Agenţiile spaţiale şi furnizorii de lansare privată ţintesc acum în mod obişnuit reutilizarea, fracţiile mai mari de sarcină utilă şi durata de viaţă mai lungă de serviciu. Îndeplinirea acestor obiective necesită materiale care pot supravieţui temperaturilor de ardere mai mari de 1500 °C, ciclism termic rapid şi medii corozive de evacuare. Superaliaje o clasă de aliaje metalice proiectate pentru condiţii extreme au devenit indispensabile pentru următoarea generaţie de hardware de lansare-vehicul. Progresele recente în compoziţie, producţie şi acoperire a tehnologiilor împing limitele de performanţă ale acestor materiale, permiţând arhitectura misiunii mai ambiţioase şi reducând costurile operaţionale.

Rolul pivotal al superaliajelor în vehiculele de lansare a următoarei generații

Impingerea indelungata spre rachete reutilizabile si cresterea raportului de forta la greutate a plasat cereri fara precedent asupra componentelor structurale si de la hot-sectiune. Motoarele in prima etapa, cum ar fi cele utilizate in SpaceX Raptor sau Blue Origin BE-4, functioneaza la presiuni si temperaturi care ar cauza oteluri conventionale sau aliaje de aluminiu sa cedeze in cateva secunde. Superaliaje umple golul deoarece acestea mentin rezistenta mecanica mare la temperaturi peste 800 °C, rezista oxidarii si coroziunii la cald, si mentine rezistenta la fiori sub sarcina sustinuta. Aceste proprietati permit proiectantilor sa reduca grosimile peretelui, sa lumineze componentele, si sa imbunatateasca eficienta termica, toate critice pentru reducerea costurilor de lansare.

Ce sunt Superaliajele?

Superaliaje sunt aliaje de înaltă performanță, de obicei bazate pe nichel, cobalt sau nichel, aliate cu elemente cum ar fi crom, aluminiu, titan, tungsten, molibden și tantal. Caracteristica lor definitoare este capacitatea de a menține rezistența utilă la o mare parte din punctul lor de topire. Majoritatea superaliajelor își obțin puterea dintr-o combinație de întărire a soluțiilor solide și de întărire a precipitațiilor.Același cerințe au fost realizate printr-o fază inter-fosilă bine dispersată, de obicei, prim gama (γ), care coheres cu matricea și blocuri dislocare mișcare. Istoric, dezvoltarea acestor materiale a fost condusă de motoare de gaz-turbina pentru aviație, dar aceleași cerințe de temperatură ridicată, stres ridicat, mediu de acoperire se aplică direct motoarelor de rachete.

Supraaliajele pe bază de nichel domină industria rachetelor datorită rezistenţei lor superioare la fiare şi oxidare până la aproximativ 1100 °C. Variantele bazate pe Cobalt sunt utilizate acolo unde rezistenţa termică la oboseală sau rezistenţa la coroziune la cald este primordială. Introducerea tehnologiei de turnare monocristală, care elimină limitele de cereale care slăbesc materialul la temperaturi ridicate, a extins intervalul de temperatură utilizabil cu încă 50 2016/13100 °C. De exemplu, lamele turbinei într-un motor lichid-oxigen/fosfit de înaltă performanţă utilizează adesea superaliaje monocristal, cum ar fi CMSX-4 sau René N5.

Inovații recente în tehnologia Superalitică

În ultimul deceniu, mai multe progrese discrete au propulsat performanţa superaliajului într-un nou regim. Aceste inovaţii acoperă chimia aliajului, prelucrarea şi acoperirile protectoare.

Compoziţie avansată: Microaliaje cu metale refractare

Superaliajele moderne încorporează niveluri mai ridicate de elemente refractare pentru a ridica temperatura de solulitate a fazei gama-prime și pentru a îmbunătăți rezistența la temperatură ridicată. Renium, Ruthenium și tantal sunt acum adăugate comune în a treia generație și superaliaje monocristal de a patra generație. Renium, în special, încetinește difuzia și stabilizează microstructura, dar crește și densitatea și costul. Dezvoltatorii de ionizare optimizează prin urmare echilibrul folosind doar 3 țix6 % reniu în lame și vane în timp ce substituie alte elemente în componente mai puțin exigente. Cercetare recentă din ]NASA Marshall Space Flight Center s-a concentrat pe variante de cost-renium bogat în timp ce prețul materialelor de tăiere este de jumătate.

Fabricarea aditivului pentru Geometrii Complexe

Producţia aditivă (AM) a revoluţionat producţia de componente superaliante. Fuziunea cu praf de laser şi topirea electronului permit acum fabricarea de piese care nu ar fi putut fi turnate sau automate. Producătorii de motoare cu rachetă utilizează AM pentru a produce canale de răcire complicate în camerele de ardere şi duze, reducând numărul de piese şi eliminând sudurile. De exemplu, SpaceX a dezvăluit public că multe părţi Inconel 718 din motorul Raptor sunt 3D, care scurtează timpii de fabricaţie de plumb de la luni la zile. Provocarea controlează formarea de faze nedorite, cum ar fi Laves sau δ în timpul solidificării şi răcirii rapide inerente AM. Presarea prin termoizostatice postprocesare (HIP) şi tratarea termică sunt esenţiale pentru restabilirea microstructurii ţintă.

Acoperiri de protecție termică și de mediu

Chiar şi cele mai bune superaliaje nu pot rezista la mediile de ardere cele mai severe pe termen nelimitat. Acoperiri de barieră termică (TBC) bazate pe zirconia stabilizată cu yttria (YSZ) reduc temperatura metalică cu până la 150 °C, în timp ce acoperirile de barieră de mediu (EBC) bazate pe silicaţi de pământuri rare protejează împotriva coroziunii cu gaz fierbinte. Noile arhitecturi de acoperire utilizează o interfaţă gradată sau o microstructura coloanără pentru a îmbunătăţi toleranţa la tulpina. Cercetătorii de la NASA Glenn Research Center dezvoltă sisteme multistrate TBC/EBC care pot supravieţui presiunii ridicate, evacuării de mare viteză a oxigenului-bogat-combustion.

Aplicații în vehicule de lansare spațială

Superaliaje sunt implementate în mai multe sub-sisteme ale unui vehicul de lansare. Următoarele secțiuni detalii utilizările lor primare și beneficiile derivate din inovații recente.

Turbine cu motor și turbo-mașini

Într-un motor cu rachetă lichidă, turbina turbopump trebuie să se rotească la zeci de mii de RPM în timp ce este condusă de gaze fierbinţi, parţial arse. Lamele şi discurile cu raze ultraviolete extreme şi temperaturi ridicate. Superaliaje monocristal pe bază de nichel (de exemplu René N4, PWA 1480) au devenit standard pentru lame, în timp ce lamele cu metalurgie sub formă de pulbere, cum ar fi René 88DT sau LSHR, sunt folosite pentru discuri datorită rezistenţei lor ridicate la întindere şi rezistenţei la oboseală. Cele mai noi modele folosesc discuri cu microstructură dublă şi un borcan fin pentru rezistenţă şi o jantă de graţie pentru rezistenţă la înfiorătoare, fabricate prin tratamente de căldură atent controlate.

Camere de ardere și duze

Camera de ardere experimentează cel mai mare flux de căldură al oricărei componente. Straturile de cameră sunt adesea realizate din aliaje de cupru pentru conductivitatea termică, dar peretele de gaz fierbinte necesită o jacheta sau căptușeală structurală superaliată. În multe motoare, camera este un strat interior de cupru-aliaj cu un înveliș exterior de nichel-superaliaj. Extensia duzei, care funcționează la temperatură mai scăzută, dar încă subliniat, utilizează superaliaje, cum ar fi Inconel 625 sau Haynes 230. Producție aditivă a permis canale de răcire integrale, reducând numărul de articulații brazate și îmbunătățind fiabilitatea. De exemplu, duza de motor RL10 utilizează o construcție de tuburi supraaliate cu tub armat, dar noi modele se deplasează la o structură tipărită, superalitică.

Scuturi termice şi protecţie termică

În timp ce multe scuturi termice sunt materiale ablative, anumite nave spaţiale reutilizabile necesită protecţie termică metalică. Space ShuttleS cap şi margini de conducere aripi utilizate armat carbon-carbon, dar vehiculele înaripate de generaţie următoare, cum ar fi Dream Chaser evaluează panouri superaliante acoperite cu TBC-uri. Aceste panouri trebuie să reziste cicluri de re-intrare multiple, fără oxidare excesivă sau distorsiune. Superaliaje, cum ar fi Inconel 718 şi Haynes 214 au fost testate în NASAs Hypersonic Materials Mediu Test. Cheia este menţinerea rezistenţei la oxidare la temperaturi de până la 1200 °C în timp ce menţine masa scăzută.

Provocările actuale și frontierele de cercetare

În ciuda câștigurilor impresionante, mai rămân mai multe obstacole. Cost este o problemă persistentă: reniu, Ruthenium, și tantal sunt scumpe, și unele superaliaje de specialitate pot costa mai mult de 1.000 dolari pe kilogram. Scala de fabricație aditiv se confruntă, de asemenea, cu obstacole de control al calității, în special în ceea ce privește porozitatea și coerența microstructurale. Pe partea de performanță, superaliaje se apropie de limita lor intrinsecă de topire; chiar și cele mai bune aliaje pe bază de nichel nu pot funcționa peste 1150 °C pentru durate lungi. Acest lucru a motivat cercetarea în alternative de temperatură mai mare, cum ar fi aliajele refractare-metal (de exemplu, molibden-, niobiu-, sau pe bază de tungsten- sau de matrice ceramice (CMCs). Cu toate acestea, aceste alternative introduce propriile provocări metale de bază oxidează catastrofal, și CMC-urile sunt fragile și dificil de asociat.

Abordările bazate pe date accelerează descoperirea de noi superaliaje. Modele de învăţare a maşinilor instruite pe baze mari de date cu proprietăţi termodinamice şi mecanice pot prezice compoziţii promiţătoare înainte de experimente costisitoare. Cadrul integrat de inginerie a materialelor computaţionale (ICME) este utilizat de NASA şi partenerii din industrie pentru a simula întregul ciclu de viaţă al unei componente supraaliatice [de la turnarea prin ciclu termic la eşecul acestuia prin reducerea timpului de dezvoltare.

Perspective viitoare

Cercetarea continuă are ca scop creșterea temperaturii de operare a superaliajelor cu alte 50