симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 1), страница 4

Мвогие суперсплавы [аозмозсно, 15 — 20% вз ник) разработаны для использования в качестве коррозионно-стойких материалов. Настоящая княга посвящена главным образом рассмотрению вопросов, касающихся высокотемпературного применения суперсплааов. Но значительную часть приводимых в ней сведений моюю отнести в к проблемам зксплуатацви в коррознонных средах. Коротко зтн сведенвя будут рассмотрены няже. В данной главе сделана попытка рассказать историю суперсплааов.

Часть разделов посвящена полезному в техническом и научном отношении анализу излагаемых в хронологическом порядке сведенвй о поведении суперсплапов в особенностяк их изготовления. В том чвсле дана оценка важным факторам, касающимся собственности н других внешних сторон проблемы, игравшим побудительную роль прв создании этих необычных и действительно ключевых материалов. В этой глене дано некоторое представление еб экономике н применении супер- сплавов, но главное ее предназначение в том, чтобы послужить введенвем в фоном для последующих глав. 16 Всю свою историю люди прилумывали и создавали для собственных нужд различные механические устройства. Сотни лет назад, может быть с первыми практическими сведениями о мозци восходящего теплого воздуха (рис.

1.1,а), стало очевилно, что рост полезного действия устройства связан с использованием повышенных температур. В лальнейшем этот вывод, уже обоснованный термодинамически, привел к брайтоновскому циклу- важнейшей физической доктрине, согласно которой более высокие рабочие температуры (вкупе с более низкими температурами теплоотводной среды) обеспечивают более эффективное действие устройства (см.гл.2). чз) [ а Ф а, Рис.1.1. К пронсхождешпе газотурбинного двигателя: а — первая газоная турбина, которую можно использовать в домашних условиях; заимствовано из сочинения епископа Гпббонса "Математическое волшебство", 1б43 г. [7]; 6 — ротор первой удачной промышленной газовой турбины, конструкция Згидиуса Зллннга [т] Брайтоновскую концепцию реализовали в ротационных двигателях, и в Х1Х в.

начали появляться относительно совершенные паровые турбины. В начале ХХв. в Европе в качестве энергетических установок использовали газовые турбины. Первая успешно примененная турбина сконструирована норвежцем Эгидиусом Эллингом [2]. С наступлением ХХ в. изобретательное человечество быстро прогрессировало, создав бензиновый двигатель и осуществив полет на пропеллерной тяге по существу параллельно с разработкой турбинных двигателей.

В первые десять лет работы над созданием двигателя по- няли, что аэропланам требуется устройство, повышающее давление подачи топливно-воздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания, поскольку давление атмосферного воздуха понижено на высотах, где летит аэроплан. Работа проводилась в Ввропе и Соединенных Штатах. Одно из усилий, предпринятых Стэмфордом Моссом из Корнельского университета совместно с фирмой "Дженерал электрик" и армией США, увенчалось созданием самолетного двигателя с турбонаддувом, Зто нововведение ускорило деятельность по непрерывному совершенствованию металлических сплавов и по существу выдвинуло разработку и создание высокотемпературных металлических материалов в США на ведушее место в мире. Вслед за этим возник технологический феномен чрезвычайной важности.

Прогресс в аэродинамической теории привел к изменениям в мышлении конструкторов Англии, Германии и Италии. Они уяснили, что из-за вихревого соцротивления на две трети снижается мощность самолета, летающего на обычной тяге, применили к осевым компрессорам и турбинам прандтлеву теорию крыла ("несушей плоскости") с ее концепцией подъемной силы и поняли, что сверхзвуковые реакции на кончиках пропеллеров не позволят аэропланам двигаться намного быстрее б50 км/ч. В совокупности эти три фактора привели к технологической парадигме — концепции самолета с реактивным двигателем.

И это была не эволюция, а революция. Понятие "реактивный самолет" заняло свое место в общественном сознании вместе с полетом, совершенным в 1937 г. на самолете фирмы "Хейнкель" с турбинным двигателем Ганса фон Охайна в Германии, а также — независимо от этой разработки — полетом на самолете с двигателем Уиттля в 1939г. в Англии.

Ряд ключевых собьпий из истории этого процесса представлен на рис.1.2 ~7]. С появлением новой технологии конструкторам стало ясно, что дальнейший прогресс произойдет с переходом к еще более высоким температурам и что для выполнения необходимых работ потребуются новые материалы. С тех пор огромное значение от прогресса в области реактивной тяги и создания промышленных газовых турбин приобрела развивающаяся технология машиностроения. Самым решительным образом этот прогресс зависел и от работоспособности жаропрочного сплава. Область технологических разработок, тре- бующих создания высоконадежных суперсплавов, определяется конструкцией газотурбинного двигателя и включает его диски, лопасти (или лопатки'), камеры сгорания и многие другие детали (см.

гл.2 и рис.1.9), Металл Металлургия развивалась от века меди и железа до эпохи более прочных и коррозионно-стойких сплавов. В период 1910-1915 годов были "открыты" и разработаны нержавеющие аустенитные стали. Существенно при этом, что гамма-решетка (г.ц.к.) аустенитной нержавеющей стали явилась фактически той надежной основой, на которой возникли и развивались суперсплавы. Правда, в те времена разработка сплавов для турбонагнетателя шла традиционно, путем упрочнения ферритных сталей. В 1929 г.

Бедфорд и Пиллинг (Вег!]гргг1, Р2Псл8) и фактически одновременно Мерика (лгеггса) добавили небольшое количество Т! и А! в известный к тому времени Сг — !»у! сплав 80/20 (г.ц,к.). Получили значительный прирост сопротивления ползучести, и, таким образом, появление суперсплавов случайно совпало по времени с парадигмой реактивного двигателя [8]. Вслед за этим в Англии, Соединенных Штатах и Германии здисоновские опыты успешно завершились созданием прочных сплавов, построенных из твердого раствора хрома в никеле Ь-фаза) с аустенитной структурой, карбидов и мелкодисперсных частиц фазы, выделяющейся в процессе старения. Однако даже спустя почти десять лет когерентные выделения уг'-фазы, этой жизненно важной фазы с решеткой г.ц.к., еще не были обнаружены прямым наблюдением [9].

Одновременно на конкурентной основе разрабатывали аустенитные карбидоупрочняемые сплавы на основе Со, поскольку из них легче было получить отливки сложной формы. Параллельные технологические разработки, связанные с развитием реактивного двигателя, требовали все более прочных аустенитных сплавов, ибо стало ясно, что потенциальные возможности двигателя этого нового типа беспредельны. В англоюычной литературе ик называют малев применительно к самолетным двигателям и Ьисгсего применительно к промышленным турбииам. гури«алерое. 20 С начала 1940-х гг.

и второй мировой войны история суперсплавов складывалась из все более новых усовершенствований путем создания новых композиций и процессов производства. Сначала в течение длительного времени создавали тяговые реактивные двигатели для военных целей. Но в дальнейшем энергетические и транспортные предприятия все более нуждались в газовых турбинах для электростанций, газопроводных насосов и других приводных устройств. При создании подобных турбин нередко требовались супер- сплавы с различными характеристиками. По существу в пятидесятых и шестидесятых годах нашего века разработка суперсплавов приобрела характер взрыва, так же как и развитие процессов их производства в семидесятых и восьмидесятых.

Историю этих разработок творили люди и компании преимущественно в США и Англии. На рис. 1.3 [7] приведены имена наиболее выдающихся разработчиков и компаний, занятых производством суперсплавов (для иллюстрации при каждом имени указано по крайней мере три марки суперсплавов, разработанных данным лицом и нашедших промышленное применение). я сил кр егг г„ ир р ьрр гр кейс.»осаеи вме и и еле епе»Б ее«свои плеоепсУ и коаТ» 1ь а р е л Ятк пммром», 1«сепе1 ео»гекьгг»вгаов ь-»ооо ьма»л рилгео» и рмек „е, а -к. -прю-г л ЬЕЕ»5 ЬЕЕ 05.27 ММ 2»Ь Мм.г»7 ММ"002МММВ» Мм ООЕ ММ-007 ММ" СЯ к»м Бор 1«сопе1-к 1«оапек-роо магоугпу весен ш.ряс ги-кос пмог ш-ки шгл ш-геегн-702 Ррл 7 к-ра ьм-ьог ьм-иг г-сс угоьроксу Мм-гса »Р1-52 мм-г»7 г р и х г л-гво ь-ма ь-вп мм-ьгг мм-ьоь мм-»г» мм-аре к Апеаиепу Апыол саппоп-мансури сагрепгег сус!ора уепега111естмс иаупее ьгеп17е икпгыутол 1исо аеморь кгарр мап1п рпл еоес101 мета1в твж нееялуислре рмурп и-вок-Бо гн-к 5-вы еаьмеот 7»ос ми мосе»оооаю шрьв и";щ омаг и л»»вс 7РУ»7 гуо"27 71727 Рис.1.3.

Страны, компании и специалисты, сыгравшие ведущую роль в разработке суперспланов [7! 1.2. Развитие технологии Хи4бический состав Процедура получения права собственности на суперсплавы и на использование суперсплавов заключается главным образом в приобретении патента на их химический состав. Последний является сердцевиной технической спецификации — физической и юридической заявкой на данное твердое вещество. На рис.1.4 показаны тенденции изменений в химическом составе на протяжении длительного времени. Поскольку состав очень сложен, содержание элементов дано не в точном масштабе (соответствие 100% не выполняется), а лишь в наглядном отражении количественных тенденций. До начала 1930сх годов сплавы создавали только на основе Ре или [ч[[, добавляя в них значительное количество Сг, чтобы обеспечить достаточную стойкость против окисления.

Небольшие добавки А[, Тб и/или [5[Ь порождали когерентную фазу 2', отличающуюся хорошим сопротивлением ползучести. В некоторых случаях возникали и скрытые охрупчивающие агенты, вроде колоний М„С,. На этом этапе были созданы сплавы Вех 78, К42В, [ч[бшопк 75 и 80, 1псоце[ Х. ВВВВГррр ц79 Р9ВР ааркббббб нбб 555 аир Рисця. Качественное сравнение тенденнив в изменении химического состава суперсплавов (схема) [7[ Можно видеть, что в 1930-х годах использовать Рс в качестве основы сплавов в основном перестали и предпочли ему Кб и Со, ибо последние обеспечивали стабильную и более прочную г.ц.к.

матрицу. В 1960-х стало ясно, что Сг- 22 главный элемент, обеспечивающий системе стойкость к окислению, мешает повышению ее прочности, Однако неосторожное чрезмерное снижение содержания хрома порождало проблемы "горячей коррозии" (например, применительно к сплаву 1псо-713С) и заставляло относиться к использованию этого элемента более взвешенно (пример — сплав 1[ч-738). Добавки А[, ТВ и [ч[Ь, предназначенные для образования у'-фазы, конечно, никогда не вводили в чрезмерных количествах.

В противном случае за счет различных механизмов могли возникнуть затруднения структурного характера. Роль алюминия заключается главным образом в образовании у'-фазы, а способность к образованию защитных оксидов делает его наиболее важным из этих трех элементов, В конце 1940-х гг. обнаружили (впервые — на сплаве М-252), что добавки Мо обеспечивают существенное дополнительное твердорастворное и карбидное упрочнение. А вскоре для этой цели стали применять и другие тугоплавкие элементы: %, )чЬ, Та, и в наши дни — Ве. В сложном наборе реакций с 2'-фазой, карбидами и матрицей участвует НГ. С углеродом, конечно, всегда были сложности.