|
|
Требования, предъявляемые к
высокотемпературным материалам на основе твердых материалов, могут быть
различны в зависимости от области применения и еще не полностью уяснены.
Турбинные лопатки, на которые наряду с соплами ракет в дальнейшем авторы
будут ссылаться как на наиболее типичные изделия, могут подвергаться
воздействию центробежных усилий, термоударов, а также вибрационных усилий.
Из механических характеристик особо важными являются
высокая жаропрочность и устойчивость к ползучести. С точки же зрения
устойчивости воздействию центробежных усилий больше подходит материал меньшей
плотности. Если центробежные усилия отсутствуют, например у направляющих
лопаток, плотность материала играет второстепенную роль. Для сопел ракет
требуется низкая плотность.
У турбинных лопаток часто наблюдаются усталостные поломки.
При этом очень трудно на основании экспериментальных данных по пределу
усталости определить поведение металла при эксплуатации. Ошибка, очевидно,
связана с совмещением усталостной прочности и длительной прочности.
В неподвижных (стационарных) деталях, например в
направляющих лопатках, нагрузка сильнее, чем у вращающихся деталей. Таким
образом, усталостная прочность играет там большую роль.
Особенно важной характеристикой является устойчивость к
термоударам. Большая часть материалов на основе твердых материалов обладает
высокой жаропрочностью, но недостаточными устойчивостью к термоударам и
ударной вязкостью. В настоящее время никакой стандартной методики определения
термостойкости не существует. Это затрудняет сопоставление данных различных
авторов. В США применяют испытательное устройство, изображенное на 110.
Образец в виде пластинки зажимают в закрепляющем кольце и нагревают в печи
при соответствующей температуре и затем быстро закаливают на холодном
воздухе. Этот эксперимент повторяют не менее 15 раз до поломки пластинки.
Согласно В. Г. Лидману и А. Р. Бобровскому, устойчивость к термоударам
Чем больше полученная величина, тем лучше практически
поведение сплавов при термоударах. Сопла из сплавов вольфрам—серебро
значительно • более устойчивы к термоударам, чем вольфрамовые, применяемые в
ракетах «полярис». Эти сопла в значительной мере вытеснили вольфрамовые. По
этой причине, однако, приходится отказываться от сопел из нецементирован-
ного HfC или ТаС.
Коэффициенты теплового расширения материалов турбинной лопатки
и направляющей лопатки, к которой прикрепляется турбинная лопатка, не должны
резко различаться. У газовых турбин и других аналогичных машин температура
лопатки ниже, чем температура при входе газа; этот температурный перепад тем
больше, чем выше теплопроводность материала лопатки. Высокая
теплопроводность, однако, не только понижает температуру лопатки, но и
соответственно повышает температуру рабочего колеса, на котором сидит
лопатка. В действительности поломки на турбинных колесах наблюдались уже при
экспериментах с хорошо проводящим материалом лопатки. Чтобы полностью
использовать преимущества высокой теплопроводности новых материалов лопаток,
необходимо, кроме того, либо применять для подобных колес жаропрочные
материалы (лучше всего те же материалы, что и для лопаток), либо обеспечить
более сильное охлаждение колеса турбины путем соответствующих конструкционных
решений.
Турбинные лопатки, как и направляющие лопатки, неизбежно
подвержены воздействию быстрого тока газа. Поэтому существенным требованием,
предъявляемым к материалу, является высокая эрозионная стойкость. Это же
требование приходится предъявлять и к материалам для ракетных двигателей. В
реактивных зарядах, содержащих алюминий, возникает также добавочная эрозия
частицами AI2O3. Мерилом эрозионной стойкости при высоких температурах может
служить горячая твердость или же определенная при красном калении величина
износа, полученного в результате пескоструйной обработки.
Материалы ракетных сопел и лопаток должны, кроме того,
обладать достаточной пластичностью (ударная вязкость) при низкой и комнатной
температурах. В связи с этим некоторые материалы, обладающие высокой
жаропрочностью, не могут быть использованы при холодном запуске из-за
хладноломкости. Практическая пригодность, например, материала турбинной
лопатки зависит от совокупности различных характеристик. Поэтому для наиболее
полного использования нового материала при некоторых обстоятельствах
требуется полная реконструкция лопатки или даже всего двигателя. В настоящее
время еще нельзя определить, в какой мере подобная реконструкция может
повлиять на возможность использования хладноломких материалов.
Можно утверждать, что повышение температуры эксплуатации
сильно увеличивает коэффициент полезного действия газовых турбин и других
аналогичных механизмов. Если какой-либо новый материал позволяет повысить
рабочую температуру хотя бы на 50° С, то его применение дает большие
преимущества в любом случае. При этом повышение жаропрочности не должно, во
всяком случае, сопровождаться снижением других качественных показателей,
особенно устойчивости к окислению или к термоударам.
Повышение рабочей температуры имеет большое значение для
воздушнореактивных двигателей, ракет и т. д. Меньше обращают на себя
внимание, но зато имеют, пожалуй, большее экономическое значение новые
материалы для лопаток стационарных заводских и судовых турбин. Средний срок
службы турбины самолета не превышает 1000 летных часов, тогда как для газовой
турбины силовой установки требуется срок службы свыше десяти лет. В настоящее
время эксплуатация воздушного реактивного двигателя самолета ограничена
максимально допустимой температурой лопатки 850°С; рабочие же температуры
заводских газовых и паровых турбин являются значительно меньшими.
Максимальная температура лопатки может составлять около 620° С. Повышение
рабочей температуры при этом хотя бы на 30° С значительно увеличивает
производительность лопатки. В ряде случаев для газовых турбин и ракет не
требуется очень высокой жаропрочности. При этих условиях сопротивление
ползучести играет значительно большую роль, чем длительная прочность — предел
прочности при растяжении в зависимости от температуры для определенной
длительности нагружения. Существенную роль играет, однако, сопротивление
материала лопатки химическому воздействию газов сгорания и примесей в горючем
(ванадиевая зола). В подобных случаях механические характеристики при высоких
температурах не имеют высоких значений.
Конструкционные детали ракет, например сопла, рассчитаны
обычно на срок службы в несколько секунд. Это означает, что кратковременный
предел прочности при растяжении материала сопел при рабочих температурах
имеет большее значение, чем сопротивление ползучести и длительная прочность.
Для таких деталей, как сопла ракет, важное значение имеет
теплопроводность, так как при хорошей теплопроводности температура сопла
удерживается на более низком уровне, чем температура газов сгорания.
Кратковременное нагружение и хорошая теплопроводность
позволяют, как отмечалось выше, с большим успехом применять для ракетных
сопел незащищенные покрытиями молибден, вольфрам или сплавы на их основе.
Длительное воздействие высоких температур в окислительной атмосфере приводит
к быстрому.разрушению. У еще более теплопроводных, чем молибден и вольфрам,
сопел из сплавов вольфрам—серебро (или вольфрам—медь) возникает, кроме того,
эффект эффу- зионного охлаждения вследствие испарения серебра.
Установлено, что для высокотемпературного применения
представляет особый интерес такой материал, который позволяет увеличить срок
службы детали при данной рабочей температуре или повысить рабочую температуру
при заданном сроке службы. Однако и до настоящего времени еще нельзя вывести
правило, на основании которого можно было бы вычислить допустимый предел
снижения таких характеристик, как устойчивость к термоударам при каком-либо
заданном увеличении сопротивления ползучести или длительной прочности. При
современном устройстве турбин интервалы еще узки; однако их можно,
по-видимому, заметно расширить путем изменения конструкции. Что же касается
выбора материалов сопел, то еще некоторое время будут преобладать чисто
эмпирические методы их опробования из-за различных видов нагружения.
В табл. 62 приведен химический состав и плотность новых
высокотемпературных материалов в сопоставлении с известными сплавами, а на
Ill и в табл. 63— данные Бунгардта о длительной прочности (1000 ч)
аустенитных сталей (А), сплавов хром — кобальт—никель— железо (В), никелевых
сплавов (С) и кобальтовых сплавов (D). Начиная примерно с 850°С разница в
длительной прочности всех сплавов составляет около 10—15 кГ/мм2. На 112 (см.
также ниже) сопоставлены соответствующие данные для чистого молибдена,
легированного молибдена, ниобиевых сплавов, твердых материалов и твердых
сплавов, значительно превосходящих сверхжаропрочные сплавы.
Однако, учитывая хрупкость этих материалов, их можно
использовать только лишь в неокислительных условиях. Таким образом,
возможность их применения как высокожаропрочных материалов тесно связана с
техническим решением проблемы эффективной защиты от окисления.
|