ำกว่า เช่น จานกังหัน เคสซิ่ง และเพลา

(2) โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก-มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุด (ประมาณ 1,000 องศา ) และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตชิ้นส่วนที่ร้อนแรงที่สุดของเครื่องยนต์ไอพ่นสำหรับการบินและกังหันก๊าซอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ใบพัดกังหัน ใบพัดนำทาง กังหัน ฯลฯ

(3) โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-จากโคบอลต์-มีความสามารถในการหล่อและการเชื่อมได้ดี และสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิสูง 700~1050 องศา ประกอบด้วยโคบอลต์เป็นส่วนใหญ่ และตัวแทนทั่วไปคือ K610 ซึ่งมีโคบอลต์มากกว่า 58% เนื่องจากโคบอลต์มีราคาสูงและขาดแคลน จึงไม่ค่อยมีการใช้ทั้งในและต่างประเทศ แบรนด์ที่มีอยู่ ได้แก่ K640, K644, GH188 เป็นต้น

2. ตามขั้นตอนการเตรียมการ มันสามารถแบ่งออกเป็นโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่เปลี่ยนรูป โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-แบบหล่อ และโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่เป็นผง

(1) โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ผิดรูป

โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่เสียรูปหมายถึงโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ซึ่งเกิดจากการแปรรูปแท่งโลหะแบบเย็นและแบบร้อนเป็นโปรไฟล์ต่างๆ หรือช่องว่างของชิ้นส่วน และสุดท้ายก็กลายเป็นชิ้นส่วนที่ร้อน- สิ่งสำคัญคือแท่งโลหะผสมสามารถก่อตัวได้ เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-แบบหล่อ โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีการเปลี่ยนรูปจะมีระดับของโลหะผสมที่ต่ำ ดังนั้นจุดหลอมเหลวจึงสูงขึ้น ขีดจำกัดบนของอุณหภูมิในการทำงานที่ร้อนจะสูงขึ้น อุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะผสมจะลดลง และขีดจำกัดล่างของอุณหภูมิในการทำงานที่ร้อนจะต่ำกว่า ดังนั้น ช่วงการทำงานร้อนของโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีรูปร่างผิดปกติจึงกว้างกว่าช่วงการทำงานที่ร้อนของโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่หล่อ ตามองค์ประกอบเมทริกซ์ต่างๆ โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีรูปร่างผิดปกติสามารถแบ่งออกเป็นโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีรูปร่างผิดปกติ-ที่เป็นเหล็ก โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีรูปร่างผิดปกติที่มีอุณหภูมิสูง- และโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีรูปร่างผิดปกติที่มีอุณหภูมิสูง-ที่เป็นโคบอลต์

(2) การหล่อโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-

การหล่อโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-เป็นกระบวนการที่จะหล่อโดยตรงหรือทำให้แข็งตัวเป็นชิ้นส่วนในทิศทางโดยตรงหลังจากการหลอมแท่งโลหะผสมอีกครั้ง การพัฒนาของพวกเขาเริ่มขึ้นในทศวรรษที่ 1940 การหล่อโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพการปลอมแปลงอีกต่อไป วิธีการหล่อที่แม่นยำหรือกระบวนการแข็งตัวตามทิศทางสามารถใช้เพื่อหล่อใบมีดกลวงบาง-ที่มีผนังบางที่มีรูปร่างที่ซับซ้อนและโพรงภายในที่ไม่มีสิ่งกีดขวาง ดังนั้น จำนวนองค์ประกอบทั้งหมดในซูเปอร์อัลลอยแบบหล่อจึงสูงกว่าในซูเปอร์อัลลอยที่มีรูปทรงผิดปกติอย่างมาก องค์ประกอบเสริมความแข็งแกร่งของสารละลายแข็ง ได้แก่ Re และ Ru ในขณะที่ปริมาณของโลหะทนไฟ W เพิ่มขึ้น (ในโลหะผสมบางชนิดเกิน 10%) การตกตะกอน-การเสริมธาตุโลหะผสม นอกเหนือจาก Al และ Ti แล้ว ยังรวมถึง Nb, Ta, Hf และ V

ซูเปอร์อัลลอยแบบหล่อสามารถจำแนกตามวิธีการแข็งตัวได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ ซูเปอร์อัลลอยแบบหล่อแบบเท่ากันหมด ซูเปอร์อัลลอยแบบเรียงเป็นแนวแข็งในทิศทาง และซูเปอร์อัลลอยแบบผลึกเดี่ยว ซูเปอร์อัลลอยคริสตัล-เดี่ยว ซึ่งเป็นซูเปอร์อัลลอยชนิดใหม่ ถูกสร้างขึ้นโดยการกำจัดขอบเขตเกรนทั้งหมดผ่านการแข็งตัวในทิศทาง โลหะประกอบด้วยผลึกเดี่ยวๆ จึงเป็นที่มาของชื่อซูเปอร์อัลลอยคริสตัลเดี่ยว- ขอบเขตของเกรนคือพื้นที่ภายในโลหะที่มีการบิดเบี้ยว ข้อบกพร่อง และสิ่งเจือปนต่างๆ สะสมอยู่ แม้ว่าจะแข็งแกร่งที่อุณหภูมิห้องมากกว่าภายในคริสตัล แต่ก็ไวต่อการลื่นไถลที่อุณหภูมิสูง เมื่อความแข็งแรงของขอบเขตเกรนลดลงที่อุณหภูมิสูง ความแข็งแรงของโลหะก็จะลดลง ดังนั้น การกำจัดขอบเขตของเกรนผ่านการแข็งตัวในทิศทางทำให้เกิดซูเปอร์อัลลอยคริสตัลเดี่ยว-ที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยม ในปัจจุบัน เครื่องยนต์ขั้นสูงเกือบทั้งหมดใช้-ใบพัดกังหันคริสตัลอัลลอยด์เดี่ยวหรือใบพัดนำทาง

(3) อัลลอยด์ที่มีอุณหภูมิสูง-แบบผง

เมื่ออุณหภูมิในการทำงานของโลหะผสมที่ทนความร้อน-สูงขึ้นเรื่อยๆ จำนวนองค์ประกอบเสริมความแข็งแกร่งในโลหะผสมก็จะเพิ่มขึ้น และองค์ประกอบก็มีความซับซ้อนมากขึ้น ส่งผลให้โลหะผสมบางชนิดที่สามารถใช้ได้เฉพาะในสถานะหล่อเท่านั้น และไม่สามารถเปลี่ยนรูปได้ด้วยการทำงานที่ร้อน นอกจากนี้ การเพิ่มขึ้นขององค์ประกอบอัลลอยด์ทำให้เกิดการแยกส่วนประกอบอย่างรุนแรงในโลหะผสมที่มีนิกเกิล-หลังการแข็งตัว ส่งผลให้โครงสร้างและประสิทธิภาพไม่เท่ากัน การใช้เทคโนโลยีโลหะผสมผงเพื่อผลิตโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-สามารถแก้ปัญหาข้างต้นได้ เนื่องจากอนุภาคของผงมีขนาดเล็กและความเร็วในการทำความเย็นระหว่างการผลิตผงทำได้รวดเร็ว การแยกตัวจึงถูกกำจัด และปรับปรุงคุณสมบัติการทำงานที่ร้อนให้ดีขึ้น โลหะผสมที่สามารถหล่อได้อย่างเดียวนั้นจะถูกเปลี่ยนให้เป็นโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ซึ่งสามารถใช้ร้อนได้- และคุณสมบัติความแข็งแรงของผลผลิตและความล้าก็ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-แบบผงได้สร้างวิธีใหม่ในการผลิต-โลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงกว่า โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-แบบผงส่วนใหญ่จะใช้ในการผลิตจานกังหันสำหรับ-แรงขับสูง-ถึง-เครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูง และยังใช้ในการผลิตส่วนประกอบปลายร้อน-ที่อุณหภูมิสูง- เช่น จานคอมเพรสเซอร์ เพลากังหัน และแผ่นกั้นกังหันสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูง

พื้นที่ใช้งานของโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง

1. การบินและอวกาศ

(1) ห้องเผาไหม้

ห้องเผาไหม้เป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุดในบรรดาส่วนประกอบของเครื่องยนต์ทั้งหมด เมื่ออุณหภูมิของก๊าซในห้องเผาไหม้สูงถึง 1500-2000 องศา อุณหภูมิของโลหะผสมที่ผนังห้องเผาไหม้จะสูงถึง 800-900 องศา และเฉพาะที่ก็สูงถึง 1100 องศา ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงส่วนใหญ่ที่ใช้ในห้องเผาไหม้เป็นโลหะผสมที่เสริมความแข็งแกร่งให้กับสารละลาย โลหะผสมประกอบด้วยองค์ประกอบเสริมความแข็งแรงของสารละลายของแข็งจำนวนมาก เช่น W, Mo และ Nb มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงและมีคุณสมบัติในการขึ้นรูปและการเชื่อมที่ดี เกรดตัวแทนได้แก่ GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 และ GH3170

(2) ใบพัดนำ

ใบพัดนำทางเป็นส่วนประกอบที่ปรับทิศทางการไหลของก๊าซที่ออกมาจากห้องเผาไหม้ เรียกอีกอย่างว่าใบพัดนำทาง พวกมันเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องยนต์เทอร์ไบน์ที่ต้องรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน (thermal shock) มากที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ไม่สม่ำเสมอหรือการทำงานไม่ดี ใบพัดนำทางจะถูกรับภาระความร้อนที่มากขึ้น อุณหภูมิในการทำงานของใบพัดนำทางของเครื่องยนต์กังหันขั้นสูงสามารถสูงถึง 1100 องศา อุณหภูมิในการทำงานของโลหะผสมใบพัดนำในประเทศสามารถเข้าถึง 1,000 ~ 1,050 องศา โลหะผสมที่ใช้ในการหล่อที่มีอุณหภูมิสูง-ที่เป็นตัวแทน ได้แก่ K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B เป็นต้น

(3) ใบพัดกังหัน

ใบพัดกังหันเป็นส่วนประกอบที่มีสภาวะการทำงานที่รุนแรงที่สุดในเครื่องยนต์เครื่องบิน อุณหภูมิสภาพแวดล้อมการทำงานสูง เกรดทั่วไปของวัสดุโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ได้แก่ GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 เป็นต้น ซึ่งสามารถใช้ได้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ 750-950 องศา เมื่อพัฒนาเครื่องยนต์ใหม่และดัดแปลงรุ่นเก่า โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงแบบหล่อจะถูกนำมาใช้เพื่อผลิตใบพัดกังหัน เกรดทั่วไปของโลหะผสมหล่อ ได้แก่ K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 เป็นต้น