| Предыдущая глава |
↓ Содержание ↓
↑ Свернуть ↑
| Следующая глава |
И вместе с тем нормальные (для меня) теории старательно игнорировались. Так, еще в середине тридцатых ряд ученых — венгр Эгон Орован, англичанин Джефри Тейлор (это не тот Тейлор что тиснул идею рядов у индийцев), еще один венгр Михай Полачек — не сговариваясь и возможно независимо друг от друга предлагали рассмотреть дислокации как один из главных виновников пластичности материалов, причем пластичности на гораздо меньших напряжениях чем предусматривалось существовавшей теорией. Но остальные ученые дружно забили на эти предложения, да и самим предлагавшим было не до того — Орован и Полачек были евреями, а учитывая антисемитизм, подкрепленный антибольшевизмом, им надо было вертеться и было не до проталкивания новых идей — Орован работал на заводе по производству осветительных ламп, Полачек так вообще по образованию был медик, потом химик — так что металлурги могли смело игнорировать его идеи, у Тейлора, хоть он и был англичанином, видимо тоже были свои дела кроме борьбы с ветряными мельницами — идея благополучно канула в лету. Да и вообще венгерских ученых эмигрировало только в США более двух десятков — там их называли Марсианами с легкой руки одного из них — Лео Сцилларда, который на вопрос 'Почему до сих пор не найдены инопланетяне' ответил 'Они уже среди нас, только их называют венграми' — у эмигрировавших венгерских ученых был очень сильный акцент.
Мне же, пусть и понаслышке знакомому с дислокациями и их ролью в деформируемости и текучести сплавов, это казалось диким, и вместе с тем это давало нам возможность вырваться вперед в материаловедении. Поэтому-то я и вваливал ресурсы в подобные исследования. Впрочем, как и в другие — например, в конце двадцатых появилась теория резонанса, которая по идее позволяла объяснить, а то и рассчитать структуру молекул на основе квантовой теории. Ее основным сторонником и чуть ли не основателем был Лайнус Полинг — мне он был известен по шизе насчет пользы от ударных доз витамина цэ, но я помнил и то, что нобелевку он также получил, а потому к его идеям в части химии стоит прислушаться. Помнил я и о развитии вычислительной химии, что бурно шло уже в мое время. Поэтому все эти теории, позволявшие рассчитать структуру молекул, мы тщательно собирали и начинали перекладывать на вычислительные алгоритмы и наш Си-подобный язык программирования. Да и теория молекулярных орбиталей, возникшая также на рубеже тридцатых, позволяла объяснять свойства молекул, а значит и конструировать новые, и все эти матрицы, собственные вектора, собственные значения, собственные функции, гамильтонианы — все это неплохо ложилось на ЭВМ, особенно на цифровые, особенно — на векторные вычислители. Будет интересно.
По жаростойким же сплавам мы пока продолжали действовать методом тыка, то есть эмпирическим путем. Причем создать нужный сплав — это половина дела. Из него ведь надо сформовать детали нужной формы, а форма у лопаток компрессоров и турбин была непростая — даже немецкие, пусть и прямые и с прямыми кромками — даже они были расширяющиеся либо сужающиеся, да еще с каким-то подобием аэродинамического профиля — как раз в сентябре 1943 мы сбили парочку Me-262 уже над нашей территорией, поэтому нам было над чем поржать. Наши-то конструктора с использованием цифровых ЭВМ уже такого насчитали, что технологи хватались за голову — там и закрутка, и переменный профиль, и разная ширина вдоль лопатки, а значит и толщина под нужный профиль, да для каждой ступени все это по разному — конструктора ходили гордыми, технологи — злыми и матерящимися. Такое только отливать, что для этого времени было непривычным — лопатки для паровых турбин делали штамповкой, резкой, давлением. А для меня литье лопаток было делом привычным — слышал про такое пару раз по телевизору да читал в статьях. Вот литые колеса для вагонов и паровозов, да еще из чугуна — это, в отличие от местных, меня удивляло, а литые лопатки — нет. Поэтому мы и запустили работы по исследованию их литья.
И некоторые успехи уже наблюдались. На осень 1943 года монокристаллические лопатки у нас пока не получались, хотя там и работали те же спецы, что занимались получением монокристаллов кремния. А вот лопатки с направленной кристаллизацией выходили уже неплохие, благо что направленную кристаллизацию мы уже использовали для изготовления деталей ДВС — колец, поршней, шатунов и прочего. Конечно, они проигрывали монокристаллам, так как в них были зерна и следовательно границы между ними, по которым внутрь проникали и вещества, и прежде всего в них возникали напряжения. Вместе с тем, кристаллы при направленной кристаллизации получались длинными, и если кристаллизация велась от комля лопатки, то получалось, что кристаллы так и шли вдоль нее, их ориентация оказывалась перпендикулярна нагрузкам, и тем самым границы кристаллов уберегались от излишних нагрузок — те были хотя и длинными, но основные напряжения действовали поперек границ, а не вдоль, как бывало в поликристаллической структуре с обычной — хаотической — кристаллизацией. Соответственно, приложенным силам было сложнее сдвинуть кристаллы — последние как бы напирали друг на друга всей своей площадью вместо того чтобы просто проскользнуть, проехавшись по границе разделения. А сами кристаллы — это гораздо более прочная структура чем материал, составленный из множества мелких кристаллов, даже неидеальный кристалл гораздо — в несколько раз — более прочная структура чем поликристаллическое тело, а, в свою очередь, идеальный кристалл без дефектов — то есть без тех самых дислокаций — на много порядков (не раз, а именно порядков) прочнее обычного кристалла. Было ради чего поработать.
И исследования только разрастались. Нужный температурный градиент создавался с помощью расплавленного олова, так как его же применяли для отливки плоского стекла и технология работы была известна. И, также как и со стеклом, несмотря на то, что олово было очень горячим, для расплавов никеля это был как холодный душ — разница температур могла составлять сотни градусов. Соответственно, погружая один конец формы с еще незастывшим металлом в расплав олова, и можно было проводить направленную кристаллизацию. Причем поначалу наши исследователи действовали осторожно, применяли сильно перегретые расплавы олова. Но по мере исследований начинало выясняться, что чем больше градиент температур, то есть чем холоднее расплав олова, тем лучше получается структура кристаллов. Так, при градиенте 20 градусов на сантиметр высота фронта кристаллизации была почти три сантиметра, и дендриты вырастали толстыми. А при градиенте в 200 градусов фронт кристаллизации был всего три миллиметра, дендриты росли тонкими, между их осями было уже не 400, а всего 100 микрометров, а потому промежутки между ними быстрее заполнялись еще незастывшим металлом, который к тому же из-за короткого фронта кристаллизации успевал протечь сверху вниз, и на поперечном срезе получалась структура из мелких крестиков, которые своими отростками, шедшими по всей высоте лопатки, как бы зацеплялись друг за друга, да и междендритных пор было гораздо меньше и они были гораздо мельче, вплоть до полного исчезновения. Скорость кристаллизации также повышалась с 4 до 30 миллиметров в минуту.
А исследователи уже прикидывали — нельзя ли использовать этот направленный рост чтобы задавать разную ориентацию кристаллов в разных частях детали, с учетом направления нагрузок — по аналогии с направленными слоями стеклонитей, что уже давно применяли наши самолетостроители — обмен информацией через бюллетени с индексацией свойств достигнутых и недостигнутых результатов — 'прочность', 'температура', 'устойчивость к' и так далее — и междисциплинарных конференций давал все более интересные результаты. Да, для управления ориентацией кристаллов потребуется вводить несколько охладителей с расплавленным оловом или другими локальными холодильниками — в зависимости от того сколько и откуда пучков кристаллов надо будет получить. Но идея выглядела перспективной — это как будто вылепить лопатку, точнее — сформировать ее внутреннюю структуру, только не из пластилина, а из расплава.
ГЛАВА 12.
К тому же отливка позволяла создавать мало того что любую форму как поверхности так и внутренних каналов охлаждения, так она еще позволяла избежать механической обработки, а то с этими чувствительными сплавами мы здорово намучались — мало того что их берет не всякий даже твердосплавный инструмент, так еще чуть больше сделаешь скорость или глубину резания — и привет — наклеп, то есть локальное упрочнение, которое уже не взять ничем кроме как отжиг-отпуск, ну может и взять, но тогда резцы проработают до затупления не десять минут, а минуту-другую, локальное разупрочнение ультразвуком или плазмой пока тоже не особо работало — отлаживались. Недостатки этих жаропрочных сплавов были продолжением их достоинств — способность противостоять нагрузкам при повышенной температуре позволяла им противостоять и обработке.
Так что, начав использовать литье, мы хотя бы частично избавлялись от одной головной боли — и так с выплавкой было много заморочек — если для исследовательских целей мы применяли небольшие вакуумные печи индукционного нагрева на 100-200 грамм — почти что настольные, то для производства требовались уже печи побольше — на несколько килограммов, а в перспективе — и на десятки килограммов. И если исследовательских летом 1943 у нас было уже две сотни, то 'производственных' — всего два десятка. И, насколько нам было известно, в части вакуумной плавки сплавов мы были впереди планеты всей — ладно англичане, так даже в ВИАМе — Всесоюзном Институте Авиационных Материалов — плавку еще вели в атмосферных тиглях. Соответственно, чистота и контролируемость процессов была сильно ниже, приходилось прилагать гораздо больше усилий чтобы избежать газового насыщения и выгорания присадок, а титан и алюминий особенно хорошо реагируют с кислородом, недаром в обычной металлургии их использовали для раскисления стали, то есть убирали из нее кислород. А для жаропрочных сплавов, где они сами были 'рабочим' металлом, наоборот — уже их требовалось защищать от кислорода шлаками, которые тоже не так то просто подобрать — они не должны пропускать под себя атмосферный кислород и вместе с тем не передавать в расплав слишком уж много своих составляющих. Мы же, разогнав наше производство вакуумных ионных аппаратов прежде всего для производства электронных ламп, остановиться уже не смогли, вот и пихали вакуум где только можно — вакуума у нас было дофига, несмотря на то, что это пустота.
Да и то — тщательность необходимых для выплавки процедур впечатляла — на одной плавке порой не раз делали подшихтовки, когда оказывалось, что из-за неравномерности состава исходных компонентов состав получающегося сплава отличается от требуемого и надо добавить каких-то элементов. Уж не знаю, как это получится выдерживать в серийном производстве, ведь в опытном на подобные шаги тратилось порядочно времени. А ведь количество легирующих и технологических компонентов будет только возрастать — например, добавка в шихту лантана резко снижала содержание серы в конечном металле — лантан соединялся с серой и никелем, всплывал в виде шлака, и если его поместить достаточную долю, чтобы он и собрал максимум серы, причем долю, рассчитанную для данного состава шихты, не больше и не меньше, и не пролегировал собой сплав, затем перед отливкой тщательно собрать шлак с поверхности тигеля, то стойкость деталей повышалась в 1,5-2,5 раза. Технология требовала космической тщательности и усидчивости.
Причем литейка у нас пошла как раз из-за желания повысить процент термо-упрочняющей фазы. Ведь за нее отвечают алюминий и титан, мы их и добавляли во все больших количествах. И если у англичан их было 1-2%, то мы смело сыпали и 4-6% каждого из металлов. Соответственно, доля хрома снизилась с 18-20% до 15, а то и 10%, доля никеля — с 70-75 до 60, стали добавлять кобальт 5-10% — вот литейность и повысилась. Больше десяти процентов на круг нам впихнуть пока не удавалось — титан препятствовал растворению алюминия, алюминий — титана, а хром — их обоих — требовались еще какие-то элементы, которые бы снизили пороги встраивания этих металлов в решетку, и мы их напряженно искали. И совсем без хрома обойтись не получалось — он защищал от коррозии, хотя в ее частном случае — окислении — он эффективно работал только на температурах до 700 градусов, а выше первенство в этом вопросе брал алюминий. По хрому были и другие соображения — он, похоже, как-то регулировал электронную плотность и встраивание легирующих элементов в решетку. В общем — смотреть не пересмотреть сколько там всего.
Например, если поместить много алюминия — начнет образовываться еще одна разновидность кристаллов — более жаростойкая, но менее прочная. Все потому, что при малом количестве алюминия образуются кристаллы формулы Ni3Al — наша любимая упрочняющая фаза, в которой на три атома прочного никеля приходится всего один атом алюминия, к тому же образующего жаростойкое покрытие, если кристалл у поверхности. А если алюминия много — его хватает на образование кристаллов с формулой NiAl — прочного никеля уже столько же сколько и непрочного алюминия — стойкость массива из таких кристаллов гораздо ниже — на температуре 800 градусов — в десять раз, а при комнатной — разница еще больше.
При напылениях-то мы как раз использовали богатые алюминием сплавы — напыленное покрытие лежит на поверхности детали и именно деталь воспринимает нагрузки, тогда как покрытию достаточно их передать на деталь, ему не надо их удерживать самостоятельно. Поэтому более высокая жаростойкость этой фазы оказывается выгоднее — ее температура плавления была 1600 градусов по цельсию, тогда как у более прочной — 1350. А если сама деталь состоит из такого сплава, то его состав надо сдвигать в сторону прочности, ну а жаростойкость можно добавить напылением. Причем это напыление — самовосстанавливающееся — когда от него откалываются частички и обнажается поверхность самой детали, менее тугоплавкий алюминий начинает плавиться быстрее чем никель, к поверхности из глубины подходит больше алюминия и меньше никеля, и вскоре они опять образуют на поверхности жаростойкую фазу, которая и начинает снова защищать ставший на время беззащитным участок. Да и микротвердость жаростойкой фазы была выше — она начиналась от 5600 МПа, что было верхней границей микротвердости прочной фазы.
Вместе с тем, для напылений мы ранее — еще до начала работ по турбинам — уже исследовали и прочную фазу, так как она имела в два раза меньший коэффициент температурного расширения и потому была менее склонна к отслаиванию и отколам, да и добавки хрома тоже исследовались — хотя хром и уменьшал еще больше прочность жаростойкой стали, зато он помогал защищать ее от высокотемпературной коррозии — без хрома такие покрытия были в 3-4 раза менее устойчивы к сере, которая присутствовала в топливе.
Многообразие всех этих взаимосвязей было зашкаливающим, и даже не знаю как бы мы справились без стандартизации исследований, когда каждый новый сплав мало того что проверялся по воздействию не только усилий-температур, но и по коррозионной стойкости по двум десяткам веществ и элементов, а выявившиеся недостатки требовали от исследователей согласно инструкциям не отложить материал в сторону, а проверить его в тех же условиях, но с добавлением или изменением соотношения легирующих элементов. Причем их набор постоянно рос — если в начале сорок второго их было немного — хром, алюминий, никель, цинк, медь, олово, кремний — все что было под рукой в достаточных для исследователей количествах, то есть килограммы или десятки килограмм, тогда как на каждый опыт требовалось по несколько грамм для получения микроотливок, то сейчас перечень таких легирующих элементов разросся до двадцати — и за счет поставок с востока, и за счет промышленных рассолов, из которых с глубин в полтора-два километра мы доставали половину таблицы Менделеева. Так что исследования таких сплавов шли уже с начала сорок второго, и этот задел серьезно продвинул наши исследования, когда никелевые сплавы оказались очень подходящими для лопаток турбин.
| Предыдущая глава |
↓ Содержание ↓
↑ Свернуть ↑
| Следующая глава |
