Необходимые свойства материалов для работы при высоких температурах

13.09.2019

Требования, предъявляемые к высокотемпературным материалам на основе металлических соединений или на основе окислов, различны для. разных областей применения. На турбинные лопатки, например, действует центробежная сила; они подвергаются тепловым и вибрационным нагрузкам. И в данном случае, наряду с требованиями механической прочности, важны также высокая жароупорность и удовлетворительная ползучесть; при этом предпочтителен материал с меньшим удельным весом. Для других случаев, где нет центробежных воздействий, например для стационарных лопаток, удельный вес материала не играет столь существенной роли.

В турбинных лопатках часто наблюдается усталостное разрушение материала. Однако по экспериментально определенному пределу усталости очень трудно сделать заключение о том, как будет вести себя материал в эксплуатации. Наблюдаемые в лопатках разрушения, по-видимому, происходят в результате усталостных явлений и ползучести. Влияние вибраций в стационарных деталях, например в направляющих лопатках, больше; поэтому предел усталости здесь играет большую роль, чем во вращающихся частях.

Особенно важным для практики свойством материала является стойкость его к теплосменам (термостойкость. — Ред.). Большинство керамических материалов, имеющих высокую жаропрочность, не пригодно для применения из-за плохой термостойкости. До сих пор нет установленного стандартного испытания на термостойкость, поэтому трудно сравнивать данные различных авторов. В Америке принята установка для опытов, которая схематически приведена на рис. 240. Образец в виде пластинки зажимают в держатель, нагревают в печи до соответствующей температуры и быстро охлаждают сжатым воздухом. Эту операцию повторяют до разрушения пластинки, но не менее 25 раз.

По Лидману и Бобровскому, термостойкость можно выразить количественно соотношением:

где К — теплопроводность;

ов — предел прочности при растяжении;

а — коэффициент линейного расширения;

E — модуль упругости.

Чем больше это отношение, тем выше практическая термостойкость.

Термический коэффициент расширения материала турбинных лопаток не должен отличаться от коэффициента расширения рабочего диска, на котором крепятся лопатки. Для газовых турбин и аналогичных машин температура лопаток ниже начальной температуры газа, причем это различие тем больше, чем выше теплопроводность материала лопаток. Высокая теплопроводность, однако, не только снижает температуру лопаток, но и повышает температуру диска. В экспериментах с лопатками из материала, хорошо проводящего тепло, действительно наблюдалось разрушение дисков. Чтобы можно было полностью использовать преимущества высокой теплопроводности некоторых новых материалов для лопаток, необходимо применять более жаропрочные материалы для дисков (лучше всего тот же материал, который предусмотрен для лопаток) или конструктивно обеспечить более сильное их охлаждение.

Турбинные лопатки подвергаются воздействию очень быстрых газовых потоков. Поэтому высокая стойкость против эрозии является также важным требованием, предъявляемым к материалу. Это требование, в частности, необходимо предъявлять к сопловым материалам реактивных двигателей. В качестве меры стойкости против эрозии могут служить значения твердости при высоких температурах или величина износа при пескоструйной, обработке при температуре красного каления.




Материалы лопаток должны также обладать известной степенью вязкости при комнатной температуре. Некоторые материалы, несмотря на их хорошую прочность при высоких температурах, не могут быть применены из-за их хрупкости в холодном состоянии. Так как практическая применимость материалов для лопаток газовых турбин зависит от комплекса различных свойств, материалов, то использование новых материалов, превосходящих старые, как правило, вызывает необходимость изменения конструкции лопатки или всего ротора. Трудно сейчас сказать, какими могли быть или должны быть изменения конструкции, чтобы получить возможность применять материалы, хрупкие в холодном состоянии.

Повышение рабочей температуры значительно повысит коэффициент полезного действия газовых турбин и аналогичных машин. Если при этом новый материал позволяет повысить рабочую температуру всего лишь на 50°, то его применение во всех случаях оказывается выгодным. Конечно, повышение жаропрочности не должно сопровождаться ухудшением других свойств материала, особенно уменьшением его сопротивления окислению или термостойкости.

Повышение рабочей температуры имеет большое значение для реактивных двигателей и других аналогичных машин. Большое экономическое значение имеют новые материалы для лопаток стационарных промышленных и судовых газовых турбин. Для этих турбин увеличение срока службы важнее, чем повышение рабочей температуры. Средний срок службы авиационных турбин не превышает нескольких тысяч часов работы, в то время как для газовых турбин силовых установок срок службы исчисляется годами. В то время как сейчас в авиационных реактивных двигателях максимальная температура лопатки ограничивается областью 820—850°, рабочие температуры промышленных газовых и паровых турбин лежат значительно ниже: максимальная температура лопаток достигает 620°. Здесь даже при повышении рабочей температуры только на 30° существенно увеличивается мощность машин.

Для газовых турбин, а также для ракет в ряде случаев сопротивление ползучести более существенно, чем длительная прочность. Очень важно также сопротивление материала лопаток химическому воздействию продуктов горения и загрязнений в горючем. В таких случаях механические свойства при высокой температуре не имеют решающего значения.

Срок службы некоторых деталей ракет, например сопла, определяется минутами. Это означает, что предел прочности материала сопла при рабочих температурах при кратковременном испытании в данном случае более важен, чем длительная прочность или сопротивление ползучести.

Теплопроводность некоторых деталей, например сопел ракет, очень важна для поддержания их температуры ниже температуры продуктов горения. Кратковременность воздействия и хорошая теплопроводность позволяют, например, успешно применять незащищенный молибден в ракетных соплах. Длительное воздействие более высокой температуры в условиях окислительной атмосферы приводит этот материал к быстрому разрушению.



Всякий материал, который позволяет увеличивать срок службы при данной температуре или повышать температуру при данном сроке службы, представляет особый интерес. Невозможно, однако, установить правило, которое определяло бы допустимую степень ухудшения одних свойств за счет улучшения других, например термостойкости при данном увеличении, скажем, предела ползучести. В современных конструкциях турбин возможность применения ряда материалов еще ограничена, но, по-видимому, ее можно значительно расширить, изменив конструкцию.

Для сравнения новых высокотемпературных материалов (изготовленных на основе тугоплавких металлических соединений) с известными до- сих -по-p сплавами, в табл. 159—166 приведены составы и свойства известных жаропрочных сплавов США, Англии и Германии.

В табл. 159—163 и на рис 241 приводятся сведения о- сплавах на базе кобальта (так называемые «гейнс-стеллиты» HS), сплавах на базе никеля (гастеллой) и сплавах на базе железа (мульти-мет).

В США было разработано также много других высокотемпературных сплавов (см. табл. 164). Свойства этих сплавов близки к свойствам стеллитов HS; таким образом, данные, приведенные в табл. 160—163, могут рассматриваться как характерные для большинства американских сплавов.

Отличительные свойства сплава инконель X представлены в табл. 165.

В табл. 164 приведен также состав сплава нимоник 80, разработанного в Англии, и сплавов хромадур, тинидур и ванидур, разработанных в Германии во время последней войны. По своим характеристикам немецкие сплавы уступают американским и английским. Разработанные в Англии сплавы, относящиеся к нимоникам, имеют хорошие жаропрочные свойства. В табл. 166 приведены свойства сплава нимоник 90, представляющего собой модификацию сплава нимоник 80 (с заменой 20% Ni кобальтом).



Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна