Интерметаллидные композиты

ТЕМА 3. НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Лекция 2

К перспективным материалам новых поколений ГТД относятся:

- металломатричные композиты (композиты с интерметаллидной матрицей);

- керамокомпозиты ( композиты с ке­рамической матрицей).

Материалы из интерметаллидов и керамокомпозитов в программах создания многоразовых систем преду­сматриваются в качестве основного конструкционного материала, со­ставляющего более 50 % массы конструкции.

Использо­вание этих материалов для деталей и узлов двигательных установок позволит сни­зить массу конструкций до 40 %.

Композитами называют материалы, являющиеся комбинацией двух или более компонентов.

Эти компоненты называются:

- волокна (наполнитель);

- связующее (матрица).

Одним из сдерживающих факторов быстрого распространения новых материалов является относи­тельно высокая цена. Следует отметить, что важнейший (если не единст­венный) путь ее снижения - совершенствование существующих и разра­ботка новых экономичных, экологически чистых, ресурсосберегающих технологий производства.

3. 1. Композиционные материалы с полимерной матрицей в основном ис­пользуются для изготовления крупногабаритных деталей сложной фор­мы:

- лопасти вентилятора,

- кожухи,

- конус воздухозаборника и др.

Они обладают высокой удельной прочностью, но имеют низкие рабо­чие температуры, не превышающие для условий длительной эксплуатации 150... 200 °С. Эти материалы применяются в основном в производ­стве двигателей гражданской авиации. В качестве наполнителя исполь­зуются волокна из углерода, стекла, бора и других мате­риалов, а в качестве связующего - эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремнеорганические смолы и т.д.

Перспективными являются материалы, работающие при 300... 350 °С.

Интерметаллидные композиты (металломатричные компози­ци) обладают повышенной прочностью и позволяют снизить массу деталей до 50 % по сравнению с традиционно применяемыми титановыми сплавами.

Матрица в них - на основе титана или интерметаллидных соединения TiAl, а

наполнитель - керамические волокна, например SiC, SiC/C.

Интерметаллидные композиты представляют особый ин­терес как замена никелевых сплавов, т.к. обладают следующими положительными свойствами:

- высокая проч­ность,

- высокое сопротивление ползучести,

- работоспособность в широком интер­вале температур до 900... 950 °С.

Использование этих материалов может значительно повысить качест­венные характеристики двигателей новых поколений.

Композиционные материалы с интерметаллидной матрицей по прогнозам ведущих авиационных фирм, в новых по­колениях двигателей будут составлять около 20 %.

Однако широкое использование этих материалов сдерживается из-за:

- значительное различие в коэффициентах линейного термическо­го расширения волокон и матрицы,

- химические реакции и превращения, протекающие на границах волокон и матрицы,

- сложность процессов по­лучения материала (особенно волокон),

- высокая стоимость материалов.

3.3. Конструкционные керамики. Высокотемпературные конструкционные керамики на основе нитрида и карбида кремния (Si₃N₄ и SiC) способны работать при температурах до 1400... 1600 °С на воздухе и в горячем тракте авиацион­ного двигателя.

Они обладают:

- высоким сопротивлением термическим ударам,

- низким коэффициентом термического расширения,

- хорошей теп­лопроводностью,

- стойкостью к окислительной среде,

- стойкостью к воздействию кислот НС1, HF, H₂S04 и др.

В настоящее время разрабатываются элементы и узлы горячей зоны газотурбинных двигателей V... VI поколений:

- сопло­вые и рабочие лопатки турбины,

- диск турбины,

- кольцевые эле­менты соплового аппарата,

- надроторные уплотнения,

- стабилизаторы го­рения,

- камеры сгорания,

- каталитические воспламенители форсажной ка­меры и др.

Керамики используются для изготовления подшипников ка­чения, зубчатых колес и других деталей.

Применение конструкционных керамик для производства деталей ГТД существенно ограничивается их низкой вязкостью. По этой причине основные разработки конструкционных керамик в настоящее время про­водятся в направлении создания композиционных материалов с керами­ческой матрицей (керамокомпозиты).

3.4. Керамокомпозиты. В качестве наполнителей керамокомпозитов ис­пользуют волокна из SiC, углерода и А1₂0₃, а в качестве матрицы - SiC, Al₂0₃ или (А1₂0₃ + Si0₂).

С целью применения керамических матричных композиций для изго­товления высокотемпературных компонентов реактивных двигателей исследуются композиции на основе волокон SiC, находящихся в много­фазной матрице SiC, получаемой испарением и конденсацией керамики. Эти композиции имеют значительные преимущества перед никелевыми суперсплавами при температурах выше 1200 °С.

В ближайшем будущем керамокомпозиты планируется использовать для:

- статорного узла турбины низкого давления,

- выходного конуса,

- ство­рок сопла и т.д.

В настоящее время керамокомпозиты уже применяются для изготовления створок сопла двигателя М88 фирмы Snecma.

Дата добавления: 2014-01-07