Жаропрочные сплавы

Беттеридж У.

Металлургиздат, 1961 г.

ПРИМЕНЕНИЯ СПЛАВОВ НИМОНИК

Как известно, разработка сплавов типа нимоник была первоначально предпринята в период второй мировой войны; эти сплавы должны были удовлетворять определенным требованиям, предъявляемым конструкторами авиационных газовых турбин. Продолжавшееся в последующие годы усовершенствование этих сплавов обеспечило им передовое место в ряду материалов, используемых для изготовления детален авиационных двигателей. Наиболее важной областью применения новейших сплавов, которые могут работать при еще более высоких температурах, являются турбинные лопатки самых горячих ступеней турбин. 'Однако, кроме того, сплавы нимоник находят применение также и в ряде других областей, где их высокая прочность при повышенных температурах может быть использована с максимальной выгодой. В настоящей главе сделан краткий обзор наиболее известных областей применения сплавов нимоник; кроме рассмотренных ниже, сплавы нимоник могут использоваться и в других случаях, где их свойства соответствуют специфическим требованиям.

1. Газовые турбины

а. Турбинные лопатки

Лопатки газовых турбин, которые являются наиболее нагруженными деталями этой машины, находящимися под действием высоких температур, работают при температурах от 600° в промышленных газовых турбинах длительного срока службы и до 1000° в авиационных турбинах, имеющих сравнительно короткий срок эксплуатации. В процессе работы турбинные лопатки находятся в сложнонапряженном состоянии: на них действуют центробежные нагрузки, появляющиеся в результате высоких угловых скоростей вращения, изгибающие нагрузки вследствие давления газа, а также неравномерные вибрационные нагрузки, являющиеся результатом целого ряда причин. При конструировании газовой турбины очень важно предусмотреть, чтобы эти вибрационные нагрузки не совпадали с собственными колебаниями лопатки, так как в противном случае может иметь место резонанс и, следовательно, очень быстрые усталостные разрушения. Конструирование лопаток должно, конечно, производиться на базе известных свойств усталости и ползучести материала, а также требуемого срока службы турбины. Турбинная лопатка имеет относительно сложную форму, для выполнения которой требуется проведение многочисленных операций механической обработки. Поэтому разработка технологического процесса изготовления лопатки должна быть сделана с привлечением таких методов, которые бы позволили по мере возможности снизить число этих операций, обеспечив, одновременно, производство деталей удовлетворительного качества наиболее экономичным способом.

Некоторые газовые турбины американского производства имеют лопатки, изготовленные методом прецизионного литья, которые работают вполне удовлетворительно; однако в Англии литые лопатки не имеют производственного применения, хотя в этом отношении и были предприняты серьезные попытки. Дело здесь, по-видимому, в том, что изготавливаемые в промышленном масштабе методом прецизионного литья лопатки имеют очень большой размер зерна, что влечет за собой понижение усталостной прочности и термостойкости. Кроме того, методы контроля таких деталей без их разрушения еще не развиты до такой высокой степени, чтобы давать полную гарантию отсутствия мелких дефектов. Поэтому вряд ли можно ожидать, что литые турбинные лопатки получат широкое промышленное распространение, если их жаропрочные свойства не превзойдут настолько свойства имеющихся деформируемых сплавов, что литые сплавы будут сохранять свои преимущества даже при условии применения большого коэффициента запаса.

Производство турбинных лопаток из деформированного материала может осуществляться одним из трех основных методов, которые описаны ниже.

Различные типы лопаток газовой турбины, изготовленных из деформируемых сплавов нимоник, показаны на рис. 155.

Механическая обработка кованой  заготовки.  Этот производственный метод обычно применяется для двух типов лопаток. Первым из них являются лопатки относительно небольших размеров, которые быстро остывают в процессе ковки, делая, таким образом, необходимым приведение повторного нагрева, что сильно удорожает процесс; поэтому в этом случае считается обычно более экономичным производить механическую обработку кованого полупродукта, тем более, что подлежащее снятию количество металла очень невелико.

Другим типом лопаток, которые часто изготавливаются механической обработкой кованых заготовок, являются лопатки промышленных газовых турбин. До настоящего времени эти лопатки производились в относительно малых количествах, и поэтому стоимость изготовления штампов, не была экономически оправданной. Если в будущем количество производимых промышленных газовых турбин будет значительно возрастать, то можно ожидать, что в них будут применяться кованые лопатки. Кованые заготовки, из которых лопатки изготавливаются механической обработкой, имеют обычно в сечении форму прямоугольника или параллелограмма. Такие заготовки получают, как правило, прямой экструзией слитков, после чего для измельчения зерна иногда производится холодная прокатка. Для приготовления заготовок более крупного сечения, например для лопаток промышленных газовых турбин, может оказаться необходимой ковка для разрушения остаточной литой структуры, так как экструзия, проводимая при малых степенях обжатия, часто является недостаточной для этой цели.