Σε τι χρησιμοποιούνται συνήθως τα υπερκράματα;
Τι είναι τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας;
Τα υπερκράματα είναι μια ομάδα μετάλλων που έχουν καλύτερη αντοχή στον ερπυσμό, την οξείδωση και τη διάβρωση από τα παραδοσιακά κράματα, ενώ διατηρούν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Κατά μία έννοια, λειτουργούν ως κράματα υψηλής απόδοσης.
Τα υπερκράματα, που χρησιμοποιούνται συνήθως σε εξαρτήματα κινητήρων αεριοστροβίλου στην αεροδιαστημική βιομηχανία, βασίζονται σε νικέλιο, κοβάλτιο ή σίδηρο και προσφέρουν πολύ ανώτερες ιδιότητες από τα παραδοσιακά κράματα χάλυβα ή αλουμινίου.
Ενώ τα περισσότερα συμβατικά κράματα με βάση τον σίδηρο αρχίζουν να χάνουν σημαντική αντοχή υλικού στους 400 βαθμούς Κελσίου (τα κράματα αλουμινίου ακόμη χαμηλότερα), πολλά υπερκράματα παρουσιάζουν στην πραγματικότητα μια αύξηση της αντοχής μεταξύ 750 και 900 βαθμών Κελσίου.
Γιατί είναι σημαντικά;
Σε βάση ανά λίβρα, τα υπερκράματα είναι πιο ακριβά από τον χάλυβα, το αλουμίνιο ή τον ανοξείδωτο χάλυβα. είναι επίσης πιο περίπλοκα στη μηχανική επεξεργασία και τη διαμόρφωση στο επιθυμητό σχήμα. Γιατί λοιπόν χρησιμοποιούνται τόσο ευρέως σε ορισμένες εφαρμογές;
Αντοχή σε ερπυσμό
Ο ερπυσμός είναι ένας τρόπος αστοχίας υλικού κατά τον οποίο ένα εξάρτημα παραμορφώνεται σε επίπεδα τάσης πολύ κάτω από την τελική του αντοχή σε εφελκυσμό.
Όταν ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά, πολλά ήταν γνωστά για την τελική αντοχή σε εφελκυσμό, την καταπόνηση/καταπόνηση και την κόπωση, αλλά αυτό το νέο φαινόμενο φαινόταν να αψηφά την παραδοσιακή μεταλλουργία.
Μετά από εκτεταμένες δοκιμές και αναλύσεις, ανακαλύφθηκε ότι το μακροχρόνιο (αν και σχετικά ήπιο) στρες εκ μέρους μπορεί να προκαλέσει αυτό που είναι γνωστό ως «ψυχρή ροή», όπου το εξάρτημα παραμορφώνεται πλαστικά κάτω από το ήμισυ του UTS του. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το creep, ανατρέξτε στο άρθρο μας.
Διαπιστώθηκε περαιτέρω ότι η θερμότητα από οποιαδήποτε πηγή επιταχύνει τον ερπυσμό. Αυτό είναι ένα δυνητικά καταστροφικό πρόβλημα για εξαρτήματα σε κινητήρες τζετ.
Τα υπερκράματα επιτρέπουν σε μέρη όπως τα πτερύγια του στροβίλου να λειτουργούν υπό ακραίες κεντρομόλους δυνάμεις και θερμότητα διατηρώντας παράλληλα τη δύναμή τους και, κυρίως, το σχήμα τους.
Οι μακροχρόνιες δοκιμές μη ανθεκτικών σε ερπυσμό υλικών πριν από τη χρήση υπερκραμάτων παρήγαγαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα, με τα πτερύγια του στροβίλου να επιμηκύνονται καθώς περιστρέφονταν, προκαλώντας παρεμβολές στο περίβλημα του κινητήρα.
Αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία
Σε εφαρμογές όπως οι αεροδιαστημικοί κινητήρες και οι αεριοστρόβιλοι, η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες είναι απαραίτητη.
Όχι μόνο τα υπερκράματα έχουν καλή απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες, σε ορισμένες περιπτώσεις το UTS του υλικού αυξάνεται, επιτρέποντας υψηλότερες καταπονήσεις λειτουργίας ή μικρότερη μάζα. Και τα δύο αυτά σημεία είναι ευεργετικά για την αεροπορική βιομηχανία.
Επειδή τα υπερκράματα έχουν καλύτερη αντίσταση στη θερμότητα από τα συμβατικά κράματα, έχουν γίνει πολλές βελτιώσεις στον σχεδιασμό του κινητήρα αεριοστροβίλου.
Οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να παράγουν τόσο υψηλή ώση επειδή συμπιέζουν τον αέρα εισαγωγής και το καύσιμο. Όσο μεγαλύτερη είναι η συμπίεση, τόσο περισσότερη ισχύς παράγει ο κινητήρας. Καθώς αυξάνεται η πίεση και ο ρυθμός καύσης, αυξάνεται και η ποσότητα της παραγόμενης θερμότητας.
Ευτυχώς, η αντίσταση θερμότητας και ερπυσμού των υπερκραμάτων επιτρέπει υψηλότερες πιέσεις καύσης, με αποτέλεσμα σημαντικά υψηλότερη απόδοση. Πόσα? Μόνο στις ΗΠΑ, με περισσότερα από 760 δισεκατομμύρια αεροπορικά μίλια επιβατών που διανύθηκαν το 2019, οι μικρές αποδόσεις μπορούν να ισοδυναμούν με σημαντική εξοικονόμηση καυσίμων.
