Перспективные металлы. Структура с исключительной прочностью, жаростойкостью и устойчивостью к коррозии, страница 7

Определенные надежды повысить этот температурный предел связаны с применением так называемых алюминидов титана — интерметаллидов типа TiAl и Ti3Al. Эти сплавы обладают меньшей плотностью, большими упругой жесткостью и жаростойкостью, чем обычные титановые сплавы. Интерметаллиды уже используются для изготовления компрессорных камер и статорных колец турбины; статорное кольцо из алюминида титана примерно на 43 ⁰70 легче, чем из обычого никелевого суперсплава.

нЕ МЕНЕЕ важны, чем сами перспективные металлы, методы их получения. Прогрессивные технологии дают возможность в наибольшей степени практически использовать новые представления о микроструктуре металлов. Они позволяют изготавливать и обрабатывать образцы хорошо известных сплавов ранее неизвестными способами, а также создавать материалы, которые раньше вообще невозможно было получать.

Одним из наиболее важных перспеКтивнь1Х методов является направленная кристаллизация, основы которой были заложены в 1960 г. в работе Ф. Верснайдера и Р. Гарда, выполненной ими в компании General Electric. Они показали, что сопротивление ползучести определенных никелевых сплавов может сильно возрастать, если исследуемые образцы изготовлены таким образом, что все межзеренные границы оказываются параллельными приложенной одноосной нагрузке, такой, как центробежное напряжение, возникающее в турбинных лопатках при больших скоростях вращения. Когда отсутствуют межзеренные границы, перпендикулярные главным напряжениям, образцы менее склонны к ползучести и разрушению. В 1967 г. Б. Пирси и автор данной статьи, работавшие тогда в фирме Pratt & Whitney Aircraft, показали, что прочность никелевых суперсплавов становится еще выше, если межзеренные границы вообще отсутствуют (т. е. образец представляет собой монокристалл), а также если образцы определенным образом ориентированы по отношению к приложенной силе. Эти результаты Стимулировали у фирмы интерес к разработке методов производства турбинных лопаток с такими свойствами.

Для производства обычной турбинной лопатки расплавленный металл заливается в керамическую форму, подогретую до температуры, примерно равной половине температуры расплава, и затвердевает. Расплав кристаллизуется, начиная с мест контакта с формой, образуя в результате мелкозернистый поликристалл с произвольно ориентированными зернами.

В отличие от этого при направленной кристаллизации форма подогревается до температуры, примерно равной температуре расплава; низ формы крепится к водоохлаждаемому медному «ХОЛОДИЛЬНИКУ». Форма удерживается в «горячей зоне», окруженной системой ТЕПЛОЗаЩИТНЫХ экранов. Расплав заливается в форму и начинает кристаллизоваться в зоне холодильника. Обычно здесь происходит зарождение и рост отдельных кристаллов. Затем форма медленно опускается и выводится из горячей 30НЫ. Кристаллы, образовавшиеся на кристаллизаторе, растут в форме длинных столбцов. Изготовленная таким образом турбинная лопатка состоит из нескольких длинных столбчатых кристаллов примерно с одинаковой ориентацией. Все границы зерен оказываются практически параллельными направлению, в котором лопатка будет растягиваться центробежными силами.

Аналогичным путем можно изготовить лопатку, в которой вообще отсутствуют границы зерен. Для получения монокристаллической лопатки расплав заливается в керамическую форму, которая между кристаллизатором и верхней частью имеет горло в виде штопора. Когда форма убирается из окружения теплозащитных экранов, начинается рост столбчатых кристаллов, однако горло настолько узкое, что лишь один из кристаллов может пройти через него. Хотя форма расширяется над горлом, этот кристалл, увеличиваясь в диаметре, останется единственным.

Направленная кристаллизация наиболее пригодна для литья турбинных лопаток из никелевого суперсплава, однако она также хорошо может использоваться и для получения других сплавов, в частности так называемого эвтектического суперсплава. Если в никель-алюминиевый расплав добавить молибден и затем направленно кристаллизовать, образуются длинные молибденовые волокна, внедренные в матрицу из Т- и 7' -никельалюминиевого суперсплава и расположенные параллельно направлению кристаллизации. Волокна молибдена упрочняют материал аналогично графитовым волокнам в эпоксидной матрице обычных композиционных материалов (см. статью «Композицион-