МАТИ -Российский Государственный технологический университет им К

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Материалы используемые при изготовлении двигателей авиационной и ракетной техники

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Прогресс в создании и совершенствовании газотурбинных двигателей в значительной мере определяется достижениями в области разработки эффективных материалов для изготовления их деталей и узлов. Новым поколениям авиационных газотурбинных двигателей необходимы материалы с рабочей температурой до 2000 С и прочностью при ней в 250 МПа, коэффициентом температурного расширения близким к нулю и ресурсом работы в сильно окислительной атмосфере до 1000 и более часов. Основными требованиями к материалам, используемым для изготовления деталей ГТД, являются: высокая удельная прочность, жаропрочность и жаростойкость, сопротивление коррозии, стабильность и воспроизводимость механических свойств, хорошая обрабатываемость современными методами заготовительного производства, размерной обработки, сварки и т. д. . Каждый вновь разработанный материал должен пройти через систему исследований и испытаний в условиях, приближенных к эксплуатационным, и на реальных изделиях.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Узел и требования к нему Материалы, используемые для изготовления Вентилятор (винт) Вентилятор: Полимерные композиционные материалы или титановые сплавы. Предпочтительна слоистая Диапазон рабочих температур: ~ -40… 40° С, высокая структура материала прочность, малый вес, безопасность при разрушении вентилятора, сопротивление воздействию ударов (столкновения с птицами и проч. ) Детали узла вентилятора: Диапазон рабочих температур: 200… 300° С, высокие аэродинамические качества (всасывающее действие), компактность Компрессор Сплавы на никелевой основе, титановые сплавы, полимерные композиционные материалы Лопатки: Диапазон рабочих температур: 400… 650° С, усталостная Титановые сплавы, стали, сплавы на никелевой основе. прочность, сопротивление эрозии Диски: Диапазон рабочих температур: 400 - 650° С 1. Высокая прочность. 2. Сопротивление центробежным нагрузкам. 3. Сопротивление усталости. Титановые сплавы, сплавы на никелевой основе.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Камера сгорания Рабочая температура около 1550°С, сопротивление термическим ударам, сопротивление окислению и газовой коррозии Турбина Диапазон рабочих температур: 550… 1095°, прочность при центробежных и осевых нагрузках, жаропрочность, сопротивление ползучести, жаростойкость, сопротивление термическим ударам Валы Диапазон рабочих температур: 50… 850°С, высокая прочность и жаропрочность Сопло Диапазон рабочих температур: 650… 1300°С, жаростойкость, сопротивление эрозионному воздействию газового потока В настоящее время – сплавы на никелевой основе с жаростойкими покрытиями, иногда с термобарьерными покрытиями и облицовкой керамикой. Керамокомпозиты в перспективе Диски – сплавы на никелевой основе Лопатки – сплавы на никелевой основе с монокристаллической структурой с жаростойкими и термобарьерными покрытиями Высокопрочные стали и сплавы на никелевой и железо-никелевой основах Сплавы на никелевой основе с жаростойкими и термобарьерными покрытиями, титановые сплавы, керамокомпозиты

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Группа материалов Полимерные композиционные материалы Максимальная температура, °С 230… 260°С Алюминий 250°С Титановые сплавы 500°С Титановые интерметаллидные сплавы 650… 1040°С Никелевые сплавы 650… 850°С Монокристаллические никелевые 870… 1095°С сплавы Никелевые сплавы для камер сгорания (листовые) 870… 1095°С Углерод-углеродные композиты 950… 1200°С Керамокомпозиты 1200 … 1500°С

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Удельная прочность материалов и температурные области их целесообразного использования. 1 – полимерные композиционные материалы; 2 – композиционные материалы на металлической основе типа Ti – Si. C; 3 – титановые сплавы; 4 – интерметаллидные сплавы типа Ti – Al; 5 – сплавы на никелевой основе; 6 – углерод-углеродные композиционные материалы; 7 – керамические композиционные материалы

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Характер изменения применяемости различных материалов по мере развития производства ГТД: 1 – алюминиевые сплавы; 2 – полимерные композиционные материалы; 3 – титановые сплавы; 4 - композиционные материалы на металлической основе; 5 – сплавы на никелевой основе; 6 – керамические композиционные материалы; 7 – стали

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Основными материалами, используемыми в настоящее время для изготовления ГТД, являются: высокопрочные стали, титановые сплавы и сплавы на никелевой основе. Остальные материалы применяются значительно меньшей степени. В последние годы наметилась тенденция использования новых перспективных материалов. Среди этих материалов будущего, способных дать ускоряющий импульс развитию новой техники и технологиям, в особенности при создании конструкций авиационных и ракетно-космических систем XXI века, следует выделить интерметаллидные сплавы и композиционные материалы с углеродной и керамической матрицей (керамокомпозиты). Ожидается, что их использование для деталей и узлов двигательных установок позволит повысить удельный импульс двигателей на 25… 30% и обеспечит снижение веса конструкций до 40%. Материалы из интерметаллидов и керамокомпозитов в программах создания многоразовых систем предусматриваются в качестве основного конструкционного материала, составляющего более 50% веса конструкции. Одним из сдерживающих факторов быстрого распространения новых материалов является относительно высокая цена. Следует отметить, что важнейший (если не единственный) путь ее снижения, - совершенствование существующих и разработка новых экономичных, экологически чистых, ресурсосберегающих технологий производства.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Каждый материал имеет определенный комплекс свойств определяющих его прочность, жесткость и обрабатываемость. Эти свойства определяют на основе системы механических и технологических испытаний, направленных на количественную оценку установленных стандартами и специальных характеристик. Механические свойства материалов, от уровня которых зависит их прочность и обрабатываемость, определяют при различных схемах нагружения (растяжение, сжатие, изгиб и др. ). Многообразие видов испытаний обусловлено многообразием условий нагружения реальных деталей и технологических процессов используемых для их изготовления. При механических испытаниях определяют характеристики прочности, пластичности, усталостной прочности, вязкости и трещиностойкости.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Механические свойства материалов при статическом нагружении растяжением. Относительная деформация определяется как: – начальная длина образца, а - текущая его длина. Значения напряжений определяют как отношение растягивающей силы P – приложенной к образцу, и площади начального сечения Fо : Типовая диаграмма растяжения Сначала образец деформируется упруго и наблюдается линейная зависимость относительной деформации от приложенного напряжения. Следует отметить, что в реальных материалах, вследствие наличия подвижных дефектов кристаллического строения пластические деформации могут иметь место при весьма малых нагрузках. Это явление называют неупругостью. Напряжение, при котором величина деформации составляет 0, 05%, называют условным пределом упругости 0, 05.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов При дальнейшем увеличении напряжения начинают развиваться значительные пластические деформации. Изменяется структура материала и существенно увеличивается плотность дислокаций. Все это приводит к резкому изменению характера кривой деформации. Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки (ему соответствует площадка текучести на кривой деформации) называют пределом текучести т. При растяжении образцов из высокопрочных и хрупких металлических материалов площадка текучести может отсутствовать. В этом случае используют понятие условный предел текучести 0, 2, при котором величина остаточной деформации составляет 0, 2%. При дальнейшем растяжении нагрузка деформирования начинает возрастать. Это связано с упрочнением материала в результате его пластической деформации. В точке B она достигает наибольшего значения. Условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке называют временным сопротивлением в. оно характеризует максимальное напряжение, которое может выдержать материал.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Пластичность материала характеризуют относительное удлинение (%) и относительное сужение (%): где - конечная длина образца после разрыва; - конечная (минимальная) площадь поперечного сечения образца после разрыва. Механические свойства материалов при динамическом нагружении Диаграммы растяжения при статическом (1) и динамическом (2) нагружении При динамическом (ударном) нагружении скорости приложения нагрузки и деформации на несколько порядков выше, чем при статическом. Это определяет специфику поведения материала. Поскольку скорость распространения упругой деформации намного выше чем пластической – увеличение скорости приложения нагрузки ведет к увеличению сопротивления материала пластической деформации. По сравнению со статическим нагружением возростают пределы упругости и пластичности, а также временное сопротивление

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Динамические испытания позволяют установить способность материалов сопротивляться хрупкому разрушению. Наиболее распространены испытания на ударную вязкость проводимые в условиях ударного изгиба на маятниковых копрах Схема и образец для испытаний на ударный изгиб Образцы для испытаний на ударный изгиб согласно ГОСТ 9454 -78 имеют определенные размеры. Предусмотрено три вида концентраторов напряжений: U – с радиусом 1 мм; V – с радиусом 0, 25 мм в форме буквы V с углом 45 ; Т – концентратор в форме усталостной трещины.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов При испытаниях определяют параметр называемый ударной вязкостью, которая представляет собой отношение работы К затраченной на разрушение образца к площади поперечного сечения в месте концентратора Величину работы K определяют по углу отклонения маятника по шкале, имеющейся на установке. Она равна: где m – масса маятника; g –ускорение свободного падения; h 1, h 2 – высоты начального и конечного положений маятника. В зависимости от формы концентратора значения ударной вязкости обозначают KCU, KCV или KCT. На величину ударной вязкости влияют: • химический состав и структура материала; • состояние поверхностного слоя в месте концентратора; • направление волокон материала; • температура испытаний.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Механические свойства материалов при переменном нагружении В процессе эксплуатации многие детали авиационных двигателей, в частности, лопатки диски и валы турбин и компрессоров, подвергаются воздействию циклических повторно-переменных нагрузок. Такие нагрузки вызывают усталость материалов деталей. Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений в материалах при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению. Выносливостью называют способность материала противостоять усталости. Циклы нагружения могут быть симметричными и несимметричными. Основными их характеристиками являются: максимальное max, и минимальное min напряжения, амплитуда напряжения a = ( max - min)/2 , коэффициент асимметрии цикла R = max/ min. Числовое значение R указывается при обозначении предела выносливости R. В случае распространенного симметричного цикла R = -1 и предел выносливости обозначают как -1. Циклической долговечностью называют число циклов нагружения N до образования трещин или до разрушения. Различают два вида усталости: многоцикловую, возникающую при циклическом деформировании в упругой области, когда max< 0, 2, и малоцикловую усталость, возникающую при упругопластическом циклическом деформировании, когда max 0, 2.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Характеристики жаропрочности Жаропрочностью называют способность материала сопротивляться деформациям и разрушению под действием внешних нагрузок при высоких температурах. При высоких температурах происходят процессы, оказывающие влияние на их механические свойства материалов: • возрастает диффузионная подвижность атомов; • изменяется структура и фазовый состав; • происходит рекристаллизация и исчезает упрочнение, созданное холодным пластическим деформированием. В общем случае эти процессы приводят к снижению механических свойств. Уменьшаются пределы упругости и текучести, временное сопротивление. Для оценки свойств материалов при высоких температурах используют характеристики жаропрочности: кратковременная прочность, предел ползучести, длительная прочность.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Сопротивление материалов ползучести характеризует условный предел ползучести: , т. е. напряжение которое при заданной температуре t за установленное время вызывает относительное удлинение . Например, означает, что при напряжении 210 МПа и температуре 900 С за 100 часов образец получил остаточную деформацию 0, 2% от начальной длины. Условный предел ползучести определяется по ГОСТ 3248 -81 с постоянной регистрацией величины деформации. Кратковременной прочностью: называют временное сопротивление материала при температуре испытаний t. Например, обозначение: означает, что значение временного сопротивления определено при температуре 1000 С. Эта характеристика используется для предварительной оценки жаростойкости материалов. При совместном воздействии напряжений и температуры наблюдается удлинение образца или детали в направлении действия напряжений. Это явление называют ползучестью.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Пределом длительной прочности: называют напряжение вызывающее разрушение материала при постоянной температуре t за установленное время . Например, означает, что при напряжении 210 Мпа и температуре 1000 С образец разрушился через 100 ч. Зависимость между разрушающим напряжением и временем разрушения при заданной температуре называют кривой длительной прочности. Кривые длительной прочности для никелевого сплава ЖС 6 У, построенные в логарифмических координатах, показаны на рисунке.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов При оценке работоспособности материала при высоких температурах иногда используют дополнительные характеристики термической усталости и термической стабильности. Термическая усталость представляет собой процесс накопления повреждений при циклическом изменении температуры. При быстром нагреве и охлаждении возникают значительные термические напряжения t величина которых зависит от перепада температур, формы и размеров детали, свойств материала: где t – коэффициент термического расширения; E – модуль упругости материала; - коэффициент Пуассона. Очевидно, что термической усталости в наибольшей степени подвержены приповерхностные объемы материала. Способность материала сопротивляться термической усталости называют термостойкостью. Термостойкость определяют по числу циклов нагрева и охлаждения до появления трещин на образце или детали. Сопротивление термической усталости деталей из никелевых сплавов имеющих направленную микроструктуру почти в 2 раза выше, чем с обычной. Для монокристаллической структуры - в 5 раз.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Термическая стабильность характеризует изменение прочностных свойств или пластичности материала в результате длительного воздействия на него высоких температур. Ее можно оценить процентным изменением временного сопротивления или относительного удлинения: Здесь и и t – временные сопротивления соответственно образцов исходного материала и материала после длительного температурного воздействия; и и t – соответствующие значения относительных удлинений.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Характеристики твердости Твердостью называют свойство материалов сопротивляться внедрению в них других более твердых тел или царапанию более твердыми предметами. Твердость является косвенной характеристикой прочности широко используемой на практике в связи с простотой неразрушающего контроля качества деталей. В практике машиностроения наиболее широко используют характеристики твердости, получаемые при вдавливании сферического, конического или пирамидального индентора по методам Бринеля, Виккерса и Роквелла. При измерениях твердости по Бринеллю в поверхность вдавливают стальной шарик диаметром D (мм) с силой P (Н). После измерения диаметра отпечатка d (мм) по приведенной ниже формуле рассчитывают твердость по Бриннелю HB. Здесь А – площадь поверхности отпечатка. Для измерения твердости чугуна и сталей используют закаленные шарики из стали ШХ 15 диаметром 10 мм к которым прикладывают нагрузку P = 30000 Н. При оценке твердости алюминиевых никелевых и медных сплавов используют нагрузку 10000 Н. Стальные шарики диаметром 2, 5 и 5 мм используют реже из-за возрастания погрешности измерения. Для материалов с твердостью более 450 HB применение метода Бринеля не рекомендуется.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Твердость по Виккерсу определяют вдавливанием в поверхность алмазного наконечника в виде правильной пирамиды с углом при вершине 136 с силой P. После снятия нагрузки измеряют размеры диагоналей отпечатка и рассчитывают средний размер диагонали. Твердость по Виккерсу HV рассчитывают по формуле: Метод используется для определения твердости тонкостенных деталей, а также упрочненных поверхностей имеющих высокую твердость. Нагрузка P может изменяться в пределах от 9, 8 до 980 Н. Чем тоньше деталь, тем меньшей назначается нагрузка. Метод Виккерса применяют для определения микротвердости на специальных приборах. В этом случае используют очень малые нагрузки P = 0, 05… 5 Н. Измерение отпечатка производят специальным микроскопом. Измерение микротвердости производят при оценке свойств тонких покрытий, отдельных структурных составляющих сплавов, определения степени и глубины поверхностного упрочнения.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием алмазного конуса с углом при вершине 120 (HRC, HRA) или стального (твердосплавного) шарика диаметром 1, 59 мм (HRB). При измерении твердости сначала прикладывается предварительная нагрузка Po , под действием которой индентор вдавливается на глубину ho. Затем создается полная нагрузка P = Po + P 1. После снятия части нагрузки P 1 (нагрузка Po остается) фиксируется величина внедрения h. Твердость по Роквеллу обозначают буквами HR с добавлением третьей буквы, указывающей одну из трех шкал измерения (HRA, HRB, HRC). Шкала «B» служит для оценки твердости мягких материалов (60… 230 HB). В качестве индентора используют шарик. Начальная нагрузка Po = 98 Н, а полная Р = 980 Н. Шкалу «С» используют для оценки твердости материалов имеющих твердость 230… 700 HB. В качестве индентора используют конус. Po = 98 Н, Р = 1471 Н. Шкала «A» служит для измерения твердости очень твердых материалов (более 700 HB), тонкостенных деталей, тонких слоев и листовых материалов. В качестве индентора используют алмазный конус. Po = 98 Н, Р = 588 Н.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Значения твердости по Роквеллу выражаются отвлеченной безразмерной величиной зависящей от глубины вдавливания. Значения твердости определяются соотношениями: HRC = 100 - с ; HRA = 100 – с; HRB = 130 – с. Здесь с – условная единица Значение 0, 002 мм соответствует цене деления прибора при измерении глубины внедрения.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Свойства и особенности основных групп используемых и перспективных материалов Стали являются наиболее изученными и широко применяемыми конструкционными материалами современного машиностроения. В ГТД они используются для изготовления валов, зубчатых колес и деталей агрегатов, а также кольцевых деталей корпусов компрессора и турбины. В авиационном двигателестроении в основном используются легированные стали с в > 900 МПа. Широкое применение получили стали, упрочняемые термической и химикотермической обработкой. Железо является переходным металлом с плотностью 7, 874 г/см 3 и температурой плавления 1534 С. Оно имеет две кристаллические формы: до температуры 910 С решетку ОЦК ( -железо); в диапазоне от 910 до 1390 С решетку ГЦК ( - железо) ; при температурах от 1390 до 1534 С решетку ОЦК ( - железо). При температуре 770 С железо претерпевает магнитное превращение из ферромагнитного в паромагнитное. Паромагнитную модификацию железа в диапазоне температур 770… 910 С называют - железом.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Сталями называют сплавы железа, содержащие до 2, 06% углерода. Поскольку стали являются сплавами железа с углеродом, легирующие элементы, вводимые в них, могут вступать во взаимодействие как с железом, так и с углеродом. В результате такого взаимодействия образуются твердые растворы легирующих элементов в железе, карбидные фазы и интерметаллидные соединения формирующие структуру сплава и определяющие его свойства. Свойства сталей зависят не только от химического состава, но и режима термической обработки, количества, формы и распределения фаз наличия примесей и других факторов Углерод образует с железом твердые растворы внедрения: Fe (C) - -феррит; Fe C - -феррит; Fe C – аустенит. Кроме того, образуется карбид железа Fe 3 C, который называют цементитом. В зависимости от содержания углерода стали подразделяются на три группы: низкоуглеродистые (С 0, 3%); среднеуглеродистые (С = 0, 3 – 0, 7%); высокоуглеродистые (С > 0, 7%).

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Марки сталей Термическая обработка Механические свойства Рабочая температура Назначение, технологические свойства Конструкционные среднелегированные хромоникелевые стали (Детали из этих сталей обычно упрочняются цементацией или азотированием). 12 ХН 3 А, 12 Х 2 Н 4 А, 18 Х 2 Н 4 ВА, 16 Х 3 НВФМБ, 12 Х 2 НВФА и др. Цементация 900… 950 С, закалка в масло, обработка холодом при -70 С, низкий отпуск 150… 350 С. в = 950… 1100 МПа, : 0, 2 = 700… 900 МПА, = 12… 15%, KCU = 0, 7… 1, 2 МДж/м 2. изготовление шестерен, валов, цапф, муфт, рессор, осей и др. коррозионно-стойкие стали аустенитного класса 12 Х 18 Н 9, 12 Х 18 Н 10 Т, 12 Х 17 Г 9 АН 4 закалка в воду с 1050… 1100 С в = 650… 700 Мпа; до 350 С 0, 2 = 280… 390 МПА; до 800 С = 45… 69%, KCU = до 400 С 1, 3… 3, 0 МДж/м 2. В качестве листовых материалов, деталей крепежа и др. коррозионно-стойкие стали аустенитно-мартенситного класса 08 Х 17 Н 5 М 3, 1 Х 15 Н 4 АМ 3 закалка на воздухе с в = 1200… 1500 МПа, до 450… 500 С. 950 С + обработка : 0, 2 = 850… 1100 МПА, холодом -70 С, 2 часа. = 12… 15%, KCU = 0, 1… 0, 5 МДж/м 2 Для изготовления сварных узлов в качестве листовых материалов, обшивки и др.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Марки сталей Термическая обработка Механические свойства Рабочая температура Х 15 Н 5 Д 2 Т, 06 Х 14 Н 6 Д 2 МБТ коррозионно-стойкие мартенсито-стареющие стали закалка с 950 С+ в = 1250… 1400 МПа, до 300 С старение 450 С 1 час. : 0, 2 = 1100… 1250 МПА, = 9… 11%, KCU = 0, 9… 1, 0 МДж/м 2 ШХ 15, ШХ 15 СГ (С=1%, Cr=1, 5%, Mn=1%, Si=0, 5%) 8 Х 4 В 8 Ф 2 подшипниковые стали Для ШХ 15, ШХ 15 СГ HRC=60… 65. 170 С закалка в масло с 840 С, до 450 С отпуск 160… 170 С. Для 8 Х 4 В 8 Ф 2 закалка в масло с 1230 С, отпуск 560 С Назначение, технологические свойства Для изготовления сварных узлов силовых деталей конструкции самолета и двигателя топливных баков и др. крупногабаритные нагруженные подшипники работающие при температурах до 450 С изготавливаются из стали 8 Х 4 В 8 Ф 2 жаропрочные конструкционные стали мартенситного класса: 13 Х 11 Н 2 В 2 МФ, 15 Х 12 Н 2 М 2 ВФАБ, 14 Х 16 Н 2 М 2 К 5 ФАБ закалка в масле с 1010… в = 1000… 1150 МПа, до 600 С. 1130 С + отпуск : 0, 2 = 850… 1050 МПА, 600… 690 С. = 11… 12%, KCU = 0, 6… 1, 0 МДж/м 2. для изготовления нагруженных деталей авиационных двигателей лопаток, дисков, валов компрессоров, болтов, осей шпилек и др.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Титановые сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, широко применяемыми в авиационной и космической технике, судостроении, химической промышленности и других отраслях. Титановые сплавы характеризуются высокой вязкостью и прочностью. Кроме того, они сравнительно хорошо обрабатываются традиционными способами механической обработки. Широкое применение титановых сплавов обусловлено: • Высокой прочностью при низком удельном весе (4, 51 г/см 3). В 1, 75 и 1, 97 раза легче железа и никеля, соответственно; • Коррозионной стойкостью в большинстве самых агрессивных сред (азотная и серная кислота, царская водка, сероводород, морская вода, влажная морская атмосфера и др. ). • Успехами в разработке технологий получения, литья, сварки, механической обработки и др. ; • Значительным содержанием в земной коре ( 0, 6%).

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Недостатками титановых сплавов являются: • Склонность к солевой коррозии под напряжением при повышенных температурах (215… 550 С). • Активное взаимодействие с газами при повышенных и высоких температурах. Начиная с 400 С титан активно растворяет кислород ( до 15% от собственной массы), что приводит к увеличению хрупкости и потере термической стабильности. • Водородная хрупкость, которая проявляется при ударных и длительных статических нагрузках; • Низкие антифрикционные свойства и износостойкость, обусловленные тем, что на титане не образуется граничной смазочной пленки, препятствующей прямому контакту материалов при трении. Схватывание и задирообразование наблюдается при минимальных контактных нагрузках; • Титановые сплавы имеют почти в два раза более низкий модуль упругости (9, 85 104 – 10, 9 104 МПа) чем стали, что является недостатком, ограничивающим их применение в конструкциях требующих высокой жесткости. Титан плавится при температуре 1668 С. При температуре 882, 5 С он претерпевает полиморфное превращение из гексагональной плотноупакованной решетки ( - фаза) в объемно-центрированную кубическую решетку ( - фаза).

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Титановые сплавы принято делить на пять групп: • - сплавы ВТ 1 -00, ВТ 1 -0, ВТ 5 -1; • Псевдо - сплавы ОТ 4 -0, ОТ 4 -1, ВТ 4, ОТ 4 -2, ВТ 18, ВТ 20; • Двухфазные ( + ) – сплавы ВТ 6, ВТ 3 -1, ВТ 8, ВТ 9, ВТ 14; ВТ 16, ВТ 23, ВТ 33; • ( + ) –сплавы переходного класса ВТ 22, ВТ 30; • –сплавы ВТ 15, ВТ 32, 4210 (67%Ti +33%Mo); - сплавы и псевдо - сплавы не упрочняются термической обработкой и их применяют в отожженном состоянии. ( + ) –сплавы и - сплавы упрочняются при термической обработке (закалка + старение) с образованием «титанового мартенсита» . Максимальный эффект термической обработки достигается для ( + ) –сплавов переходного класса. По способу получения заготовок титановые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы (заготовки получают методами пластического деформирования) дополнительно делят на: - сплавы повышенной пластичности ВТ 1 -0, ОТ 4 -1, ( >20%, в 600 МПа); - сплавы средней прочности ВТ 5 -1, ВТ 4, ВТ 16, ВТ 20, ( в 600 - 1000 МПа); - высокопрочные титановые сплавы ВТ 14, ВТ 22, ВТ 23, ВТ 15, ( в 1000 - 1500 МПа); - жаропрочные титановые сплавы ВТ 3 -1, ВТ 9, ВТ 18, ВТ 25, ( в 1000 - 1500 МПа); По разработке и производству титановых сплавов наша страна занимает лидирующее место в мире.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Сплав, система легирования ОТ 4 -0 Термическая обработка Механические свойства Технологические свойства Область применения. Отжиг при 650 С в= 440 -635 МПа, =20%, KCU=500 -700 к. Дж/м 2 -сплав (Ti-1 Al-1 Mn), . ВТ 20 Отжиг при 750 С псевдо -сплав (Ti 6, 5 Al-1 Mo-1 V-2 Zr 0, 15 Si) ВТ 18 У Отжиг при 950 С псевдо -сплав (Ti 6, 5 Al-2, 5 Sn-4 Zr-1 Nb 0, 7 Mo-0, 15 Si), в= 885 -1130 МПа, =8 -10%, KCU=400 к. Дж/м 2 в= 930 -1130 МПа, =13%, KCU=400 к. Дж/м 2 Хорошая Для изготовления сварных деформируемость в деталей сложной формы холодном и горячем состоянии, свариваемость Хорошая деформируемость в горячем состоянии, свариваемость Для изготовления изделий длительно работающих при температурах до 500 С (3000 ч) Деформируемость в горячем состоянии, плохая свариваемость Для изготовления изделий, в частности дисков компрессоров, длительно работающих при температурах до 550 -600 С Закалка с850 -930 С, в= 960 -1170 МПа, Хорошая старение при 450 -600 С =20%, KCU=250 -300 деформируемость в + -сплав (Ti-6 Al-4 V) 2 -6 ч. к. Дж/м 2 горячем состоянии, свариваемость ВТ 6 Закалка с 920 -940 С, в= 1125 -1275 МПа, старение при 500 -600 С =7 -9%, KCU=300 + -сплав (Ti- 6, 5 Al- 1 -6 ч. к. Дж/м 2 3 Mo-1, 5 Zr-0, 25 Si) ВТ 9 Удовлетворительно деформируется при высоких температурах, плохо сваривается Наиболее широко применяемый и универсальный титановый сплав Для изготовления дисков и лопаток осевых компрессоров ГТД

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Сплав, система легирования ВТ 16 Термическая обработка Механические свойства Закалка с 780 -830 С, в= 890 -1100 МПа, старение при 560 -580 С =20%, KCU=500 -700 + -сплав (Ti-3 Al- 2 -6 ч. к. Дж/м 2 4, 5 V-5 Mo) Технологические свойства Хорошая деформируемость в холодном и горячем состоянии ВТ 25 У Двойной отжиг: 960 С, в= 1160 МПа, =13%, Удовлетворительно + -сплав (Ti-6, 5 Al- 3 ч + 550 С, 6 ч. KCU=300 -400 к. Дж/м 2 деформируется при 1, 8 Sn-4 Zr-4 Mo-1 Wвысоких температурах 0, 2 Si), ВТ 22 Закалка с 720 -780 С, в= 1150 -1450 МПа, Хорошая старение при 480 -600 С =6 -7%, KCU=180 - деформируемость в сплав переходного 4 -10 ч. 200 к. Дж/м 2 горячем состоянии, класса (Ti-5 Al-5 Moудовлетворительная 5 V-1 Cr-1 Fe) свариваемость ВТ 35 Закалка с 780 -820 С, в= 830 -1275 МПа, Хорошая псевдо -сплав (Ti- старение при 500 -550 С =18 -4%, KCU=500 - деформируемость в 15 V-3 Cr-3 Al-3 Sn-1 Zr- 4 -6 ч. 700 к. Дж/м 2 холодном и горячем 1 Mo) состоянии Детали авиадвигателя Диски компрессора Лопатки ротора компрессора Детали статора, кожух Область применения. Детали крепежа (болты, заклепки и др. ), в том числе с резьбами, получаемыми накатыванием Для изготовления дисков и лопаток осевых компрессоров ГТД Высоконагруженные детали работающие при температурах 350… 400 С Для изготовления деталей из листовых материалов, крепежа Рекомендуемый температурный интервал применения сплавов, С 50 – 350 300 - 500 450 - 550 - 600 Вентилятор КНД КВД ВТ 6, ВТ 8 -1, ВТ 22 ВТ 8 -1 ВТ 25 У ВТ 6, ВТ 8 М-1, ВТ 22 ВТ 8 М-1 ВТ 25 У ВТ 18 У ВТ 6 ВТ 20 - -

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Сплавы на никелевой основе. Главным достоинством сплавов на никелевой основе является способность сохранять высокую прочность при температурах выше 650°C с хорошей жаростойкостью. Поликристаллические никелевые сплавы эксплуатируются при температурах порядка 850°C т. е. чуть больше чем 0, 7 от температуры плавления (1455°C). Дальнейшее увеличение рабочих температур достигается методами направленной кристаллизации. Такие никелевые сплавы имеют рабочие температуры, достигающие 0, 9 от температуры плавления. Для вращающихся деталей турбины основными требованиями к материалам являются жаростойкость и сопротивление ползучести. В настоящее время для этих целей используют суперсплавы на никелевой основе имеющие сложную систему легирования (Co, W, Cr, Al, Ta, Ti, Hf, и др). Твердые растворы и фазы, образуемые в таких сплавах, блокируют движение дислокаций, обеспечивая повышение прочности, сопротивление ползучести и жаростойкость.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Группа сплавов Термическая обработка Механические свойства Рабочая температура жаростойкие никелевые сплавы для изготовления основной и форсажной камер сгорания и др. ХН 60 ВТ(Cr =25%; W = Закалка в масле с в = 220… 300 МПа, 0, 2 = 50… 80 14, 5%; Ti =0, 5%; Al =0, 5%) 1100… 1140 С+ старение 900 С МПа, = 17… 32%. (при 900 С) ХН 50 ВМТЮБ, 5 часов ХН 68 ВМТЮК до 1000 С. жаропрочные никелевые сплавы для лопаток газовых турбин (деформируемые) ЭП 109, ЭП 220, ЖС 6 КП Закалка с 1220… 1230 С (3… 5 часов)+ старение 950 С 2 часа в = 650 МПа, = 6%. в = 750 МПа, = 6%. (при 900 С) 950 С жаропрочные никелевые сплавы для лопаток газовых турбин (литейные) ЖС 6 У, ЖС 6 Ф-НК ВЖЛ 12 У ХН 77 ТЮР, ХН 73 МБТЮ, ХН 62 БМКТЮ Закалка с 1220… 1230 С (3… 5 часов)+ старение 950 С 2 часа в = 800 МПа, = 5%. в = 850 МПа, = 12%. в = 780 МПа, = 5%. (при 900 С) жаропрочные никелевые сплавы для дисков турбин Закалка с 1080… 1150 С, в = 350 МПа, = 15%. старение 750… 850 С 8… 16 в = 420 МПа, = 17%. часов в = 520 МПа, = 20%. (при 900 С) 1000 С 1050 С 1000 С

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Большинство никелевых сплавов содержит 10… 20% Cr, около 8% Al, Ti и 510% Co. В малых количествах B, Zr и C. Другими легирующими элементами являются Mo, W, Ta, Hf и Nb. Легирующие элементы могут быть разделены на несколько категорий: Элементы, которые образуют с никелем твердые растворы, упрочняющие матричную - фазу (Co, Cr, Mo, W, Fe). Элементы, которые образуют с никелем интерметаллидные соединения - фазу (Al, Ti, Nb, Ta, Hf). Элементы образующие карбидные соединения (Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti). Элементы улучшающие технологические (литейные свойства, свариваемость, деформируемость и т. д. С, V, ) рафинирующие сплав, способствующие формированию мелкозернистой структуры (В, Zr, Hf, Y, редкоземельные элементы).

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Основными фазами, присутствующими в никелевых сплавах являются: - фаза: имеет кубическую гранецентрированную решетку. Обычно представляет собой твердый раствор с такими элементами как Co, Cr, Mo и W. - фаза: основная упрочняющая фаза никелевых сплавов типа Ni 3(Al, Ti), когерентно связана с - фазой. Интересно, что предел текучести - фазы увеличивается с увеличением температуры начиная с 650 o. C. - фаза является достаточно вязкой, что придает сплаву жаростойкость и прочность без охрупчивания материала. Увеличение объемной доли - фазы повышает жаростойкость. В современных сплавах доля - фазы достигает 70%. Имеется множество факторов определяющих упрочняющий эффект - фазы. Это размер ее частиц, содержание легирующих элементов, объемная доля и т. д. Карбидные фазы: Содержание углерода в никелевых сплавах составляет 0, 05 -0, 2%. При его взаимодействии с карбидообразующими элементами образуются карбиды типа (Ti. C, Ta. C, илиr Hf. C). При последующей термической обработке эти исходные карбиды преобразуются формы с меньшим содержанием углерода, такие как Mе 23 C 6 и Mе 6 C, которые имеют тенденцию к выделению на границах зерен. Результатом этого является увеличение прочности на растяжение при высоких температурах. Топологические плотноупакованные фазы: К ним относятся - фаза, фазы Лавеса. Эти фазы в отличие от выделяются в форме пластин. На металлографических шлифах они видны как иглы. Фазы пластинчатой формы негативно сказываются на механических свойствах никелевых сплавов, в частности, вязкости и сопротивлении ползучести и способствуют инициированию трещин, вследствие своей хрупкости.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Интерметаллидные сплавы. Интерметаллиды (химические соединения металлов), занимающие по своей структуре промежуточное положение между металлами и керамикой, имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30% ковалентной составляющей, что и определяет их уникальные физико-механические свойства. Интерметаллидные сплавы на основе соединения -Ti. Al представляют значительный интерес для изготовления деталей работающих в интервале температур 600… 800 С в качестве замены применяемых в настоящее время никелевых сплавов. Сплавы -Ti. Al планируется использовать для лопаток турбины низкого давления, компонентов сопла, деталей корпусов сверхзвуковых двигателей (NASA Glenn Research Center). По сравнению с никелевыми сплавами они имеют на 45… 55% меньшую плотность при высоких прочностных свойствах. Их недостатком является низкая пластичность при комнатной температуре. Эта проблема решается дополнительным легированием, в частности, Nb с образованием двухфазных структур с удовлетворительной пластичностью, например, сплав Ti-46, 5 Al-3 Nb-2 Cr-0. 2 W. В настоящее время уже разработаны интерметаллидные сплавы, обеспечивающие необходимый для высокотемпературной и низкотемпературной эксплуатации комплекс свойств (усталостная прочность, сопротивление ползучести и окислению).

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Группа материалов Ti 3 Al Титановые сплавы Параметр -Ti. Al Плотность, г/см 3 Модуль упругости, ГПа Температура начала ползучести, °C 3. 76 1038 4. 15 -4. 7 110 -145 815 4. 5 96 -110 538 8. 3 206 1093 Максимальная температура по жаростойкости , °C Вязкость при комнатной температуре, % Вязкость при рабочей температуре, % 1038 649 593 1093 1 -2 2 -5 ~20 3 -5 7 -12 5 -8 высокая 10 -20 Никелевые сплавы Разрабатываются специальные интерметаллидные сплавы систем Ti 3 Al, Ti 2 Al. Nb (Ti-23 Al-25 Nb-0, 4 Si). В нашей стране разработаны сплав ВТИ-1 и сплав «альфа-2 -орто» на основе 2 -Ti 3 Al, которые имеют высокую жаропрочность при рабочих температурах 650… 700°С. Первый из них имеет низкую пластичность, а второй удовлетворительную пластичность 6% при в = 1000 МПа, что позволяет прокатывать его в фольгу и тонкие листы.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Интерметаллидные сплавы на основе интерметаллидов никеля (ВКНА-4 У, ВКНА-1 В (МОНО) применяются для изготовления деталей горячего тракта ГТД (рабочие и сопловые лопатки, жаровые трубы и т. д. ). Они позволяют повысить рабочие температуры деталей до 1200°С, увеличить их ресурс в 3… 4 раза. Сплавы могут использоваться для отливки лопаток турбин с монокристаллической структурой работающих при температуре до 1150°С. Сплав Свойства Плотность кг/м 3 , МПа ВКНА-4 У 7840 110 50 ВКНА-1 В (МОНО) с монокристаллической структурой 7930 100 50

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Эвтектики с направленной кристаллизацией Эти материалы превосходят по основным служебным свойствам монокристаллические никелевые сплавы. Они представляют собой особые композиционные материалы на никелевой матрице упрочненные монокарбидными волокнами или интерметаллидными Ni 3 Nb прослойками. Эти материалы обеспечивают прочность в >120 МПа при температуре 1100°С при ресурсе 1000 ч. Недостатком, сдерживающим их применение является крайне низкая (< 3 × 10 -2 см/мин) скорость роста упрочняющих волокон при кристаллизации сплава. Композиционные материалы с полимерной матрицей в основном используются для изготовления крупногабаритных деталей сложной формы, таких как лопасти вентилятора, кожухи, конус воздухозаборника и др. Они обладают высокой удельной прочностью, но имеют низкие рабочие температуры не превышающие для условий длительной эксплуатации 150… 200 С. Эти материалы используются в основном в производстве двигателей гражданской авиации. В качестве наполнителя используются волокна из углерода, стекла, бора, СВМ, аримида и других материалов, а в качестве связующего эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремне-органические смолы и т. д. .

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Композиционные материалы с металлической матрицей. Повышение прочности может быть достигнуто использованием металло-матричных композиций с матрицей на основе титана или интерметаллидных сплавов Ti. Al, армированных керамическими волокнами, например, Si. C/C. Их использование может обеспечить снижение веса деталей до 50% по сравнению с традиционно используемыми титановыми сплавами.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Металло-матричные композиты могут быть получены с использованием различных способов: • Диффузионным спеканием волокон с предварительно нанесенным покрытием матричного материала в газостатах; • Литьем (заливка формы с расположенными в ней волокнами, матричным материалом); • Методами порошковой металлургии, в частности, горячим изостатическим прессованием покрытых, или не покрытых волокон, предварительно спрессованных вместе с порошком матричного материала. Технология получения таких материалов достаточно сложна. При изготовлении кольцевых деталей и вставок в диски моноколес на предварительно очищенные волокна плазменным или вакуумным напылением наносится покрытие. Затем волокна наматываются на специальную оправку. Заключительной стадией является прессование и спекание материала, которое может выполняться в газостатах. Керамические волокна в настоящее время получают способом химического осаждения паров керамики на вольфрамовую проволоку Si. C/W или углеродное волокно Si. C/C. Например, фирма Textron Specialty Materials изготовило волокна SCS-6 имеющие диаметр 140 мкм, с модулем упругости 400 ГПа с прочностью на растяжение 3450 МПа и плотностью 3, 0 г/см 3. Исходное углеродное волокно имеет диаметр 33 мкм. Слои пиролитического графита и Si наносились последовательно друг за другом, толщина слоев 1 мкм. Образующиеся кристаллиты Si. C имели радиально расположенную столбчатую структуру с диаметром зерен 40… 50 нм. Содержание Si – 40… 45 ат. %, а графита 55… 60%. Внешние слои волокна имеют меньшее содержание Si ( 20 ат. %) что улучшает их совместимость с титановой матрицей.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Сопловой аппарат и моноколесо турбины низкого давления из интерметаллида Ti. Al

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Интерметаллидные матричные композиты представляют особый интерес в качестве замены никелевых суперсплавов, обеспечивая высокую прочность, сопротивление ползучести и работоспособность в широком интервале температур. Эти материалы могут привести к значительному повышению качественных характеристик двигателей новых поколений. Композиционные материалы с интерметаллидной матрицей обладают наиболее высокой удельной прочностью при температурах 900– 950 С. Их весовая доля, по прогнозам ведущих авиационных фирм, в новых поколениях двигателей будет составлять около 20%. Имеется, однако, немало препятствий для широкого использования этих материалов. Это, прежде всего значительное различие в коэффициентах линейного термического расширения волокон и матрицы, химические реакции и превращения, протекающие на границах волокон и матрицы, сложность процессов получения (особенно волокон) и высокая стоимость. Создание качественно новых ГТД невозможно без существенного увеличения температуры газа перед турбиной. Например, в двигателях пятого поколения эта температура составляет 1400… 1500 С, а в перспективе - 1800 С. Это может быть достигнуто полной или частичной заменой жаропрочных сплавов конструкционными керамическими материалами и керамокомпозитами, имеющими малую удельную массу (2, 5… 3, 2 г/см 3) и обладающими высокой жаропрочностью и жаростойкостью.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Конструкционные керамики. Для изготовления деталей ГТД перспективными являются высокотемпературные конструкционные керамики на основе нитрида и карбида кремния (Si 3 N 4 и Si. C). Эти керамики способны работать при температурах до 1400 -1600 C на воздухе и горячем тракте авиационного двигателя. Они обладают высоким сопротивлением термическим ударам, низким коэффициентом термического расширения, хорошей теплопроводностью, стойкостью к окислительной среде, стойкостью к воздействию расплавов Al, Mg, Zn, Pb, стойкостью к воздействию кислот: HCl, HF, H 2 SO 4 и др. Основными способами получения керамики на основе нитрида кремния являются реакционное связывание кремния спекание или горячее прессование порошка нитрида кремния с использованием уплотняющих добавок. Реакционносвязанный нитрид кремния наряду с вышеперечисленным отличается комплексом свойств, обеспечивающим технологичность получения изделий, в частности, способностью спекаться без усадки, возможностью получения изделий сложных геометрических форм. Спеченные нитрид и карбид кремния и их композиции обладают, кроме прочего высокой плотностью (горячепрессованнная керамика с уплотняющими добавками окислов металлов имеет беспористую структуру и почти теоретическую плотность) и определенную вязкость.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Из реакционно-связанного, спеченного, горячепрессованного нитрида и карбида кремния в настоящее время разрабатываются элементы и узлы горячей зоны газотурбинных двигателей V-VI поколений: сопловые и рабочие лопатки турбины, диск турбины, кольцевые элементы соплового аппарата, надроторные уплотнения, стабилизаторы горения, камеры сгорания, каталитические воспламенители форсажной камеры и др. . Керамики находят применение для изготовления подшипников качения, зубчатых колес и других деталей. Прочность Трещино- при изгибе, стойкость, МПа·м 0, 5 1500 700… 900 8… 9 18… 20 3, 2 1400 500… 700 5… 8 14… 16 3, 1 1000 500… 700 5… 6 14… 15 2, 1… 3, 2 1400 40… 450 2… 3 2… 14 2, 9… 3, 2 1000… 1200 300… 600 3… 6 14… 17 Si 3 N 4 -Si. CW 2, 8… 3, 2 1000… 1500 500… 900 5… 13 8… 26 Si 3 N 4 -B 2, 6… 2, 7 1500 300 -500 3 -6 18 -23 Марка материала, Плотность, Рабочая состав г/см 3 температура, °С 3, 45 ОТМ-914 Si 3 N 4 -Y 2 O 3 ОТМ-917 Si 3 N 4 -Mg. O ОТМ-922 Si 3 N 4 - Mg. O ОТМ-918, Si 3 N 4 -BN Si 3 N 4 -Al 2 O 3 Твердость НV, ГПа

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Детали из конструкционных керамик

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Применение конструкционных керамик для производства деталей ГТД существенно ограничивает их низкая вязкость. По этой причине основные разработки конструкционных керамик в настоящее время проводятся в направлении создания композиционных материалов с керамической матрицей (керамокомпозиты). Керамокомпозиты В качестве наполнителей керамокомпозитов используют волокна из Si. C, углерода и Al 2 O 3, а в качестве матрицы Si. C, Al 2 O 3 или (Al 2 O 3 + Si. O 2). Для эффективного использованию этих материалов требуется решение несколько проблем, связанных с их прочностью и особенностями взаимодействия между матрицей и волокнами. С одной стороны оксидные волокна являются термодинамически устойчивыми к действию высоких температур, но имеют низкое сопротивление ползучести. С другой стороны неоксидные волокна типа Si. C обладают приемлемым сопротивлением ползучести, но деградируют при длительном воздействии высоких температур в результате взаимодействия с матрицей. Это вызывает сложности в их использовании при температурах выше 1000 С.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Лопатки турбины и другие детали из керамокомпозитов Si. C-Si. C

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов В C-Si. C – композитах в качестве матрицы используется карбид кремния Si. C. Материалы этого типа получают термохимической газовой пропиткой. Этот процесс имеет большую длительность 300 -600 часов. C-Si. C материалы могут ограниченное время эксплуатироваться в окислительных средах при температурах до 1650ºC. Постепенно, из-за проницаемости матрицы (наличие пор, микротрещин) углеродные волокна деградируют в результате окисления. Возникновению микротрещин способствует различие в коэффициентах термического расширения углеродных волокон и керамической матрицы. Для успешного применения керамических матричных композиций для изготовления высокотемпературных компонентов реактивных двигателей исследуются композиции на основе волокон Si. C находящихся в многофазной матрице Si. C получаемой испарением и конденсацией керамики. Эти композиции имеют значительные преимущества перед никелевыми суперсплавами при температурах выше 1200°C. Прочность таких материалов (16% волокон) при испытаниях с нагревом и растяжением в течение 1000 часов при температуре 1588°К составляет порядка 100 МПа. ). В ближайшем будущем ожидается только несколько применений керамокомпозитов в производстве деталей ГТД. Это некоторые детали статорного узла турбины низкого давления, выходной конус, створки сопла и т. д. В частности, керамокомпозиты уже используются для изготовления створок сопла двигателя М 88 фирмы Snecma.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Углерод-углеродные композиционные материалы состоят из углеродных волокон находящихся в углеродной матрице. Их получают многократным повторением (до 6… 8 раз) циклов пропитки исходной преформы на основе углеродных волокон смолами или пеком с дальнейшей карбонизацией (пиролизом в вакуумной печи) для образования углеродной матрицы. Эти материалы получают также термо-химическим осаждением графита на волокнах наполнителя (термо-химическая вакуумная пропитка). Этот способ обычно используется для изготовления высокопрочных ответственных деталей. Углерод-углеродные композиты имеют самую высокую удельную прочность из всех известных материалов. Их прочность сохраняется до 2500ºC. Недостатком C-C композитов является их низкое сопротивление окислению. Они начинают окисляться при температурах больших 600ºC и должны быть защищены жаростойкими, непроницаемыми для воздуха покрытиями. На рисунке приведены детали выполненные из C-C композитов.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Покрытия Si. C на углерод-углеродном композиционном материале

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Тугоплавкие металлы Считаются перспективными для изготовления рабочих лопаток турбин двигателей новых поколений. К основным тугоплавким металлам относятся W, Re, Ta, Mo и Nb. Из них только ниобий с силицидным покрытием в значимых количествах используется для деталей работающих при высоких температурах благодаря высокой вязкости и жаропрочности. При температуре 1400ºC он может работать несколько часов. Рений с покрытием иридием может работать при температуре 2200ºC в течение нескольких десятков часов. При температуре 2000ºC только два материала имеют приемлемую прочность. Это рений (100… 150 МПа) и композит С-С с прочностью 200 МПа. Название Температура плавления, °C Ниобий Молибден Тантал Вольфрам Рений 2477 2623 2996 3422 3186 Температура кипения, °C 4744 4639 5458 5555 5596 Плотность, г·см³ 8, 57 10, 28 16, 69 19, 25 21, 02 Модуль Юнга, ГПа 105 329 186 411 463 Твердость по Виккерсу, МПа 1320 1530 873 3430 2450 Химический состав некоторых сплавов на тугоплавкой основе: 60% V+ 40% Nb; Nb + 15% W + 5% Mo + 1% Zr (48% Fe); Mo + 1, 27% Ti + 0, 29 Zr + 0, 3% C Ta + 10% W Mo + 10 Re W + 30% Re

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Тугоплавкие пенистые (ячеистые) материалы это новый класс материалов низкой плотности, которые находят применения для различных целей (снижение веса конструкций, катализ, системы охлаждения, фильтры для жидкостей, газов и расплавленных металлов и т. д. ). В частности ячеистые материалы могут быть получены методами конденсации в вакууме (PVD, CVD, EB-PVD). Их можно получать из керамик, в частности, Si. C, металлов, углерода или композиций различных материалов. Ячеистые материалы могут оптимизироваться по параметрам жесткости, прочности, веса и плотности, площади поверхности, химической чистоты, термической проводимости, газопроницаемости и др. Важными свойствами этих материалов являются сопротивление термическим ударам и сравнительно невысокая стоимость.

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Пенометаллы

«МАТИ» -Российский Государственный технологический университет им. К. Э. Циолковстого Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Спасибо за внимание