Царство жаропрочных материалов

Современный авиационный реактивный двигатель является выдающимся творением техники. Вал его компрессора делает 15 000 тысяч оборотов в минуту. Центробежные силы стремятся вырвать лопатки, которые вращаются со скоростью, вдвое превышающей скорость звука, и выдерживают на себе адскую центробежную силу: больше ста тонн. Температура в камере сгорания более 1500°С. Здесь царство жаростойких материалов – последних достижений современной металлургии.

Наиболее ответственные детали газовой турбины – диски. Мало того, что они должны выдерживать ураганный натиск горячего газа, от них требуется еще и высокая точность изготовления. Традиционно их куют и штампуют из слитка, а после того нужна еще и трудоемкая механическая обработка. Всесоюзным научно‑исследовательским и проектно‑конструкторским институтом металлургического машиностроения совместно со Всесоюзным научно‑исследовательским институтом легких сплавов предложен новый способ изготовления дисков. Теперь их прессуют из порошков‑гранул в специальных аппаратах – газостатах. Гранулы жаропрочных никелевых сплавов помещают в герметизированную капсулу и прессуют при высокой температуре. В роли пресса выступает инертный газ аргон. Равномерное обжатие капсулы позволяет получить высокую плотность изделия в любой точке. В результате ресурс двигателя увеличивается в 1,5–2 раза.

Современная техника требует все более стойких материалов по жаропрочности. Повышение экономичности агрегатов в теплотехнике зависит и от металлургов. Советские конструкторы разработали турбины мощностью более 1 миллиона киловатт. Они заявляют, что если металлурги решат проблему создания соответствующих жаростойких материалов, то станет реальной возможность создания газовой турбины с начальной температурой пара в 1200–1400°С. Это дало бы возможность повысить коэффициент полезного действия турбины на 8–10%.

До 1941 года в СССР выплавляли нержавеющую, окалиностойкую и жаропрочные стали около 20 марок и только три марки сплавов на никель‑кобальтовой основе. В послевоенные годы была освоена металлургия жаропрочных сплавов на никелевой основе. Теперь производство жаропрочных сталей широко налажено. Их рабочие температуры в пределах 500–750°С.

В группу жаропрочных включены стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение длительного времени и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью. К сталям условно отнесены все сплавы с содержанием железа более 45%. Сплавы, содержащие в сумме железа и никеля более 65% при соотношении железа и никеля 1: 1,5, отнесены к сплавам на железо‑никелевой основе. Основная структура этих сплавов состоит из твердых растворов хрома и других легирующих элементов в железо‑никелевой основе. Бывают также сплавы на железной и кобальтовой основе. Присадки в них хрома и других легирующих элементов при высоких температурах дают большую прочность. Особенно широкое применение зги сплавы получили в течение последних десятилетий в связи с развитием газовых турбин различного назначения. Сплавы применяют при изготовлении многих деталей газовых турбин реактивной авиации, судовых газотурбинных установок, в оборудовании для перекачивания нефти и газопродуктов, в нагревательных металлургических печах.

Для деталей, работающих при очень высоких температурах в течение короткого времени (в ракетах, управляемых снарядах, космической аппаратуре), разработаны жаропрочные материалы на основе тугоплавких металлов, неметаллических соединений и комбинации неметаллических материалов с металлами.

Жаростойкие детали изготовляются также из смеси неметаллических соединений и металлов, но основой является металл, а соединения при этом распределяются в его объеме более или менее равномерно в виде дисперсных частиц. Впервые такие смеси были изготовлены с добавкой 0,5–20% оксида алюминия. Теперь такие смеси изготовляются на основе различных металлов.

Академик Н.М. Жаворонков отмечает, что работы по жаропрочным сталям должны быть дополнены исследованиями сплавов и материалов на основе хрома, молибдена, вольфрама, ниобия, тантала и рения. Предлагается шире использовать в качестве жаропрочных материалов оксиды металлов, карбиды и нитриды.