Visoko{0}}legure, poznate i kao legure-otporne na toplinu ili superlegure, su klasa metalnih materijala sposobnih za dugotrajan-rad u visoko-okruženjima na visokim temperaturama i pod određenim naprezanjima. Pokazuju odličnu otpornost na -temperaturnu oksidaciju i vruću koroziju, kao i superiornu čvrstoću na visoko-temperaturu, čvrstoću na zamor i žilavost loma pri puzanju. Ove legure se prvenstveno koriste u zrakoplovnim, energetskim i brodskim turbinskim motorima.
Klasifikacija visoko{0}}legura na visokim temperaturama
1. Prema materijalu matrice, mogu se podijeliti u tri kategorije: na bazi gvožđa-, na bazi nikla-i na bazi kobalta-.
(1) Visokotemperaturne legure na bazi gvožđa-e{2} nazivaju se i toplotno{3}}otporni legirani čelici. Legirani čelici otporni na toplinu-mogu se podijeliti na martenzit, austenit, perlit, ferit toplotno-otporni čelik, itd., prema njihovim zahtjevima za normalizaciju. Visokotemperaturne legure na bazi gvožđa--imaju relativno nisku radnu temperaturu (600~850 stepeni), ali su njihove srednje{13}}mehaničke karakteristike dobre, koje su jednake ili bolje od sličnih legura na bazi nikla{14}}. Osim toga, jeftini su i lako se deformiraju tokom vrućeg rada. Uglavnom se koriste u dijelovima motora s nižim radnim temperaturama, kao što su turbinski diskovi, kućišta i vratila.
(2) Visokotemperaturne legure na bazi nikla--imaju najvišu radnu temperaturu (oko 1000 stepeni) i naširoko se koriste u proizvodnji najtoplijih dijelova avionskih mlaznih motora i raznih industrijskih gasnih turbina, kao što su lopatice turbina, vodeće lopatice, turbine itd.
(3) Visokotemperaturne legure na bazi kobalta-imaju dobru sposobnost livenja i zavarljivosti i mogu se koristiti na visokim temperaturama od 700~1050 stepeni. Uglavnom se sastoji od kobalta, a tipičan predstavnik mu je K610, koji sadrži više od 58% kobalta. Zbog visoke cijene i nestašice kobalta rijetko se koristi u zemlji i inostranstvu. Postojeći brendovi uključuju K640, K644, GH188, itd.
2. Prema procesu pripreme, može se podijeliti na deformisane visoko-legure za visoke temperature, livene visoko-legure i visokotemperaturne legure u prahu.
(1) Deformirane visokotemperaturne legure
Deformisane visokotemperaturne legure se odnose na visoko-legure koje se proizvode hladnom i toplom obradom ingota u različite profile ili gotove dijelove, te konačno u vruće{2}} dijelove. Ključno je da se ingot legure može formirati. U poređenju sa livenim visokotemperaturnim legurama, deformisane visokotemperaturne legure -imaju nizak stepen legiranja. Stoga je tačka topljenja viša, gornja granica vruće radne temperature je viša, temperatura rekristalizacije legure je niža, a donja granica vruće radne temperature je niža. Zbog toga je opseg vruće obrade deformiranih visoko{9}}legura na visokim temperaturama širi nego kod lijevanih visoko{10}legura. Prema različitim elementima matrice, deformisane visoko-legure na visokim temperaturama mogu se podijeliti na gvožđe-deformirane visokotemperaturne legure na bazi gvožđa,-deformirane visokotemperaturne legure na bazi nikla{{16}i visokotemperaturne legure na bazi kobalta{17}} na bazi deformacije na svim {17}8}
(2) Lijevanje visoko{1}legura
Lijevanje visoko{0}}legura na visokim temperaturama je proces koji se direktno lijeva ili usmjerava učvršćuje u dijelove nakon ponovnog topljenja ingota legure. Njihov razvoj započeo je 1940-ih godina. Lijevanje visoko{4}}legura na visokim temperaturama više ne uzima u obzir performanse deformacije kovanja. Precizne metode lijevanja ili procesi usmjerenog skrućivanja mogu se koristiti za livenje šupljih tankih-oštrica sa složenim oblicima i neometanim unutrašnjim šupljinama. Stoga je ukupna količina elemenata u livenim superlegurama znatno veća nego u deformisanim superlegurama. Elementi za ojačavanje čvrstih rastvora uključuju Re i Ru, dok je sadržaj vatrostalnog metala W povećan (u nekim legurama i preko 10%). Taložni{11}}elementi za ojačavanje legure, pored Al i Ti, uključuju i Nb, Ta, Hf i V.
Livene superlegure mogu se klasificirati metodom očvršćavanja u tri kategorije: ravnoosovite livene superlegure, usmjereno očvrsnute stupaste superlegure i monokristalne superlegure. Jednokristalne superlegure, nova vrsta superlegure, formiraju se eliminacijom svih granica zrna kroz usmjereno skrućivanje. Metali se sastoje od pojedinačnih kristala, pa otuda i naziv jednokristalna superlegura. Granice zrna su područja unutar metala gdje se akumuliraju različita izobličenja, defekti i nečistoće. Iako su jači na sobnoj temperaturi nego unutar kristala, podložni su klizanju na visokim temperaturama. Kada se čvrstoća granica zrna smanji na visokim temperaturama, čvrstoća metala opada. Stoga, eliminisanje granica zrna kroz usmjereno skrućivanje daje mono{8}}superlegure sa odličnim performansama. Trenutno, skoro svi napredni motori koriste lopatice turbine ili vodeće lopatice od jedne{10}}kristalne legure.
(3) Visokotemperaturne legure u prahu
Kako radna temperatura-legura otpornih na toplinu postaje sve viša i viša, broj elemenata za ojačanje u legurama se povećava, a sastav postaje složeniji, što rezultira nekim legurama koje se mogu koristiti samo u livenom stanju i ne mogu se deformirati vrućom obradom. Osim toga, povećanje legirajućih elemenata uzrokuje ozbiljnu segregaciju komponenti u legurama na bazi nikla- nakon skrućivanja, što rezultira neujednačenom strukturom i performansama. Upotreba tehnologije metalurgije praha za proizvodnju legura na visokim temperaturama može riješiti gore navedene probleme. Pošto su čestice praha male i brzina hlađenja tokom pravljenja praha je velika, segregacija je eliminisana, a svojstva toplog rada su poboljšana. Legura koja se može samo lijevati pretvara se u visoko{7}}leguru koja se može vruće-obraditi, te se poboljšavaju svojstva tečenja i zamor. Visokotemperaturne legure u prahu su stvorile novi način proizvodnje{11}}legura veće čvrstoće. Visokotemperaturne legure u prahu se uglavnom koriste za proizvodnju turbinskih diskova za veliki{14}}potisak-do-naprednih motora aviona, a također se koriste za proizvodnju visoko{17}}vrućih- komponenti kao što su diskovi kompresora, turbinske turbine i zračne osovine.
Područja primjene visokotemperaturnih legura
1. Vazduhoplovstvo
(1) Komora za sagorevanje
Komora za sagorevanje je područje sa najvišom radnom temperaturom među svim komponentama motora. Kada temperatura gasa u komori za sagorevanje dostigne 1500-2000 stepeni, temperatura legure zida komore može dostići 800-900 stepeni, a lokalno i do 1100 stepeni. Poslednjih godina, većina legura na visokim temperaturama koje se koriste u komori za sagorevanje su legure ojačane čvrstim rastvorom. Legure sadrže veliku količinu čvrstih elemenata za jačanje kao što su W, Mo i Nb. Odlikuju se visokom temperaturnom čvrstoćom i dobrim svojstvima oblikovanja i zavarivanja. Reprezentativni razredi uključuju GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 i GH3170.
(2) Vodiće lopatice
Vodiće lopatice su komponente koje podešavaju smjer protoka plina koji izlazi iz komore za sagorijevanje. Nazivaju se i vodilice. Oni su jedan od dijelova turbinskog motora koji su podložni najvećem termičkom udaru. Naročito kada je sagorevanje u komori za sagorevanje neujednačeno ili je rad loš, vodeće lopatice su izložene većem toplotnom opterećenju. Radna temperatura vodećih lopatica naprednih turbinskih motora može doseći 1100 stepeni. Radna temperatura domaćih legura vodilica može doseći 1000 ~ 1050 stepeni. Reprezentativne legure za precizno lijevanje na visokim temperaturama uključuju K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, itd.
(3) Lopatice turbine
Lopatice turbine su komponente sa najtežim radnim uslovima u motorima aviona. Temperatura radnog okruženja je visoka. Tipični razredi visokotemperaturnih legura materijala uključuju GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220, itd., koji se mogu koristiti u okruženju od 750-950 stepeni. Prilikom razvoja novih motora i modifikacije starih modela, za proizvodnju lopatica turbina koriste se livene visokotemperaturne legure. Tipične klase livenih legura uključuju K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002, itd.
