симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 2), страница 66

На рис.20.3 показано поперечное сечение литого радиального ротора турбины для стартового силового агрегата. Формирование однородной мелкозернистой структуры обеспечивалось методом потряхивания тигля с остывающей отливкой, что вызывало фрагментирование растущих дендритов и образование большого числа зародышей, как описано в гл.15. Основное преимушество мелкозернистых отливок заключается в пятикратном по сравнению с крупнозернистыми отливками, остываюшими в статических условиях, возрастании долговечности при малоцикловой усталости.

Процесс изготовления деталей путем диффузионного соединения методом ГИП разнородных составных частей также имеет хорошие перспективы. Ротор турбины, поперечное сечение которого показано в верхней части рис.20.4, состоит из литого кольца с рабочими лопатками из сплава с высоким сопротивлением ползучести, соединенного с диском из мелкозернистого высокопрочного сплава, изготовленного методами порошковой металлургии. Фотография в нижней части рис.20.4 показывает крупным планом место соединения этих двух снлавов.

Такой способ первоначально применялся лишь для изготовления роторов небольших газовых турбин, однако изучалась и возможность его использования для изготовления очень больших турбинных лопаток, в которых лопасти сделаны из одного сплава, а комель лопатки и крепеж-из другого. Таким образом, следует ожидать, что такого рода технология найдет широкое применение при изготовлении деталей из суперсплавов самых разных размеров. 20.9. Конкурирующие системы материалов р со, но се.З. Малкоэсрннссаа отаннка раннального ласка п,нмансннам карама 338 Различные системы материалов, способные составить конкуренцию суперсплавам, описаны в гл.19. Основными конкурентами являются интерметаллидные соединения„композиционные материалы системы углерод-углерод и металл-матрица, тугоплавкие металлы и керамика. Иитериеталлидиые соединения В последние годы были активно продолжены исследования сплавов на основе интерметаллидных соединений типа Т(,А! [15!, Т!А! и !Ч(,А! (161.

Системы Т1,А! и Т!А! могут составить конкуренцию суперсплавам в области температур 600- 815оС, а Кй А! сплавы конкурентоспособны до 1100 С. В настоящее время представляется, что с точки зрения разра- боткн машиностроительных материалов для газовых турбин 339 Рио20.4. Биметаллический турбинный диск, изготовленный с помошьв диффузионной сварки. Вверху— поперечный разрез диска в целом.

Внизу место соеднненна литого обруча, несущего турбинные лопатки, с мелкозернистой порошковой ступицей самого разного назначения наилучшие перспективы имеют сплавы на основе ТззАБ Другие системы более далеки от инженерного применения, однако их исследования необходимо продолжить из-за потенциальной возможности снижения массы и стоимости деталей.

Углерод-углеродные коллозиционные лагериалы Композиционные материалы из сплетенных углеродных воло- РУ кон, подвергнутые пиролизу после пропитки смолой или д гим углеродосодержашим наполнителем, получили известность под названием углерод-углеродные коллозиционные лиггериалы ~УУКле). Покрытые карбидом кремния ЯС и пропитанные стеклом УУКМ с успехом применялись для изготовления носового обтекателя и передних кромок плоскостей космического корабля многоразового использования типа "Спейс Шатл." Эти 340 элементы конструкции во время возвращения корабля с земной орбиты подвергаются кратковременному, но очень интенсивному тепловому воздействию и испытывают сильный локальный перегрев.

Так как углерод имеет плотность около 1/5 от плотности суперсплавов и сохраняет конструкционную прочность до температур > 2200оС, то возможность использования УУКМ с покрытиями в газовых турбинах представляется очень привлекательной. Так же как и для тугоплавких металлов, главной проблемой здесь является защита материала от окисления при температурах > 425оС. Возможности применения УУКМ с покрытиями полностью определяются современным уровнем развития технологии нанесения покрытий, так же как и в обсужденном выше случае тугоплавких металлов. В настоящее время ведутся активные исследовательские работы по применению УУКМ с покрытиями в газовых турбинах' военного назначения.

Будущее покажет, насколько успешными окажутся эти попытки. Тугоплавкие иггаллы Прикладное значение имеют сплавы четырех тугоплавких металлов: молибдена, вольфрама, тантала и ниобия. Наиболее интенсивно работы по разработке сплавов на основе этих элементов проводились в период с 1950 по 1965 г. Именно тогда были разработаны многие промышленные сплавы молибдена, ниобия и тантала. Слабым местом этих сплавов было и до сих пор остается недостаточно высокое сопротивление окислению, что, в свою очередь, стимулировало разработку систем зашитных покрьпий для этих сплавов.

Вольфрам, молибден и их сплавы имеют достаточно высокую температуру вязко-хрупкого перехода, однако этот недостаток можно преодолеть с помощью соответствуюшей механической обработки, понижающей температуру перехода до приемлемых значений. Конструкционные сплавы ниобия и тантала нашли применение в жидко- и твердотопливных ракетных двигателях. В этом случае недостаточная стойкость сплавов к окислению не имеет особого значения, так как они подвергаются лишь относительно кратковременному воздействию высоких температур и происходит это, как правило, на большой высоте, где парциальное давление кислорода очень мало.

Ниобиевые сплавы нашли применение главным образом в газотурбинных двигателях военного назначения, в которых в 341 течение уже нескольких лет выпускные створки регулируемого сопла изготавливаются из ниобиевого сплава С-103 (паспортный состав ХЬ - 10%Ну - 1%Т1) с покрытием из наплавленного силицида. Ведутся работы по созданию ниобиевых сплавов с гораздо более высоким сопротивлением окислению, чем у С-103. Весьма вероятно, что ниобиевые сплавы с покрытиями в будушем найдут применение в тех особых случаях, когда локальная температура детали превышает температуру плавления суперсплавов, а ее воздушное охлаждение невозможно. Экспериментальные роторы турбин из кованого молибденового сплава ТУМ с силицидным покрытием с успехом проработали в небольшом турбореактивном демонстрационном двигателе фирмы "ээг1П1ашэ 1дгегпайопа1" в течение 7 ч при температуре газа 1343ОС !171.

Молибденовые сплавы также применяются и в других областях в качестве материалов для высоких температур, например в стекольном производстве и в качестве нагревательных элементов для вакуумных печей. Рассматривается возможность их применения в малоресурсных двигателях реактивных снарядов, но не в газовых турбинах других типов. Танталовые и вольфрамовые сплавы не используются в газовых турбинах.

Этому препятствует их склонность к окислению; кроме того, высокая плотность и относительно высокая стоимость этих металлов и в будущем вряд ли позволит рассматривать их в качестве материалов для газовых турбин, способных конкурировать с суперсплавами. Керамические материалы За последнее десятилетие европейские, американские и японские компании добились большого прогресса в разрабо-' тке, производстве и испытаниях узлов газовых турбин, изготовленных из конструкционных керамических материалов 81С и 81з!ь),.

Во многих случаях эти работы обеспечивались значительной правительственной поддержкои. Уже разработаны и показаны две демонстрационных автомобильных газовых турбины типа АОТ-100 фирмы "Ое1го1! 1)1езе! А111эоп и АОТ-101" совместного производства фирм "Оаггеы" и "Рогг)" 1181. В процессе реализации программ по созданию демонстрационных двигателей выявилось множество недостатков современных методов изготовления керамических материалов, 342 ело к и инятию министерством энергетики США спелучшение урОвня этих циальной прогр , р аммы нап авленной на у ке амических ма- !191. Л чшие из сушествуюших кера технологии , '. у б ия при температутериалов способны р аботать оез охлаждения ет абочие температуры ах - 137 1ОС, что намного превышает ра очие те рахб серьезный недостаток суперсплавов. Наи олее разрушения — еше керамики — совершенно ру х пкий характер спехи в н однако уже достигнуты значительные успехи еталей из этих материалов и .

методологии конструирования деталеи из э л чшена воспроизводимость их свойс в, " т, Лишь недавно начаулучшена композиционных материалов типа лись аботы по созданию к Р е изуюшихся псевдопластическим керамика — керамика, характер характером разрушения и способнь . р р ых асши ить области инженерно го применения керамических материалов. Т их мате иалов уже ехнолог ия изготовления керамическ р беспечиваюшего возможность и р еспе х и именедостигла уровня, о еспе ов а тасных двигателях реактивных снаряд ния в малоресурсных ях.

Ке амические кже в не ольших б их автомобильных двигателях. ера а как мате иалы заслуживают са амого внимательного изучения материалы, вполне спасо ные б в будушем конкурировать с суперсплавами. Выводы а В мя широкп примаваамыми и подхвдяпш Супарсплавы, являвшиеся в насгоашее время ю з "века технологии". ". Некоторые ключевые материалами, Вступают вп Втору ру " инта раина для поаышавня дп 1) использование в качестве легипуюшего элем высокотемпе а, рной ползучегти; тана и итгри, терна, Обладающих высоким сопротивлением окислению и в мшнтных ппкрытиях; рабочик и направляющих пои коа и имененис при изготовлении ра шток турбин "аправлшшо-тва)эдвкшпш " мовок и 4) шениа ЧИСтотЫ ДискОвЫх сплаипв дпя роторе 4 повышение ч ния к минимуму внутраиних д е ктов в отливках; ловки дла создания одно- 5) расширанка использпвания изот р а мичаской штам ВОВ пОлучанных иэ прадвар 6) более широкое приманавис дисковых сила тельно легированных порошков; в рбии с мелкозернистой 7) более шире р в коа и имаиание литых роторов ту б й ~~~ю~~~ диф- 8) разработку н шире н ши кое применение гн рндных датал бо сродных частей в едннос палов.