Новые титановые и никелевые материалы, предназначенные для перспективных российских авиационных двигателей, прошли испытания в АО “НПЦ газотурбостроения “Салют” (входит в Объединенную двигателе-строительную корпорацию Госкорпорации Ростех) и внедрены на предприятии. Изготовлены опытные образцы сварного ротора из жаропрочного никелевого сплава, а также крупногабаритная деталь внутреннего корпуса компрессора высокого давления (КВД) из титанового интерметаллидного сплава. Разработчиком новых сплавов является ФГУП “Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов” (ВИАМ).

Проект реализуется Научно-исследовательским институтом технологии и организации производства двигателей (НИИД, филиал АО “НПЦ газотурбостроения “Салют”). Новый титановый сплав, из которого были изготовлены рабочие колеса первых ступеней КВД, является псевдо-α-сплавом.

По плотности он соответствует основным конструкционным титановым сплавам, а по характеристикам длительной прочности и малоцикловой усталости значительно превосходит существующие дисковые сплавы. Высокая рабочая температура (до 600ºС) намного выше, чем у других сплавов, а удачно подобранный химический состав позволяет изготавливать из него рабочие колеса блисковой конструкции. Последние ступени КВД и вал были изготовлены из нового жаропрочного сплава на никелевой основе. Его применение позволило получить полностью сварную конструкцию ротора, что было сделано впервые в практике отечественного авиационного моторостроения.

“Проблеме создания сварного ротора более 40 лет, – говорит заместитель генерального директора – руководитель приоритетного технологического направления “Технологии двигателестроения” АО “ОДК”, директор филиала “НИИД” АО “НПЦ газотурбостроения “Салют” Валерий Гейкин, – Различными организациями и институтами разрабатывались схемы сварного соединения дисков из жаропрочных никелевых сплавов. По объективным причинам эти исследования заканчивались неудачей.

Проблема стала решаться, когда диски стали изготавливать из заведомо свариваемого никелевого сплава, который одновременно удовлетворял бы всем требованиям прочнистов. Такой сплав был разработан в ВИАМ, и он является на сегодняшний день самым жаропрочным свариваемым никелевым сплавом. После того, как совместно с ВИАМ были получены прочностные характеристики сварного соединения, стала ясна перспективность применения этого сплава”. Создание сварной конструкции ротора КВД позволит увеличить его жесткость, что в свою очередь значительно повысит ресурс ротора КВД и всего двигателя. Одновременно отказ от болтовой схемы соединения дисков снизит массу конструкции.

Титановые сплавы на основе орто-фазы Ti2NbAl и технологию изготовления деталей из них кроме России освоили четыре страны: США, Китай, Япония и Франция. Замена жаропрочных сплавов на основе титана, никеля и железа на алюминиды титана (Ti3Al, TiAl, Ti2NbAl) может позволить снизить массу для статорных деталей на 20-40%, а для роторных – в дополнение к этому уменьшить нагрузки от инерционных сил, следствием чего будет повышение мощности, экономичности и ресурса двигателя. Применение интерметаллидов титана даст возможность повысить на 100-200ºС рабочие температуры деталей по сравнению с деталями, изготовленными из титановых конструкционных сплавов. Важным преимуществом для авиационного моторостроения является пожаробезопасность титановых интерметаллидных сплавов по сравнению с жаропрочными титановыми сплавами.

В ходе реализации проекта НИИД была отработана технология электронно-лучевой сварки (ЭЛС) из нового титанового сплава и нового жаропрочного никелевого сплава, определены параметры режимов ЭЛС, обеспечивающие получение бездефектного сварного соединения. Специалисты ВИАМ оказывали помощь на самых сложных участках работы: проведение авторского контроля технологических процессов изготовления заготовок из новых сплавов, разработка режимов термической обработки, микроструктурные исследования. ВИАМ проведен большой объем прочностных испытаний по определению свойств материала заготовок.

Справка:

Реально ли то, что материал работает при температуре выше его температуры плавления и не теряет форму, т.е. не плавится? Реально, если этот материал композит. И причем работает он при температуре выше температуры плавления более тугоплавкого материала. Эти возможно если материал — псевдосплав.

В космической технике широко используются псевдосплавы вольфрам — медь, вольфрам — серебро, молибден — медь и другие. В чем заключается секрет такой устойчивости материала?

Агрегатное состояние вещества

Из свойств агрегатного состояния вещества известно, что процесс плавления чистых кристаллических веществ происходит при постоянной для данного давления температуре — Т пл. Твердое тело может плавиться, если к нему непрерывно подводить теплоту.

Количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы твердого тела при постоянной температуре Т пл. для осуществления плавления, называется удельной теплотой плавления λпл.

Аналогичным образом происходит кипение жидкости. При кипении температура жидкости и сосуда, в котором она кипит, не повышается, но при этом все время происходит превращение жидкости в газ.

Количество теплоты λисп., необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при температуре кипения Ткип., называется удельной теплотой испарения, или теплотой парообразования.

Почему в процессе плавления и кипения температура не повышается? Потому что подводимая извне теплота тратится на увеличение внутренней энергии кристаллов (при плавлении) и жидкости (при кипении). Внутренняя энергия жидкости больше внутренней энергии кристалла, а внутренняя энергия пара больше внутренней энергии жидкости.

Когда не было холодильников, люди в жару хранили воду в пористых сосудах. Вода медленно просачивалась сквозь поры, испарялась с наружных стенок, охлаждая стенки сосуда и его содержимое.

При плавлении твердого тела и испарении жидкости происходит охлаждение соприкасающихся с ними тел.

Вот этот эффект лежит в основе работы псевдосплавов, предназначенных для высокотемпературной эксплуатации.

Работа сопла ракетного двигателя

Температура газов, образующихся при сгорании твердого топлива и истекающих из сопла, может достигать 4000 К. Это выше, чем температура плавления самого тугоплавкого металла — вольфрама, (подробнее: Развитие порошковой металлургии) (3650 К). Как обеспечить надежную работу сопла ракетного двигателя из вольфрама при таких температурах?

Если изготовить сопло не из сплошного, не из монолитного, а из пористого вольфрама. Это область порошковой металлургии. Необходимо вольфрамовый порошок спрессовать и спечь. В результате таких операций получается вольфрам в виде пористой губки. Изменяя режимы прессования и спекания, можно регулировать количество и размеры пор.

Далее этот пористый вольфрам необходимо пропить более легкоплавким металлом — медью или серебром, в результате чего получется псевдосплав вольфрам — медь или вольфрам — серебро. Почему он называется псевдосплавом? Потому что это не настоящий сплав, для которого характерно наличие в кристаллической решетке разнородных атомов. Здесь перемешивания компонентов на атомном уровне не происходит.

Вольфрам с медью и серебром не растворяются друг в друге ни в твердом, ни в жидком состоянии, их невозможно сплавить, а следовательно, изготовить сплав. Из них можно получить только механическую смесь. В данном случае получается псевдосплав с каркасной структурой, представляющий собой вольфрамовый каркас, поры внутри которого заполнены медью (серебром).

Что же произойдет с таким материалом при нагревании?

Псевдосплав вольфрам — медь

Если рассмотреть псевдосплав вольфрам — медь. Приближенная картина будет следующей. Вначале температура внутри композита возрастает, что видно из рисунка, до тех пор, пока не достигнет температуры плавления меди (Т₁ = 1356 К).

При 1356 К подвод теплоты к псевдосплаву не будет вызывать повышения его температуры в течение времени, определяемого интервалом Ԏ₁Ԏ₂. Это время, необходимое для полного расплавления меди, в зависимости от интенсивности нагрева и состава композита может длиться от нескольких секунд до нескольких минут или часов.

После того как вся медь расплавится, температура псевдосплава опять начнет повышаться. Но при температуре кипения меди Т₂ = 2833 К вновь произойдет остановка, и пока вся медь не испарится, температура псевдосплава повышаться не будет (интервал времени Ԏ₃Ԏ₄).

Температура газов, образующихся в результате сгорания топлива, может превышать температуру плавления вольфрама, но он плавиться не будет, потому что его по всему объему охлаждает кипящая медь, температура плавления которой ниже температуры плавления вольфрама.

Разумеется, бесконечно такое положение продолжаться не может. После того как вся расплавленная медь перейдет в пар, температура псевдосплава вновь начнет повышаться, и когда она достигнет значения Т₃, равного температуре плавления вольфрама, материал расплавится.

Точнее, расплавится не псевдосплав (его уже фактически не будет), а вольфрамовый каркас, который без меди работать при такой температуре не может. Вольфрам оказывается сильным до тех пор, пока есть у него пусть более слабый, но верный помощник — медь, способный принести себя в жертву, испариться до последнего атома, чтобы облегчить судьбу своего друга.

А когда друг уходит, оказывается, что без него существовать невозможно, что собственных сил не хватает, утрачивается опора, которую вроде и не замечаешь, но когда она исчезает, все разваливается и теряет смысл.

Для надежной работы между материалами, как и между людьми, нужна совместимость. Иногда два хороших сами по себе человека не могут дружить в силу несовместимости характеров, темпераментов, привычек. Так же и материалы. Например, в высокотемпературных псевдосплавах вольфрам хорошо совместим с медью или серебром, но плохо — с никелем или железом.

Потому что медь и серебро отдают себя в жертву, не требуя ничего взамен, бескорыстно, не причиняя вольфраму вреда, а никель и железо не могут так поступить, они не согласны погибать в одиночку и считают, что если уж погибать, то вместе. С повышением температуры они начинают интенсивно разъедать вольфрам, растворять его в себе. От этого резко падает прочность каркаса, он становится неработоспособным.

Одно из основных условий совместимости компонентов псевдосплава состоит в том, что они не должны образовывать друг с другом ни сплавов, ни химических соединений. Не будет выдержано это условие — идея не сработает.

Если, например, компоненты образуют друг с другом растворы, то в процессе получения композита или при его высокотемпературной эксплуатации вместо двух металлов тугоплавкого и легкоплавкого — может образоваться однородный сплав, который нечем будет охлаждать, так как исчезнет охлаждающая жидкость — легкоплавкий металл уйдет на образование сплава.

Примерно то же произойдет при взаимодействии с образованием химических соединений. Круг металлических компонентов, пригодных для формирования псевдосплавов, ограничен, поскольку большинство металлов склонно к образованию сплавов и соединений. Но не обязательно всегда в качестве составляющих использовать металлы, один из них в ряде случаев можно заменить полимером или керамикой.

Плавление или испарение

Какой процесс эффективнее в смысле охлаждения: плавление или испарение. Очевидно, тот, который требует больших затрат теплоты для своего протекания. В справочниках приведены данные, чему равны удельная теплота плавления и испарения. Для подавляющего большинства материалов затраты на испарение 1г. вещества оказываются во много раз больше, чем на плавление.

Например, для воды λпл.=335 Дж/г, а λисп.=2260 Дж/г, для меди λпл.=176 Дж/г, а λисп.=5240 Дж/г. Таким образом, основную работу по спасению вольфрама от расплавления медь выполняет при своем испарении. Она должна испаряться все время, пока на материал действуют высокие температуры.

Обычно в ракетах требуется, чтобы материал простоял в пределах 1—5 минут, а этот ресурс сопла из псевдосплава вполне могут осилить. Возможны различные варианты конструктивного исполнения деталей из псевдосплавов, позволяющие увеличить срок их службы.

Например, можно представить себе соединенный с псевдосплавом резервуар с расплавленной медью, из которого происходит пропитка медью компенсирующая ее испарение. Но это уже технические детали, которые очень важны, но к принципиальному решению задачи отношения не имеют.

На самом деле в псевдосплавах происходят более сложные процессы, чем те, которые здесь описаны. Материал неравномерно прогревается по толщине, в силу чего в разных слоях его охлаждение расплавленным металлом будет неравномерным, в нем могут возникать большие термические напряжения, способные в ряде случаев вызвать появление трещин.

Интенсивность испарения будет зависеть от размера и структуры пор, химической чистоты компонентов и других факторов. Но важно, само понимание принципа работы псевдосплава, т.е. материал работает в среде, температура которой выше температуры его плавления.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!