Scan011520103917

228

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

, ’    *    łf

•    ;r 'yV “i

;;,_vJ >,&***•>< ';. ..

połączone, aby dać struktury wzmacniane włóknami odpowiedniej fazy, a jedno

cześnie wykorzy stano by wydzielenia w osnowie.

Doskonalenie materiałów — ceramiki do pracy w wysokich temperaturach

Najlepsze ceramiki do pracy w wysokich temperaturach (> 1000°C) zestawiono w tabl. 20.4. Dla porównania podano również dane dla nadstopu na bazie niklu. Porównanie to wykazuje, że wszystkie ceramiki mają bardzo korzystne małe gęstości, duże moduły sprężystości i wysokie temperatury topnienia (przez to znakomitą wytrzymałość na pełzanie w temp. 1000°C). Niektóre z nich charakteryzują się jednak małą przewodnością cieplną (prowadzącą do dużych naprężeń cieplnych) i wszystkie mają małą odporność na obciążenia dynamiczne.

TABLICA 20.4

Ceramiki do zastosowań w wysokich temperaturach

Materiał	Gęstość [Mgm-^3]	Temeperatura topnienia lub rozkładu CD) [K]	Moduł sprężystości [GN-rrT^2]	Współczynnik Przewodność rozszerzał- cieplna w ności 10^6 temp. 1000 K [KT^l] [Wm^_lK^_1]		Odporność na pękanie Kc [MN-ra"^111]
Tlenek aluminium AI2O3	4,0	2320	360	6,9	7	« 5
T worzywa szklano-	2,7	> 1700	« 120	« 3	« 3	« 3
-ceramiczne
Prasowany na gorąco azotek krzemu, S13N4	3,!	2173 (D)	310	3,1	16	« 5
Prasowany na gorąco węglik krzemu, SiC		3000 (D)	« 420	4,3	60	« 3,5
Stopy niklu (Nimoniki)	8,0	1600	200	12,5	12	« 100

■ .    • , ^    "o,*//Mri¹ ”■

Tlenek aluminium (AI2O3) był jednym z pierwszych czystych tlenków stosowanych do wyrobów o skomplikowanych kształtach. Jednak jego duży współczynnik rozszerzalności cieplnej, mały współczynnik przewodnictwa cieplnego i odporność na uszkodzenia dynamiczne sprawia, że wykazuje on bardzo małą odporność na nagłe zmiany temperatury.

Tworzywa szklano-ceramiczne są otrzymywane przez częściową krystalizację złożonych szkieł krzemionkowych. Są one powszechnie stosowane

do wyrobu elementów pieców i wymienników ciepła w małych silnikach. Ich mały współczynnik rozszerzalności cieplnej zapewnia dużo lepszą odporność na nagłe zmiany temperatury niż ma większość innych ceramik, lecz ich maksymalna temperatura pracy wynosi 900°C (gdy faza szklista zaczyna mięknąć), co ogranicza znacznie ich zastosowanie.

Najlepsze do pracy w wysokich temperaturach wydają się być materiały

0    wiązaniach kowalencyjnych, takie jak węglik krzemu, azotek krzemu

1    sialony (spieki Si₃N₄ i A1₂0₃). Ich odporność na pełzanie jest znakomita do 1300°C, a mała rozszerzalność oraz duże przewodnictwo cieplne (lepsze niż stopów niklu) sprawia, że są bardzo odporne na nagłe zmiany temperatury, pomimo typowej dla nich, małej odporności na obciążenia dynamiczne. Mogą być one formowane przez prasowanie na gorąco z proszków lub przez azotowanie krzemu, który został wcześniej sprasowany do odpowiedniego kształtu. W obu metodach precyzyjne kształty (jak łopatki turbin) mogą być wytwarzane bez obróbki mechanicznej (materiały te są zbyt twarde do takiej obróbki).

Koszty opracowania nowych materiałów

Jakiekolwiek programy rozwoju materiałów, jak np. dotyczące nadsto-pów eutektycznych, mogą być realizowane, jeśli ich rezultat ma również uzasadnienie ekonomiczne. Jak to przedstawiono na rys. 20.10, koszty opracowania materiału mogą być ogromne. Nawet zanim nowy materiał opuści laboratorium, koszty jego opracowania mogą sięgać 2-4 min GBP (4-8 min USD). Również koszty uszkodzenia prototypowego silnika mogą być duże. Ponieważ ocena zachowania się nowego stopu nie może być pełna, zanim nie

10

Wysokie koszty

CL

CO

O

8

C 6 £

Powiększenie skali prób /

tsj

l/)

o

Próby kwalifikacyjne ^x Próby silnikowe

* Powiększenie skali prób J_l_i_i

,^x Próby silnikowe

Próby _ kwalifikacyjne

Średnie koszty

Q

!3

_c E

10

o

0    2    4    6    8    10

Lata od uruchomienia programu

Rys. 20.10. Dynamika wzrostu kosztów nowoczesnych materiałów do produkcji łopatek

turbin