симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 1), страница 2

Температура газа перед рабочей ~В русском переводе под наыюиисм "Жаропрочные сплавы" (авторы Ч.Т.Симе в У.Хагель) выпущена н 1976 г. издательством "Металлургия" под редакциев В.М.Савицкого. Прим. ред. изд-еа. 9 лопаткой первой ступени на современных двигателях достигает 1700-1800 еС. Состоялся прогноз и по использованию ренин в качестве наиболее эффективного легирующего элемента в жаропрочных сплавах. Разработан ряд литейных жаропрочных сплавов для монокристаллического литья (СМБХ-2, ЖС-32), которые по температурному уровню работоспособности приближаются к эвтектическим жаропрочным сплавам. Эвтектические сплавы пока не нашли практического использования главным образом из-за зкономических соображений.

Однако можно ожидать, что в связи в обшей тенденцией повышения рабочих температур материала лопаток именно эти суперсплавы могут оказаться единственно пригодными для создания охлаждаемых лопаток ГТД. Тем более, что в настоящее время разработаны композиции эвтектических жаропрочных сплавов с высоким уровнем жаропрочности вплоть до 1200 С. Эффективным оказался путь использования комплексных защитных покрытий, включающих нанесение керамических теплозашитных слоев. Применение такого рода покрытий снижает рабочую температуру металла лопаток на 40-80 еС, зашишая поверхность металла лопаток от воздействия коррозионной и окислительной срелы.

Разработка жаропрочных сплавов на основе интерметаллидов Т!А1, Т1,А! и %А1, !Ч1,А1 остается одним из перспективных направлений, не реализованным в полной мере. Однако следует отметить, что созданы отечественные жаропрочные деформированные и литейные сплавы на базе легированного интерметаллида !Ч1,А1, которые обладают высокими характеристиками сопротивления окислению и в настоящее время нашли применение для деталей соплового аппарата двигателей, работающих при высоких температурах без защитного покрытия.

К перспективным следует отнести и композиционные жаропрочные материалы на основе керамики, а также "углерол-углеродные" композиты. Реализация этих материалов в конструкции деталей ГТД требует разработки надежных способов зашиты от окисления и специального проектирования лопаток, учитываюших резко выраженную анизотропию свойств этих материалов. Таким образом, основными материалами для лопаток ГТД в 10 нас тояшее время остаются моно кристаллические сплавы на основе никеля.

Ресурс монокристаллических лопаток может быть повышен за счет пространственного ориентирования их кристаллической структуры по отношению к действующим термическим напряжениям, а также повышением эффективности системы охлаждения лопаток. Важнейшую роль в формировании высокого комплекса механических свойств жаропрочных сплавов наряду с легированием играет структурный фактор. Это особенно важно при изготовлении крупногабаритных деталей ГТД, к которым следует в первую очередь отнести диски турбиньь Применение специальных методов выплавки и изотермического прессования позволяет в значительной.

степени уменьшить ликвационную неоднородность высоколегированных жаропрочных сплавов и обеспечить однородную мелкозернистую структуру по всему объему дисков, малочувствительную к концентраторам напряжений. Эти технологические приемы позволяют получать больше- размерные диски из сверхпрочных сплавов диаметром более одного метра. Существенный прогресс достигнут при изготовлении дисков методом порошковой металлургии, применение которых расширяется в двигателестроении. Перечисленные выше ма терна лов елческие проблемы были успешно решены с использованием металлургических методов выплавки, обеспечиваюших глубокую рафинировку металла по врелным примесям.

К эффективным способам металлургического воздействия, успешно развиваемым в России, следует отнести термовременную обработку расплавов при определенных критических температурах, приводящих к их рафинированию и гомогенизации и, как следствие, повышению комплекса служебных характеристик и качества отливок. Совпадение прогноза развития жаропрочных сплавов, изложенного авторами, с современным состоянием повышает ее ценность. По полноте изложения металлофизических и практических вопросов, связанных с разработкой термически стабильных жар о прочных сплавов, технологии изготовления деталей ГТД из них, представленным фактическим свойствам различных материалов книга Ч.Симса, Н.Столоффа и У.Хагеля "Суперсплавы 1Г является наиболее полным систематическим изданием, имеюшим энциклопедический характер.

Академик Р.Е.Шалин 11 ПРЕДИСЛОВИИ Первые успешные полеты самолетов на ракетной тяге осуществлены (во время второй мировой войны Германией и Великобританией) с помощью двигателей, имеюшнк относительно скромные характеристики. Уровень последиик был ограинчеи свойствамн мятеривиов, использованных для изготовления этна двнгателей.

При совершенствовании рсакпшиых двнгателей посменно приходвлось иа иик ориентироваться. Однако анализ прогресса в разработке материалов, начиная с 1942г., указывает на ряд значительных улучшений свойеп~ позволнвших постоянно увеличввать температуру и рабочее напряжение. Этик улучшений достигали как путем усовершеиспшвания процессов производства, так и путем изменений в кимическом составе материалов, а часто н совмещением обоик путей В результате тяга в 363кг, полученная на двигателе Уитлля в 1942 г., возросла за 40 с небольшим лет до 29483,5 кг, т.е. в 80 раз.

Вначале в качестие иедущих материалов для изготовления лопаток выступали сплавы иа основе Со, тогда как сплавы на основе Ре использовали там, где требовалнсь материальь ие подвергающиеся воздействию высокнк температур, например дла изготовления дисков, В результате постепенного улучшения обычной практики эксплуатации двигателей такие дейюрмнруемые сплавы, как 8-816, уступили дорогу грубошринстому точному литью из сплавов иа кобальтовой осиове. Вслед за этим в промышленности научились регулировать размер зерна н структуру, раэработчвкн поняли, как предотвратить нежелательную потерю пластичности, н рабочие температуры возросли до 815 оС. С той поры и поныне точное литье прн изготовлении деталей из суперсплавов непрерывно играет ведущую роль.

Параллельно шло развитие систем иа никелевой основе, очень важных, многоцелевых и в иастоащее время наиболее упогребительнык сплавов, упрочнаемых выделениями 2'ьйюзы в 2'-матрице. При этом пришлось разработать технологию с применением вакуумной металлургии, чтобы путем регулирования концентрации примесей можно было обеспечить достаточную прочность "высоколегированным" композициям. Затем еше большик концентраций легирующих элементов как средства дальнейшего повышенна запасов прочности и температуры достигли созданием особых способов переплава, из которых -вакуумно-дуговой переплав не являетса самым выдающимся.

Для этих достижений потребовались независимые усилия со стороны исследовательских групп и групп разработчиков, которые продемонстрировали и оценили роль состава и структуры сплавов, реализовали преимущества чистоты, ранее считавшейся недостижимой, создали усовершенствованные методы для иовык изменений состава и структуры, обеспечивающих решение конкретных проблем. В конечном счете зто привело к таким удивительным разработкам, как направленно закрисгаллнзоваиные и моиокрисгаллические лопатки, из которых последние лишь совсем недавно нашли применение в реальных двигателях.

На протяжении всего периода времени, потраченного на упомянутые разработки, металлурги, разработчики и производственники сознавали, что в конечном счете сплавы на никелевой и кобальтовой основах придется заменить системами с более высокрй температурой плаяления, т.е. на. основе тугоплавких металлов. Подобное мнение неудивительно, если помнить о тенденции к снижению температуры плавления сплавов как следствии роста степени легирования, да еше в условиях, когда сплавы используются при температурак, составляюшик все большую долю от ик собственной температуры плавления! Основные попытки сначала были предприняты в отношении сплавов Мо и ХЬ. Они не принесли успека применительно к заданным для этих сплавов рабочим температурам и долговечностям, однако сохранвли надежду на благоприятные результаты при температурах несколько выше 1100 оС при условии, что будут найдены подкодящие 12 ПроФессор материало- и машиноведения а Массачусетском текнологическом институте Николас Дж.Грант защитные покрытиа.

д тиа. В альнейшем достигли нревоскоднык значений прочности и ож ае мого разра алн ряд е бог перспективных покрытий, но ие смогли реализовать ожнд е о о хо их по сиоей п ивня долговечности. Позднее в качестве наиболее подходящих п руровня дол о ч роде рассматривали спланы на основе Сг, котор е ы в конечном счете тоже не принесли успека из-эа чрезмерно высокой хрупкости. Следует так:ке упомянуть ранние эксперименты с керамикометаллическими материалами и серию разра с ию з боток этого "керамического" периода, начиная с 1950 . И, ругие привели к созданию интересных монолитных конструка не моций. Однако на цракгике ни одна из приемлемык конструкпий этого род гла конкурировать с сунерсплавом, аустенитные суперсплавы сохранали свое превосходство.