Тинидур

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).

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).

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.

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].

• Жаропрочные сплавы