Тінідур

Тінідур (нім. Tinidur — за початковими буквами нім. TItan + NIckel + DURable) — жароміцна сталь аустенітного класу, розроблена у 1936 році в Німеччині інженерами-металургами Г. Банделем (нім. G. Bandel) і К. Гебхардтом (нім. K. Gebhard) — співробітниками дослідницького відділення компанії «Friedrich Krupp AG» (м. Вульфрат).

Історія створення жароміцної сталі

В Німеччині систематичні дослідження жароміцності різних матеріалів були розпочаті у 1935–1936 роках Авіаційним центром (нім. «Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt» — Німецький науково-дослідний інститут авіації). Родоначальником досліджень у цій області, що проводилися стосовно до турбонагнітачів авіаційних двигунів, є Франц Болленрат (нім. Franz Bollenrath) — в 1940-і роки директор НДІ авіаційних матеріалів DVL.

Сталь тінідур у початковому варіанті мала позначення «Р-193». Зміцнення сталі за високих температур (опір повзучості) передбачалося забезпечити дисперсними виділеннями термічно стійких карбідів, для чого у склад стали вводили вуглець (0,5 %) і титан (2 %). Згодом було встановлено, що дисперсійне тверднення відбувається і за відсутності вуглецю — за рахунок дисперсних виділень інтерметалідної сполуки Ni₃Ti. Після цього вміст вуглецю зменшили до 0,1 %. Покращеним варіантом цієї сталі став тінідур. Через 4-5 років аналогічна ситуація повторилась у Великій Британії при розробці жароміцного нікелевого сплаву «німонік», опір повзучості якого також сподівались отримати за рахунок дисперсних виділень карбідів титану. В кінцевому підсумку виявилось, що високотемпературна міцність матеріалу зобов'язана дисперсним виділенням інтерметаліду Ni₃(Ti, Al).

Хімічні склади німецьких аустенітних жароміцних сталей тінідур

Марка сталі	%C	%Mn	%Si	%Ni	%Cr	%Mo	%Ti	%Al	% ін. елементів
P-193	0,5	0,6	0,6	30	30	-	2	-	Fe-основа
Тінідур	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

Призначення легувальних елементів в аустенітних сталях тінідур:

• Ni — зміцнює й стабілізує аустенітну структуру, утворює гамма-штрих фазу та перешкоджає утворенню небажаних фаз.
• Cr — забезпечує стійкість до газової корозії й зміцнює твердий розчин.
• Ti і Al — основні хімічні елементи, що забезпечують дисперсне тверднення сплаву.

Сталь піддавалась загартуванню з температури 1125 °C у воді й (старінню) при температурі 750 °C. При правильно підібраній термообробці відбувається виділення з аустенітної матриці дисперсних кристалів інтерметалідної фази Ni₃(Ti, Al).

Застосування у реактивному моторобудуванні

Турбореактивний двигун з лопатками турбіни з матеріалу тінідур

У 1937 році німецький конструктор (Ганс фон Огайн), обрав тінідур для виготовлення теплонапружених вузлів конструкції й розпочав розроблення першого повітряно-реактивного двигуна «HeS 3» (нім. HeS - Heinkel Strahltriebwerke) літака He 178.

До 1939 року конструктори Ансельм Франц (нім. Anselm Franz), Отто Мадер (нім. Otto Mader) і головний металург Гайнріх Аденштедт (нім. Heinrich Adenstedt) моторного відділу авіабудівної компанії «Junkers», (нім. «Junkers Motorenbau GmbH») в Магдебурзі, за результатами порівняльних випробувань наявних в Німеччині матеріалів, обрали жароміцну сталь тінідур, як найкращий матеріал для лопаток турбіни двигуна на робочі температури 600–700 °C.

До 1943 року зусиллями відділу матеріалів «Junkers Motorenbau GmbH» в Дессау було розв'язано проблему надійності та стабільності характеристик експлуатаційної міцності монолітних лопаток зі сталі тінідур двигуна «Jumo-004». З 1943 року у зв'язку зі зростанням дефіциту легувальних елементів компанією «Friedrich Krupp AG» було розроблено декілька варіантів жароміцних сталей економного легування, у цьому числі сталі хромадур (нім. Cromadur) та ванідур (нім. Vanidur). В сталі хромадур, що призначалась для виготовлення робочих і соплових лопаток, нікель замінено марганцем, котрий як і нікель розширює область гамма-твердого розчину. Викликане такою заміною зниження окалиностійкості сплаву частково компенсувалось вмістом кремнію. У сталі ванідур (за маркуванням компанії — «V2A-ED»), призначеній для виготовлення дисків ротора турбіни, вольфрам (1 % W) замінено на ванадій (1 % V). Сталь сінідур (нім. Sinidur) характеризувалась карбідним та інтерметалідним зміцненням. Склад згаданих сталей подано у таблиці.

Хімічні склади німецьких аустенітних жароміцних сталей-замінників сплаву тінідур на робочі температури 600…700 °C

Марка сталі	%C	%Mn	%Si	%Ni	%Cr	%Mo	%W	%Ti	%Al	% ін. елементів
Хромадур	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
Ванідур	0,1	0,2-0,4	0,3-0,6	10,0-11,0	17,0-18,0	-	-	0,5-0,7	-	1%V
Сінідур	0,25	-	-	24	19	2,0	1,0	2,2-3,0	1,0	-

Повоєнне застосування сталі тінідур у США

В кінці 1940-х років у США під керівництвом Гюнтера Молінґа (англ. Gunter Mohling) — заступника директора з досліджень компанії «Allegheny Ludlum Steel Corp» було створено покращений варіант сталі тінідур, що отримав маркування А286. Сталь А286 відрізняється від базової додаванням молібдену (1,3 %) й уточненим вмістом деяких елементів. Призначення молібдену — підвищення пластичності зразків з надрізом при підвищених температурах. Вперше застосована у 1950 році для виготовлення дисків турбіни, згодом, корпусів турбіни, силових деталей форсажної камери повітряно-реактивних двигунів, лопаток і дисків газових турбін та компресорів. При виготовленні дисків турбіни сталь замінено в середині 1960-х років нікель-залізним сплавом «Інкалой 901» (IN901). Випуск різних напівфабрикатів сталі А286 у США здійснювали відразу п'ять металургійних фірм: «Allegheny Ludlum», «Carpenter Technology», «Republic Steel/Special Metalls Division», «Superior Tube», «Universal Cyclopes», що свідчить про масштаби її застосування в авіа- та ракетній промисловості США.

Сплав хромадур випускався у США під маркою AF-71.

Див. також

• Жароміцні сплави

Примітки

1. Bandel G., Gebhard K. Warmfeste Stähle für den Gasturbinen. Essen, 1943
2. High-Temperature Alloys. Metallurgical Problems of Gas Turbine Components. FLIGHT, October 30th, 1947, p.500
3. Griffiths W.T. Aircraft Production, 1947, v. 9, N 110, pp. 444–447
4. Fleischmann M. Research Institute for Materials of the DVL. CIOS Report XXVII-28, Item 21
5. Decker, R. F. Evolution of Wrought Age-Hardenable Superalloys // The Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, v. 58, № 9, 2006.
6. Schlaifer R. Development of Aircraft Engines. — Boston, 1950.
7. 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

Посилання

• John Foster Jr. (англ.)
• Hirschel E. H., Prem H., Madelung G. Aeronautical Research in Germany. — Springer. — 252 p. — . (англ.)