| Предыдущая глава |
↓ Содержание ↓
↑ Свернуть ↑
| Следующая глава |
ГЛАВА 11.
Впрочем, у немцев хватало и своих конструкций — собственно, сплав тинидур и был разработан для применения в их турбореактивных двигателях — в 1939 они разработали уже Heinkel HeS 3 длиной полтора метра и диаметром почти метр, причем довольно угребищной конструкции — несмотря на такую большую длину, там был всего двухступенчатый компрессор, который сжимал воздух всего в 2,8 раза. Сжигать топливо каким-нибудь простым способом немцам тоже было в падлу — нет, они прогоняли сжатый воздух почти до турбины, разворачивали его в обратную сторону, запускали в камеру сгорания, откуда уже продукты сгорания шли на радиальную, а не аксиальную, турбину, то есть тоже не по простому, а в радиальном направлении, то есть 'к стенке'. А все потому, что камера сгорания была в единственном числе, а турбина и компрессор должны были быть соединены валом, и чтобы не выносить камеру сгорания вообще вбок от двигателя, ее и пришлось сдвигать над осью — то есть вокруг оси вполне могли быть расположены еще две камеры, но немцы в Хейнкеле почему-то решили обойтись одной — соответственно, и диаметр двигателя был завышен, и достаточная мощность не получена, и стабильность горения была не на высоте. Еще удивительно, как при таких кульбитах диаметр немецкого двигателя был меньше метра. Еще удивительнее, что это угребище развивало приличную тягу в 490 килограммов при собственном весе 360 и расходовали меньше килограмма топлива в секунду — то есть по данным параметрам наш первый движок серьезно не дотягивал до немецкого.
Следующая версия, вышедшая на хоть какую-то доводку — Heinkel HeS 8 — была каким-то сборищем из радиального и осевого компрессоров и давала всего 500 килограммов тяги, после чего программу Хейнкеля прикрыли — на арену все увереннее выходила Юнкерс со своим Jumo 004. Там и осевой компрессор аж в восемь ступеней, хотя они и давали степень сжатия всего 4, зато многоступенчатость отлично нивелировала неоднородности воздуха, от чего так страдали одно-двухступенчатые компрессоры Хенкеля, там и 6 камер сгорания, что обеспечивало устойчивость горения — от чего страдали однокамерные двигатели Хейнкеля и Ендрасика — у последнего камера сгорания вообще была вынесена вбок от двигателя, увеличивая его поперечные размеры, да и воздух шел по сложной траектории, а в дополнение ко всем этим бедам там была всего одна форсунка — в итоге венгры так и не смогли получить стабильного горения на максимальных параметрах, и лишь на трети от планировавшейся мощности их двигатель хоть как-то работал. Вдобавок и сам Ендрасик, желая уменьшить температуру, усложнил тепловой цикл, переведя часть его на работу при повышенном давлении, тогда как 'стандарт' предполагал работу при постоянном давлении — и все эти подтормаживания-ускорения потоков не добавляли стабильности в работе двигателя, а наоборот. Так что в странах Оси победителем становились, похоже, Юнкерсы. Но их движок был длиной под четыре метра при диаметре 80 сантиметров, при этом тяга — всего 800 килограммов, так как малоэффективный компрессор — с прямыми и неповоротными лопатками — не мог закачать много воздуха. Хотя расход топлива вполне умеренный — 300 грамм в секунду на крейсерской тяге. В общем, нам было к чему стремиться.
Так что, ознакомившись со всеми этими конструкциями, я наполнился уверенностью что у нас все получится. Ведь даже напыление простейшего никель-алюминиевого или никель-хромового покрытия снижало температуру в защищаемых деталях на 40-50%, то есть на том же немецком тинидуре мы могли смело поднимать температуру до 800-900 градусов даже безо всяких схем охлаждения, соответственно, могли повышать степень сжатия воздуха компрессором — при таких температурах один и тот же объем газа совершал больше работы, так что ее хватало не только для движения или привода электрогенератора, но и для закачки большего количества воздуха, что еще больше увеличит эффективность наших двигателей, тогда как немцев тормозила в том числе и эта ограниченность по температурам, даже несмотря на то, что по предварительным данным они летом 1943 года переходили на полые лопатки, то ли вытягивая то ли сгибая их из тонких листов и таким образом получая один большой внутренний канал охлаждения. Хотя и с этим у них вроде были проблемы — такие лопатки уже не обладали достаточно механической прочностью и обрывались.
Так что одно только напыление должно было дать нам существенное преимущество. Но и по материалам у нас был существенный прорыв. Ведь я знал, что в мое время уже были и гораздо более жаростойкие сплавы — их надо только открыть. И подсказка была — никель. Тинидур — сплав никеля с железом и хромом, и нихром — тоже сплав никеля с хромом, уже без железа, и оба уже известны. В тинидуре — 30% никеля и 15% хрома, в нихроме — 80% никеля и 20% хрома. То есть направления примерно понятны — надо подбирать соотношения между никелем и хромом ну и вдовесок к ним сыпать других элементов.
Их мы и сыпали, и начали с известных нам никель-хрома и никель-алюминия, которые применяли в напылении жаростойких покрытий. Точнее — присутствие хрома и так предполагалось, но судя по нихрому его одного было мало — нихром не обладал достаточной стойкостью к нагрузкам при высоких температурах, и судя по тинидуру железо нам не поможет, так что мы добавляли алюминий, так как только он, да хром, могли создавать защитные оксидные пленки и предохранять деталь от окисления. И сработало.
Как мы потом выяснили, атомы никеля выстраиваются в кубическую решетку, а в сплавах никель-алюминий решетка тоже кубическая, но в ее углах — атомы алюминия, а атомы никеля остаются только в центрах граней. Размер таких решеток лишь чуть меньше кристаллов чистого никеля — на 0,5%. Но это очень важное различие — из-за того, что оно такое небольшое, нарушения решетки кристаллов очень небольшое — 'правильные' кристаллы практически не замечают чужаков, а потому они все так же выстраиваются в плотные ряды. И вместе с тем, это небольшое различие создает неровности в слоях, при повышении температуры они может и хотели бы сдвинуться, но зацепляются своими неровностями друг за друга и стоят на месте. А титан — наоборот, делает решетку чуть большего размера. И, вводя разные доли алюминия и титана, можно создавать разные сочетания нормальных, уменьшенных и увеличенных шагов решеток — поверхности слоев становятся шершавыми, но вместе с тем они стараются выстроить атомы так, чтобы заполнить впадины выступами и тем самым снизить локальную энергию. Причем при повышении температуры вплоть до тысячи градусов эта способность только возрастает, так как все больше атомов алюминия или титана встраиваются в решетку никеля и формируют упрочняющую фазу. То есть в отличие от обычных сплавов, в том числе сталей — сплавы на основе никеля с повышением температуры становятся только прочнее до некоторого момента. В этом секрет жароустойчивости сплавов никеля.
Ну, так думали наши специалисты и пока других версий не было, а исследования подтверждали эту теорию. К тому же мы перевели на это направление к началу сорок третьего уже двадцать электронных микроскопов, благо что уже в середине тридцатых они начали выпускаться на западе и уже тогда их разрешающая способность достигала 50 нанометров, давая увеличение в 8000 раз, к концу тридцатых разрешение составило уже 10 нанометров. Да и в ленинградском ГОИ — Государственном оптическом институте — в 1940 году построили микроскоп разрешением 10 тысяч раз, а в 1942 закончили постройку микроскопа с разрешением в 25 тысяч раз (в РИ построили в 1943 — во время Блокады). У нас же были полупромышленная линейка с увеличением в 20 тысяч раз и несколько экспериментальных образцов с увеличением до 100 тысяч раз, а применение электронных умножителей без преобразования через люминесценцию, затем через фотоэффект и обратно в люминофор, как это делали на микроскопах западных фирм — дало для отраженных и выбитых электронов высокое отношение сигнал-шум при достаточно низких напряжениях. При таком увеличении шаг решетки никеля в 0,35 нанометра был еще недоступен для обнаружения, но кристаллы с их размерами от полмикрона были видны хорошо, а их рентгеноструктурный анализ дополнял нужными данными.
Именно так мы открыли еще одну особенность данных сплавов — субрешетки с измененными размерами охотнее выстраивались и крепче держались друг за друга в плоскости, перпендикулярной решеткам нормальных размеров — получалась как бы сетчатая структура, в которой слои взаимно удерживали друг друга от ползучести в разных направлениях. Причем чем больше оказывалось таких измененных решеток, тем устойчивее становился сплав. Так, тот же немецкий тинидур имел предел ползучести в 430 МПа при 600 градусах в течение 300 часов — то есть если на образец воздействовать силой в 430 МПа — грубо говоря, давить на каждый квадратный сантиметр с силой в 4300 атмосфер, или 4,3 тонны — более полукубометра стали, при температуре 600 градусов, то за 300 часов размеры образца необратимо деформируются на 1%. Так вот — наши сплавы, даже имея всего 20% таких измененных кристаллов, при тех же 600 градусах держали 7,5 тонны, а 'тинидуровские' 4,3 тонны наши сплавы держали уже при 800, да и при 900 градусах — 3 тонны, при тысяче — одну тонну. Значительный шаг вперед.
Впрочем, в августе 1943 мы узнали, что англичане еще в 1942 году разработали сплав Нимоник-80 как раз на основе нихрома, но ввели туда 2,5% титана и 1,2% алюминия, получив 30% упрочняющей фазы — англичане во внутренних документах заявляли, что их сплав получит остаточную деформацию всего в 0,1%, если на образец будут воздействовать в течение 1000 часов при 800 градусах силой в десять тонн. Но мы-то осенью 1943 года подходили уже к сплавам с 50-60% упрочняющей фазы и заглядывались на 80-90% — оставалось только придумать как впихнуть туда 8-10% алюминия. Англичане, похоже, еще не знали обо всех этих фазах и действовали по наитию — нихром использовался для паровых и газовых турбин с самого его открытия в 1905 году, где-то с 1929 года в него стали добавлять алюминий и титан — не знаю почему именно их, но и делали это в совсем малых количествах, и англичане похоже продолжили эту тенденцию, хотя было бы интересно узнать — на основе каких соображений они решили продолжить именно ее.
Мы-то пришли к ним просто — сплав никеля с алюминием мы и так использовали для напыления жаростойких покрытий, так как никель обеспечивал жаростойкость и в обычных сталях, оксид алюминия также был жаростойким веществом, а титан мы добавляли в бронесталь в качестве модификатора, где он измельчал кристаллы и делал сталь более вязкой и вместе с тем прочной, поэтому мы и рассчитывали что его добавка прибавит жаростойким сплавам вязкости. И так как стандартной практикой у нас было проведение широких исследований по новым материалам, то мы провели эксперименты с разным количеством алюминия и титана, выявили интересный эффект повышенной жаростойкости и стали пристально изучать эту тему. Так что, исходя пусть и из неправильных предпосылок, мы и нащупали интересные результаты.
Позднее мы открыли еще одну фазу — добавки ниобия или тантала создавали кристаллы не кубические, а в виде параллелепипеда, в которых атомы этих элементов становились по углам и в самом центре, а атомы никеля — по центрам длинных ребер, по паре — на каждой длинной грани и по центру верхней и нижней коротких. Такие сплавы держали меньшую температуру, но зато более высокие усилия чем сплавы с титаном или алюминием, а потому были более пригодны для дисков и других деталях, нагруженных больше механически чем температурно.
Конечно же, в планах было исследование сплавов и с другими добавками, но на первое время мы сосредоточили усилия на тех что уже были получены сейчас, тем более что их дальнейшая температурная обработка позволяла варьировать свойства. Тут мы действовали по аналогии с дюралюминием, который при искусственном состаривании приобретает дополнительную твердость. И не прогадали — так, выдерживание никелевых сплавов при высокой температуре в течение нескольких часов, высаживало более крупные кристаллы с измененными решетками, а последующее повторное выдерживание в течении многих часов, но при более низкой температуре — давало более мелкие кристаллы — неоднородность слоев повышалась без нарушения плотной структуры, что делало внутренние структуры более 'шершавыми' и еще больше затрудняло их движение относительно друг друга при повышении температуры — жаростойкость повышалась, причем порой существенно — на некоторых образцах сплавов — в два-три раза. Да и содержание никеля в диапазоне 55-50% давало какой-то странный горб в жаростойкости — она повышалась в два раза в таком узком диапазоне. Но надо было подбирать элементы, которыми можно было бы донабрать остальной состав — железо не подходило, оставались все те же алюминий, титан и хром, а также кобальт, ниобий, марганец и еще туча других элементов, которые все надо было перепробовать. К тому же и в уже существующих сплавах разные температурные режимы позволяли контролировать встраивание других легирующих элементов в кристаллическую решетку упрочняющей фазы, и с этим также предстояло долго и кропотливо разбираться.
Впрочем, работа детали при высокой температуре также отражалась на ее внутренней структуре — решетки, а следовательно и участки детали перерождались — участки с нормальными решетками становились участками с увеличенными или уменьшенными решетками и наоборот — топология кристаллов меняла знак. И с этим также предстояло разбираться, так что полусерийную технику мы пока эксплуатировали в более щадящем режиме, не выгоняя ее характеристики на полную мощность без сильной необходимости, а уж экспериментальные аппараты гоняли в хвост и гриву. И — смотрели, смотрели, смотрели — все-таки срезать, отшлифовать, протравить, сфотографировать, померять-посчитать зерна, их размеры и форму, просветить рентгеном, посмотреть под электронным микроскопом — большая работа, а если она повторяется для одного и того же сплава несколько десятков и даже сотен раз — после их обработки при разных температурах, нагрузках и сроках выдержки, а если таких сплавов тоже сотни вариантов ... Некоторые сотрудники, задолбавшись так работать даже со средствами автоматизации в виде работающих под программным управлением загрузчиков, печей, шлифстанков, промывочных и протравочных аппаратов — всего вот этого, даже собирались начать приступать к подготовке составления плана разработки матмоделей для поиска новых сплавов — на основе рассчитанной энергии межатомных связей, энергий поверхностей кристаллов, сформированных атомами разных веществ, энтальпией их формирования, плотностей валентных электронов. Ладно, слова вроде умные, так что заявки на работы я принял, финансирование и обеспечение вычислительными ресурсами, оборудованием и материалами для экспериментов открыл, ставки, продпайки, проездные документы и жилплощадь выделил — как для использования сразу под уже подобранных сотрудников, так и зафондированные под новых сотрудников кого найдут. Может, что-то у этих стартаперов и получится.
Ведь что меня больше всего удивляло, так это пренебрежение дислокациями — нарушениями кристаллов. Еще в 1905 году итальянец Вито Витторио начал развивать теорию дислокаций как самого важного фактора в понимании пластичности материалов. Но появившаяся в начале двадцатых наука реология казалась всем более подходящей теорией для объяснения пластичности и ползучести материалов — она рассматривала металлы как очень вязкие жидкости и напрочь игнорировала их кристаллическую структуру и дефекты. Поэтому ползучесть металлов пытались объяснить и измерить разными способами, но еще и в тридцатых экспериментальные данные разных исследователей отличались, и порой существенно. Хотя эксперименты проводились серьезные — так, в 1942 году Робинсон завершил эксперимент по измерению ползучести хромоникельмолибденовой стали, который длился 100 тысяч часов — 12 лет, с 27 марта 1931 до 8 октября 1942 — и все это время образец был под растягивающим усилием. И снова — эксперименты не бились с теорией. Потому и разваливались американские корабли 'Либерти' — более двух десятков вообще треснули пополам (в РИ — 19), много просто шло трещинами — американцы пытались отладить свою кораблестроительную программу и все не получалось, привлекли даже англичан, но как это у них получится без нормальной теории — было непонятно.
| Предыдущая глава |
↓ Содержание ↓
↑ Свернуть ↑
| Следующая глава |
