книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

турах 650—700° С и выше. Основной структурой сталей этой группы является аустенит с гранецентрированной кубической решеткой. Прочностные характеристики металлов связаны с диффузионной подвижностью атомов кристаллической решетки. Для миграции атомов в металле с плотноупакованной решеткой гранецентри­ рованного куба необходимо воздействие значительной внешней энергии. Поэтому разупрочняющие процессы в аустенитных сталях обычно протекают менее интенсивно, чем в сталях с перлитной или мартенситной структурной основой. Жаропрочность различ­ ных марок аустенитных сталей зависит от химического состава твердого раствора, количества, формы и степени дисперсности карбидов, интерметаллидов и других избыточных упрочняющих фаз.

Химический состав аустенитных сталей для лопаток и режимы их термической обработки устанавливают с учетом перечисленных факторов, стремясь получить оптимальное сочетание характеристик ползучести, длительной прочности, пластичности, деформационной способности, циклической прочности и вязкости и др. для обеспе­ чения надежной длительной эксплуатации лопаток в требуемом температурном интервале. В табл. 25 приведен химический' со­ став аустенитных сталей, используемых для лопаток газовых турбин, работающих при высоких температурах.

Физические свойства аустенитных сталей приведены в табл. 26, где для сравнения указаны и свойства стали 2X13. Как видим, для аустенитных сталей характерны более высокие значения плот­ ности, чем для стали 2Х13. Коэффициент их линейного расширения значительно выше, чем хромистых нержавеющих сталей. В то же время теплопроводность аустенитных сталей заметно ниже, чем стали 2X13. С этими особенностями связаны известные трудности, возникающие при обработке аустенитных сталей.

Термическая обработка аустенитных сталей обычно состоит из закалки или аустенизации при 1080— 1180° С и отпуска или старения при 700—900° С.

В энергомашиностроении накоплен значительный опыт вы­ полнения сварных соединений из аустенитных сталей. Вследствие отсутствия фазовых превращений в процессе сварки аустенитные стали не склонны к образованию в зоне термического влияния сварки хрупких закаленных участков. Поэтому при относительно невысоком содержании углерода (менее 0,25—0,30%) аустенитные стали можно сваривать без подогрева. Однако металл шва при сварке этих сталей склонен к горячим кристаллизационным тре­ щинам, особенно в тех случаях, когда он имеет чисто аустенитную структуру. Чтобы предотвратить образование горячих трещин, разработаны электроды, обеспечивающие получение двухфазной аустенито-ферритной или аустенито-карбидной (в зависимости от состава свариваемых сталей) структуры шва.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе.’Для лопаток, дли­ тельно работающих в газовых турбинах при температурах до 700—

151

152

153

156

Физические свойства этих сплавов приведены в табл. 28. Плотность их заметно выше, чем хромистых и модифицированных сталей, содержащих 12% хрома, и немного превышает плотность аустенит­ ных сталей. Коэффициент линейного расширения никелевых спла­ вов выше, чем хромистых и модифицированных, и ниже, чем описан­ ных аустенитных сталей. Значения теплопроводности аустенитных сплавов на железной и никелевой основе весьма близки.

Термическая обработка никелевых сплавов, рекомендованных для изготовления лопаток турбин, состоит из закалки, темпера­ туру которой в зависимости от состава сплава выбирают обычно

двойное или ступенчатое старение. Например, для сплавов ХН80ТБЮ и ХН80ТБЮА после закалки с 1100° С в воде ре­ комендуется ступенчатое старение по следующему режиму: на­ грев до 1000° С, выдержка 2 ч, дальнейшее охлаждение с печью до 800° С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до 750° С, выдержка 20 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до температуры последней ступени старения, соответствующей температуре, при которой будет находиться металл в процессе эксплуатации, вы­ держка 48 ч, охлаждение на воздухе.

Е. Е. Левин и Е. М. Пивник, изучавшие влияние многоступен­ чатой термической обработки никелевых сплавов на их свойства, отмечают, что в ряде случаев такая обработка обеспечивает бла­ гоприятное сочетание высокой жаропрочности с достаточной пла­ стичностью сплавов. Многоступенчатая термическая обработка может обеспечить оптимальные размеры и распределение в объеме зерен частиц упрочняющей фазы, повышающих длительную проч­ ность, пластичность и стабильность свойств сплавов. Влияние сложных режимов термообработки исследовали В. 3. Цейтлин, М. А. Филатова, Г. В. Эстулин и др. Следует отметить, что недо­ статком этих режимов является удорожание термической обра­ ботки, снижение производительности термических цехов и агре­ гатов.

Важнейшее значение для надежной службы лопаток и других деталей из жаропрочных сплавов имеет уровень их деформацион­ ной способности, который связан с соотношением прочности зерен и их границ, строением приграничных объемов металла и многими другими факторами.

Титановые сплавы. Титан характеризуется малой плотностью (4,5 г/см2) при относительно высокой прочности при разрыве. Для отожженного технического титана (99,6% Ті) предел проч­ ности ов = 50 ч-бО кгс/мм2, предел текучести сгт = 45 4-50 кгс/мм2. Удельная прочность (отношение предела прочности к плотности) некоторых титановых сплавов выше, чем многих высокопрочных конструкционных сталей. Относительное удлинение титана со­ ставляет 25—30%, относительное сужение — 35%. В нагартованном состоянии предел прочности титана повышается до 85 кгс/мм2,

157

а относительное удлинение Сни­ жается до 7,5%. Титан склонен

чем многих нержавеющих ста­ лей. Он обладает достаточной окалиностойкостью при темпе­ ратурах до 400—500° С. Титан можно подвергать обработке давлением в горячем и холод­ ном состоянии; при определен­ ных условиях титан хорошо сваривается. Обрабатываемость резанием титана хуже, чем ста­ лей. В производстве титан и его сплавы представляют известные сложности.

Титан относится к числу по­ лиморфных металлов. При тем­ пературах до 882° С он имеет плотноупакованную гексаго­ нальную решетку (а-титан), выше 882° С — кубическую объ­ емноцентрированную (ß-титан). Обычно в промышленности при­ меняют сплавы титана со струк­

меньше, чем у сталей и сплавов, применяемых в качестве метал­ лов для лопаток турбин. Титан поступает в производство в виде листов, проволоки, труб, лент, прутков, поковок и штампевок.

Некоторые металлические элементы образуют с титаном соединения, например ТіАІ, TiCr2, Ti Fe, Ti3Sn.‘ Титан мо­ жет также соединяться с угле­

159

алюминий, способный стабилизировать a -фазу, повышать проч­ ность, жаропрочность и сопротивляемость окислению. Титан ле­ гируют также добавлением хрома, молибдена, ванадия и др. В табл. 29 приведены химический состав и механические свойства применяемых в промышленности титановых сплавов.

Сплавы титана обладают низким декрементом затухания коле­ баний, эрозионная стойкость их в условиях влажного пара не­ сколько выше, чем у нержавеющих сталей. Возможность примене­ ния титановых сплавов для изготовления лопаток стационарных

= 5 -ь6 кгс/мм2. Предел выносливости сплава не уступает соот­

Промежуточные вставки между лопатками в эксплуатации не испытывают значительных напряжений и работают в сравнительно легких условиях. Поэтому выбор металлов для вставок не пред­ ставляет трудностей; обычно это углеродистые стали марок 15 или 35.

Ленточные бандажи изготовляют с учетом значений рабочих температур и напряжений из нержавеющих сталей 1X13, 2X13, 1X11МФ или 15Х12ВМФ. Заготовками для ленточных бандажей являются холоднокатаная лента, горячекатаная полоса или ли­

Механические свойства металла бандажей определяют на пло­ ских образцах, вырезанных вдоль направления проката. Для образцов холоднокатаных заготовок сохраняют внешние поверх­ ности. При'испытании горячекатаных листов и полос следует применять образцы, обработанные с обеих сторон шлифованием до толщины, соответствующей изготовляемому бандажу. Испыты­ вают образцы, взятые от каждой партии листов или полос одной плавки, одинаковой толщины и одинаково термически обработан­ ных. Для испытания отбирают листы или полосы в количестве, равном 1 % предъявленных, но не менее двух. Образцы следует вырезать из листов или полос с максимально допускаемой твер­

достью.

В процессе изготовления ленточные бандажи подвергают тя­ желой для металла операции — пробивают отверстия под шипы на ручных или механических эксцентриковых прессах. При этом

160

30. Механические свойства металла заготовок для ленточных бандажей

1X13

необходимо следить за тем, чтобы пуансон и матрица были тща­ тельно подогнаны друг к другу и хорошо заточены. Края отверстия не должны быть смяты или иметь трещины. Не допускаются ост­ рые углы по периметру отверстий во избежание концентрации на­ пряжений и возможного, вследствие этого, образования трещин в процессе эксплуатации. После выполнения отверстий бандажи следует тщательно осмотреть и подвергнуть магнито-керосиновой пробе или травлению для выявления трещин.

Серьезной операцией является расклепка шипов лопаток, применяемая для крепления ленточных бандажей. Ручную рас­ клепку выполняют молотком массой не более 300 г через специаль­ ные чеканки, позволяющие образовать заданную конструктором форму головки шипа. Механизированную расклепку выполняют на специальном станке, боек которого имеет форму расклепанной го­ ловки шипа. Диск, укрепленный в вертикальном положении, последовательно поворачивается механизмом с делительным уст­ ройством на угол, соответствующий шагу шипов. Боек переме­ щается поступательно-возвратными движениями в вертикальном направлении.

При недостаточно тщательно выполненной расклепке шипов возможен их отрыв у корня или срез расклепанной головки в про­ цессе эксплуатации. Вместе с тем возможности контроля качества расклепки и состояния металла шипа после ее выполнения крайне ограниченны. Поэтому обычно допускаемые напряжения в шипах