симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 2), страница 63

Тугоплаекие лееталлы, за исключением ниобиевых сплавов явно неконкурентоспособны из-за высокой плотности и не достаточной поверхностной стабильности, что было неодно кратно подтверждено за более чем 40-летний период их изу чения. Эти недостатки невозможно скомпенсировать даж очень высокой температурой плавления. В то же время туго плавкие соединения в виде отдельных фаз могут входить состав упрочняемых волокнами композитов.

Потенциальные возможности кералшки и хера.иичеслц комлозцгов оценить труднее всего. По прочности, плотнос ти, поверхностной стабильности, доступности и стоимост они привлекают очень большой интерес. Более того, появление простых или композиционных высокопрочных и термостойких керамических конструкционных материалов позволило бы сушественно повысить рабочую температуру устройств и агрегатов. Однако для реализации считавшихся ранее недопустимыми режимов работы необходимо за счет нетрадиционных решений конструкции механических узлов и разработки новых технологических процессов получения материалов нейтрализовать природную хрупкость керамик. Пока после более чем десятилетних интенсивных поисков адекватного решения для монолитных керамик не найдено.

В связи с этим вырос интерес к керамическим композиционным материалам, обладающим боле высокой ударной вязкостью. По-видимому, такие композиты конце концов найдут практическое применение в качеств материалов для несуших конструкций. Углерод-углеродные композиционные материалы, которы способны сохранять приемлемую прочность практически д 2200оС, имеют, к сожалению, слишком низкую поверхностну стабильность, что снижает их надежность. Это накладывает ограничения либо на время эксплуатации деталей из УУК, либо на их максимально допустимую рабочую температуру. Таким образом, в заключение можно сказать, что после 324 значительных усилий по разработке новых материалов супер- сплавы начинают испытывать некоторую, еше ограниченную конкуренцию со стороны пока еше немногочисленных "альтернативных" материалов.

В то же время тот факт, что супер- сплавы сохраняют уникальный комплекс своих свойств до 1200 С позволяет им пока достаточно легко отражать натиск конкурентов в таких традиционных областях применения как, например, турбостроение, Тем не менее очевидно, что ресурсы повышения рабочей температуры суперсплавов уже почти исчерпаны и они работают на пределе своих возможностей. Дальнейшее повышение эффективности газовых турбин и улучшение их рабочих параметров неминуемо заставит интенсифицировать работы по преодолению явных недостатков альтернативных материалов, отмеченных выше. Эта же проблема обсуждается и в следующей главе.

Глава 20. БУДУ ШЕЕ СУПЕРСПЛАВОВ Дж.С,Хоппин П1 и У.П.Дейнези (Сг.Б.Норрт 1И алИ Иг.Р.Рапег1, Сааггетт ТцгЬ|яе Епйгпе Сотрапу, РЬоелгх, Апхопа) Когда 14 лет назад'был написан первый вариант этой главы, то там некоторые технологические процессы рассматривались как многообещающие при условии проведения дополнительных исследований. С того времени был достигнут значительный прогресс в области разработки новых технологий и материалов, среди которых следует отметить: 1) создание оверлейных и теплозашитных покрытий для суперсплавов разного типа, работаюших в различных условиях; 2) создание литейных и деформируемых материалов с регулируемым размером зерна для турбинных дисков; 3) разработку специальных сплавов для получения монокристаллических отливок; 4) разработку процесса крупносерийного литья для изготовления из суперсплавов дисков для турбонагнетателей; 5) разработку стандарта по контролю за содержанием вредных примесных элементов.

В то же время это предсказание, как и многие другие, частично не оправдалось и некоторые пер- 1 Книга вышла в нзлагельсгве Ыоэп %яеу аад $опа, 1пе.' а 1987 г. Прима ред. иад-еа. 325 спективные тех нологии, связанные с применением в двигателях эвтектических сплавов, тугоплавких сплавов и керамических мате иалов та р, ак и не были внедрены в производство, хотя по каждой из них и проводились соответствующие азработки. Из ма териалов этих трех классов наиболее отрабо- разтана технология име е пр пения керамики.

Эвтектические сплавы также являются вполне подходяшим ма материалом для двигате- . лей, но они все еше слишком дороги. Несмотря на все р достигнутые успехи, материаловеды должны непрерывно решать сложную залачу модернизации и создания новых материалов и технологий й в ответ на ужесточеых и удуших двигание требований к материалам современных и б В пассажирских широкофюзеляжных аэробусах в настояшее время применяются реактивные двигател и второго поколения, такие как Рэт2037 (Ргац апд %ЛКвеу), Бг4ЕСа4А СРМ5б (Оелега1 Е1есгпс) и КВ211-535Е4 (КоНа-Коусе).

Эти двигатели работают при температуре на входе турбины на 280оС выше, чем в двигателях того же же класса, созданных в семидесятые годы, а рабочая температура турбинных лопаток, изготовленных из суперсплавов, повышена 140оС ~ ]. на 11ь За счет применения более качественных матери б р алов ыло достигнуто и улучшение рабочих характеристик последних моделей мошных реактивных двигателей ОЕ Р404 и Р%1120 для аме иканских военных с самолетов. Как и в аналогичных двигателях предыдущего поколения более 50% их в е их веса приходится на суперсплавы. В настоя ее ш время суперсплавы, применяемые в мощных двигателях, используются и в ТРЕ731 реактивных двигателях фирмы "Оаггей", Р%100 т б тур овинтовых двигателях фирмы "Рга11 ацо' %Лйпеу о1 С апа а" и вертолетных двигателях модели 250 фирмы "АГз ".

Р )зоп". есурс современных газотурбинных авиационных двигателей б ", от не ольших до самых мощных, доведен до наработки 3000-10000 ч до капитального ремонта. основнои и самой Авиационные двигатели всегда были основ престижной сферой применения суперсплавов. Однако суперур ин других типов, таких сплавы крайне необходимы и для ту бин как турбины обшего назначения для электростанций и механического привода топ и л вные турбонасосы лля жидкостных ракетных двигателей, например, главных тяговых двигателей 32б космических кораблей многоразового о использования, стар- товые силовые агрегаты (ССА), двигатели для неуправляемых ракет, транспортные турбины и автомобильные турбонагнетатели. Для надежной работы в неблагоприятных условиях, часто в агрессивных средах, как, например, на морских нефтяных платформах, требуются специальные турбины с ресурсом более 100000 ч, способные работать на самых разных вилах топлива.

Применение таких мощных газовых турбин вместе с паровыми турбинами в режиме комбинированных циклов позволило значительно повысить полный тепловой к.п.л. центральных электростанций. В настояшее время подобные парогазовые системы получили широкое распространение. Газовые турбины такого типа применяются и на угольных электростанциях, работаюших при прямом сжигании угля в кипяшем слое.

Стартовые силовые агрегаты широко применяются для обеспечения электричеством и сжатым воздухом взлетающих самолетов, а также для кондиционирования воздуха. Они должны быть надежными и долговечными; рабочая температура в них, как правило, ниже, чем в современных авиационных двигателях. Модификация двигателей для неуправляемых ракет была направлена на удовлетворение двух противоречащих друг другу требований: низкая стоимость и высокая надежность конструкции. Транспортные турбины первоначально предназначались для практически неограниченного рынка грузовых и легковых автомобилей, однако из-за непредвиденного ранее улучшения к.п.д.

дизельных и бензиновых двигателей этот рынок сбыта турбин еше не сформировался. Но появился другой, стимулировавший разработку транспортных турбин для военных гусеничных машин, таких, например, как американский танк М1, в котором в качестве энергоустановки используется турбина Еусошшй АОТ 1500. Существует также обширный рынок автомобильных турбонагнетателей, наиболее емкий по стоимости всех используемых в турбннах суперсплавов. Из-за больших различий в режимах работы и коррозионных условий в турбинах разного типа требования к деталям нз суперсплавов также могут значительно различаться.

В число этих требований входят: максимальное сопротивление ползу- чести рабочих и направляющих лопачок (лопастей) турбин, максимальная стойкость лопастей лопаток к окислению, ма- 327 ксимальная коррозионная стойкость лопастей, длительная фазовая и структурная стабильность, высокая (более 10000 циклов) или незначительная (менее 100 циклов) циклическая долговечность дисков, высокая прочность на растяжение для дисков, минимальная скорость роста трещин в дисках, минимальная стоимость деталей и максимальное сопротивление термомеханической усталости.

Так как многие из этих требований несовместимы между собой, то для удовлетворения всех специфических требований детали для турбин разных классов необходимо изготавливать из разных суперсплавов с применением различных покрытий и технологических приемов. Будущее суперсплавов связано с созданием материалов, отвечающих всем этим требованиям. 20.1 Разработка сплавов Уже беглый взгляд на проблему позволяет составить представление о перспективах применения суперсплавов в будущем. По единственному параметру, характеризующему жаропрочность, на рис. 20.1 показан прогресс в области разработки деформируемых и литейных суперсплавов для рабочих и направляющих лопаток турбин, достигнутый за последние турбин. Сплавы, располагающиеся на верхней кривой, имеют более высокую жаропрочносттч но, как правило, плохое сопротивление горячей коррозии, тогда как менее прочные сплавы нижнего семейства обладают достаточно высокой стойкостью в условиях горячей коррозии.

Появление этих двух семейств в результате все более значительного легирования сплавов заставляет делать выбор между высокой прочностью и металлургической стабильностью в сплавах с низким содержанием хрома (8-12%) или хорошей коррозионной стойкостью и стабильностью в сплавах с высоким (14-16%) содержанием хрома. На рис.20.2 представлен другой способ рассмотрения тех же, что и на рис.20.1„данных, разработанный в последние годы. Четко выделяются три этапа в развитии суперсплавов: сплавы невысокой прочности, производимые плавкой на воздухе в период сороковых-пятидесятых годов, более прочные сплавы, производимые вакуумной плавкой, достигшие своего предела на рубеже семидесятых годов, и современные высокопрочные сплавы, отличающиеся анизотропией макроструктуры и свойств. 07 голы.