Изготовление лопатки турбины из УУКМ

К выходному фланцу наружного кольца болтами крепится задняя опора.

 

4. Применение углерод-углеродных композиционных материалов для изготовления лопарок турбины двигателя НК-86.

 

4.1 Определение композиционных материалов.

 

Слово «композиция» широко применяется в художественной литературе, музыке, скульптуре, графике. Происходит это слово от латинского «compositio» - составление, связывание. Исходя из этого  говорят, например, о литературно-музыкальной композиции или о музыкальной композиции, состоящей из различных произведений и отрывков. Если перенести эти слова рассуждения на понятие «композиционные материал», то в самом общем случае можно отметить, что КМ является материалом, состоящим (составленным) из каких-либо различных частей.

Наиболее полным считается  определение, согласно которому к композитам относятся материалы, обладающие рядом  признаков:

   ● состав, форма  и распределение компонентов  материала запроектированы;

   ● материал  не встречается в природе, а создан человеком;

   ● материал  состоит из двух или более  компонентов, различающихся по  химическому составу и разделенных  выраженной границей;

   ● свойства  материала определяются каждым  из его компонентов, которые  в связи с этим должны присутствовать в достаточно больших количествах

( больше некоторого  критического содержания);

   ● материал  обладает такими свойствами, которых  не имеют его компоненты, взятые в отдельности;

   ●материал неоднороден  в микромасштабе и однороден  в макро- масштабе;

Единой общепринятой классификации композиционных материалов нет. Это объясняется рядом причин. Одна из них заключается в том, что КМ представляют саамы широкий класс материалов, объединяющий материалы, полимеры и керамики. Современные технологии позволяют реализовать различные, считавшиеся ранее экзотическими сочетания исходных материалов. Разнообразие исходных материалов, сложность реальных структур в ряде случаев затрудняют классификацию получаемых композитных материалов. К тому же вызывает трудности определение понятия «композиционный материл».

   В настоящее  время разработано несколько  подходов к классификации композиционных  материалов. Деление композитов  может осуществляться по ряду  признаков. Определенное влияние  на классификацию материалов, естественно, оказывает и субъективный фактор.

   Наиболее часто  используется классификация композитных  материалов, в основу которой  положено их деление по материаловедческому  признаку. В соответствии с этой классификацией композиционные материалы делятся на полимеры (ПКМ), металлические (МКМ), керамические (ККМ), углерод- углеродные (УУКМ) и гибридные (ГКМ). Гибридные композиты представляют собой материалы с матрицей смешанного типа.

Металлические композиционные материалы изготовляют, пропитывая каркас из армирующих волокон наполнителя расплавом металла под давлением, совместным прессованием или прокаткой волокон с металлической фольгой при повышенной температуре. Полимерные композиты получают пропиткой наполнителя расплавом полимера с последующим прессованием, прокаткой или экструзией при повышенной температуре и давлении. Используют также методы порошковой металлургии, смешивая шихту из наполнителя и гранул полимера и подвергая затем эту массу спеканию, горячему прессованию или прокатке.

Композиционные материалы широко используют в качестве конструкционных, теплозащитных, режущих, износостойких, электротехнических и других материалов в строительстве, машиностроении, атомной и металлургической промышленности.

 

 

 

4.2 Применение композиционных материалов в авиа и ракетостроении.

 

Композиционные материалы  относятся к группе высокотехнологичных  материалов. Своим появлением они обязаны в основном таким высокоразвитым отраслям промышленного производства, как авиа и ракетостроение, судостроение. В то же время после отработки технологии изготовления, снижения стоимости до приемлемого уровня композиционные материалы начинают использовать другие отрасли. В частности, они широко применяются для изготовления товаров народного потребления. Анализ условий работы современных проектируемых конструкции и темпов внедрения в производство композиционных материалов, достигнутых в последнее десятилетия, позволяет обоснованно считать, что композиты можно назвать материалами ХХΙ века.

   Аэрокосмическая  промышленность является одним из основных заказчиков и потребителей композиционных материалов. Ярким примером является крупногабаритные твердотопливные ракетные двигатели. Доля композитных материалов в массе этих конструкции составляет 85…90%. Применение композиционных материалов в конструкциях  летательных аппаратов позволяет уменьшить их массу, тем самым увеличить массу полезного груза, скорость и дальность полета.

   Аэрокосмическая  промышленность  широко использует  композиционные материалы различных  типов, в том числе полимерные, металлические, керамические, углерод- углеродные, гибридные.

   Одним из наиболее  активно используемых в самолетостроении  типов композиционных материалов являются углерод-углеродные композиты.

   Использование  современных композиционных материалов можно проанализировать на примере авиационных двигателей. Детали узлов двигателя работают в очень жестких условиях при воздействии высокой температуры, вибрации, механических напряжении высокого уровня. Детали должны хорошо сопротивляться ползучести, выдерживать частые теплосмены, быть легкими, жаростойкими, жаропрочными.

   Ключевыми факторам, определяющим коэффициент полезного  действия газотурбинного двигателя,  является его рабочая температура.  С увеличением рабочей температуры  технические характеристики двигателя существенно возрастают. Распределение температуры различных зонах авиационного газотурбинного двигателя показано на (см. рис 9).

   В камерах сгорания  современных двигателей температура достигает 1300…15000ºС. Предполагается, что в будущем она  может достигнуть  1800…2000ºС. Температура порядка 200ºС считается оптимальной для двигателя, поскольку она представляет собой стехиометрический предел для идеального процесса горения всех видов топлива. Ни один металл или используемый сегодня сплав не сможет быть успешно применен для изготовления тяжелого нагруженных деталей, работающих в зоне камеры сгорания при таких высоких температурах.

   Важнейшей деталью  газотурбинного авиационного двигателя,  работающего при высоких температурах и высоком уровне механических напряжении, является турбинная лопатка. Ранее турбинные лопатки изготовлялись методом ковки. Следующим шагом явилась разработка технологии производства направленно-кристаллической структурой. Дальнейшее повышение рабочей температуры и технических характеристик двигателя стало возможным при использовании монокристаллических лопаток с внутренними каналами охлаждения. По сравнению с направленно- кристаллизованными лопатками срок службы монокристаллических лопаток в 2…3 раза больше.

В течении последних двух десятилетии при изготовлении высоко- температурных трактов авиационных двигателей применение композиционных материалов неуклонно возрастало.

Нет сомнений, что в  ближайшей перспективе эта тенденция  сохраниться. При этом относительная доля титана и его сплавов, сталей, жаропрочных сплавов при производстве высокотемпературных трактов авиационных двигателей постепенно снижается.

 

4.3 Углерод - углеродные композиционные материалы.

 

Углерод - углеродные композиционные материалы (УУКМ)- один из наиболее известных современных композитов. Эти материалы считают самыми перспективными для изготовления конструкций, работающих при высоких температурах.

Они используются для  изготовления носовых обтекателей  ракет, лопаток турбин, деталей тормозных устройств самолетов, высокотемпературных подшипников, ядерных силовых установок, других важных деталей.

УУКМ состоят из углеродной (графитовой) матрицы, упрочненной углеродным ((графитовым) волокном. Углеродные волокна используется не только как упрочняющие элементы, они препятствуют распространению трещин. Основные достоинства УУКМ, определяющие их широкое применение, заключается  в высокой прочности, малой плотности, высокой теплостойкости, стойкости к тепловому удару и облучению. В кислой среде углерод - углеродные мате риалы  сохраняют работоспособность до 773 К, в инертной среде и в вакууме- до 3273 К. Они способны выдерживать перепад температуры, достигающей 1000К/см. В зависимости от структуры предел прочности на растяжение УУКМ изменяется в диапазоне ~ 100…1000 МПа.

 

Рис. 10

 

 

а) Хаотичная                   д) Структура 4D          и) Аксиально-радиально-

б) Слоистая                     е) Структура 4D-Л           окружная

в) Розеточная                 ж) Структура 5D-Л    к) Радиально-спиральная

г) Ортогональная 3D    з) Структура 5D           л) Аксиально-спиральная

                                                                                м)Аксиально-радиально спиральная                                                                                    

 

 

Принципиальные схемы  расположения волокон в УУКМ приведены  на (рис10).

  Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) содержат углеродный армирующий элемент в виде дискретных волокон, непрерывных нитей или жгутов, войлоков, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объемных каркасных структур.

  Углеродная матрица объединяет в одно целое армирующие элементы в композите, что позволяет наилучшим образом воспринимать различные внешние нагрузки. Определяющими факторами при выборе материала матрицы являются состав, структура и свойства кокса.

   К  числу специальных свойств КМУУ относится низкая пористость, низкий коэффициент термического расширения, сохранение стабильной структуры и свойств, а также размеров изделий при нагревах до 2000°С и охлаждении, высокие механические свойства, а также хорошая электропроводность.

Основное применение КМУУ находят в изделиях, которые  работают при температурах выше 1200° С.

  Перечисленные преимущества КМУУ позволили успешно их применять в качестве тормозных дисков в авиационных  тормозах, соплах ракетных двигателей, в защитных накладках крыльев космических челноков,  пресс-формах, тиглях, роторов турбин, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и т.д. Особо надо отметить повышающийся интерес на использование КМУУ в электротехнике.

   Производство  углерод-углеродных композиции осуществляется преимущественно по трем схемам: пропитка волокнистого каркаса смолой и карбонизацией; осаждение из газовой фазы углерода между волокнами каркаса; сочетание пропитки волокнистого каркаса смолой и карбонизации с осаждением углерода из газовой фазы.

   Сложной технической  задачей является изготовление  объектов в виде цилиндров, усеченных конусов, шаров, тел неправильной формы. Для того, чтобы обеспечить постоянство плотности армирования, можно использовать переплетение с систематическим увеличением диаметра осевых нитей. Показано на (рис 11).

   Разработано несколько  технологических процессов получения  многонаправленных структур: метод сухого ткачества; прошивка тканей; намотка и плетение; сборка жестких прутков; комбинированный метод. При производстве углерод- углеродных композиционных материалов широко применяется метод сухого ткачества (рис 12).

   В некоторых  случаях пространственные армирующие структуры формируют с применением жесткого стержней, получаемых методом осаждения углерода из газовой фазы или по технологии пултрузии с использованием ориентированных волокон, пропитанных термопластичным или термореактивным связующим (рис 13) показана технология пултрузии. Волокна смазываются с бобин, попадают в пропиточную ванну со связующим, обжимаются в фильтре, где формируется профиль стержня. Далее в камере при 380…390ºС происходит сушка заготовки. Перед тем, как поместить заготовку в камеру для термообработки, ее дополнительно уплотняют в промежуточной фильере. Термическая обработка проводится при 450…550К, на выходе из камеры происходит окончательное уплотнение профиля фильерой. При изготовлении стержней в качестве уплотняющих элементов возможно применение волокон независимо от их способности к текстильной переработке. Стержни способствуют выравниванию волокон в армирующем каркасе.

   После получения  из армирующих элементов заготовки  производиться выбор полимера для ее пропитки. Обычно в качестве полимеров, являющихся исходным материалом для получения углеродной матрицы, применяют фенолоформальдегидные и фурановые смолы, а также каменноугольный или нефтяной пек.

   Тип используемого  связующего определяет технологию, стоимость и важные свойства получаемых углерод- углеродных композиционных материалов. Достоинствами фенолоформальдегидных смол, являются технологичность, относительно низкая стоимость, высокая прочность образующегося каркаса. В то же время фенолоформальдегидные смолы обладают рядом недостатков. Один из них – трудность получения однородной плотной структуры. Образующийся из смол кокс плохо поддается графитизации. Усадка материала во время карбонизации фенолоформальдегидных связующих больше, чем при использовании связующих других типов. Это ведет к возникновению значительных внутренних напряжений и снижает физико-механические свойства композитов.

   Фурановые смолы  по сравнению с фенолоформальдегидными  отличаются меньшей технологичностью, цикл их отвердения более сложен. Достоинствами фурановых смол, объясняющими их применение при производстве УУКМ, являются меньшая по сравнению с фенолоформальдегидными связующими усадка при карбонизации, более высокая прочность и плотность каркаса. Плотность каркаса образующегося из фенолоформальдегидных смол, составляет ~ 1650 кг/м³, из фурановых связующих ~ 1850 кг/м³, из пеков ~ 2100 кг/м³.

   Достоинствами нефтяных  и каменноугольных пеков, кроме  высокой плотности кокса, являются  низкая стоимость, доступность,  склонность к графитизации, исключение из технологического процесса растворителя. К недостаткам пеков относят: