Na čo sa bežne používajú superzliatiny?
Čo sú to vysokoteplotné zliatiny?
Superzliatiny sú skupinou kovov, ktoré majú lepšiu odolnosť proti tečeniu, oxidácii a korózii ako tradičné zliatiny, pričom si zachovávajú vynikajúce mechanické vlastnosti aj pri vysokých teplotách. V istom zmysle pôsobia ako vysokovýkonné zliatiny.
Superzliatiny, bežne používané v komponentoch motorov s plynovou turbínou v leteckom a kozmickom priemysle, sú založené na nikle, kobalte alebo železe a ponúkajú oveľa lepšie vlastnosti ako tradičná oceľ alebo hliníkové zliatiny.
Zatiaľ čo väčšina konvenčných zliatin na báze železa začína výrazne strácať pevnosť materiálu pri 400 stupňoch Celzia (zliatiny hliníka ešte nižšie), mnohé superzliatiny skutočne vykazujú zvýšenie pevnosti medzi 750 a 900 stupňami Celzia.
Prečo sú dôležité?
V prepočte na libru sú superzliatiny drahšie ako oceľ, hliník alebo nehrdzavejúca oceľ; sú tiež zložitejšie na obrábanie a formovanie do požadovaného tvaru. Prečo sa teda v určitých aplikáciách tak široko používajú?
Odolnosť voči tečeniu
Tečenie je spôsob porušenia materiálu, pri ktorom sa komponent deformuje pri úrovniach napätia značne pod ich medzou pevnosťou v ťahu.
Keď bol prvýkrát objavený, veľa sa vedelo o maximálnej pevnosti v ťahu, napätí/napätí a únave, ale tento nový fenomén sa zdal byť v rozpore s tradičnou metalurgiou.
Po rozsiahlom testovaní a analýze sa zistilo, že dlhodobé (aj keď relatívne mierne) namáhanie dielu môže spôsobiť takzvané „studené prúdenie“, pri ktorom sa diel plasticky deformuje pod polovicu svojej UTS. Viac informácií o tečení nájdete v našom článku.
Ďalej sa zistilo, že teplo z akéhokoľvek zdroja urýchľuje tečenie. Toto je potenciálne katastrofálny problém pre komponenty v prúdových motoroch.
Superzliatiny umožňujú častiam, ako sú lopatky turbíny pracovať pri extrémnych dostredivých silách a teplu, pričom si zachovávajú svoju pevnosť a hlavne tvar.
Dlhodobé testovanie materiálov, ktoré nie sú odolné voči tečeniu, pred použitím superzliatin prinieslo zaujímavé výsledky, pričom lopatky turbíny sa pri otáčaní predlžovali, čo spôsobovalo zásah do krytu motora.
Odolnosť voči vysokej teplote
V aplikáciách, ako sú letecké motory a plynové turbíny, je odolnosť voči vysokej teplote nevyhnutnosťou.
Nielenže superzliatiny fungujú dobre pri vysokých teplotách, v niektorých prípadoch sa zvyšuje UTS materiálu, čo umožňuje vyššie prevádzkové namáhanie alebo menšiu hmotnosť. Oba tieto body sú prospešné pre letecký priemysel.
Pretože superzliatiny majú lepšiu tepelnú odolnosť ako bežné zliatiny, došlo k mnohým zlepšeniam v konštrukcii prúdových turbínových motorov.
Prúdové turbíny môžu produkovať taký vysoký ťah, pretože stláčajú nasávaný vzduch a palivo; čím vyššia je kompresia, tým väčší výkon motor produkuje. So zvyšujúcim sa tlakom a rýchlosťou horenia sa zvyšuje aj množstvo vyprodukovaného tepla.
Našťastie, odolnosť superzliatin voči teplu a tečeniu umožňuje vyššie spaľovacie tlaky, čo vedie k výrazne vyššej účinnosti. Koľko? Len v USA, kde v roku 2019 precestovalo viac ako 760 miliárd osobných míľ, sa malá efektivita môže rovnať značným úsporám paliva.
