Навигация

Главная » Мануалы

1 ... 13 14 15 16 17 18 19


10931204 131614271538 164917601871 Т^С

Подобный рассмотренному выше молибденовый сплав TZC также обладает хорошей длительной прочностью при повышенных температурах. Чтобы избежать растрескивания, свойственного отливкам после вакуумной дуговой выплавки, прибегают к консолидированию изделий в рамках технологических

Рис.19.7. Сравнение температурной зависимости удельной прочности (5d id - плотность) некото-

[)ых сплавов тугоплавких элементов 35]:

1 - В-88; 2 - TZM; 3 - Т-222 473; 4 - W-0,5-lHf-0,5-lC; 5 -ASTAR-811C, T-m, Ta-lOW; 6 -вероятный предел для сплавов Та, пластичных при комнатной температуре

приемов порошковой металлургии. Другие сплавы на молибденовой основе, упрочняемые карбидами гафния (Mo-0,2Hf-0,2C) или ниобия, развивают еще более высокую длительную прочность (см. рис. 19.8) [Зб], однако в продажу эти сплавы не поступают.

Молибденовые сплавы подвержены эксплуатационному охрупчиванию в результате вязко-хрупкого перехода, типичного для металлов с решеткой о.ц.к. Это явление можно полностью устранить добавкой до 50% рения, однако из-за высокой стоимости и высокой плотности рения применимость таких сплавов ограничена. Разработанный недавно сплав Мо-

Рис.19.8. Предел ползучести

(напряжение 0 7 для установив-

шейся скорости ползучести 10~с~1) некоторых сплавов на основе Мо при 1315 ос [36]: 1 - TZM(Mo-l,0Ti-0,09Zr-0,2C); 2 - TZC(Mo-2,8Ti-0,3Zr-0,7C); 3 -Nb-TZM(Mo-l,7Nb-l,2Ti--0,3Zr-0,5C); 4 - Мо-НС(Мо-0,6Hf-0,5C); 5 - Mo-RHC(Mo-

- 2Re-0,7Hf-0,5C)

300 250

13 % Re способен сочетать хорошее сопротивление ползучести с повышенной низкотемпературной пластичностью.

Ухудшение свойств молибденовых сплавов может быть результатом загрязнения кислородом в процессе изготовления и рекристаллизационной обработки, а также присутствия строчечных включений карбидов по границам зерен, параллельным направлению вытяжки (обработки давлением) [37]. Хрупкость наступает при содержании кислорода всего в 0,0006 % (ат.). Однако в решетке сплава кислород может быть связан углеродом; пока соотношение углерода и кислорода превышает 2:1, это вредное влияние кислорода может быть заблокировано [37]. В сплаве TZM присутствуют титан и цирконий, они связывают углерод в карбиды МеС, усложняя ситуацию. Таким образом, к методам пластификации молибденовых сплавов, относятся легирование рением, устранение поверхностных загрязнений, регулировка содержания примесей и удаление карбидов с границ зерен [38].

Сплавы на молибденовой основе пробовали использовать в качестве материала для газотурбинных лопаток. Нашли, что они применимы лишь в специальных неокислительных средах. В некоторых областях промышленного применения при низких или умеренных температурах молибденовые сплавы превосходят суперсплавы по своим теплофизическим свойствам.

Вольфрам. Этот металл, самый тугоплавкий и один из самых тяжелых в периодической системе, тоже проявляет чрезвычайную хрупкость при низких температурах, если только не подвергнут тщательнейшей обработке. Она заключается в очень интенсивном высокотемпературном наклепе в присутствии мелкодисперсных частиц KjO или ThOj. Сплав вольфрама с 30% рения пластичен, однако масштабы его применения ограничены дороговизной рения. Сплав W-3 % Re (марка 3D) в связи с его высоким электросопротивлением используется в лампах-вспышках (импульсных лампах).

Для упрочнения в сплавы вольфрама вводят мелкодисперсные оксидные или карбидные частицы и подвергают наклепу. Прочности очень высок даже с учетом разницы в плотности (рис. 19.7). Выше упоминалась возможность использования таких сплавов в качестве высокопрочных армирующих волокон в композиционных материалах с металлической матрицей.

Благодаря своей особой тугоплавкости сплавы на основе вольфрама закрепили за собой хорошие позиции на промыш-



ленном рынке. Однако чрезвычайно высокая плотность и отсутствие какой-либо противоокислительной стойкости (W образует оксид, возгоняющийся и диссоциирующий при температурах >1000°С) препятствуют успешной конкуренции этих материалов с суперсплавами.

Ниобий. Ниобиевые суперсплавы возможны. Это подтверждено применением сплава С-ЮЗ в качестве материала для сопловых створок в турбинном двигателе (см. гл. 20). Однако для полной реализации всех возможностей этих сплавов необходимо решить ряд очень сложных проблем. Преимущества и недостатки ниобиевых сплавов, предназначенных для эксплуатации в окислительной атмосфере, таковы: Преимущества Недостатки

Низкое значение модуля Юнга

Близость плотности к плотности никеля

Хорошая растворимость легирующих Открытая структура о.ц.к. элементов

Образование твердой оксидной Склонность к охрупчиванию

пленки элементами внедрения

Однако важно иметь в виду, что быстро образовавшаяся сплошная оксидная пленка (НЬгО,) не является защитной, а низкий модуль упругости, напротив, в некоторых случаях может превратиться в достоинство.

Большинство ниобиевых сплавов (табл. 19.5) отличается хорошей деформируемостью, свариваемостью и неплохой прочностью. На сегодняшний день упрочняющее легирование ниобия осуществляется простым упрочнением твердого раствора тугоплавкими элементами с высокими модулями упругости и дисперсного упрочнения карбидами типа МеС. Для образования твердых растворов замещения, отличающихся повышенным сопротивлением ползучести, чаще всего вводят вольфрам, молибден и тантал. Элементы с высокой реакционной способностью, цирконий и гафний, взаимодействуя с углеродом и азотом, образуют очень мелкие выделения, еще более повышающие сопро1ивление ползучести. Алюминий и титан повышают стойкость основного металла против окисления; однако они понижают температуру плавления и поэтому отрицательно сказываются на прочности. Сплавы выплавляют электроннолучевым способом или в вакуумной печи с двумя расходуемыми электродами и с последующей обработкой давлением. Литейные ниобиевые сплавы не известны. 310

Образование сплошной оксидной пленки NbzOj, не обладающей защитными свойствами, происходит с постоянной скоростью роста. Поэтому легирование твердого раствора направлено на создание поверхностного защитного слоя и такого химического состава основного сплава, который обеспечивал бы постоянную подпитку покрытия необходимыми химическими элементами и, таким образом, сохранность защитного слоя. Чтобы избежать потери прочности, легирование должно быть тщательно сбалансировано. Защитное покрытие требуется даже для обработки сплавов при температурах >424°С в окислительных средах, дабы минимизировать растворение кислорода, способного вызвать охрупчивание.

Покрытия образуются посредством поверхностного воздействия алюминием, титаном и кремнием. Создаваемый в настоящее время защитный кремнистый слой рассчитан на эксплуатацию при температуре не выше 1500 °С.

Ниобиевые сплавы вызывают большой интерес как материалы для оболочек ядерного топлива (из-за малого ядерного сечения), их используют в качестве коррозионно-стойких материалов в области химической технологии, а также в конструкциях авиадвигателей. Сплав Nb-1 % (по массе) Zr отличается малым сечением захвата тепловых нейтронов, приемлемой прочностью и прекрасной технологичностью, поэтому его широко применяют в ядерных системах, которые содержат жидкие металлы, работающие при 982-1200 °С. Нередко этот сплав рассматривают как перспективный материал для первой стенки термоядерных реакторов и применяют в лампах, работающих на парообразном натрии.

Сплавы В-88 и С-1 принадлежат к числу наиболее прочных ниобиевых сплавов (рис. 19.7). Твердорастворное упрочнение сплава С-103 (см. табл. 19.5), очевидно, в сильной степени зависит от содержания гафния, а дисперсное упрочнение - от содержания комплексных карбидов типа МеС. По-. крытие у него на собственный манер', но оно работает. Таким образом, система сплава С-103 с покрытием - первая, положившая начало применению тугоплавких металлов в авиационных двигателях. Этот сплав применяют и в двигателях ракет, когда требуется умеренная прочность в диапазоне .1093-1370 °С.

Таким образом, сплавы на основе ниобия обладают запасом прочности для применения при температурах >1370°С и



продемонстрировали возможность расширения допустимого диапазона режимов эксплуатации суперсплавов в воздушной среде (по крайней мере, в одном конкретном конструктивном решении). Новые современные металлургические процессы] (порошковая металлургия, быстрая кристаллизация, плазменная обработка и другие) в сочетании с классическими методами упрочнения (мелкодисперсными частицами или твердорастворного) и с интенсивным горячим и холодным деформированием могут послужить хорошим технологическим средством для повышения прочности и теплостойкости ниобиевых сплавов.

Тантал. Сплавы на основе тантала также технологичны и перспективны как высокопрочные материалы, однако их разработка сдерживается высокими стоимостью и плотностью, а также дефицитностью. Твердорастворное упрочнение тантала элементами замещения в основном носит такой же характер, как и в сплавах ниобия. Так как вольфрам оказывает более сильное упрочняющее воздействие, чем молибден, то во все сплавы тантала добавляют 7-10 % W. Сплавы Т-111 (рис. 19.7) и Т-222 представляют собой легированные гафнием модификации сплава Ta-lOW (с углеродом), имеющие приблизительно такую же -технологичность. Для эксплуатации >482°С в окислительной среде танталовые сплавы нуждаются в защитном покрытии. Широкое распространение тантал получил в качестве материала для конденсаторов, а в силу высокой коррозионной стойкости в кислотах и других химических реагентах его применяют в соответствующих областях промышленного производства.

Краткое обобщение

Из четырех тугоплавких металлов три (Мо, W и Та) не пригодны для использования в турбинах, работающих на воздухе, из-за высокой склонности к химическому взаимодействию со средой и высокой плотности. В зависимости от того, о каком из свойств этих металлов идет речь, они сохраняют свою конкурентоспособность на рынке металлов для изделий, используемых в электротехнике, химии и механических конструкциях, не подвергаемых окислению, в том числе при высокой температуре.

Четвертый, ниобий, с трудом поддается упрочнению, а его поверхностная стабильность в воздушных средах нахо-312

дится на предельно допустимом уровне. Однако уже существует по крайней мере один вариант его применения при высоких температурах. Новые исследования и новые разработки могут привести к тому, что именно ниобий откроет путь к расширению температурных пределов использования суперсплавов.

19.4. Керамические материалы

Под обобщающим названием керамические материалы или керамика выступает множество различных материалов, включая монолитные керамические композиты и нередко композиты углерод-углерод. Монолитные керамические материалы активно изучали в течение 10 лет, а сейчас основное внимание уделяют композитам. В данном разделе мы из-за ограниченности места сосредоточимся на монолитных керамических материалах и материалах углерод-углерод.

Керамические материалы с ковалентными связями обладают приемлемой теплостойкостью (возможно, до ~1650°С), сочетающейся с низкой плотностью, а в некоторых случаях и с превосходной противоокислительной и коррозионной стойкостью. Еще одно преимущество - низкая цена и доступность исходных материалов - кремния, углерода и азота. К сожалению, эти керамические материалы хрупки, чувствительны к термоудару и менее теплопроводны, чем теплостойкие металлические материалы. В результате такие керамические материалы очень плохо ведут себя под действием растягивающих нагрузок. Подобное поведение керамических материалов присуще им в соответствии с природой их межатомных связей. Механические свойства керамики могут сильно меняться в зависимости от способа приготовления образцов, загрязненности примесями и чистоты поверхности. Процесс приготовления и обработки этих материалов оказывает на их механические свойства определяющее влияние. Тем не менее вязкость и стойкость к термоударам, а также способность формировать защитные слои SiO соединения Sl-N оказались достаточными, чтобы оно стало кандидатным материалом для использования в турбинах и дизельных установках. Аналогичными свойствами обладает соединение SiC.

Таким образом, большая экономия массы и повышенная эффективность обещают выгоды от замены металлов в горячих



узлах установок на SijN, SiC или другие керамические материалы. В Японии уже прошли успешные испытания автомобильных дизельных двигателей, изготовленных в значительной части из SijN. Рассматривается возможность изготов- j ления из них стационарных устройств вроде теплообменни-1 ков, рекуператоров и уплотнений для систем выхлопа, печей и нагревателей. В США разработаны и продемонстрированы две керамические автомобильные газовые турбины.

В других областях высокотемпературной техники пользуются вниманием оксиды (MgO, AljOj), силициды (MgjSiO, FejSiOj и стекло-керамические композиты. (Оксиды представляют собой материалы с доминирующей ионной межатомной связью). Многие годы в качестве теплозащитного покрытия суперсплавов в камерах сгорания авиадвигателей применяли диоксид циркония ZrOj. Тем не менее карбонитридные керамические материалы вследствие механических характеристик более предпочтительны, чем материалы оксидного типа, хотя последние обладают очень высокой стойкостью в окислительных средах.

В табл. 19.6 дана сводка физических и механических свойств нескольких керамических жаропрочных материалов [38]. Они приведены просто как пример, ибо с изменением технологии изготовления материала свойства могут сильно меняться, различаясь даже у материалов промышленной поставки.

Процессы производства и обработки

Особенности производства керамических материалов сильнее отражаются на окончательных свойствах продукции, чем особенности процессов производства металлических материалов. Массивные керамические конструкции в классическом варианте изготавливают из порошков. Можно проследить связь свойств со многими факторами: размерами, формой, чистотой и плотностью порошков, присутствием вторых фаз и их распределением, размерами зерен и состоянием их границ, стабильностью микроструктуры, природой и критическими размерами трещин. Как один из примеров объемная плотность представляет собой основной фактор из числа факторов, определяющих прочность соединения SlN : сопротивление изгибу возрастает линейно с увеличением плотности [39].

При равной объемной плотности горячепрессованный мате-




риал прочнее, чем спеченный обычным образом или в результате термосинтеза. Однако горячее прессование не годится для производства изделий сложной формы и не дает высокой производительности. В большой степени разброс в свойствах у изделий из SijN разного происхождения возникает из-за необходимости использования оксидных добавок, способствующих спеканию порошков SijN высокой чистоты. Добавки, сконцентрированные на границах зерен, образуют жидкие силикаты в результате соединения с оксидом кремния, обычно присутствующим в порошках SijN. Уплотнение происходит в результате растворения и выделения второй фазы в жидком силикате. Таким образом, свойства определяются химическим составом и объемной долей силиката, оставшегося на границах зерен, а пригодность материала будет ограничена температурой, при которой материал по границам зерен теряет свою прочность. Для добавок MgO в SijN эта температура близка к 1300 °С. В качестве средств, способствующих спеканию, опробованы и оксиды редкоземельных элементов типа Y2O3. Система 81зНд-¥20з продемонстрировала превосходные свойства, особенно >1200°С. Однако у некоторых составов была обнаружена фазовая нестабильность в диапазоне 700-1100 °С.

Для придания системе SijN-S %¥20з высокой плотности используют горячее изостатическое прессование. Перспективным для Sic (см. ниже) и для 81зН является сочетание холодного изостатического прессования, спекания и горячего изостатического прессования без капсулирования. Правда, высокотемпературное спекание препятствует управлению микроструктурой. Есть сведения о горячем изостэтическом прессовании керамических материалов в стеклянных капсулах.

При достаточной химической чистоте и температуре обработки плотность SijN, близкая к теоретической, была достигнута и без спекающих добавок . Спекание при 1600 и 1800 °С и давлениях от 1 до 5 ГПа обеспечивало материалу 88% теоретической плотности. В результате твердость возрастала примерно на 50% по сравнению с твердостью SijN с добавкой 4% Y2O3. Один из процессов - шведский - известен как спекание с азотированием без давления; он заключается в плавлении кремния при наличии спекающего агента в матрице SijN [40]. Формируют керамическое тело 316

детали, а затем азотируют его. Свободный кремний соединяется с азотом и превращается в соединение SiN при температурах между 1300 и 1400 °С. При 1800 °С проводят заключительное спекание, чтобы полностью уплотнить материал. Линейная усадка составляет 8-9 %, тогда как при обычном спекании она достигает 15-20 %.

Карбид кремния, кристаллизующийся в а (гексагональной) или /3 (кубической) модификации, обычно получают путем химической реакции, путем спекания или путем горячего прессования; последний процесс дает самый твердый и самый вязкий продукт Sic. Керамический материал SiC, по-видимому, обладает большей противоокислительной стойкостью, чем SiN. Метод производства SiC, программа по разработке и применению которого пользуется поддержкой со стороны вооруженных сил США, заключается в создании тонкого и равномерно заполненного кремнием углеродного каркаса, полученного из жидких полимерных растворов [41]. Этот материал намного прочнее, чем изделия из SiC, полученные химическим путем или спеканием, и обладает примерно такой же прочностью, что и SiC после горячего прессования. Путем карботермического восстановления оксидов кремния и алюминия в атмосфере азота был получен сплав SiN с AlN. Горячее прессование при 2000 °С приводит к образованию твердого раствора, а смесь фазы, обогащенной SiN, и фазы, обогащенной AlN, образуется путем термической обработки при более низкой температуре.

Композиционные керамики

Рассматриваются возможность использования пенообразного Sic, полученного химическим осаждением из паровой фазы, в качестве теплообменников и термоизоляционного материала. Этот материал легко формуется в виде труб, фасонных профилей и изделий сложной формы и может быть усилен за счет армирования керамическими волокнами. Армирование, как правило, производится непрерывными графитовыми или керамическими нитями, изготовленными из волокон Sic, AljO, и соединений оксида алюминия с боросиликатами. Достоинствами таких материалов считаются малая масса, эффективная теплопередача, высокая температурная стойкость, коррозионная стойкость, высокая стойкость к термоударам и хорошая ударная вязкость. Последнее (и жизненно необходимое



качество) достигается частичным удалением волокон, чтс придает материалу способность к своего рода обратимо деформации , обеспечивая тем самым приемлемую вязкость.

Пропитка тканых покрывал и матов из углеродных воло- кон, а также предварительно сформованных из этих волокон объемных тел жидким кремнием вызывает превращение углерода в Sic, что приводит к образованию нового композиционного материала с кремниевой матрицей, армированной волокнами sic, получившего название Silcomp . Из него можно изготавливать большие по размерам конструкции.

Механические свойства

Исключительно высокая хрупкость керамических материалов вызывает необходимость проведения большинства испытаний методом трех- или четырехточечного изгиба. Первый из-за своей тугоплавкости и химической инертности кандидат AI2O3 сохраняет свою прочность до 1200 °С, но при более высоких температурах вследствие слабой межатомной связи, характерной для ионной структуры, резко возрастает скорость его ползучести. Карбид кремния SiC с ковалентной межатомной связью обычно прочнее оксида алюминия AljOj, особенно при температурах >1000°С. Горячепрессованный SijNj (также с ковалентной связью) имеет прочность на изгиб при комнатной температуре >690МПа и сохраняет хорошую прочность до 1100 °С. При температурах >1000°С и спеченный Sic и горячепрессованный SijN., показывают значительно более высокую прочность на изгиб, чем прочность на растяжение литого IN-100. Различные добавки в SijN, вносимые для получения максимально возможной плотности во время горячего прессования, снижают высокотемпературную прочность из-за появления стекловидных фаз по границам зерен. Небольшое количество такой фазы обнаружено и в материале, полученном методом быстрого затвердевания. Типичные данные по стационарной ползучести SiC и SijN представлены на рис. 19.9 [39]. Отметим широкую область разброса, связанную с экспериментальными ошибками и различным содержанием примесей.

Показатель степенной зависимости скорости ползучести от напряжения для керамических материалов, как правило, гораздо ниже, чем для металлов, и по результатам испытаний на ползучесть при растяжении и при сжатии образцов 318


б, 6.911Па 1 2 5 10 20 иО 80120 10-2 г--Г

Рис.19.9. Скорость установившейся ползучести е при изгибе некоторых материалов на основе и SiC

[39]:

1 - горячепрессованный Si3N4 с добавкой MgO, температура испытаний 1350-1500 ос; 2 - горячепрессованный SiN с добавкой Y2O3, температура испытаний 1350 ос; 3 - химически синтезированный SijN, температура испытаний 1500 °С; 4 - горячепрессованный и спеченный SiC, температура испытаний 1500 ос

2,В 3,2 3,6 Ц.О 4,4 4,8 5,2

1дб,6,в-10ППа

обоих видов составляет 1,8-2,3 [42]. Низкое значение этого параметра указывает на то, что деформация ползучести обусловлена преимущественно зернограничным проскальзыванием, сопровождаемым образованием либо пор, либо микротрещин и не связанным с дислокационным движением. Энергия активации ползучести SijN не постоянна и зависит от способа его изготовления и состава.

SijNj и SiC явно превосходят керамики по своей способности выдерживать термоудары; более низкие упругие модули и меньший коэффициент термического расширения SijN дают ему преимущество над SiC любого вида; хорошая теплопроводность Sic, конечно, является важным качеством, но она не может компенсировать отставание по другим свойствам. Так, например, направляющие лопатки из горячепрессован-ного SijN выдерживают 250 циклических экспозиций при 1370 °С без какого-либо растрескивания. В то же время были отмечены значительные различия в поведении в зависимости от условий обработки поверхности, плотности, изменения степени открытой пористости и состава. Например, избыточный свободный кремний вреден.



Окисление

Характер поведения горячепрессованных SiC и SijN., в окис лительных средах зависит от их пористости [39]. Так, на! пример, в области температур 1000-1200 °С горячепрессо- ванный нитрид кремния SijN, модифицированный оксидом магния MgO, окисляется быстрее, чем такой же нитрид, модифицированный оксидом иттрия YjOj. С увеличением содержания легирующих добавок прирост массы образцов возрастает. На поверхности легированного оксидом магния В'цЫ формируется пленка окалины на основе Si02, модифицированной катионными примесями, такими как магний, алюминий, железо, кальций и марганец, находящимися в незатронутой окислением подложке; эти примеси могут образовывать сме-щанные кристаллические силикаты или растворяться в SiOj. Основной компонент пленки окалины обычно MgSiOj. Образующиеся при взаимодействии MgSiOj с SijN., ямки становятся причиной разрушения при последующем механическом нагружении вследствие потери до 40 % прочности.

Поведение Si-l, полученного методом быстрого затвердевания, также зависит от природы пористости, размера пор и их распределения по размерам [39]. Так как эти материалы обычно намного чище, чем полученные горячим прессованием (в которых обычно содержится 0,5-1 % катионных примесей), то примеси здесь играют незначительную роль. Прочность быстрозатвердевшего SijN после окисления может быть и выше и ниже исходной в зависимости от относительного вклада внутреннего и внешнего окисления, природы пленки SiOj и от того, происходило окисление в стационарных условиях или в условиях термоциклирования [40]. Как правило, окисление при 1400 °С в течение 100 или более часов приводит к снижению прочности.

Скорость окисления SiC ниже по сравнению с SiN. Кинетика окисления определяется либо десорбцией газа СО, образующегося на границе раздела SiC-Si02 [43], либо диффузией кислорода внутрь через поверхностную пленку SiOj, приводящей к параболическому закону окисления [44]. Такой характер окисления можно предотвратить легированием такими примесями, как бор, AlOj и В^С, но скорости реакций при этом возрастают.

С точки зрения совокупной поверхностной стабильности в

условиях длительной высокотемпературной эксплуатации предпочтение следует отдать более стабильному по сравнению с SijN., карбиду кремния SiC. При его окислении образуется более тонкая пленка окалины, а прибыль массы, так же как и изменение прочности, ниже, чем у SijN. Это может быть связано, в первую очередь, с более высокой чистотой и более высокой плотностью SiC. В то же время самые последние модификации горячепрессованного SijN, легированного 4 % Y2O3 или SiOj, показывают многообещающее повышение сопротивления окислению. Стойкость обоих этих материалов (Sic и SijNj ограничена невозможность сохранения стабильности Si02 при температурах >1500°С. (Для сравнения, оксид алюминия AljOj, хотя и относится к менее прочным керамикам, сохраняет стабильность в окислительных средах до 1950 °С).

Углерод-углеродные композиты

Из всех материалов, предназначенных для работы при высоких температурах, наивысшую температурную стойкость имеют углерод-углеродные композиты (УУК), представляющие собой углеродо-графитовую матрицу, армированную графитовыми волокнами. УУК в настоящее время применяются для изготовления деталей соплового аппарата ракет одноразового применения и элементов конструкции крылатых ракет, а также тормозных колодок авиационных газовых турбин; из УУК с покрытием из SiC изготавливается носовой обтекатель и испытывающие сильный нагрев кромки плоскостей космического корабля многоразового использования Спейс Шатл .

Основная причина высокой прочности углеродных материалов связана с исключительно низкой самодиффузией углерода в графите (10~cmVc при 800 °С). Энергия активации самодиффузии углерода превышает 180 ккал/моль. Еще одним преимуществом УУК, выделяющим их из ряда других высокотемпературных материалов, является малая плотность, от 1,47 до 1,7 г/см для композитов с 55-65 % (по массе) волокон, ориентированных в одном направлении. Сообщается, что эти материалы сохраняют достаточную прочность до 2200 °С; на самом деле прочность при высоких температурах может быть даже выше, чем при комнатной температуре.

Однако УУК материалы не стабильны в окислительной среде при температурах >427 °С, что делает совершенно необ-

1 1 Зак. 1092



холимым применение защитных покрытий. В качестве материала покрытия для УУК узлов марщевого газотурбинного двигателя крылатых ракет, имеющих рабочую температуру 1371 °С, испытан карбид кремния, одновременно продолжаются работы по созданию углеродных волокон для высокотемпературного применения, стойких к окислению.

Углеродные волокна формируются из трех различных исходных материалов: вискозы, акриловых сополимеров и мезо-фазной смолы. Исходным материалом для формирования угле-родо-графитовой матрицы таких композитов служат угольный деготь и нефтяные смолы, некоторые синтетические смолы или углерод, химически осажденный из паровой фазы. Исходные материалы не оптимизированы по своему составу. В процессе карбонизации угольного дегтя и нефтяных смол (при каталитическом крекинге сырой нефти) происходит образование некоторых упорядоченных фаз, оказывающих влияние на механические свойства композита. Большинство синтетических смол после карбонизации превращаются в хрупкий стекловидный углерод. Углерод, полученный химическим осаждением из паровой фазы, может существовать в нескольких морфологических модификациях (аморфной, столбчатой или пластинчатой), и конкретный вид морфологии матрицы определяется в основном условиями проведения эксперимента.

Основные различия между покрытиями SiC и SijN для УУК заключаются в разной стабильности и вязкости поверхностной пленки SiO. Наиболее эффективным способом повышения вязкости поверхностной пленки SiOj, что необходимо для сведения к минимуму ее шелушения, является введение в нее частиц второй фазы, однако это не решает проблемы разложения оксида при ~1500°С.

Заключение

В этой главе были кратко рассмотрены наиболее перспективные и конкурентоспособные материалы и системы материалов, способные уже в ближайшем будущем заменить суперсплавы в традиционных областях их применения или существенно расширить предельно допустимые параметры рабочей среды. Следующая глава, целиком посвященная перспективам применения суперсплавов в будущем, также затрагивает проблему альтернативных материалов.

Достаточно цодробное обсуждение свойств альтернативных

материалов позволяет провести сравнение между материалами, относящимися к разным системам : интерметаллическим соединениям, композиционным материалам с металлической матрицей, к которым относятся и эвтектические сплавы, полученные направленным затвердеванием, тугоплавким металлам и керамикам и керамическим композиционным материалам. Из них лишь две группы материалов в ближайшей перспективе представляют практический интерес. Это алюминиды титана, относящиеся к интерметаллидам, и сплавы ниобия, входящие в группу тугоплавких металлов. Основания для такого выбора следующие:

1. Алюминиды титана обладают прекрасным сопротивлением окислению и имеют очень малую плотность. (К недостаткам этих материалов относятся трудность их изготовления, неизвестный характер поведения в условиях горячей коррозии и проблемы сохранения достаточного уровня пластичности и ограничения роста трещин при эксплуатации).

2. Сплавы ниобия отличаются прочностью в области рабочих температур, превышающей прочность суперсплавов, и (при использовании защитных покрытий) вполне приемлемой поверхностной стабильностью. (Недостатками являются необходимость еше большего увеличения прочности и улучшения защиты поверхности для предотвращения ее разъедания и загрязнения).

Подводя итоги, можно перечислить основные недостатки альтернативных материалов, препятствующие их внедрению:

Интерметаллические соединения, за исключением алюминидов титана (TiAl и TijAl), при существующем уровне развития технологии превосходят (если превосходят вообще) усовершенствованные суперсплавы лишь по некоторым второстепенным характеристикам. Ярким примером служит NijAl: его плотность и температура плавления при сравнении с теми же параметрами суперсплавов не производят- слишком сильного впечатления. Однако алюминиды железа, кобальта и никеля все же могут найти применение в некоторых высокотемпературных установках и установках, работающих в тяжелых эксплуатационных режимах. Практическое применение TiAl и (или) TijAl станет возможным лишь после некоторого снижения стоимости их производства и повышения вязкости.

Эвтектические сплавы с технической точки зрения являются вполне подходящими материалами для двигателей. Одна-ц. 323



ко если не будет достигнут технологический прорыв, позвс ляющий преодолеть такой специфический недостаток процесса направленного затвердевания, как низкая скорость роста твердой фазы, то стоимость эвтектических сплавов при су- шествующем достаточно скромном их превосходстве над менее экзотическими литыми монокристаллическими суперсплавам! окажется слишком высокой.

Тугоплавкие металлы, 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 даже очень высокой температурой плавления. В то же время туго] плавкие соединения в виде отдельных фаз могут входить состав упрочняемых волокнами композитов.

Потенциальные возможности керамики и керамичест композитов оценить труднее всего. По прочности, плотное] ти, поверхностной стабильности, доступности и стоимос! они привлекают очень большой интерес. Более того, появление простых или композиционных высокопрочных и термостойких керамических конструкционных материалов позволило бы существенно 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 более высокой ударной вязкостью. По-видимому, такие композиты конце концов найдут практическое применение в качестве материалов для несущих конструкций.

Углерод-углеродные композиционные материалы, которые способны сохранять приемлемую прочность практически дс 2200 °С, 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

значительных усилий по разработке новых материалов суперсплавы начинают испытывать некоторую, еще ограниченную конкуренцию со стороны пока еще немногочисленных альтернативных материалов. В то же время тот факт, что суперсплавы 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. БУДУЩЕЕ СУПЕРСПЛАВОВ

Дж.С.Хоппин П1 и У.П.Дейнези (CS.Hoppin III and W.P.Danesi, Company, Phoenix, Arizona)

Garrett Turbine Engine

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 теплозащитных покрытий для суперсплавов разного типа, работающих 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-

Книга вышла в издательстве John Wiley and Sons, inc. в 1987 г. Прим.

ред. изд-ва.



спективные технологии, связанные с применением в двигателях эвтектических сплавов, тугоплавких сплавов и керамических материалов, так и не были внедрены в производство, хотя по каждой из них и проводились соответствующие разработки. Из материалов этих трех классов наиболее отработана технология применения керамики. Эвтектические сплавы также являются вполне подходящим материалом для двигателей, но они все еще слишком дороги.

Несмотря на все достигнутые успехи, материаловеды должны непрерывно решать сложную задачу модернизации и создания новых материалов и технологий в ответ на ужесточение требований к материалам современных и будущих двигателей.

В пассажирских широкофюзеляжных аэробусах в на<;тояшее время применяются реактивные двигатели второго поколения, такие как PW2037 (Pratt and Whitney), SNECMA CFM56 (General Electric) и RB211-535E4 (Rolls-Royce). Эти двигатели работают при температуре на входе турбины на 280°С выше, чем в двигателях того же класса, созданных в семидесятые годы, а рабочая температура турбинных лопаток, изготовленных из суперсплавов, повышена на 140°С [l]. За счет применения более качественных материалов было достигнуто и улучшение рабочих характеристик последних моделей мощных реактивных двигателей GE F404 и PW1120 для американских военных самолетов. Как и в аналогичных двигателях предыдущего поколения, более 50% их веса приходится на суперсплавы. В настоящее время суперсплавы, применяемые в мощных двигателях, используются и в TFE731 реактивных двигателях фирмы Garrett , PW100 турбовинтовых двигателях фирмы Pratt and Whitney of Canada и вертолетных двигателях модели 250 фирмы Alison . Ресурс современных газотурбинных авиационных двигателей, от небольших до самых мощных, доведен до наработки 3000-10000 ч до капитального ремонта.

Авиационные двигатели всегда были основной и самой престижной сферой применения суперсплавов. Однако суперсплавы крайне необходимы и для турбин других типов, таких как турбины общего назначения для электростанций и механического привода, топливные турбонасосы для жидкостных ракетных двигателей, например, главных тяговых двигателей космических кораблей многоразового использования, стар-326

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 видах топлива. Применение таких мощных газовых турбин вместе с паровыми турбинами в режиме комбинированных циклов позволило значительно повысить полный тепловой к.п.д. центральных электростанций. В настоящее время подобные парогазовые системы получили широкое распространение. Газовые турбины такого типа применяются и на угольных электростанциях, работающих при прямом сжигании угля в кипящем 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 еще не сформировался. Но появился другой, стимулировавший разработку транспортных турбин для военных гусеничных машин, таких, например, как американский танк Ml, в котором в качестве энергоустановки используется турбина Lycoming AGT 1500. Существует также обширный рынок автомобильных турбонагнетателей, наиболее емкий по стоимости всех используемых в турбинах суперсплавов.

Из-за больших различий в режимах работы и коррозионных условий в турбинах разного типа требования к деталям из суперсплавов также могут значительно различаться. В число этих требований входят: максимальное сопротивление ползучести рабочих и направляющих лопаток (лопастей) турбин, максимальная стойкость лопастей лопаток к окислению, ма-



1 ... 13 14 15 16 17 18 19