Почему лопатки авиационных турбин изготавливают из никелевых сплавов?

Не все лопатки турбин сделаны из никелевого сплава, некоторые лопатки сделаны из такого семейства сплавов, но явно не все. Некоторые лезвия на самом деле сделаны из керамических материалов .

Турбина всегда расположена за камерой сгорания, и температура, которую способна выдержать первая ступень лопаток турбины, является доказательством высокотехнологичности двигателя. Эти лезвия подвергаются воздействию температуры до 2000ºC; температура плавления стали составляет около 1100ºC, а никель может нагреваться до 1700ºC . Керамика может пойти еще дальше. Обратите внимание, что существует также значительная разница между температурой внешнего потока и температурой поверхности.

Использование материала с высокой температурой плавления является одним из способов решения проблемы. Существуют также способы снижения эффективной температуры на поверхности металла, такие как использование пленочного охлаждения .

На рисунке, который я привел выше, вы можете видеть отверстия в лезвии, где «охлаждающий воздух» (возможно, при температуре 400ºC) выходит из лезвия, создавая фактически пленку, которая окружает лезвие, защищая (охлаждая) его от внешней температуры.

Однако металл, подвергающийся воздействию высокой температуры (ниже точки плавления), ведет себя не так, как при нормальной температуре. Есть некоторые явления, влияющие на материалы, такие как ползучесть . При длительном воздействии на материал высоких температур, близких к температуре плавления, и одновременно высоких напряжений (это важно) он начинает испытывать деформации, которые приводят к разрушению металла.

Таким образом, никелевые сплавы, помимо более высокой температуры плавления, также обладают одним из лучших свойств в условиях ползучести.

Последние ступени роторов турбин и более простые статоры (менее требовательные к нагрузкам) менее подвержены ползучести и не должны изготавливаться из сплава на основе никеля.

Просто добавим также, что для уменьшения ползучести используется еще один подход (в сочетании с предыдущим) - затвердевание металла, обеспечивающее наличие монокристаллического металла (вместо поликристаллического металла). Это высочайшее искусство материаловедения (с моей точки зрения).

Основное их преимущество – более высокая прочность при повышенных температурах. Под повышенными я имею в виду температуры до 1200°C, которые вы найдете в современных высокопроизводительных турбинах с пленочным охлаждением , где температура газа даже на несколько сотен градусов выше. Сталь расплавится, а другие материалы, такие как титан , быстро окислятся, и только никелевые сплавы или керамика подходят для этой цели. Будучи все еще слишком хрупкой для повседневного использования, керамика не смогла покинуть лабораторию, поэтому пока у нас есть только никелевые сплавы.

Неисправности преодолеваются путем остановки двигателя и планирования его ремонта. Когда лопатка турбины выходит из строя, в двигателе возникает дисбаланс, который может вызвать вторичное повреждение из-за вибрации. Некоторое время можно допустить потерю одной лопасти, особенно при снижении мощности, но ее следует устранять как можно скорее.