Прочность элементов конструкций из эвтектических композитов на основе электростатической природы упругости

2
Содержание
Основные условные обозначения........................................... 6
Введение................................................................ 8
1. Проблемы создания современных газотурбинных двигателей.............. 15
1.1. Направления исследований в области конструкционной прочности рабочих лопаток газовых турбин......................................... 15
1.1.1. Ключевые технологии в области прочности рабочих лопаток газовых турбин................................................................. 15
1.1.2. Перспективы применения монокристаллических жаропрочных сплавов и эвтектических композитных материалов с нитевидными монокристаллами для элементов «горячей части» ГТД.................. 16
1.2. Механика материалов.и конструкционная прочность лопаток турбин... 26
1.2.1. Модели расчета на прочность лопаток турбин из анизотропных материалов............................................................. 26
1.2.2. Модели расчета на прочность лопаток ГТД из композитных материалов............................................................. 33
1.2.3. Математические модели напряженно-деформированного состояния матрицы и волокна композитных материалов............................... 37
1.2.4. Математические модели упругих, теплофизических и физических характеристик монокристаллов, входящих в состав эвтектических
композитных материалов................................................. 44
1.3. Формирование цели работы и постановка задачи исследования 68
2. Теоретический расчет упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик бездефектных монокристаллов в составе обобщённой модели прочности рабочих лопаток газовых турбин......... 69
2.1. Модернизированная обобщённая модель прочности рабочих лопаток газовых турбин......................................................... 69
2.2. Электростатическая природа упругости как основа расчёта механических и теплофизических характеристик лопаток из эвтектических композитных материалов............................................. 73
з
2.2.1. Детерминированная точечная модель упругости бездефектных монокристаллов............................................................ 73
2.2.2. Модуль упругости бездефектных монокристаллов....................... 79
2.2.3. Модуль упругости поликристаллов.................................... 87
2.2.4. Коэффициент Пуассона............................................... 90
2.2.5. Предел упругости монокристаллов.................................... 95
2.2.6. Предел текучести.................................................. 100
2.2.7. Предел прочности.................................................. 105
2.2.8. Моделирование диаграммы «напряжение — деформация»
бездефектных монокристаллов........................................... 109
2.3. Теплофизические и физические характеристики бездефектных монокристаллов, входящих, в состав материала лопатки..................... 110
2.3.1. Коэффициент теплопроводности...................................... 110
2.3.2. Плотность монокристаллов.......................................... 116
2.3.3. Коэффициент теплового расширения.................................. 119
2.4. Расчет модуля упругости и коэффициента теплового расширения в зависимости от температуры............................................... 123
2.5. Сравнительный анализ результатов расчета упругих, прочностных, теплофнзических и физических характеристик бездефектных монокристаллов с экспериментальными данными........................ 125
2.6. Моделирование деформации ползучести нанообъема монокристалла,
входящего в состав эвтектического композитного материала лопатки 129
Выводы по второй главе................................................... 135
3. Расчёт упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик представительного микрообъема эвтектического композитного материала в составе обобщённой модели прочности рабочих лопаток газовых турбин................................................... 138
3.1. Общая характеристика представительного микрообъема эвтектического композитного материала................................................... 138
3.1.1. Особенности расчета представительного микрообъема................. 138
4
3.1.2. Геометрические размеры представительного микрообъема............. 139
3.2. Расчет упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик микрообъема эвтектического композитного материала 144
3.2.1. Расчет упругих характеристик представительного микрообъема композита................................................................. 144
3.2.2. Оценка влияния объёмной доли волокна на упругие, прочностные, теплофизические и физические характеристики представительного микрообьема......................................................... 150
3.3. Расчёт упругих характеристик монокристалл и ческих жаропрочных сплавов................................................................... 153
3.4. Оценка остаточных термических напряжений в эвтектических композитах
и теплозащитных покрытиях лопаток......................................... 154
3.5. Влияние структуры границы волокна, и матрицы на характер
разрушения микрообъема.................................................... 160
Выводы по третьей главе................................................. 161
4. Анализ влияния технологических и эксплуатационных факторов на конструкционную прочность рабочих лопаток и рабочего колеса ту рбины 163
4.1. Эвтектические композитные материалы, используемые для рабочих лопаток турбины........................................................... 163
4.2. Этапы расчета на прочность рабочих лопаток турбины................... 167
4.3. Формирование исходных данных и расчет напряженно-деформированного состояния рабочих лопаток турбины........................ 169
4.3.1. Граничные условия задачи......................................... 169
4.3.2. Исходные данные для расчёта лопаток из эвтектических композитных материалов................................................................ 171
4.3.3. Расчёт характеристик ползучести лопаток турбины. ................. 186
4.4. Результаты анализа влияния технологических и эксплуатационных факторов на конструкционную прочность рабочих лопаток турбины 193
4.5. Применение разработанной методики расчёта ползучести к оценке конегрукционной прочности секгора диска с лопаткой турбины высокого
давления................................................................ 197
4.6. Моделирование термической усталости лопатки с использованием разработанного метода........................................................ 206
4.7. Модернизированная обобщённая модель прочности лопаток газовых
турбин в системе автоматизированного проектирования ГТД...................... 208
Выводы по четвертой главе.................................................... 210
Основные выводы и результаты................................................. 211
Список использованных источников............................................. 213
Приложение А. Результаты расчёта упругих, прочностных, тсплофизических и физических характеристик лопаток из мопо- и
поликристаллических материалов............................................... 244
А. 1.1. Результаты расчёта упругих, прочностных, тсплофизических и
физических характеристик моно- и поликристалла хрома Сг........... 244
А. 1.2. Результаты расчёта упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик моно- и поликристалла интермегаллнда Мі3А1.. 248
А. 1.3. Результаты расчёта упругих, прочностных, теплофизическнх и
физических характеристик моно- и поликристалла ванадия V.......... 253
А. 1.4. Результаты расчета упругих, прочностных, теплофизических и
физических характеристик моно- и поликристалла карбида тантала ТаС . . . 257
А. 1.5. Результаты расчета упругих, прочностных, тсплофизических и
физических характеристик моно- и поликристалла вольфрама XV....... 261
А. 1.6. Результаты расчета упругих, прочностных, теплофизических и
физических характеристик моно- и поликристалла молибдена Мо....... 266
А. 1.7. Результаты расчета упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик моно- и поликристалла интерметаллида КІА1. .. 270
Приложение Б. Акт использования результатов диссертационной работы . . 275
6
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Е- модуль упругости (Юнга), Па;
Cÿ—упругая постоянная (константа); v - коэффициент поперечной деформации (Пуассона);
G - модуль сдвига. Па;
F— сила, Н;
Л- площадь, м2;
е - относительная деформация;
Ç - скорость относительной деформации, 1/ч;
6 - относительное удлинение, %; а - напряжение, Па;
ау,ас- предел упругости нормальный, Па;
Ту,те - предел упругости касательный (тангенциальный), Па; ат-предел текучести нормальный. Па; тг- предел текучести касательный (тангенциальный), Па; aB,cru - предел прочности, Па;
<гтт— предел длительной прочности, Па; т - длительность, ч;
ц/ - объемная доля волокна (армирующей фазы); а- коэффициент теплового расширения. К'1;
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м2К); п - частота вращения, с"1, об/мин;
Т - температура. К; t - температура, С;
V- скорость, м/с; р - плотность, кг/м3;
А - разность, приращение;
c'v — теплоемкость атома при постоянном объеме, Дж/(кг*К); ап- период кристаллической решетки, м;
7
/-длина, м;
е - элементарный электрический заряд, равный заряду электрона, Кл;
& — постоянная Больцмана;
N4 - число Авогадро;
zo - электрическая постоянная, Юг/Нм2.
ИНДЕКСЫ
100; 110; 111 - индексы кристаллографического направления или
кристаллографических плоскостей;
middle - средний;
шах - максимальный;
пкр, polikr - поликристаллический.
СОКРАЩЕНИЯ
ГТД - газотурбинный двигатель;
С А - сопловой аппарат;
КМ - композиционный (композитный) материал;
ЭКМ-эвтектический композиционный (композитный) материал;
ОЦК - объёмно - центрированная кубическая кристаллическая решетка:
ГЦК - гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка;
САПР - система автоматизированного проектирования.
8
Введение
Актуальность темы. Существующие методы расчёта на прочность элементов конструкций основаны на теории упругости механики деформируемого твёрдого тела, которая, в свою очередь, базируется на гипотезе сплошности среды и эмпирических исходных данных.
Между тем, свыше восьмидесяти лет назад физиками было введено понятие о теоретической прочности материалов. В частности, академик Я. И. Френкель определил прочностные характеристики идеальных монокристаллов на основе сил межатомного взаимодействия, отличающиеся на порядок от экспериментальных данных.
В дальнейшем, исследованиями в области физики твёрдого тела было показано, что в основе прочности твёрдых тел лежит равновесие межатомных сил притяжения и отталкивания между положительными и отрицательными зарядами кристаллической решётки. Иначе говоря, упругость и прочность определяется электростатическим взаимодействием электронов и ядер атомов кристаллической решётки, в основе которого лежит закон Кулона.
Применение этого фундаментального свойства материалов’ позволяет развить методы расчёта на прочность конструкций и перейти в модели поведения материалов от гипотезы сплошности среды к учету сил межатомного взаимодействия на уровне элементарной атомной ячейки.
Такой подход открывает новые возможности теоретически рассчитывать прочностные, упругие и теилофизические характеристики элементов конструкций, в которые входят: модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел упругости, предел текучести, коэффициент теплового расширения, коэффициент теплопроводное™, являющиеся исходными данными в расчёте напряжённо-деформированного состояния деталей. Кроме того, одним из направлений развития нанотехнологий является полное трехмерное управление структурой материалов на атомном уровне с целыо размещения каждого атома
на своем месте. В этих условиях важно заранее знать упругие и прочностные свойства нанообьемов монокристаллов с бездефектной структурой.
Актуальность работы определяется возможностью теоретически рассчитывать прочностные, упругие и теплофизические характеристики элементов конструкций и существенно сократить объём дорогостоящих экспериментов, в некоторых случаях на уникальном оборудовании.
Актуальность работы применительно к элементам авиационных двигателей определяется тенденцией роста температуры газа перед турбиной, которая сдерживается прочностью рабочих лопаток из монокристаллических материалов. При использовании предлагаемого подхода в моделировании поведения материала, как составной части расчёта на прочность, открываются новые возможности конструирования лопаток турбин. Основой анализа при этом является межатомное взаимодействие в механике материалов и её влияние на конструкционную прочность деталей.
Цель работы. Разработка методологии теоретического расчёта прочностных и теплофизических характеристик элементов газовых турбин из эвтектических композитов и монокристалл ических жаропрочных сплавов на основе электростатической природы упругости.
Для достижения поставленной- цели сформулированы следующие основные направлении исследования.
1. Обоснование применения электростатической природы упругости в методологии расчёта прочностных характеристик лопаток газовых турбин.
2. Развитие обобщённой математической модели. расчёта на прочность лопаток газовых турбин.
3. Создание метода моделирования диаграммы «напряжение -деформация» монокристаллов, применяемых в лопатках турбин.
4. Развитие методов прогнозирования характеристик ползучести лопаток турбин.
5. Исследование прочностных и теплофизических характеристик лопаток газовых турбин из эвтектических композитов и монокрнсталлических
10
жаропрочных сплавов на основе теоретического определения: модуля
упругости с учетом анизотропии; коэффициента Пуассона; предела-текучести с учетом анизотропии; коэффициента линейного теплового расширения; модуля упругости и коэффициента линейного теплового расширения в зависимости от температуры, а также коэффициента теплопроводности.
Научная новизна
1. Впервые, в отличие от существующих методов расчёта, разработана методология теоретического определения прочностных характеристик лопа-ток газовых турбин из эвтектических композитов и монокристаллических жаропрочных сплавов на основе электростатической природы упругости.
• 2. Модернизирована обобщённая математическая . модель расчёта на прочность лопаток турбин, включающая: формирование исходных данных в виде упругих, теплофизических и прочностных характеристик лопаток; расчет напряженно - деформированного состояния и оценка прочности лопаток турбины из эвтектических композитных и монокристаллических жаропрочных материалов. Модернизация модели позволяет расширить функциональные возможности автоматизированного проектирования лопаток гурбин.
3. Разработаны теоретический метод расчета и математическая модель диаграммы «напряжение - деформация» монокристаллов, применяемых в лопатках турбин. Это существенно снижает объём дорогостоящих экспериментов на уникальном оборудовании.
4. Созданы метод расчета и математическая модель диаграммы первой и второй стадий установившейся ползучести монокристаллов и рабочей лопатки турбины, а также получены зависимости скорости ползучести от температуры и напряжения в условиях ограниченных экспериментальных данных. Новизна подтверждена патентами на изобретение 1Ш 2267112,1Ш 2271534.
5. Выведены системы расчётных зависимостей упругих, теплофизических и прочностных характеристик лопаток высокотемпературных турбин, в которые входят: модуль упругости с учетом анизотропии; коэффициент Пуассона; предел упругости, предел текучести с учетом анизотропии; коэффициент
11
теплопроводности; коэффициент теплового расширения; модуль упругости и коэффициент теплового расширения в зависимости от температуры; плотность. Это позволило заложить основу для конструирования лопаток турбин п их материалов. Новизна подтверждена патентами на изобретение Яи 2226266, Яи 2235986, Яи 2277703, Яи 2289114, 1Ш 2328715, Яи 2235986, Яи 2277235, Яи 2289116.
Практическая значимость
На основе электростатической природы упругости выведены математические зависимости расчёта упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик эвтектических композитных и жаропрочных монокристаллических материалов. Это позволяет: существенно сократить
объёмы сложных и- дорогостоящих экспериментов по определению механических и теплофизических характеристик материалов, применяемых в ГТД; проектировать новые эвтектические композитные материалы п композиции теплозащитных покрытии элементов ГТД; расширить структуру системы автоматизированного проектирования лопаток ГТД введением моделей по расчёту свойств используемых материалов (в дополнение справочных баз данных).
На защиту выносятся
1. Методология определения механических и теплофизических характеристик лопаток газовых турбин. Теоретические положения с новыми научными результатами на основе электростатической природы упругости и прочности, связывающей фундаментальные закономерности физики и механики твердого тела.
2. Обобщённая математическая модель расчёта на прочность лопаток турбин, включающая: формирование исходных данных в виде упругих, прочностных, теплофизнческих и физических характеристик монокристалла и эвтектического композитного материала; расчет напряженно-деформированного состояния и оценка прочности лопаток турбины из эвтектических композитных и жаропрочных монокристаллических материалов.
12
3. Метод расчета и математическая модель диаграммы «напряжение -деформация» монокристаллов.
4. Метод расчета и математическая модель диаграммы установившейся ползучести нитевидных монокристаллов и рабочей лопатки турбины.
5. Математические зависимости расчета прочностных характеристик лопаток газовых турбин, в которые входят: модуль упругости с учетом анизотропии; коэффициент Пуассона; предел текучести с учетом анизотропии; коэффициент теплопроводности; коэффициент теплового расширения; модуль упругости и коэффициент теплового расширения в зависимости от температуры; плотность.
В первой главе приведён обзор литературы по теме диссертации. Анализ работ показал; что в составе ключевых технологий разработки двигателей нового поколения, выработанных в ЦИАМ, в=частности, выделены следующие направления, используемые в настоящей работе: новые материалы и приёмы конструирования- (лёгкие высокопрочные материалы); одноступенчатая высокотемпературная турбина высокого давления (монокристаллическая лопатка с термобарьерпым покрытием). А в рамках системы проектирования турбины, разработанной также в ЦИАМ - это направления, связанные с разработкой баз исходных данных; трёхмерный прочностной анализ методом конечных элементов.
Рассмотрены перспективы применения монокристаллических жаропрочных сплавов и эвтектических композитных материалов с нитевидными монокристаллами для лопаток газовых турбин.
Проведён анализ существующих методов определения упругих, прочностных, теплофпзических и физических характеристик эвтектических композитных материалов с нитевидными монокристаллами и монокристалл-лических жаропрочных сплавов для лопаток газовых турбин.
Рассмотрены методы расчета напряженно-деформированного состояния и прочности лопаток турбин из композитных материалов. Рассмотрены работы С. Т. Кишкина, Е. Н. Каблова, И. Л. Светлова, К. И. Портного, И. А. Биргера, В
13
А. Скибина, Ю. А. Ножницкого, Е. Р. Голубовского, Т. Д. Каримбаева. По результатам анализа сформулированы цель и задачи исследования, методы их решения.
Во второй главе приведено теоретическое обоснование применения электростатической природы упругости для выведенных автором математических зависимостей расчета упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик нитевидных монокристаллов и поликристаллов. Разработан метод расчёта диаграммы «напряжение - деформация» монокристаллов и поликристаллов. Разработан метод расчёта диаграммы ползучести нанообъема материала лопатки и макрообъёма - рабочей лопатки турбины. Модернизирована обобщённая математическая модель расчёта на прочность лопаток турбин, включающая: формирование исходных данных в виде расчётных упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик монокристалла и эвтектического композитного материала; расчет напряженно-деформированного состояния эвтектического композитного материала; оценку конструкционной прочности лопаток турбины из эвтектических композитных материалов.
В третьей главе проведен- анализ геометрии; оценка упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик; напряженно-деформированного состояния представительного микрообъема эвтектического композитного материала на основе результатов расчета характеристик бездефектных монокристаллов и поликристаллов, полученных во второй главе. Определены геометрические характеристики представительного микрообъема. Проведен численный анализ напряженно-деформированного состояния представительного микрообъема на основе метода конечных элементов и методов определения упругих характеристик. Особенностью эвтектических композитов является наличие остаточных термических напряжений на границе волокно - матрица, поэтому проведена их оценка. Результаты расчёта остаточных термических напряжений позволяют учитывать их при расчёте
14
напряженно-деформированного состояния лопатки турбины и оценить их влияние на её конструкционную прочность.
В четвертой главе проведен анализ влияния технологических и эксплуатационных факторов на конструкционную прочность лопатки и рабочего колеса турбины. Расчёты напряженно-деформированного состояния макрообъема - рабочей лопатки турбины основаны на результатах, полученных для нанообъёма (глава 2) и представительного микрообьема эвтектического композитного материала (глава 3). В соответствие с этапами расчёта лопатки определяются упругие, прочностные, теплофизические и физические характеристики микрообьема, в частности, эвтектического композита N1 - N60. На основе полученных результатов расчёта оценено влияние объёмной доли армирующей фазы, на конструкционную прочность лопатки.
Получены диаграммы ползучести для требуемых значений напряжений и температуры. Тем самым восполняется недостающая экспериментальная информация по характеристикам ползучести.
Приведён анализ влияния технологических и эксплуатационных факторов на конструкционную прочность рабочего колеса турбины с учётом ползучести. Характеристики ползучести определены по разработанной модели и использованы в качестве исходных данных для метода конечных элементов. Метод расчёта позволяет определять характеристики ползучести для поликристаллического жаропрочного сплава на никелевой основе. Показаны этапы автоматизированного проектирования лопатки ГТД, в которых возможно применение разработанного метода.
Автор выражает глубокую признательность и огромную благодарность профессорам В. С. Жернакову, Ю. С. Первушину, Р. Г. Якупову, И, Н. Будилову, X. Ш. Газизову, В. К. Итбаеву, В. М. Грешнову, И. А. Кривошееву, Е. Р. Голубовскому, И. Л. Светлову, доценту Б. К. Галимхаиову за полезные замечания и предложения, высказанные в процессе работы над диссертацией.
15
1 ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
1.1 Направления исследований в области прочности рабочих лопаток газовых турбин
1.1.1 Ключевые технологии в области прочности рабочих лопаток газовых турбин
Ключевые технологии разработки двигателей нового поколения определены в исследованиях ЦИАМ [1, 2, 3]. Из числа ключевых технологий в работе рассматриваются следующие направления: новые материалы и приемы конструирования, легкие высокопрочные материалы, монокристаллическая лопатка с термобарьерным покрытием. В свою очередь, на этапе проектирования турбины рассматривается следующие направления в соответствии со схемой на рисунке 1.1 [1].
у^рр-ЯГТ * ч» ■Тг'.'Г
ЙОЕКЛЇИ ЙОВА
таштт
- А
БАЗА ДАН Н Ы X
Таблицы
исходных
данных
Расчетная
геометрия
Твердотельные и поверхностные модели
Поля температур ||
Напряжения и деформации
Конструкторская, документация
__________________- ",і
шмюгчлциснш \и модыьтм-ыты
п
РОМ, СУБД, итСКАРНІСб, ЛиІоСЛП. А№У8, МАвТПАИ
: ", і 4 К
Газодинамический і і і $ 30 прочностной анализ МКЗ 1 *• — г— — —« V і
расчет Профилирование } і 7 і 1 «г Конструирование
Тепловой расчет Проецирование диска, Изготовление
Система охлаждения замка
Рисунок 1.1 — Система проектирования турбины
16
К рассматриваемым направлениям исследований относятся: таблицы исходных данных, напряжения и деформации, 30 прочностной анализ методом конечных элементов.
1.1.2 Перспективы применения монокристалл ических жаропрочных сплавов и эвтектических композитных материалов с нитевидными монокристаллами для элементов «горячей части» ГТД
1.1.2.1 Развитие ГТД для авиационной и космической техники, а также судостроения и энергетического машиностроения связано прежде всего с повышением температуры газа на входе в турбину, которое должно быть осуществлено в значительной степени за счет использования новых жаропрочных материалов [2].
Создание конструкций, эксплуатирующихся при высоких температурах, предполагает разработку качественно новых материалов, отвечающих комплексу требований по уровню рабочих температур, жаропрочности, ползучести, жаростойкости, термостойкости, малоцикловой усталости и прочности [4-23].
Существенный прогресс в повышении жаропрочности литых лопаточных сплавов с направленной структу рой был достигнут при легировании их рением Яе в количестве до 10% (сплавы 3-го поколения).
Достигнуты показатели жаропрочности 0=350 МПа, что превышает зарубежные сплавы на 30-40 МПа [2].
Специально разработанная высокоградиентная (С до 250°С/см) технология монокристаллического литья лопаток с использованием гранспирационного охлаждения, позволяет получать отливки строго заданной кристаллографической ориентации, что существенно повышает уровень эксплуатационных характеристик и позволяет повысить температуру газа до стехиометрической температуры сгорания топлива (до 2200 К либо при сохранении существующей температуры увеличить ресурс детален и снизить расход воздуха [24—31, 36-38].
\
17
Защита поверхности лопаток турбины от высокотемпературного окисления - одна из основных проблем авиационного двигателесгроения [32-35].
Работы, проводимые в ЦИАМе в области создания высокотемпературных защитных покрытий с помощью физических методов осаждения из паровых и плазменных потоков, позволили создать многослойные ионно-плазменные покрытия с высокими защитными свойствами в области температур 1100-1200 °С на длительные ресурсы работы [3].
Создан принципиально новый класс высокотемпературных жаростойких материалов на основе интерметаллпдов никеля и титана, отличающихся пониженной плотностью, высоким сопротивлением окислению и
экономичностью [2].
Разработанные на основе интерметаллида NI3AI сплавы типа ВКНА-1В успешно применяются для рабочих монокристоллических лопаток малоразмерных ГТД, сопловых, лопаток, створок реактивного сопла, внутренних фрагментов камеры сгорания.
Следующий шаг в освоении высоких температур — это создание фазоармированных материалов, способных работать без защитных
покрытий при температурах 1200 °С и выше. Матрицей таких сплавов служат никелевые дисперсионно-твердеющие жаропрочные сплавы либо
интерметаллиды на основе соединения WjAl, а армирующей фазой - волокна монокарбидов Nb или Та [39-43].
Широкое развитие получили исследования по разработке композиционных материалов Fia металлической и керамической матрицах для'перспективных двигателей [37]. Реализация новых разработок ВИАМ обеспечит в двигателях XXI века: достижение рабочей температуры газа до 2200 К; увеличение ресурса в 3-5 раз; отношение тяги к весу 20:1 [2].
Анализ применения композитных материалов в конструкциях 1^ТД проведён в аналитическом обзоре ЦИАМ [44].
В частности, многие разработки зарубежных фирм основаны на использовании композитов в «горячей части» ГТД.
18
ТРДЦ GE90-115B: жаровая труба из композиционного материала (КМ)
на основе керамической матрицы.
ТРДДФ F119-PW-100: плоское интегрированное с планером самолета
сопло с отклонением вектора тяги, створки и проставкн которого изготовлены из композиционного материала на основе керамической матрицы, с поршнем привода расширяющейся части сопла из композиционного сплава на основе титановой магрицы.
ТРДДФ М88-3: реактивное сопло с уменьшенным инфракрасным излучением и внешними створками сопла из композиционного материала на основе углеродной матрицы, усиленной волокнами'карбида кремния.
Двигатели созданные па базе газо^нератора ТРДДФ F101: широкое применение композиционных материалов в силовых корпусах, мотогондоле и соплах.
Потенциальные области сотрудничества по программам между государственными организациями США следующие: разработка
высокотемпературных (до 1482°С) композиционных материалов с теплозащитными и экологически чистыми покрытиями; проведение работ по созданию технологий изготовления высокотемпературной жаровой трубы камеры сгорания и сопловых аппаратов турбин из композиционных материалов на основе металлической матрицы. В качестве плана совместных работ между NASA, МО и МЭ представлен план разработки технологий по защитным покрытиям на основе керамических материалов.
Турбины
Уменьшение стоимости жизненного цикла требует разработки значительно усовершенствованных технологий изготовления деталей турбин, применения прочных доступных конструкционных материалов с низкой удельной плотностью и конкурентоспособных конструкторских решений.
Двигатель ХТЕ65/2: промежуточный корпус из КМ на основе
керамической матрицы.
Газогенератор ХТС77 и двигатель ХТЕ77: лопатки соплового аппарата (СА) турбины высокого давления из композиционного материала на оснозе
19
керамической матрицы.
ТВ1ТД ХТС97: камера сгорания с жаровой трубой из КМ на основе керамической матрицы с радиальной неравномерностью 10%; охлаждаемые лопатки СА и нсохлаждаемые лопатки рабочего колеса турбины высокого давления из КМ на основе керамической матрицы; неохлаждаемые лопатки С А и рабочего колеса турбины низкого давления из КМ на основе керамической матрицы.
ТРДД ХТЬ57/1: неохлаждаемые лопатки СА и рабочего колеса турбины высокого давления из КМ.
Р119-Р\\М00: створки и проставки сопла из КМ на основе керамической матрицы [44].
Материалы и конструкции с высоким уровнем прочностных показателей
Будут исследованы КМ на основе керамической матрицы для жаровой трубы камеры сгорания и лопаток СА турбины, перспективные дисковые сплавы, сплавы для лопаток турбин, легкие сплавы для статических элементов двигателя.
Потребуются материалы, обеспечивающие работоспособность стенки жаровой трубы до 1480°С. Аналогичные материалы будут необходимы и для лопаток СА турбины высокого давления, чтобы обеспечить работоспособность турбины при температуре на входе 1650 °С. Для изготовления сложных лопаток С А турбины высокого давления будут разработаны новые технологические процессы. Чтобы проверить прочностные показатели, будут проведены испытания жаровой трубы и лопаток СА турбины высокого давления.
Перспективы композитных материалов с нитевидными кристаллами
Как видно из рисунка 1.2 [45], добиваться высоких прочностных показателей можно двумя прямо противоположными способами: снижая концентрацию дефектов струкгуры (в пределе приближаясь к идеальному моиокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличивая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния.
20
Оба пути сейчас широко используют в современном физическом материаловедении и производстве [45].
Рисунок 1.2 - Зависимость прочности материала ств от объёмной плотности
структурных дефектов с/ [45]
Обычно свойства существующих материалов улучшают за счет дефектов структуры, но есть и принципиально другой путь. Одно из наиболее важных практических следствий теории дислокаций состоит в том, что бездислокационные кристаллы должны иметь высокий предел прочности, предсказанный теорией атомных сил в кристаллической решетке [46].
Большое теоретическое и практическое значение нитевидных кристаллов состоит в том, что именно на них впервые удалось получить прочность, близкую к теоретической, причем не на сплавах, а именно на чистых металлах (8п, Си, Бе, Сг и т.д.), хотя практическое применение для достижения высокой прочности, по-видимому, в первую очередь получат не пластичные металлы, а хрупкие соединения типа АЬОз, БІС, БізН4 и др. (таблица 1.1) [47-51].
Использование необыкновенно высокой прочности нитевидных кристаллов в композициях не простая задача. Остановимся здесь только на композициях, армированных усами, и не будем касаться композиций на основе металлических и неорганических волокон, хотя успехи в этой области знач и-
21
тельней. Отметим лишь, что сейчас самыми перспективными являются непрерывные волокна бора, угольные, графитовые, волокна карбидов и нитридов, промышленное производство которых налажено. Ими армируют металлические (титан, молибден, никель, алюминий и т.д.), полимерные и керамические матрицы. Применяется также широкий класс композиционных материалов, получаемых однонаправленной кристаллизацией двойных эвтектических сплавов [46].
Таблица 1.1 - Некоторые свойства упрочняющих волокон [46]
Тип упрочняющих волокон Температура размягчения или плавления, °С Плот- ность, кг/м3 Экспериментальная прочность, МПа Модуль Юнга Es МПа
Непрерывные волокна
Стеклянные 840 2500 3500 70 000
Кварцевые, 8Ю2 Металлические: 1860 2200 » 6000 70 000
XV 3400 19000 4200 415 000
Мо 2620 10200 2200 360 000
Сталь 1400 8300 420 200 000
Ве 1280 1800 130 250 000
Нитевидные кристаллы керамические:
А1203 2040 4000 2000 520 000
ВеО 2570 2800 1400 700 000
В.,С 2500 2500 700 500 000
ею 2700 3200 1100 870 000
с 3650 1700 2100 1 000 000
металлические:
Си 1083 8930 300 126 000
N4 1455 8900 400 216 000
Ре 1540 7800 1300 200 000
Сг 1890 7200 900 250 000
Эвтектическими композиционными материалами (ЭКМ) называют сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых
22
упрочняющей фазой служат ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации [52, 53].
Методы, применяемые для направленной кристаллизации эвтектических сплавов (аналогичные получению монокристаллов методами Бриджмена, Чохральского, зонной плавки), должны обеспечивать плоский фронт кристаллизации, а поверхность раздела между жидкой и твердыми фазами и однонаправленный отвод теплоты. В этом случае фазы эвтектики кристаллизуются перпендикулярно к поверхности раздела и следуют за ней по мере перемещения фронта кристаллизации, образуя ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы [54, 55. 56].
Структура эвтектических композиционных материалов, создаваемая естественным1 путем, а не в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, обладает высокой прочностью, термической-стабильностью до температур, близких температуре плавления эвтектики. Она лишена многих недостатков, связанных с химической совместимостью между матрицей и упрочняющей фазой искусственных композиционных материалов.
Из эвтектических композиционных материалов изделия можно получать за одну операцию, исключая трудоемкие процессы изготовления армирующих волокон, введение и ориентацию их в матрице.
К недостаткам эвтектических композиционных материалов относятся повышенные требования к чистоте исходных материалов, зависимость свойств от скорости процесса направленной кристаллизации и ограниченная возможность изменения: объемного содержания армирующей фазы, которое определяется в основном диаграммой состояния системы.
Выбор эвтектических композиционных материалов заключается в подборе матричной основы, удовлетворяющей заданной плотности, температуре эксплуатации, коррозионной стойкости и др., и эвтектики, обеспечивающей необходимую прочность [46, 56, 57].
1.1.2.2 Жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС), предназначенные для монокристаллических лопаток газовых турбин, являются
23
многокомпонентными двухфазными системами, структура которых состоит из неупорядоченного никелевого у-твердого раствора (структура А1) и высокодисперсных выделений у'-фазы на основе упорядоченного интерметаплида №зА1 (сверхструктура Ц*). Эта фаза образуется при распаде матричного у-твердого раствора в процессе охлаждения, когда температура становится ниже температуры полного растворения у'-фазы в у-твердом растворе. После термической обработки объемная доля у'-фазы достигает 60-70%, частицы фазы имеют кубовидную форму размером 0,3-0,5 мкм, равномерно распределены в матрице у-твердого раствора, образуя квазипериодическую трехмерную макрорешетку, разделенну'ю прослойками у-твердого раствора толщиной -0,05 мкм. Обе фазовые составляющие ЖНС имеют изоморфные ГЦК кристаллические решетки, но различаются периодами кристаллических решеток, модулями упругости и другими физико-химическими свойствами, определяемыми химическим составом фаз [7, 58].
Величина анизотропии прочностных свойств жаропрочных сплавов во многом определяется количеством и морфологией упрочняющей у'-фазы (рисунок 1.3), т.е. системой легирования и режимами термической обработки. Несмотря на преимущества в прочностных характеристиках, которые имеют монокристаллы ориентации [111] по сравнению с монокристаллами ориентации [001] (рисунок 1.4), в промышленности предпочтение получила технология монокристаллического литья охлаждаемых лопаток с кристаллографической ориентацией [001]. Монокристаллы такой ориентации имеют в два раза более низкий модуль упругости £001 (139 ГПа против 287 ГПа для направления [111]), что позволяет значительно снизить величину термических напряжений, возникающих при эксплуатации лопаток.
24
□□□□□□ □ □ □□□ [?
□ □ оТШст
□°□
□ □ □ □ □
а 6
а - вид излома, х5000; б - схема расположения фаз в изломе
Рисунок 1.3 - Выделения у'-фазы в изломе при коррозионном
растрескивании [7]
[0011
[110]
Рисунок 1.4 - Схема кристаллографических направлений монокристалла относительно осей рабочей лопатки турбины [7]
В литом состоянии частицы у-фазы неоднородны по размерам и неупорядоченно распределены в твёрдом растворе. Это связано, прежде всего, с химической неоднородностью матрицы из-за дендритной ликвации. Термическая обработка приводит к выравниванию химического состава осей дендритов и межосных областей (рисунок 1.5), а следовательно, к выделению однородных по размеру и морфологии частиц у -фазы при распаде у- твёрдого раствора в процессе охлаждения с температуры гомогенизации. Таким образом, после термической обработки микроструктура монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов состоит из однородного твёрдого раствора, в котором
25
кубоидные частицы у -фазы образуют квазипериодическую трехмерную макрорешётку (рисунки 1.3, 1.6, 1.7) [7].
а б
Рисунок 1.5 - Дендритная структура (х150) монокристаллов сплава ЖС36(001) в поперечном по (001) (а) и продольном сечении по (100) (б) [7]
А (0011
т б
Рисунок 1.6 - Схема дендритного строения монокристаллов с ориентацией [001 ] [7]
а б в
а - денлритная структура; б - у’-фаза в оси дендрита; в - у’-фаза в междендритных
областях
Рисунок 1.7 - Дендритная структура