Свойства основных материалов

действующими нагрузками
и требуемым ресурсом

Требования к материалам

Максимальное значение удельной прочности σв/ρ
Обеспечение требуемого запаса прочности при нагреве
Специальные свойства:

Антикоррозионная стойкость
Износостойкость
Возможность изготовления прогрессивными способами
Противопожарная безопасность

Кафедра КиПДЛА

лопатки протягивают. Торцовые шлицы фрезеруют и протягивают
дисковыми протяжками.

При Т<500K используют алюминиевые сплавы АК-4, АК-6, ВД-17
При Т =700…800K – титановые сплавы ВТ3-1,
Выше – жаропрочные сплавы 40ХНМА, 13Н14ВФА.

К дискам предъявляются следующие основные технические требования:
биение наружных и торцовых поверхностей не более 0,05 мм,
разность шагов между пазами под лопатки не более 0,02мм.

Рабочие лопатки

Изготавливают механическим или электромеханическим способом,
точной штамповкой, чеканкой, вальцовкой.
На первых ступенях применяют стальные лопатки,
т.к. возможно повреждение посторонними телами.

Сталь ЭИ 961 (13Х12НВМФА), ЭИ 736 (13Х14НВМФРА)
Титановые сплавы ВТ-9, ВТ-20
Алюминиевые сплавы АК-4, ВД-17.
Композиционные материалы.

Кафедра
КиПДЛА

большой размер,
поэтому их делают из титановых сплавов и часто пустотелыми.
Риски и царапины на лопатках сильно снижают предел выносливости, поэтому их обычно полируют.
Для защиты от коррозии лопатки покрываются защитным слоем
(алюминиевым анодированием).

Лопатки направляющих аппаратов выполняются из таких же материалов, что и рабочие лопатки.

Титановые сплавы широко используются в компрессорах,
но необходимо помнить о возможности возникновения
титановых пожаров при касании титана о титан.

В последнее время появилась тенденция
к использованию композиционных материалов
(лопатки вентилятора, оболочки – там, где позволяет температура).

Внимание! Опасность! Титановый пожар

Достоинства композитов
Малый вес
Высокое демпфирование

Кафедра КиПДЛА

выполняют из листовой стали (1Х18Н9Т).

КОРПУСА ОПОР

Кафедра КиПДЛА

нагрузок, высокой температуры, работают в среде
агрессивных газов

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ

Высокое значение жаропрочности
Высокое значение предела выносливости σ-1,
обеспечивающее прочность при переменных нагрузках
Термостойкость – это способность материала работать без трещин
при переходе температуры от минимума к максимуму и наоборот
Высокая пластичность (низкая чувствительность материала
к концентраторам напряжений).
Жаростойкость – способность материалов сопротивляться
газовой коррозии при высокой температуре в течение
длительного времени.

Кафедра КиПДЛА

пределом пропорциональности σп.
Предел текучести - это напряжение, при котором происходит
рост деформации без заметного увеличения нагрузки.
Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец,
к его первоначальной площади поперечного сечения носит название
предела прочности или временного сопротивления σвр.

Кафедра КиПДЛА

высокой температуре,
называется отношение нагрузки,
при которой происходит разрушение
растянутого образца через заданный
промежуток времени,
к первоначальной
площади сечения.

Для этого из графика по известной величине напряжений и температуры
определяется время работы τ до разрушения.
Предел длительной прочности определяет жаропрочность материала.

На основании предела длительной прочности определяется ресурс работы двигателя.

Шкала времени - логарифмическая

ЖАРОПРОЧНОСТЬ

Кафедра КиПДЛА

отношение r называется
коэффициентом асимметрии цикла.
В случае σmax=σmin r= -1 и цикл называется симметричным.
Если σmax=0 или σmin=0, то цикл называется пульсационным и r= 0.
Пример пульсационного цикла – нагружение зуба шестерни
при передаче крутящего момента. Пример симметричного –
колебания вала при прямой синхронной прецессии.
Циклы, и имеющие одинаковые показатели r, называются подобными.

СИММЕТРИЧНЫЙ

ПУЛЬСАЦИОННЫЙ (ОТНУЛЕВОЙ)

Возникает при динамических (изменяющихся во времени) нагрузках.

ЦИКЛЫ НАГРУЖЕНИЯ

Кафедра КиПДЛА

максимальное напряжение, при котором материал
не разрушается при любом числе циклов.
Такое напряжение называется
пределом усталости, или пределом выносливости.
Предел выносливости обозначается σr ,
где индекс r соответствует коэффициенту асимметрии цикла.
Для симметричного цикла имеем σ-1 и т.д. Обычно считается, что

Кафедра КиПДЛА

ЖАРОСТОЙКОСТИ

Кафедра КиПДЛА

период нового этапа в развитии авиации, связанного с появлением авиационных ГТД.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Кафедра КиПДЛА

Жаропрочные сплавы  — металлические материалы,
обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред.

кобальт
никель
хром

СОСТАВ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Наиболее широкое применение в авиационных двигателях получили никелевые жаропрочные сплавы, из которых изготавливают рабочие и сопловые лопатки, диски ротора турбины, детали камеры сгорания и т. п.

быть:
литейными
деформируемыми
порошковыми

Наиболее жаропрочными являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур
1050—1100 °C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках.

Krupp в 1936—1938 годах.
Высоколегированная аустенитная сталь Тинидур создавалась как
материал рабочих лопаток турбины на температуры 600—700 °C.
В 1943-44 годах годовое производство Тинидур составляло 1850 т

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

Первые серии реактивного двигателя Jumo-004 выпускались с 1942 года с монолитными рабочими и сопловыми лопатками из материала Тинидур. Позднее заменены полыми охлаждаемыми лопатками из того же материала.

Кафедра КиПДЛА

С 1944 года на двигателе Jumo-004 применялись охлаждаемые рабочие лопатки из менее дефицитной стали Cromadur.

Это позволило повысить температуру газа перед турбиной до 850 °C

в серии высокожаропрочных дисперсионно-
твердеющих сплавов на никель-хромовой основе. Основа сплава нимоник-80 — нихромтвердеющих сплавов на никель-хромовой основе. Основа сплава нимоник-80 — нихром (80 %Ni — 20 %Cr), известный с начала XX века своей высокой жаростойкостью и высоким электрическим сопротивлением.
Лопатки турбины из сплава нимоник-80 обладали высокой длительной прочностью при температурах 750—850 °C.
В СССР аналогами сплава нимоник-80 являются никелевые
жаропрочные сплавы ЭИ437, ЭИ437А (ХН77ТЮ) и ЭИ437Б (ХН77ТЮР),
срочным порядком созданные к 1948 году сотрудниками ВИАМ,
ЦНИИЧермет и завода «Электросталь».

ПЕРВЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Кафедра КиПДЛА

До 40-х годов XX века основу
жаропрочных сплавов составляли железожаропрочных сплавов составляли железо или никель. Добавлялось
значительное количество хрома значительное количество хрома для увеличения коррозионной стойкости.
Добавки алюминия Добавки алюминия, титана Добавки алюминия, титана или ниобия увеличивали сопротивление
ползучести.
В конце 40-х годов прекратилось, в основном, использование
железа как основы жаропрочных сплавов, предпочтение начали отдавать
сплавам на основе никеля и кобальта.
В конце 1940-х годов была обнаружена возможность
дополнительного упрочнения жаропрочных сплавов путём легирования
молибденом. Позже для этой же цели начали применять добавки таких
элементов, как вольфрамэлементов, как вольфрам, ниобийэлементов, как вольфрам, ниобий, танталэлементов, как вольфрам, ниобий, тантал, ренийэлементов, как вольфрам, ниобий, тантал, рений и гафний.

РАЗВИТИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Кафедра КиПДЛА

двигателей, по своему химическому составу являются
наиболее сложными из всех существующих сплавов конструкционного
назначения. Они содержат до 10 основных легирующих элементов,
не считая многих полезных микродобавок редкоземельных металлов

ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ
НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ

Жаропрочные сплавы на основе никеля, как правило, обладают
сложным химсоставом, включающем 12 — 13 компонентов для
получения необходимых свойств. Содержание таких примесей, как
кремнийкремний (Si), фосфоркремний (Si), фосфор (P), серакремний (Si), фосфор (P), сера (S),кислородкремний (Si), фосфор (P), сера (S),кислород (O) и азот (N) также
контролируется. Содержание таких элементов, как селен (Se),
теллуртеллур (Te), свинецтеллур (Te), свинец (Pb) и висмут (Bi) должно быть ничтожно малым.
Эти сплавы обычно содержат 10—12 % хромаЭти сплавы обычно содержат 10—12 % хрома (Cr), до 8 % алюминия (Al)
и титана и титана (Ti), 5-10 % кобальта и титана (Ti), 5-10 % кобальта (Co), а также небольшие количества бора (B),
циркония циркония (Zr) и углерода циркония (Zr) и углерода (C). Иногда добавляются молибден (Mo),
вольфрамвольфрам (W), ниобийвольфрам (W), ниобий (Nb), танталвольфрам (W), ниобий (Nb), тантал (Ta) и гафний (Hf).

Легирование

Кафедра КиПДЛА

созданы специальные монокристаллические ЖНС.

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ЖНС

В соответствии с международной классификацией в настоящее
время разработаны пять поколений ЖНС для литья монокристаллических
лопаток авиационных двигателей.
ЖНС первого поколения содержат традиционные легирующие
элементы, такие как Al, Ti, Cr, Mo, W, Та, N b, Hf.
В состав ЖНС второго и третьего поколений вводят легирующий
элемент Re в количестве 2–4% и 5–6% соответственно.
К четвертому и пятому поколениям относятся ренийсодержащие
ЖНС, дополнительно легированные Ru. Вполне естественно, что в
различных сплавах, условно относящихся к одному из указанных поколений,
основные легирующие элементы присутствуют в различных комбинациях.
Каждое новое поколение ЖНС позволяет увеличить рабочую
температуру турбинной лопатки на 20–25°С. По данным ЦИАМ, максимальная
температура газа перед турбиной увеличилась с 1300–1450 К в двигателях
третьего поколения до 1800–1950 К в двигателях пятого поколения. Такой
рост температуры рабочего газа был достигнут за счет повышения
эффективности систем охлаждения и применения монокристаллических
лопаток из ЖНС с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Кафедра КиПДЛА

случаев – на кобальтовой.

Лопатки – ЭП-220, ЖС-6(литейные)
Диски – ЭИ-437Б(ХН77ТЮР)
Корпус – литейные ВЖЛ-14
Листовые детали – ЭИ-435

При увеличении температуры необходимо применять
охлаждаемые лопатки (при Т>1000С)
или переходить на новые материалы

К ним относятся сплавы на никелевой, вольфрамовой или ниобиевой основе.
Однако эти сплавы без специальных покрытий неработоспособны,
т.к. уже при Т>3000С они насыщаются газами и интенсивно окисляются.
Даже со специальными покрытиями трудно обеспечить необходимый ресурс.

Одним из путей значительного повышения температуры
неохлаждаемых лопаток является использование
керамических материалов – таких, как
нитрид кремния или карбид кремния.
Они позволят работать без охлаждения до 1600К.

Кафедра КиПДЛА

Пермь и на «Салюте». В ОАО Кузнецов пока не нашел применения
из-за высокой стоимости.
Рения в России добывается не более 500кг в год.
На ПС-90 – ЖС-28, на НК-93 – ЖС-26. Это монокристаллические сплавы.
Стоимость 1 заготовки диска первой ступени турбины НК-93 – 40000$.

НОВЕЙШИЕ МАТЕРИАЛЫ

Кафедра КиПДЛА

у которых температура поверхности может быть более 850 градусов С)
могут длительно работать только при наличии на поверхности
специальных защитных покрытий.

Покрытия разделяются на два класса

Металлические жаростойкие покрытия для защиты поверхности
от коррозионно-эрозионного воздействия рабочей среды.
Покрытия могут быть одно- и многослойными, где каждый слой
отличается своим химическим составом и толщиной.
Комплексные теплозащитные покрытия (ТЗП) с керамическим
термобарьерным слоем, которые, наряду с защитой поверхности
от коррозионного воздействия среды уменьшают воздействие
теплового потока.

Кафедра КиПДЛА

процент элементов, образующих устойчивые оксидные
пленки, таких как алюминий или хром.
Механизм действия жаростойких покрытий сводится к непрерывному
образованию на поверхности оксидных пленок Al2O3 и Cr2O3 за счет
диффузии алюминия и хрома из покрытия к поверхности деталей
под действием высоких температур.

температуры основного материала
увеличения продолжительности темпов нагрева и охлаждения
при изменении режимов работы двигателя.
Одновременно повышается сопротивление высокотемпературному
окислению как за счет снижения температуры на металле,
так и за счет уменьшения доступа кислорода и продуктов
сгорания топлива к поверхности металла.
Керамический слой из-за своей пористости не может полностью
изолировать поверхность от коррозионного воздействия среды.

Конденсационно-диффузионное ТЗП

Кафедра КиПДЛА