Scan011520103551

220

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

TABLICA 20.1

Wymagania stawiane stopom

\

J

a)    Odporność na

b)    Odporność na utlenianie wysbkiej temperaturze. ^ w łżĄdćy

c)    Odporność na uszkodzenia dynamiczne.    -drfo

d)    Odporność na zmęczenie wywołane zmianami temperatury.

e)    Stabilność cieplna. ^

0 Mała gęstość.

to

■

■*

O właściwościach (b) będziemy mówić w rozdz. 21. Odporność na obciążenia dynamiczne i zmęczenie już dyskutowaliśmy. Oczywiście łopatka musi być odpowiednio odporna na zderzenia z ptakami, z fragmentami złamanych łopatek sprężarki itp. Dodatkowe naprężenia, które mogą spowodować pęknięcia kruchego materiału, mogą pochodzić od zróżnicowania rozszerzania i kurczenia się poszczególnych części łopatki, w zmiennych temperaturach. Różne rozszerzanie i kurczenie się może również prowadzić do zmęczenia, jeśli cykle zachodzą często. Stop musi więc być odporny na wywołane zmianami temperatury zmęczenie - zmęczenie cieplne. Skład stopu i jego struktura muszą być stabilne w wysokich temperaturach - przegrzanie może spowodować rozpuszczenie wydzieleń, co doprowadzi do poważnego zmniejszenia odporności na pełzanie. Wreszcie gęstość musi być tak mała, jak tylko to możliwe. Nie chodzi tu wyłącznie o masę łopatki, ale też o konieczność wykonania mocniejszej i cięższej tarczy wirnika turbiny, aby wytrzymała duże promieniowe obciążenie.

Wymagania te poważnie ograniczają wybór materiałów odpornych na pełzanie. Na przykład ceramiki, z ich wysokimi temperaturami mięknięcia i małymi gęstościami, są wyłączone z zastosowania w silnikach lotniczych ze względu na kruchość (są one badane do zastosowań w turbinach pracujących na ziemi, gdzie ryzyko i konsekwencje nagłego uszkodzenia wiążą się z mniejszym niebezpieczeństwem - patrz poniżej). Cermetale nie są również korzystne, ponieważ ich metaliczna osnowa mięknie w zbyt niskich temperaturach. Materiałami, które obecnie najlepiej spełniają wymagania, są nadstopy na osnowie na niklu.

Nadstopy na osnowie niklu

* •

Klasycznym przykładem materiału zaprojektowanego tak, aby był odporny na pełzanie dyslokacyjne (wg prawa potęgowego) przy dużych naprężeniach, jest stop stosowany na łopatki turbin, wysokociśnieniowego stopnia silnika lotniczego turbinowego dwuprzepływowego. Przy starcie samolotu łopatka podlega naprężeniu « 250 MN-mf² i wymaganiem konstrukcyjnym jest, aby łopatka wytrzymała je przez 30 h w temp. 850°C, przy nieodwra-

calnym odkształceniu wywołanym pełzaniem nie większym niż 0,1%. W celu spełnienia tych wymagań stop niklu wciąż ulepszano aż do opracowania składu przedstawionego w tabl. 20.2.

TABLICA 20.2

Skład chemiczny typowych materiałów odpornych na pełzanie, stosowanych na łopatki turbin

% wag.		% wag.
Ni	59	Mo	0,25
Co	10	C	0,15
W	10	Si	0,1
Cr	9	Mn	0,1
Al	5,5	Cu	0,05
Ta	2,5	Zr	0,05
Ti	1,5	B	0,015
Hf	1,5	S	< 0,008
Fe	0,25	Pb	< 0,0005

Kys. 20.3. (a) Mikrostruktura nadstopu opartego na niklu. Widoczne dwa rodzaje

wydzieleń: duże (białe) i małe (czarne)