K čemu se běžně používají superslitiny?
Co jsou to vysokoteplotní slitiny?
Superslitiny jsou skupinou kovů, které mají lepší odolnost proti tečení, oxidaci a korozi než tradiční slitiny, při zachování vynikajících mechanických vlastností i při vysokých teplotách. V jistém smyslu působí jako vysoce výkonné slitiny.
Superslitiny, běžně používané v součástech motorů plynových turbín v leteckém průmyslu, jsou založeny na niklu, kobaltu nebo železe a nabízejí mnohem lepší vlastnosti než tradiční ocel nebo slitiny hliníku.
Zatímco většina konvenčních slitin na bázi železa začíná ztrácet významnou pevnost materiálu při 400 stupních Celsia (hliníkové slitiny ještě nižší), mnoho superslitin ve skutečnosti vykazuje zvýšení pevnosti mezi 750 a 900 stupni Celsia.
Proč jsou důležité?
V přepočtu na libru jsou superslitiny dražší než ocel, hliník nebo nerezová ocel; jsou také složitější na obrábění a formování do požadovaného tvaru. Proč jsou tedy v určitých aplikacích tak široce používány?
Odolnost proti tečení
Tečení je způsob porušení materiálu, při kterém se součást deformuje při úrovních napětí hluboko pod svou konečnou pevností v tahu.
Když byl poprvé objeven, bylo mnoho známo o maximální pevnosti v tahu, napětí/deformaci a únavě, ale zdálo se, že tento nový fenomén se vymyká tradiční metalurgii.
Po rozsáhlém testování a analýze bylo zjištěno, že dlouhodobé (i když relativně mírné) namáhání součásti může způsobit takzvané „studené proudění“, kdy se součást plasticky deformuje pod polovinu svého UTS. Další informace o tečení najdete v našem článku.
Dále bylo zjištěno, že teplo z jakéhokoli zdroje urychluje tečení. To je potenciálně katastrofální problém pro komponenty v proudových motorech.
Superslitiny umožňují dílům, jako jsou lopatky turbíny, pracovat pod extrémními dostředivými silami a teplem při zachování pevnosti a hlavně tvaru.
Dlouhodobé testování materiálů, které nejsou odolné vůči tečení, před použitím superslitin přineslo zajímavé výsledky, kdy se lopatky turbíny při otáčení prodlužovaly, což způsobovalo zásahy do skříně motoru.
Vysoká teplotní odolnost
V aplikacích, jako jsou letecké motory a plynové turbíny, je odolnost vůči vysokým teplotám nutností.
Superslitiny se nejen dobře chovají při vysokých teplotách, ale v některých případech se zvyšuje UTS materiálu, což umožňuje vyšší provozní namáhání nebo menší hmotnost. Oba tyto body jsou pro letecký průmysl přínosem.
Vzhledem k tomu, že superslitiny mají lepší tepelnou odolnost než konvenční slitiny, byla provedena řada vylepšení v konstrukci proudových turbínových motorů.
Proudové turbíny mohou produkovat tak vysoký tah, protože stlačují nasávaný vzduch a palivo; čím vyšší je komprese, tím větší výkon motor produkuje. S rostoucím tlakem a rychlostí spalování roste i množství vyrobeného tepla.
Naštěstí tepelná odolnost a odolnost proti tečení superslitin umožňuje vyšší spalovací tlaky, což vede k výrazně vyšší účinnosti. Kolik? Jen v USA, kde bylo v roce 2019 nalétáno více než 760 miliard osobních leteckých mil, se malá účinnost může rovnat významným úsporám paliva.
