Твердые сплавы

Раздел: Учебники

Несмотря на значительные усилия, затраченные на разработку новых видов высокотемпературных материалов на основе твердых материалов, до настоящего времени в турбиностроении при изготовлении лопаток, используемых при температуре до 900° С, преобладают все усовершенствованные «сверхжаропрочные» сплавы.

Для температурного интервала 900—1100° С, несмотря на более или менее успешное конструирование экспериментальных турбин, не удалось внедрить ни жаропрочные и окалиностойкие твердые сплавы на основе TiC (тип WZ), ни композиционные материалы на основе молибденовых сплавов с защитными покрытиями из сплавов Ni—Сг (инконель и нимоник). У первой группы материалов не удалось в достаточной мере повысить предел прочности при ударном изгибе на холоду и при нагреве. У второй же группы материалов оставляет желать лучшего диффузионная защита против окисления. Испытание лопаток из окалиностойких ниобиевых сплавов, как защищенных, так и незащищенных, еще не дало удовлетворительных результатов. В то же время защищенные силицидами ниобиевые сплавы применяются в настоящее время в космических аппаратах.

Твердые сплавы, содержащие карбиды, бориды и силициды (твердые материалы со вспомогательным металлом-связкой), не нашли себе применения при изготовлении турбин так же, как и чистые твердые материалы, интерметаллические соединения сочетания металл — окисел металла (керметы), специальная керамика, а также сплавы платины с различными металлами (последние из-за высокой стоимости и значительной плотности).

Для электронагревателей, работающих в температурном интервале 1200—1700° С, новым конкурентом графита (возможная температура эксплуатации в атмосфере окиси углерода — 2500° С и выше) и карбида кремния (максимальная температура эксплуатации на воздухе 1500° С) в настоящее время является дисилицид молибдена. Однако для подвижных деталей и таких случаев применения, когда требуется высокая устойчивость к термоударам и высокий предел прочности при динамическом (ударном) изгибе, такие материалы, как MoSi2 и SiC, непригодны.

У графитовых сопел, работающих при 2000° С и выше с защитными покрытиями и без них, появились серьезные конкуренты в виде чистых молибдена и вольфрама, сплавов на основе молибдена и вольфрама, а также композиционных материалов типа W—Ag. Однако тормозом для их широкого внедрения является не полностью разрешенная проблема защиты поверхности. Особое значение при этом приобретает разработка пластичных на холоду и при нагреве сплавов систем W—Re, Mo—Re и Mo—Os, которая сильно пополнила основные исследования в области многокомпонентных сплавов тугоплавких металлов друг с другом и с металлами платиновой группы.

Наиболее перспективные молибденовые сплавы содержат небольшие количества металлов группы IVa и углерода, а высокая жаропрочность их достигается дисперсионным упрочнением в результате выпадения карбидов, а иногда нитридов этих металлов. Таким образом, мы опять приходим к металлоподобным твердым материалам, т. е. замыкаем круг направления развития высокотемпературных материалов.

Харвуд и Промайзель рекомендует направление исследований по дальнейшей разработке высокожаропрочных материалов.

1.         Применение принципа S.A.P  (например, в жаропрочных сплавах А1—А120з, Pt—А120з или Ni—ТЬОг) к тугоплавким металлам и сплавам, т. е. повышение жаропрочности путем дисперсионного твердения.

2.         Фундаментальное исследование в области металлических и оксидных нитевидных монокристаллов («усы»), имеющих, как известно, высокие прочностные характеристики.

3.         Развитие «пластичной» керамики наряду с использованием наиболее ценных свойств нитевидных монокристаллов.

4.         Создание новых композиционных материалов из металлов, твердых материалов и керамики путем применения «метода железобетона» (упрочнение). Метод заключается во внедрении нитевидных материалов, папри- мер нитевидных кристаллов или проволочного волокна, в металлическую основную массу.

5.         Усовершенствование производственного процесса изготовления тугоплавких металлов и сплавов на их основе с тем, чтобы наилучшим образом использовать их полезные свойства в конструкциях высокотемпературных двигателей. При этом целесообразно решать вопросы об обработке в атмосфере защитного газа и дальнейшем развитии горячей обработки и сварки.

6.         Основываясь на успехе с пропиточными сплавами W—Ag(—Си), целесообразно изучить возможность распространения эффузионного метода и па другие композиционные материалы.