симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 2), страница 59

Свойства в попереннои направлении и конструкция рабочих лопаток турбин. Свойства эвтектических сплавов вдоль оси, перпендикулярной направлению преимущественной ориентации структуры, такие как прочность на сдвиг, поперечная прочность и пластичность, могут стать главным фактором, ограничивающим сферу применения таких композитов. Сдвиговые механические характеристики играют важную роль при выборе конструкции хвостовика турбинных лопаток, тогда как прочность на поперечное растяжение и длительная прочность материала могут влиять на термоусталостную долговечность самих лопастей турбинных лопаток.

Суперсплавы, армированные проволока.ии Значительные усилия были потрачены на разработку супер- сплавов, армированных керамическими или металлическими нитями. Армирующий материал должен быть жестким, прочным и стабильным. Керамические волокна обладают всеми этими свойствами и, кроме того, прекрасным сопротивлением окислению и коррозии и низкой плотностью. К сожалению, супер- сплавы, армированные керамическими волокнами, подвержены разъеданию непосредственно в местах прямого контакта с поверхностью волокон, а вследствие несоответствия коэффициентов термического расширения керамических волокон и металлической матрицы их прочность не соответствует ожидаемой.

Применениб тугоплавких металлических волокон, главным образом на вольфрамовой основе, привело к лучшим результатам из-за их способности компенсировать термонапряжения, вызываемые различием коэффициентов термического расширения, за счет пластической деформации.

Супер- сплавы, армированные волокнами из вольфрамовых сплавов, на практике показали значительно более высокое термоусталостное сопротивление при быстром термоциклировании до 1100 еС, чем обычные суперсплавы [31]. Характеристики 303 Группа Ч! Группа Ч Свойства Мо ЧГ ММ-256 ЫЬ Та рис.19.6. Длительная прочность бэш некоторых композитных суперсплавов (армированных волокнами 1Ч-Н(С) прн 1100 оС (32, 33); числа — % (по обьему) 1315 8,44 Ж96 2610 3410 16,6 10,2 19,3 6,7 5,8 4,6 140 0,095 Ю5 0,16 0,28 0,30 0,036 0,061 0,032 185 325 400 и Юппшпмпле суперспппди Точка плавления 1350 1ДЭО Сплавы Механические свойства бв/пРедел полэтчести усгалостная прочность Хорошаа Очень Очень Хорошая хорошаа хорошая Плохая Плохая Пренос- ходная 19.3, Тугоплавкие металлы Прием лемая Технологичносгь Формуемссть Плохаа Хорошав Хорошая Хорошая Затруд иена Хорошаа Хорошая Затруд- нена Прием- лемая Очень плохая Сварнваемость длительной прочности ряда суперсплавов, армированных проволоками, приведены на рис.

19.6 [32, 33[. Проволоки эЧ вЂ” Н(С выделяются как наиболее эффективно упрочняющий никелевые сплавы материал. Среди других рассматриваемых в настоящее время комбинаций суперсплав — армирующее волокно следует отметить сплав МАК-М 200 с покрытыми Н()э) волокнами вольфрама и систему геСгАИ с ЙС волокнами. Свойства тугоплавкнх металлов, обладающих структурой о.ц.к. и относящихся к группам Ча (Та и )чЬ) и Ч1а (Мо и 'эЧ), сведены в табл. 19.4 [34[.

Принято считать, что эти элементы, обладающие температурой плавления >2200 С, широко распространены и общедоступны. Температура их плавления выше, чем у железа, никеля, кобальта и их сплавов, а при температурах ниже точки плавления они не претерпевают никаких фазовых превращений. Тем не менее при разработке термостойких сплавов повышенной прочности, пригодных для работы в воздушной среде, пришлось столкнуться с целым рядом ярко выраженных пороков: неплотноупакованная структура о.ц.к.' (исключающая высокое сопротивление ползучести, несмотря на высокую температуру плавления этих металлов), отсутствие низкотемпературной пластичности у металлов группы Ч1а, решительное отсутствие противо- 1 В оригинале — "орел ВСС эггисгиге".

Прим. перса 304 Т а б л и и а 19.4. Сравнение свойств вшсоторых тутовлааквх маталлов в ая сплавов Чистые металлы Темпер ур ения 'С 2468 Плотность (25 "С), г/смз 8,6 КоэФФнпиент термического расширения (600ЬС), 10 е/оС 8,3 Теплопроводность ЙООоС), кал/смэ'с, оС-см 0,15 Удельная теплоемкость,кал/г'оС 0065 Модуль нормальной упругости, ГПа 97 Температура рекрисгаллиэапии (приблизительно), оС 1158 Низкий Низкий Очень Очень Очень высокий высокий нысокнй Хорошая Хорошаа Хорошаа Хорошая Очень высокая сО <О ВО ЪО Точка плавлениа Температура вязко-хруп перехода (при изгибе), оС Химические свойства Совместимость (смешиваемость) Хорошая с видким металлом Взаимодействие меиду газом Прием- а металлом лемав Свойства указаны вплоть до температуры плавления.

окислительной стойкости у всех перечисленных тугоплавких металлов и их значительно более высокая плотность (за исключением ниобия) по сравнению с плотностью суперсплавов. В период 1950-1960-х гг. были предприняты очень большие усилия с целью преодолеть эти трудности и создать новый класс "суперсплавов", однако с достаточно скромными результатами.

Главной неразрешенной проблемой оставалось обеспечение поверхностной стойкости и решение проблемы поверхностного загрязнения материалов. Несколько выделялись в этом отношении сплавы на основе ниобия с покрытия- 305 ми на основе системы Вг-Т1-А1, они образуют сплошную оксидную пленку и поэтому сулили возможность обеспечения устойчивой поверхности. (В гл.20 описано одно из применений Щ сплавов в конструкции планера летательных аппаратов). Таким образом, в основном внимание, которое привлекают к себе эти сплавы (за исключением ниобиевых), не сосредоточивали на их использовании в воздушно-реактивных устройствах. Основная область применения — элементы конструкций высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов и термоядерных реакторов в космических аппаратах с ядерными источниками энергии, в электрических термопарных и других устройствах; в указанных отраслях производства хорошо известна ведущая роль вольфрама как материала для нитей накаливания ламп и тантала как материала лля конденсаторов.

Однако за 20 лет, прошедших с "Кампании 60-х", специалисты по физическому металловедению многому научились. Процессы обработки металлов, особенно суперсплавов, претерпели поистине грандиозное развитие. Тем не менее в настоящее время возможности суперсплавов приближаются к пределу, по крайней мере, температурному.

Следовательно, тугоплавкие металлы вновь рассматриваются в качестве кандидатных материалов для турбин или других воздушно- реактивных установок с надеждой, что новые достижения в области металлургических процессов и технологии обработки смогут придать таким материалам необходимые служебные качества.

Свойства и прииенение сплавов Молибден. Молибден наиболее доступен и применяют его в широких масштабах. Основанием для такой популярности служит высокая температура плавления, высокая. прочность и жесткость, хорошая теплопроводность и коррозионная стойкость в неокислительных средах. В табл.19.5 приведены группы известных сплавов на основе тугоплавких металлов. Характерный прелставитель молибденовых сплавов — сплав ТЕМ. Он потребовался для изготовления литейных стержней и вставок при литье под давлением стали, алюминия, цинка и меди. Применяют его и как инструментальный материал для горячей обработки давлением.

Штампы из сплава Те.М применяют при изотермической штамповке (ковке) в процессе, из- 306 Марка сплава Номинельное количеспо рестворнемык элементов, % (по массе) Ниобиевые сплавы 1,0гл — 0,005С 30%Г, 1хг, 0,06С 28вг, 2Н1, 0,067С 28Те 10% юг 0004С 10%', 10Н1, 0,2г', 0,015С 10НС 1,0Тг, 0,7хг, 0,15С Тннтеловые сплавы 8чг, 2Н1 10ЦГ, 2,5Н1, 0,01С 8%г, 1,0НС 1,0Ке, 0,025С ВольФрамовые сплавы 2,0ТЬО 25Ке зке Молибденовые сплавы 12Т| 025дг 015С 0,5Тг 01Хг 002С 50Ке 1ЗКе СЬ-юг СЫ В88 г885 С129 г' С-103 Т-111 Т-222 АБТАК 811С ТЬоггесее цг цг-Ке згэ ТЕС Тг.М Мо-Ке Мо — 13Ке вестном под названием Оагог12йгх; процесс разработан фирмой "пратт энд Уитней эйркрафт" (Ргап апг1 %шггпеу Аггсгай") для штамповки крупных турбинных дисков.

С недавних пор сплав стали применять для изготовления клапанов и заглушек горячих газовых систем. Лопатки из молибденового сплава применены в турбинах ядерных установок: применение оказалось удачным в натриевых парах и неудачным в высокотемпературном реакторе с газовым охлаждением; в последнем случае происходило охрупчивание лопаток в результате науглероживания.

Сплав ТУМ рассчитан на твердорастворное упрочнение небольшими количествами циркония, титана и углерода, дисперсное упрочнение выделениями сложных Мо-Т1-Хг карбидов и на деформационное упрочнение (наклеп). Предел прочности сплава ТУМ вплоть до 1400 оС значительно выше, чем у других промышленных сплавов на основе молибдена; по своей удельной прочности он очень неплохо выглядит среди других тугоплавких металлов (рис, 19.7) [35[.' Сплав можно изготавливать методами вакуумной электродуговой плавки или порошковой металлургии.

Т е б л и н е 19.5. Хпмвчеспвд состав предстввнтельиык сплавов вв основе тутоплввкпк металлов Подобный рассмотренному выше молибденовый сплав ТУС также обладает хорошей длительной прочностью при повышенных температурах. Чтобы избежать растрескивания, свойственного отливкам после вакуумной дуговой выплавки, прибегают к консолидированию изделий в рамках технологических уг Рис.19.7.