1.3.3. Свойства и особенности основных групп используемых и перспективных материалов

Стали являются наиболее изученными и широко применяемыми конструкци­онными материалами современного машиностроения. В ГТД их используют для изготовления валов, зубчатых колес и деталей агрегатов, а также кольцевых дета­лей корпусов компрессора и турбины. В авиационном двигателестроении в основ­ном используют легированные стали с > 900 МПа. Широкое применение полу­чили стали, упрочняемые термической и химико-термической обработкой.

Железо является переходным металлом с плотностью 7,874 г/см и темпера­турой плавления 1534 °С. Оно имеет две кристаллические формы: до температуры ры 910 °С решетку ОЦК (α-железо); в диапазоне от 910 до 1390 °С решетку ГЦК (γ-железо); при температурах 1390... 1531 °С решетку ОЦК (δ-железо). При тем­пературе 770°С железо претерпевает магнитное превращение из ферромагнит­ного в парамагнитное. Парамагнитную модификацию железа в диапазоне темпе­ратур 770.. .910 °С называют β-железом.

Сталями называют сплавы железа, содержащие до 2,06 % углерода. По­скольку стали являются сплавами железа с углеродом, легирующие элементы, вводимые в них, могут вступать во взаимодействие как с железом, так и с угле­родом. В результате такого взаимодействия образуются твердые растворы леги­рующих элементов в железе, карбидные фазы и интерметаллидные соединения, формирующие структуру сплава и определяющие его свойства. Свойства сталей зависят не только от химического состава, но и от режима термической обработ­ки, количества, формы, распределения фаз примесей и др. Углерод образует с железом твердые растворы внедрения: Fe_αC— α-феррит; Fe_βC— β-феррит; Fe_δC— δ-феррит; FeγC— аустенит. Кроме того, образуется карбид железа Fe₃C, который называют цементитом.

В зависимости от содержания углерода стали подразделяются на три груп­пы: низкоуглеродистые (С ≤ 0,3 %); среднеуглеродистые (С = 0,3...0,7 %); вы­сокоуглеродистые

(С > 0,7 %).

Основные группы сталей, используемых в производстве ГТД, приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Марки стали	Термическая обработка	Механические свойства	Рабочая темпера­ тура, °С	Назначение, технологичес­кие свойства
Конструкционные среднелегированные хромоникелевые стали
(детали из этих сталей обычно упрочняют цементацией или азотированием)
12ХНЗА, 12Х2Н4А,	Цементация при	σВ = 950... 1100МПа,		Изготовление
18Х2Н4ВА,	900...950°С,	σ0,2= 700...900МПа,		шестерен,валов,
16ХЗНВФМБ,	закалка в масле,	δ=12...15%,KCU =		цапф,
12Х2НВФАидр.	обработка холо­дом при -70 °С, низкий отпуск при 150...350 °С	= 0,7... 1,2МДж/м2		муфт, рессор, осей и др.
Коррозионно-стойкие стали аустенитного класса
12Х18Н9,	Закалка в воде	σВ = 650...700МПа;	До 350	В качестве
12Х18Н10Т,	при	σ0,2= 280...390МПа; δ	До 800	листовых мате-
12Х17Г9АН4	1050... 1100°С	= 45...69%, KCU = 1,3...3,0МДж/м2	До 400	риалов, деталей крепежа и др.
Коррозионно-стойкие стали аустенитно-мартенситного класса
08Х17Н5МЗ, 1Х15Н4АМЗ	Закалка на воздухе при 950 °С + обработка холо- дом-70 °С, 2ч	σВ = 1200... 1500 МПа, σ0,2= 850...1100МПа, δ =12...15%,KCU= = 0,1...0,5МДж/м2	До 450... 500	Для изготовления сварныхузлов, в качестве листовых материалов, обшивки и др.
Коррозионно-стойкие мартенситно-стареющие стати
Х15Н5Д2Т, 06Х14Н6Д2МБТ	Закалка при 950°С + старение 450°С, 1 ч	σВ = 1250... 1400 МПа, σ0,2= 1100... 1250 МПа, δ=9...11%,KCU= 0,9...1,0МДж/м2	До 300	Для изготовле- ния сварных узлов силовых деталей конст­рукции самоле­та и двигателя, топливных баков и др.

			Окончание табл. 1.4
Марки стали	Термическая обработка	Механические свойства	Рабочая темпера­тура, °С	Назначение, технологичес­кие свойства
Подшипниковые стали
ШХ15, ШХ15СГ (С — 1 %, Сг—1,5%, Мп—1 %, Si —0,5%) 8Х4В8Ф2	ДляШХ15, ШХ15СГ закалка в масле при 840°С, отпуск при 160... 170 °С. Для 8Х4В8Ф2 закалка в масле при 1230 °С, отпуск при 560 °С	HRC = 60...65	170	Крупногабаритные нагруженные под- шипники, работающие при температурах до 450°С, изго­тавливают из стали 8Х4В8Ф2
			До 450
Жаропрочные конструкционные стали мартенситного класса эочные конструкционные стали мартенситного класса
13Х11Н2В2МФ, 15Х12Н2М2ВФАБ, 14Х16Н2М2К5ФАБ	Закалка в масле при 1010... 1130°С + + отпуск при 600...690°С	σВ = 1000... 1150 МПа, σ0,2= 850... 1050 МПа, δ =11...12%,KCU= = 0,6...1,0МДж/м2	До 600	Для изготовления нагруженных деталей авиационных двигателей (лопаток, дис­ков, валов компрессоров, болтов, осей, шпилек)

Титановые сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, широко применяемыми в авиационной и космической технике, судостроении, химической промышленности и др. Титановые сплавы обладают высокой вязко­стью и прочностью. Кроме того, они сравнительно хорошо обрабатываются тра­диционными механическими способами.

Широкое применение титановых сплавов обусловлено:

• высокой прочностью при низком удельном весе (4,51 г/см³); в 1,75 и 1,97 раза легче железа и никеля соответственно;

• коррозионной стойкостью в большинстве самых агрессивных сред (азот­ная и серная кислота, царская водка, сероводород, морская вода, влажная мор­ская атмосфера);

• успехами в разработке технологий получения, литья, сварки, механиче­ской обработки и др.;

• значительным содержанием в земной коре (0,6 %). Недостатки титановых сплавов:

• склонность к солевой коррозии под напряжением при повышенных температурах (215...550 °С);

• активное взаимодействие с газами при повышенных и высоких температу­рах; начиная с 400 °С титан активно растворяет кислород (до 15 % от собствен­ной массы), что приводит к увеличению хрупкости и потере термической ста­бильности;

• водородная хрупкость, проявляющаяся при ударных и длительных стати­ческих нагрузках;

• низкие антифрикционные свойства и износостойкость, обусловленные тем, что на титане не образуется граничной смазочной пленки, препятствующей прямому контакту материалов при трении; схватывание и задирообразование наблюдается при минимальных контактных нагрузках;

• в два раза более низкий модуль упругости (9,85 • 10⁴... 10,9 • 10⁴ МПа), чем у стали, что ограничивает их применение в конструкциях, требующих высокой жесткости.

Титан плавится при температуре 1668 °С. При температуре 882,5 °С он пре­терпевает полиморфное превращение из гексагональной плотноупакованной решетки (α-фаза) в объемно-центрированную кубическую решетку (β-фаза).

Титановые сплавы принято делить на пять групп:

1. α-сплавы ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1;

2. псевдо-α-сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ4, ОТ4-2, ВТ18, ВТ20;

3. двухфазные (α + β)-сплавы ВТ6, ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ14; ВТ16, ВТ23, ВТЗЗ;

4. (α + β)-сплавы переходного класса ВТ22, ВТ30;

5. β-сплавы ВТ15, ВТ32,4210 (67 % Ti + 33 % Mo).

α-сплавы и псевдо-α-сплавы не упрочняются термической обработкой, их применяют в отожженном состоянии.

(α + β)-сплавы и β-сплавы упрочняются при термической обработке (закал­ка + старение) с образованием титанового мартенсита. Максимальный эффект термической обработки достигается для (α + β)-сплавов переходного класса. Свойства некоторых титановых сплавов и возможные области их применения приведены в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Сплав, система легирования	Термическая обработка	Механические свойства	Технологические свойства	Область применения
ОТ4-0 α-сплав (Ti-lAl-IMn), 1965 г.	Отжиг при 650 °С	σВ =440...635МПа, δ = 20%,KCU = = 500...700кДж/м2	Хорошая деформируемость в холодном и горячем со­стоянии, сва­риваемость	Для изготовления сварных деталей слож­ной формы
ВТ20 псевдо-α- сплав (Ti-6,5A1- lMo-lV-2Zr- 0,15Si)	Отжиг при 750 °С	σВ = 885...1130 МПа, δ = 8...10%,КСи = = 400 кДж/м2	Хорошая деформируемость в горячем состоянии, свариваемость	Для изготовления изделий, длительно работающих при температурах до 500 °С (3000ч)
ВТ18У псевдо-α- сплав (Ti-6,5A1- 2,5Sn-4Zr-lNb- 0,7Mo-0,15Si)	Отжиг при 950 °С	σВ=930...1130МПа, δ=13%, KCU= 400 кДж/м2	Деформируемость в горячем состоянии, плохая свариваемость	Для изготовления изделий, в частности дисков компрессоров, длительно работающих при температу­рах до 550...600 °С
BT6 (α + β)-сплав (Ti-6A1-4V)	Закалка при 850...930 °С, старение при 450...600 °С, 2...6ч	σВ=960...1170МПа, δ = 20%,KCU = = 250...300кДж/м2	Хорошая деформируемость в горячем состоянии, свариваемость	Наиболее широко применяемый и универсальный титановый сплав
BT9 (α + β)-сплав (Ti-6,5Al-3Mo- l,5Zr-0,25Si)	Закалка при 920...940 °С, старение при 500...600 °С, 1...6Ч	σВ= 1125... 1275 МПа, δ = 7...9%,KCU = = 300 кДж/м2	Удовлетворительно деформируется при высоких температурах, плохо сварива­ется	Для изготовления дисков и лопаток осевых компрессоров ГТД

Окончание табл. 1.5

Сплав, система легирования	Термическая обработка	Механические свойства	Технологичес- кие свойства	Область применения
ВТ16(α + β)- сплав (Ti—ЗА1— 4,5V-5Mo)	Закалка при 780... 830 °С, старение при 560...580 °С, 2...6ч	σВ= 890... 1100 МПа, δ=20%,KCU = = 500...700кДж/м2	Хорошая деформируемость в холодном и горячем состоянии	Детали крепежа (болты, заклепки и др.), в том числе с резьбами, получае­мыми накаты­ванием
ВТ25У(α + β)- сплав (Ti-6,5A1- l,8Sn-4Zr-4Mo- lW-0,2Si)	Двойной от- жиг: 960 °С, 3 ч + 550 °С, 6ч	σВ=1160МПа, δ=13%,KCU = = 300...400кДж/м2	Удовлетворительно деформируется при высоких температурах	Для изготовления дисков и лопаток осевых компрессоров ГТД
ВТ22 сплав пере- ходного класса (Ti-5Al-5Mo- 5V-lCr-lFe)	Закалка при 720... 780 °С, старение при 480...600 °С, 4...10ч	σВ= 1150... 1450 МПа, δ= 6...7%,KCU = = 180...200кДж/м2	Хорошая деформируемость в горячем состоянии, удовлетворительная свариваемость	Высоконагруженные детали, работающие при температурах 350...400 °С
ВТ35 псевдо-β- сплав (T1-15V- 3Cr-3Al-3Sn- lZr-lMo)	Закалка при 780-820 °С, старение при 500... 550 °С, 4...6ч	σВ= 830... 1275 МПа, δ=18...4%,KCU = = 500...700кДж/м2	Хорошая деформируемость в холодном и горячем состоянии	Для изготовления деталей из листовых материалов, крепежа

По способу получения заготовок титановые сплавы разделяют на деформи­руемые и литейные. Деформируемые сплавы (заготовки получают методами пластического деформирования) дополнительно делят на следующие:

• повышенной пластичности ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1 (δ> 20 %, σ_В = 600 МПа);

• средней прочности ВТ5-1, ВТ4, ВТ16, ВТ20 (σ_В« 600... 1000 МПа);

• высокопрочные титановые ВТ14, ВТ22, ВТ23, ВТ15 (σ_В« 1000... 1500 МПа);

• жаропрочные титановые ВТЗ-1, ВТ9, ВТ18, ВТ25 (σ_В« 1000...1500 МПа). По разработке и производству титановых сплавов наша страна занимает лидирующее место в мире.

В табл. 1.6 приведены марки титановых сплавов, используемых в производ­стве деталей и узлов двигателя АЛ-31.

Сплавы на никелевой основе. Главным достоинством сплавов на никелевой основе является способность сохранять высокую прочность с хорошей жаро­стойкостью при температурах выше 650 °С.

Таблица 1.6

Детали авиадвигателя	Рекомендуемый температурный интервал применения сплавов, °С рвал применения сплавов, °С
	50... 350	300...500	450...550	550...600
	Вентилятор КНД	КНД	КВД	КВД
Диски компрессора	ВТ6, ВТ8-1.ВТ22	ВТ8-1	ВТ25У	—
Лопатки ротора компрессора	ВТ6, ВТ8М-1,ВТ22	ВТ8М-1	ВТ25У	ВТ18У
Детали статора, кожух	ВТ6	ВТ20	—	—

Поликристаллические никелевые сплавы эксплуатируют при температурах порядка 850°С, т. е. чуть больше чем 0,7 от температуры плавления (1455 °С). Дальнейшее увеличение рабочих температур достигается методами направлен­ной кристаллизации. Такие никелевые сплавы имеют рабочие температуры, дос­тигающие 0,9 от температуры плавления.

Для вращающихся деталей турбины основными требованиями к материалам являются жаростойкость и сопротивление ползучести. В настоящее время для их изготовления используют суперсплавы на никелевой основе, имеющие сложную систему легирования (Со, W, Сг, А1, Та, Ti, Hf). Твердые растворы и фазы, обра­зуемые в таких сплавах, блокируют движение дислокаций, обеспечивая повы­шение прочности, сопротивление ползучести и жаростойкость. Характеристики сплавов на никелевой основе, используемых в производстве деталей и узлов ГТД, приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Группа сплавов	Термическая обработка	Механические свойства	Рабочая температура, °С
Жаростойкие никелевые ставы для изготовления основной и форсажной камер сгорания
ХН60ВТ (Сг —25%; W— 14,5 %; Ti— 0,5 %; А1 — 0,5 %) ХН50ВМТЮБ, ХН68ВМТЮК	Закалка в масле при 1100...1140°С + старение при 900 °С, 5ч	σВ = 220...300МПа, σ0,2= 50...80МПа, δ= 17...32%(при 900 °С)	До 1000
Жаропрочные и	никелевые сплавы для лопаток газовых турбин (деформируемые)
ЭП109, ЭП220, ЖС6КП	Закалка при 1220...1230°С (3...5 ч) + старение при 950 °С, 2 ч	σВ = 650МПа,δ = 6%, σВ= 750 МПа, δ = 6% (при 900 °С)	950
Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток газовых турбин (линейные)
ЖС6У, ЖС6Ф-НК ВЖЛ12У	Закалка при 1220... 1230 °С (3...5 ч) + старение при 950 °С, 2 ч	σВ = 800 МПа, δ = 5%, σВ = 850 МПа, δ =12%, σВ = 780 МПа, δ = 5% (при 900 °С)	1000 1050 1000
Жаропрочные никелевые сплавы для дисков турбин
ХН77ТЮР, ХН73МБТЮ, ХН62БМКТЮ	Закалка при 1080... 1150 °С, старение при 750... 850 °С, 8...16ч	σВ = 350 МПа, δ = 15%, σВ = 420 МПа, δ =17%, σВ = 520 МПа, δ = 20% (при 900 °С)	1000 1050 1000

Большинство никелевых сплавов содержит 10...20 % Сг, около 8 % Al, Ti и 5... 10 % Со, в малых количествах В, Zr и С. Другими легирующими элементами являются Mo, W, Та, Hf и Nb. Легирующие элементы могут быть разделены на несколько категорий:

• образующие с никелем твердые растворы, которые упрочняют матричную γʹ-фазу (Со, Сг, Mo,W, Fe);

• образующие с никелем интерметаллидные соединения γ-фазу (Al, Ti, Nb, Ta,Hf);

• образующие карбидные соединения (Сг, Mo, W, Nb, Та, Ti);

• улучшающие технологические свойства (литейные, свариваемость, де­формируемость), рафинирующие сплав, способствующие формированию мелко­зернистой структуры (В, Zr, Hf, Y, редкоземельные элементы).

Ниже приведены основные фазы никелевых сплавов.

• γ-фаза: имеет кубическую гранецентрированную решетку. Обычно пред­ставляет собой твердый раствор с такими элементами, как Со, Сг, Мо и W;

• γ'-фаза: основная упрочняющая фаза никелевых сплавов типа Ni₃(Аl,Ti), когерентно связана с γ-фазой. Предел текучести γ'-фазы увеличивается с ростом температуры, начиная с 650 °С. γ'-фаза достаточно вязка, что придает сплаву жа­ростойкость и прочность без охрупчивания материала. Увеличение объемной до­ли γ'-фазы повышает жаростойкость. В современных сплавах доля γ'-фазы дости­гает 70 %. Есть множество факторов, определяющих упрочняющий эффект γ '-фазы: размер частиц, содержание легирующих элементов, объемная доля и т. д.;

• карбидные фазы: содержание углерода в никелевых сплавах составляет 0,05...0,2 %. При взаимодействии с карбидообразующими элементами возника­ют карбиды типа TiC, ТаС или HfC. При последующей термической обработке эти исходные карбиды преобразуются в формы с меньшим содержанием углеро­да, такие как Ме₂₃Сб и Ме₆С, которые имеют тенденцию к выделению на границах зерен. Результатом становится увеличение прочности на растяжение при высоких температурах;

• топологические плотноупакованные фазы: к ним относят σ-фазу, μ-фазу, фазу Лавеса. Эти фазы в отличие отγ' выделяются в форме пластин. На метал­лографических шлифах они видны как иглы. Фазы пластинчатой формы нега­тивно влияют на механические свойства никелевых сплавов, в частности вяз­кость и сопротивление ползучести, и способствуют инициированию трещин вследствие своей хрупкости.

Интерметаллидные сплавы. Интерметаллиды (химические соединения ме­таллов), занимающие промежуточное положение между металлами и керамикой, имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30 % ковалентной составляющей, что и определяет их уникальные физико-механические свойства. Интерметаллидные сплавы на основе соединения γ-TiAlпредставляют значительный интерес для изготовления деталей, работающих в интервале температур 600...800 °С, как замена применяемых в настоящее время никелевых сплавов. Сплавы γ-TiAl планируется использовать для лопаток тур­бин низкого давления, компонентов сопла, деталей корпусов сверхзвуковых двигателей (NASAGlennResearchCenter). По сравнению с никелевыми сплава­ми они имеют на 45...55 % меньшую плотность при высоких механических свойствах (табл. 1.8). Их недостатком является низкая пластичность при ком­натной температуре. Этот недостаток устраняется дополнительным легировани­ем, в частности Nb, с образованием двухфазных структур с удовлетворительной пластичностью (например, сплав Ti-46,5Al-3Nb-2Cr-0,2W). В настоящее время разработаны интерметаллидные сплавы, обеспечивающие необходимый для вы­сокотемпературной и низкотемпературной эксплуатации комплекс свойств (ус­талостная прочность, сопротивление ползучести и окислению). Разрабатывают способы защиты поверхностей деталей от окисления — специальные интерме­таллидные сплавы систем Ti₃Al, Ti₂AlNb (Ti-23Al-25Nb-0,4Si).

Таблица 1.8

Параметр	Группа материалов
	Y-TiAl	Ti3Al	Титановые сплавы	Никелевые сплавы
Плотность, г/см3 Модуль упругости, ГПа Температура начала ползучести, °С Максимальная температура по жаростойкости, °С Вязкость при комнатной температуре, % Вязкость при рабочей тем­пературе, %	3,76 176 1038 1038 1...2 7...12	4,15...4,7 1100...145 815 649 2...5 5...8	4,5 96...110 538 593 -20 Высокая	8,3 206 1093 1093 3...5 10...20

Таблица 1.9

Сплав	Свойства
	Плотность, кг/м3	, МПа	, МПа
ВКНА-4У ВКНА-1В(М0Н0) с монокристаллической структурой	7840 7930	110 100	50 50

В нашей стране созданы сплавы ВТИ-1 и альфа-2-орто на основе α₂-Ti₃Al, которые имеют высокую жаропрочность при рабочих температурах 650...700 °С. Первый имеет низкую пластичность, а второй — удовлетворительную δ ≈ 6 % при σ_в = 1000 МПа, что позволяет прокатывать его в фольгу и тонкие листы.

Интерметаллидные сплавы на основе интерметаллидов никеля (ВКНА-4У, ВКНА-1В (МОНО) применяют для изготовления деталей горячего тракта ГТД (рабочие и сопловые лопатки, жаровые трубы и т. п.). Они позволяют повысить рабочие температуры деталей до 1200 °С, увеличить их ресурс в 3-4 раза. Свой­ства сплавов приведены в табл. 1.9. Сплавы могут использоваться для отливки лопаток турбин с монокристаллической структурой, работающих при темпера­туре до 1150 °С.

Перспективные материалы

Эвтектики с направленной кристаллизацией. Эти материалы превосходят по основным служебным свойствам монокристаллические никелевые сплавы. Они представляют собой особые композиционные материалы на никелевой мат­рице, упрочненные монокарбидными волокнами или интерметаллиднымиNi₃Nbпрослойками. Эти материалы обеспечивают прочность σ_в> 120 МПа при темпе­ратуре 1100 °С и ресурсе 1000 ч. Недостатком, сдерживающим их применение, является крайне низкая

(< 3 • 10^-2 см/мин) скорость роста упрочняющих волокон при кристаллизации сплава.

Композиционные материалы с полимерной матрицей в основном исполь­зуют для изготовления крупногабаритных деталей сложной формы, таких как лопасти вентилятора, кожухи, конус воздухозаборника и др. Они обладают вы­сокой удельной прочностью, но имеют низкие рабочие температуры, не превы­шающие для условий длительной эксплуатации 150...200°С. Эти материалы применяют в основном в производстве двигателей гражданской авиации. На­полнителем служат волокна из углерода, стекла, бора, СВМ, аримида и других материалов, а связующим — эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремнийор-ганические смолы и т. д.

Композиционные материалы с металлической матрицей. Повышение проч­ности может быть достигнуто использованием металломатричных композиций с матрицей на основе титана или интерметаллидных сплавов TiAl, армированных керамическими волокнами, например SiC, SiC/C (рис. 1.28). Их использованиеможет обеспечить снижение массы деталей до 50 % по сравнению с традицион­но используемыми титановыми сплавами.

Металломатричные композиты получают различными способами:

• диффузионным спеканием волокон с предварительно нанесенным покры­тием матричного материала в газостатах;

• литьем (заливка формы с расположенными в ней волокнами матричным материалом);

• методами порошковой металлургии, в частности горячим изостатическим прессованием покрытых или не покрытых волокон, предварительно спрессован­ных вместе с порошком матричного материала.

Технология получения таких материалов достаточно сложна. При изготов­лении кольцевых деталей и вставок в диски моноколес на предварительно очи­щенные волокна плазменным или вакуумным напылением наносится покрытие, затем волокна наматывают на специальную оправку. Заключительной стадией является прессование и спекание материала, выполняемое в газостатах.

Керамические волокна в настоящее время получают способом химического осаждения паров керамики на вольфрамовую проволоку SiC/Wили углеродное волокно SiC/C. Например, фирма TextronSpecialtyMaterialsизготовила волокна SCS-6, имеющие диаметр 140 мкм, с модулем упругости 400 ГПа, прочностью на растяжение 3450 МПа и плотностью 3,0 г/см³. Исходное углеродное волокно имело диаметр 33 мкм. Слои пиролитического графита и Siнаносились последо­вательно друг за другом, толщина слоев ~1 мкм. Образующиеся кристаллиты SiCимели радиально расположенную столбчатую структуру с диаметром зерен 40...50 нм. Атомная доля Siсоставляет 40...45 %, а графита 55...60 %. Внешние слои имеют меньшее атомное содержание

Si (~20 %), что улучшает их совмес­тимость с титановой матрицей.

Интерметаллидные матричные композиты представляют особый интерес как замена никелевых суперсплавов, обеспечивающая высокую прочность, со­противление ползучести и работоспособность в широком интервале температур.Эти материалы могут значительно повысить качественные характеристики дви­гателей новых поколений.

Композиционные материалы с интерметаллидной матрицей обладают наи­более высокой удельной прочностью при температурах 900...950 °С. Их массо­вая доля, по прогнозам ведущих авиационных фирм, в новых поколениях двига­телей будет составлять около 20 %. Имеется, однако, немало препятствий для широкого использования этих материалов. Это прежде всего значительное раз­личие в коэффициентах линейного термического расширения волокон и матри­цы, химические реакции и превращения, протекающие на границах волокон и матрицы, сложность процессов получения (особенно волокон) и высокая стои­мость.

Создание качественно новых ГТД невозможно без существенного увеличе­ния температуры газа перед турбиной. Например, в двигателях пятого поколе­ния эта температура составит 1400... 1500 °С, а в перспективе — 1800 °С. Это может быть достигнуто полной или частичной заменой жаропрочных сплавов конструкционными керамическими материалами и керамокомпозитами, имею­щими малую удельную массу (2,5...3,2 г/см³) и обладающими высокой жаро­прочностью и жаростойкостью.

Конструкционные керамики. Для изготовления деталей ГТД перспективны­ми являются высокотемпературные конструкционные керамики на основе нит­рида и карбида кремния (Si₃N₄ и SiC). Эти керамики способны работать при температурах до 1400... 1600 °С на воздухе и в горячем тракте авиационного двигателя. Они обладают высоким сопротивлением термическим ударам, низ­ким коэффициентом термического расширения, хорошей теплопроводностью, стойкостью к окислительной среде, к воздействию расплавов Al, Mg, Zn, Pb, а также кислот НС1, HF, H₂S0₄ и др.

Основными способами получения керамики на основе нитрида кремния служат реакционное связывание кремния, спекание или горячее прессование порошка нитрида кремния с использованием уплотняющих добавок. Реакцион­но-связанный нитрид кремния отличается комплексом свойств, обеспечиваю­щим технологичность получения изделий, в частности способностью спекаться без усадки, возможностью получения изделий сложных геометрических форм. Спеченные нитрид и карбид кремния и их композиции обладают кроме прочего высокой плотностью (горячепрессованная керамика с уплотняющими добавками оксидов металлов имеет беспористую структуру и почти идеальную плотность) и определенной вязкостью.

В настоящее время разрабатывают элементы и узлы горячей зоны газотур­бинных двигателей V-VI поколений из реакционно-связанного, спеченного, горячепрессованного нитрида и карбида кремния: сопловые и рабочие лопатки турбины (рис. 1.29), диск турбины, кольцевые элементы соплового аппарата, надроторные уплотнения, стабилизаторы горения, камеры сгорания, каталитиче­ские воспламенители форсажной камеры и др. Керамики находят применение для изготовления подшипников качения, зубчатых колес и др.

Основные характеристики материалов на основе нитрида кремния, получае­мых по технологии горячего прессования, представлены в табл. 1.10.

Применение конструкционных керамик для производства деталей ГТД су­щественно ограничивает их низкая вязкость. По этой причине основные разра­ботки конструкционных керамик в настоящее время проводят в направлении создания композиционных материалов с керамической матрицей (керамокомпозиты).

Таблица 1.10

Керамокомпозиты. В качестве наполнителей керамокомпозитов исполь­зуют волокна из SiC, углерода и А1₂О_э, а в качестве матрицы SiC, А1₂0₃ или (А1₂0₃ + Si0₂).

Для эффективного использования этих материалов требуется решение не­сколько проблем, связанных с прочностью и особенностями взаимодействиямежду матрицей и волокнами. С одной стороны, оксидные волокна термодина­мически устойчивы к действию высоких температур, но имеют низкое сопротивле­ние ползучести. С другой — неоксидные волокна типа SiC обладают приемле­мым сопротивлением ползучести, но деградируют при длительном воздействии высоких температур в результате взаимодействия с матрицей. Это осложняет их использование при температурах выше 1000 °С.

В C-SiC-композитах в качестве матрицы применяют карбид кремния SiC. Материалы этого типа получают термохимической газовой пропиткой. Этот процесс имеет большую длительность (300...600 ч). C-SiC-материалы могут ог­раниченное время эксплуатироваться в окислительных средах при температурах до 1650 °С. Постепенно из-за проницаемости матрицы (наличие пор, микротре­щин) углеродные волокна деградируют в результате окисления. Возникновению микротрещин способствует различие в коэффициентах термического расшире­ния углеродных волокон и керамической матрицы.

В целях успешного применения керамических матричных композиций для изготовления высокотемпературных компонентов реактивных двигателей ис­следуют композиции на основе волокон SiC, находящихся в многофазной мат­рице SiC, получаемой испарением и конденсацией керамики. Эти композиции имеют значительные преимущества перед никелевыми суперсплавами при тем­пературах выше 1200 °С. Прочность таких материалов (16 % волокон) при ис­пытаниях с нагревом и растяжением в течение 1000 ч при температуре 1588 К составляет около 100 МПа.

В ближайшем будущем ожидается только ограниченное применение ке-рамокомпозитов в производстве ГТД — это некоторые детали статорного уз­ла турбины низкого давления, выходной конус, створки сопла. Керамокомпозиты уже используют для изготовления створок сопла двигателя М88 фирмы Snecma.

Углерод-углеродные (C-С) композиционные материалы состоят из углерод­ных волокон, находящихся в углеродной матрице. Их получают многократным повторением (до 6-8 раз) циклов пропитки исходной преформы на основе угле­родных волокон смолами или пеком с дальнейшей карбонизацией (пиролизом в вакуумной печи) для образования углеродной матрицы. Также эти материалы получают химическим осаждением графита на волокнах наполнителя (термо­химическая вакуумная пропитка). Этот способ обычно используют для изготов­ления высокопрочных ответственных деталей. Углерод-углеродные композиты имеют самую высокую удельную прочность из всех известных материалов (со­храняется до 2500 °С).

В табл. 1.11 приведены данные о физических и физико-механических свой­ствах углерод-углеродных материалов.

Недостатком С-С-композитов является их низкое сопротивление окисле­нию. Они начинают окисляться при температурах больше 600 °С и должны быть защищены жаростойкими, непроницаемыми для воздуха покрытиями. На рис. 1.30 приведены детали, выполненные из С-С-композитов.

Таблица 1.11

Наименование свойств	Тип материала
	Единица	Арголон	Арголон	Арголон	Арголон
	измерения	ТХ	2D	3D	4D
Предел прочности при
растяжении	МПа	175… 185	130... 160	170	180
Предел прочности при сжатии
	МПа	40...60	50... 120	35... 77	34... 120
Теплопроводность	Вт/(м • К)	11О...180	25...100	120... 180	100...140
Теплоемкость	Дж/(кг • К)	40... 120	6...20	6...20	44... 134
Модуль Юнга	104МПа	680...2000	680... 2000	680...2000	680...2000
Коэффициент термического расширения
	КГ6 1/К	1,5...2,5	1,5...2,0	0,75...5,0	0,03...2,5

Тугоплавкие металлы. Считают перспективными для изготовления рабочих лопаток турбин двигателей новых поколений. К основным тугоплавким металлам относят W, Re, Та, Мо и Nb. Из них только ниобий с силицидным покрытием в значимых количествах используется для деталей, работающих при высоких тем­пературах, благодаря высокой вязкости и жаропрочности. При температуре ~1400 °С он может работать несколько часов. Рений с иридиевым покрытием мо­жет работать при температуре -2200 °С в течение нескольких десятков часов. При температуре 2000 °С только два материала имеют приемлемую прочность: рений (100... 150 МПа) и композит С-С с прочностью ~200 МПа.

Тугоплавкие пенистые (ячеистые) материалы (рис. 1.31) — это новый класс материалов низкой плотности, которые находят применение для различных це­лей (снижения массы конструкций, катализа, систем охлаждения, фильтров для жидкостей, газов и расплавленных металлов). Ячеистые материалы могут быть получены методами конденсации в вакууме (PVD, CVD, EB-PVD) из керамик, в частности SiC, металлов, углерода или композиций разных материалов. Ячеи­стые материалы оптимизируются по жесткости, прочности, массе и плотности, площади поверхности, химической чистоте, термической проводимости, газопроницаемости и др. Важными свойствами этих материалов являются сопротив­ление термическим ударам и сравнительно невысокая стоимость.

Тугоплавкие ячеистые материалы получают из ниобия, тантала, вольфрама, рения или композиционных материалов с керамической и металлической матри­цей. Теоретически могут быть получены материалы с любой плотностью ячеек и любой относительной плотностью (по сравнению с компактным материалом). Облицовка их листовыми материалами позволяет получать легкие жесткие и прочные конструкции.