Одними из наиболее ответственных деталей авиационных двигателей являются лопатки турбины. Именно они определяют максимальную температуру газа в турбине, надежность и ресурс работы турбины, удельную мощность, удельный вес и экономичность двигателя. На рабочие лопатки турбины действуют центробежные и газодинамические силы, вызывающие в лопатках растяжение, изгиб и кручение. Высокий уровень напряжений, температур, нестабильность режимов нагрева и нагружения, возможность возникновения резонансных колебаний делает рабочие лопатки одним из наиболее сложных элементов современной техники.
Более 50 лет для изготовления лопаток используют никелевые жаропрочные сплавы. Они занимают одно из первых мест по масштабам производства и объему применения среди высокотемпературных материалов конструкционного назначения. Созданием и исследованием никелевых жаропрочных сплавов занимались несколько поколений материаловедов и на сегодняшний день это одни из наиболее сложных по легированию и одновременно одни из наиболее изученных металлических материалов. Наряду с совершенствованием составов жаропрочных сплавов разрабатывались и новые технологии отливки лопаток позволившие перейти от лопаток с равноосной структурой к направленной, а затем монокристальной структуре лопаток. Монокристальные лопатки являются единственным примером применения металлических монокристаллов в современном машиностроении.
Созданием жаропрочных сплавов и технологий отливки лопаток занимаются ведущие двигателестроительные фирмы и научные лаборатории: Pratt&Whitney, General Electric, Rolls-Royce, Сannon-Maskegon. В России жаропрочные сплавы для лопаток авиационных турбин и технологии производства литых лопаток разработаны во Всероссийском институте авиационных материалов. Длительное время (1950-2000 гг.) этими работами руководил академик Сергей Тимофеевич Кишкин.
Сравнивая составы Российских жаропрочных сплавов с составами жаропрочных сплавов других разработчиков (Pratt & Whitney, Cannon-Maskegon, General Electric, Rolls-Royce) (таблица 1) можно отметить, что они близки. Такое положение естественно и связано с несколькими объективными факторами. Это одинаковые для всех принципы упрочнения никелевых жаропрочных сплавов, использование одинакового набора элементов, применяемых для легирования сплавов, близкие системы оптимизации сплавов, влияние международного научного обмена информацией через публикации и конференции.
Несмотря на многолетние исследования, поиск новых жаропрочных сплавов продолжается, ежегодно появляются новые публикации и патенты направленные на оптимизацию их составов, на исследование свойств сплавов, совершенствование технологий производства сплавов и отливки лопаток.
Е.Б.Качанов, докт. техн. наук (СЦ «МАТЕРИАЛ»)