Тинидур

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Сталь Тинидур
Химический состав
Fe — 51 %
 
Ni — 30 %
 
Cr — 15 %
 
Ti — 2 %
 
Mn — 0.8 %
 
Si — 0.8 %
 
C — 0.13 %
 
Примеси: 0.27 %
Тип сплава
Аустенитная сталь
Механические свойства
жаропрочный сплав
Физические свойства
Плотность 7,92 г/см3
Предел прочности при 800 °C 245 МПа
Предел прочности при 600 °C 600 МПа
Предел ползучести (1% за 300 час.) при 600 °C 430 МПа
Аналоги
A286

Тинидур (нем. tinidur — по начальным буквам титан + никель + прочный) — жаропрочная сталь аустенитного класса, разработанная в 1936 году в Германии инженерами-металлургами Г. Банделем G. Bandel и К. Гебхардтом K. Gebhard — сотрудниками исследовательского отделения фирмы Krupp - Friedrich Krupp, г. Вульфрат [1].

История создания жаропрочной стали[править | править код]

В Германии работы по систематическому исследованию жаропрочности различных материалов были начаты в 1935—1936 годах Авиационным центром DVL Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt. Родоначальником исследований в этой области, проводившихся применительно к турбонагнетателям авиационных моторов, является Франц Болленрат Franz Bollenrath — в 1940-е годы директор НИИ авиационных материалов (Inst. für Werkstoff-Forschung der DVL)[2].

Сталь Тинидур в первоначальном варианте имела обозначение Р-193. Упрочнение стали при высоких температурах (сопротивление ползучести) предполагалось обеспечить дисперсными выделениями термически стойких карбидов, для чего в состав стали вводили углерод (0,5 %) и титан (2 %). Позднее было установлено, что дисперсионное твердение происходит и при отсутствии углерода — за счёт дисперсных выделений интерметаллидного соединения Ni3Ti. После этого содержание углерода уменьшили до 0,1 %. Улучшенным вариантом этой стали стал Тинидур. Спустя 4-5 лет аналогичная ситуация повторилась в Англии при разработке жаропрочного никелевого сплава «нимоник», сопротивления ползучести которого также ожидали получить за счет дисперсных выделений карбидов титана[3][4]. В конечном итоге оказалось, что высокотемпературная прочность материала обязана дисперсным выделениям интерметаллида Ni3(Ti,Al).

Химические составы германских аустенитных жаропрочных сталей Тинидур[5]
Марка
стали 		%C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo %Ti %Al % др.
элементов
P-193 0,5 0,6 0,6 30 30 - 2 - Fe-основа
Тинидур 0,12-0,14 0,6-1,0 0,6-1,0 29,0-31,0 14,5-15,5 - 1,8-2,2 0,2 Fe-основа
А286 0,05 1,35 0,55 25 15 1,25 2,0 0,2 0,3V

Назначение легирующих элементов в аустенитных сталях Тинидур: Ni — упрочняет и стабилизирует аустенитную структуру, образует гамма-штрих фазу и препятствует образованию нежелательных фаз. Cr — обеспечивает стойкость к газовой коррозии и упрочняет твердый раствор. Ti и Al — основные элементы, обеспечивающие дисперсионное твердение сплава. Сталь подвергалась закалке с температуры 1125 °C в воду и старению при температуре 750 °C. При правильно подобранной термообработке происходит выделение из аустенитной матрицы дисперсных кристаллов интерметаллидной фазы Ni3(Ti,Al).

Применение в реактивном двигателестроении[править | править код]

В 1937 году немецкий конструктор фон Охайн, выбрал Тинидур для изготовления теплонапряженных узлов конструкции и приступил к разработке первого воздушно-реактивного двигателя HeS (нем.) самолёта He 178 [6].

К 1939 году конструкторы Ансельм Франц Anselm Franz, Отто Мадер Otto Mader и главный металлург Хайнрих Аденштедт Heinrich Adenstedt моторного отдела фирмы «Юнкерс», (Junkers Motorenbau) в Магдебурге, по результатам сравнительных испытаний имевшихся в Германии материалов, выбрали жаропрочную сталь Тинидур, как лучший материал лопаток и диска турбины двигателя Jumo-004 на рабочие температуры 600—700°C [7].

Уже ранние испытания показали, что даже идентичные лопатки показывают большой разброс по долговечности. К 1943 году усилиями отдела материалов Junkers Motorenbau в Дессау была решена проблема надёжности и стабильности характеристик эксплуатационной прочности кованых лопаток из стали Тинидур путём тщательного контроля процесса изготовления лопаток, в первую очередь, самого процесса ковки. Позднее, в связи с несвариваемостью листа из стали Тинидур, был разработан процесс глубокой вытяжки, в котором заготовкой полой лопатки служил тонкий плоский диск. По трудоёмкости изготовления полые лопатки оказались более экономичными по сравнению с монолитными[8].

Чтобы уйти от состава с 30 процентами никеля фирма Крупп разработала жаропрочную свариваемую сталь Хромадур. Технология получения полой лопатки гибкой плоского листа стали Хромадур и последующей сварки заготовки по задней кромке оказалась предпочтительной в сравнении с глубокой вытяжкой. В итоге полые лопатки Хромадур показали более высокую надёжность в сравнении с выполненными из стали Тинидур, даже несмотря на меньшее сопротивление ползучести первой[8].

К 1943 году в связи с увеличивающимся дефицитом легирующих элементов, в рамках подготовки к производству серийной модификации двигателя Jumo-004В, фирмой Крупп были разработаны несколько жаропрочных сталей экономного легирования, в их числе стали Хромадур и Ванидур. В стали Хромадур, предназначенной для рабочих и сопловых лопаток, никель был заменен марганцем, который, как и никель расширяет область гамма-твердого раствора. Вызванное такой заменой снижение окалиностойкости сплава отчасти компенсировано содержанием кремния. Во второй стали, предназначенной для изготовления дисков ротора турбины, исходная марка — Крупп V2A-ED, вольфрам (1 %W) заменен на ванадий (1 %V). Сталь Синидур — с карбидным и интерметаллидным упрочнением. Состав указанных сталей приведен в таблице.

Химические составы германских аустенитных жаропрочных сталей-заменителей Тинидур на рабочие температуры 600—700 °C
Марка
стали 		%C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo %W %Ti %Al % др.
элементов
Cromadur 0,09-0,12 17,5-18,5 0,55-0,7 - 11,0-14,0 0,7-0,8 - - - V 0,60-0,70
0,18-0,23 N2
Vanidur 0,1 0,2-0,4 0,3-0,6 10,0-11,0 17,0-18,0 - - 0,5-0,7 - 1 %V
Sinidur 0,25 - - 24 19 2,0 1,0 2,2-3,0 1,0 -

Послевоенное применение Тинидур в США[править | править код]

В конце 1940-х годов в США под руководством Гюнтера Молинга Gunter Mohling[9] — заместителя директора по исследованиям фирмы Allegheny Ludlum Steel Corp. был создан улучшенный вариант стали Тинидур, получивший обозначение А286. Сталь А286 отличается от исходной Тинидур добавкой молибдена и уточненным содержанием некоторых элементов. Назначение молибдена (1,3 %) — повышение пластичности образцов с надрезом при повышенных температурах. Впервые применена в 1950 году для изготовления дисков турбины, впоследствии корпусов турбины, силовых деталей форсажной камеры, лопаток и дисков газовых турбин и компрессоров. При изготовлении дисков турбины заменена в середине 1960-х годов никельжелезным сплавом «Инкалой 901» (IN901). Выпуск различных полуфабрикатов стали А286 в США осуществляли сразу пять металлургических фирм: Allegheny Ludlum, Carpenter Technology, Republic Steel/ Special Metalls Division, Superior Tube, Universal Cyclopes, что свидетельствует о масштабах её применения в авиа-ракетной промышленности США.

Сплав Cromadur выпускался в США под обозначением AF-71. В частности Allegheny Ludlum AF-71 для деталей газотурбинных двигателей, ракет, элементов планера самолетов[10].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Bandel G., Gebhard K. Warmfeste Stähle für den Gasturbinen. Essen, 1943
  2. ↑ Franz Bollenrath The Further Development of Heat-Resistant Materials for Aircraft Engines. Nasa Technical Reports Server (Ntrs) - July 2013
  3. ↑ High-Temperature Alloys. Metallurgical Problems of Gas Turbine Components. FLIGHT, October 30th, 1947, p.500
  4. ↑ Griffiths W.T. Aircraft Production, 1947, v. 9, N 110, pp. 444—447
  5. ↑ Fleischmann M. Research Institute for Materials of the DVL. CIOS Report XXVII-28, Item 21
  6. ↑ Decker, R. F. Evolution of Wrought Age-Hardenable Superalloys, The Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, v. 58, № 9, 2006
  7. ↑ Schlaifer R. Development of Aircraft Engines. Boston, 1950
  8. ↑ 1 2 Meher-Homji, Cyrus B. (September 1997). "Anselm Franz and the Jumo 004". Mechanical Engineering. ASME. Дата обращения: 5 марта 2016. Архивировано из оригинала 7 августа 2011 года.
  9. ↑ Mohling G. et.al. Superalloys for High Temperature Service in Gas Turbins and Jet Engines. — Metal Progress, 1946, v. 50, N 1, pp. 97-122
  10. ↑ Woldman's Engineering Alloys. Materials data series. ASM International, 2000, Alloy Data p. 63 ISBN 9780871706911
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Тинидур&oldid=100511552