Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf

Литые сопловые лопатки ГТД изготовляются из сплавов на кобальтовой и никелевой основах. При этом обычно применяют точ­ ное литье. Штампованные сопловые лопатки изготовляют из мате­ риалов ЭИ607, ЭИ617, ЭИ437 и др. Для внешнего и внутреннего ко­

приведены в табл. 6.

Рабочие лопатки. Рабочие лопатки являются наиболее нагру­ женными из всех деталей газовой турбины. Они подвержены дей­ ствию центробежных сил, вибрационных нагрузок, термических на­ пряжений, усилий, возникающих в результате различия коэффи­ циентов расширения лопаток и диска, а также окисляющему дей­ ствию горячих газов.

Работая длительное время в области высоких температур и на­ пряжений, материал рабочих лопаток турбин должен обладать вы­ сокой жаропрочностью и жаростойкостью. Вследствие вибрации ло­ паток материал должен иметь повышенную сопротивляемость уста­ лости. Комплекс требований, предъявляемых к материалу рабочих лопаток, настолько велик, что их выполняют лишь при использо­ вании высоколегированных жаропрочных сталей и специальных сплавов. Для рабочих лопаток обычно применяют такие стали, как ЭИ696 и ЭИ388, или никелевые сплавы ЭИ437 и ЭИ437Б. Эти сплавы,

Таблица 7

Механические и физические свойства материалов дисков и роторов газовых турбин

как и сплавы ЭИ598 и ЭИ617 (ВЖ51), содержат до 70—8096 никеля. Основные свойства некоторых материалов приведены в табл. 6.

Диски и роторы. Диски и роторы газовых турбин, помимо дей­ ствия центробежных напряжений, могут испытывать большие темпе­ ратурные напряжения. В ряде случаев температура на ободе диска достигает 873 К, а к центру снижается до 423—623 К. Напряжения в отдельных точках диска иногда доходят до предела текучести материала. Поэтому требования к материалам дисков и роторов близки к требованиям, предъявляемым к материалу рабочих лопаток.

В газотурбинных двигателях диски турбин иногда изготовляют из того же металла, что и рабочие лопатки, а именно: из сталей ЭИ482, ЭИ612, ЭИ802 и сплавов на никелевой основе ЭИ437А и ЭИ437Б. Основные свойства некоторых материалов представлены в табл. 7. Иногда для дисков используют стали ЭИ395 и ЭИ434. Широкое распространение в настоящее время получила относительно дешевая сталь ЭИ415, обладающая достаточно высокой жаропрочностью.

Корпуса. Корпуса (статоры) газовых турбин подвергаются нерав­ номерному нагреву по длине. Если на входе газа температура его велика, то по выходе из турбины она значительно понижена. Это резкое изменение температуры по длине статора вызывает в нем температурные напряжения. Поскольку статоры находятся в таком же состоянии, что и направляющие лопатки, то требования к их материалу такие же, как и к материалу направляющих лопаток.

§ 4. Создание материалов, работающих при высоких температурах

Современная теория прочности кристалличе­ ских тел базируется на двух основных положениях [49]:

зионная подвижность компонентов по границам зерен для прочности металлических сплавов при высоких температурах.

Прочность металлических сплавов определяется главным обра­ зом силами межатомных связей в кристаллах, составляющих сплав. Нагревы вызывают увеличение тепловых колебаний атомов и при­ водят к изменениям межатомных сил связи в кристаллической ре­ шетке. Диффузионные процессы в основном протекают по границам кристаллических зерен. Поэтому улучшение жаропрочности дости­ гается средствами, понижающими подвижность атомов по границам зерен и усиливающими межатомные связи в кристаллической ре­ шетке. Проблема жаропрочности связывается, таким образом, с не­ обходимостью определения характеристик прочности межатомных связей в кристаллах металлических фаз и установления влияния, оказываемого на них внешними и внутренними факторами.

Экспериментами установлено, что чем выше температуры плавле- - ния и начала рекристаллизации, чем больше значения энергии акти­ вации, теплоты, сублимации, модуля упругости и чем меньше

величины отклонения атомов от положения равновесия при тепловых колебаниях, тем прочнее при прочих равных условиях межатомные силы связи в кристаллической решетке сплава и тем больше его жаро­ прочность.

Наиболее полную оценку жаропрочных сплавов дают характери­ стики диффузионных перемещений атомов в твердом состоянии: энергия активации диффузии и коэффициент диффузии.

Энергия активации диффузии и самодиффузпн находится в функ­ циональном соотношении с энергией или работой, необходимой для расчленения кристалла на атомы. Эту величину можно выразить зависимостью

получают количественные данные, позволяющие судить о диффузион­ ной подвижности атомов и зависящих от нее процессов рекристалли­ зации и ползучести, а также о характеристиках длительной проч­ ности.

Для оценки жаропрочности материала удобней пользоваться коэффициентом диффузии

Т — абсолютная температура.

Коэффициент диффузии позволяет сопоставить различные мате­ риалы (металлы) и сравнить их между собой. Так, путем проведенных больших экспериментальных работах под руководством Г. В. Курдюмова было установлено, что один и тот же уровень подвижности атомов достигается для алюминия при 573 К, титана — при 773 К, железа, кобальта, никеля — при 973—1073 К, хрома — при 1273 К, молибдена — при 1473 К и для вольфрама — при 1873 К-

Результаты проведенных исследований по так называемой харак­ теристической температуре и среднеквадратичной амплитуде тепло­ вых колебаний атомов дают возможность сделать заключение отно­ сительно элементов, легирование которыми могло бы быть эффек­ тивным с точки зрения повышения жаропрочности материалов. Из легирующих элементов — упрочнителей жаропрочных сплавов — только молибден, вольфрам и ниобий имеют определенное значение для сплавов на железной, кобальтовой и смешанной хромоникелекобальтожелезной основах. Титан и алюминий в качестве упрочни­ телей входят в большинство жаропрочных сплавов, за исключением кобальтовых. Углерод является упрочнителем всех сплавов, кроме

никелевых, а азот — преимущественно аустенитных сталей и не­ которых сплавов на смешанной основе.

При составлении необходимого сплава руководствуются струк­ турными диаграммами, относящимися к базовой композиции мате­ риала, и особенностями влияния отдельных элементов. При выбореотдельных элементов обязательно учитывают специфику и возможность технологической обработки материала. Известно, что сопротивление металлов окислению при высоких температурах зависит от свойств покрывающей металл пленки окисла. Эти свойства определяются температурой плавления, теплотой образования и упругостью диссо­ циации окислов. Чем выше температура плавления, больше теплота образования и меньше упругость диссоциации окисла, тем выше его защитные свойства.

Пленка окислов, появляющаяся на сплаве, может служить в ка­ честве защитного слоя. Основными элементами, способствующими со­ зданию защитных пленок и повышающими таким образом окалиностойкость железных, никелевых и кобальтовых сплавов, являются хром, алюминий и кремний. Эти элементы способны в условиях высоких температур давать устойчивую окалину, обладающую вы­ сокой огнеупорностью. Опыты показывают, что присадка хрома в ко­ личестве 15—20% оказывается обычно достаточной для придания сплавам удовлетворительной окалиностойкости. Однако присадки хрома бесполезны и даже вредны с точки зрения сопротивляемости ползучести. Главная задача легирования заключается в том, чтобы, не избегая легирования хромом как основным окалиностойким эле­ ментом, найти такие его сочетания с другими элементами, которые удовлетворяли бы требованиям прочности при высоких темпера­ турах.

Анализируя большое количество экспериментальных данных при­ шли к выводу, что максимальной жаропрочностью обладают сплавы, химические составы которых отвечают насыщенным твердым раство­ рам. Поэтому эффективность легирования как средства улучшения сопротивления ползучести связана в первую очередь со способ­ ностью легирующих элементов давать твердые растворы, легко дово­ димые до состояния насыщения. В результате основной металл дол­ жен обладать высокими значениями температур плавления и рекри­ сталлизации и характеризоваться высоким отношением Трк/ТпЛ как определяющим критерием жаропрочности [49]. Добавляемые к ос­ новному металлу другие компоненты должны отвечать следующим требованиям:

—не образовывать легкоплавких эвтектик и не давать низко­ плавких продуктов окисления;

—обладать способностью давать твердые растворы с основным металлом и другими элементами;