Индекс цитирования Яндекс.Метрика

Люди практической науки

03.04.2017

Главное для разработчика – внедрение результатов его труда

Интервью с ведущим инженером лаборатории «Жаропрочные сплавы на никелевой основе» ВИАМ Иваном Мазаловым.

Интервью с ведущим инженером лаборатории «Жаропрочные сплавы на никелевой основе» Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) Иваном Сергеевичем Мазаловым.

Недавно И.С. Мазалов в числе молодых ученых ВИАМ стал лауреатом премии Правительства Москвы в номинации «Авиационная и космическая техника» за разработку технологий производства сварных узлов из новых жаропрочных деформируемых никелевых сплавов для вертолетного двигателя ВК-2500М.

Мой интерес в профессии – практика

В детстве я увлекался историей древних цивилизаций, но в старших классах погрузился в мир авиации. Сначала было стендовое моделирование. Потом серьезно заинтересовался машинами боевой авиации: историей их возникновения, применения, конструкцией. К окончанию школы вместо запланированного Историко-архивного института я собрался в авиационный вуз – МАИ. Поступил в московскую школу № 155 с углубленным изучением материаловедения, авиационных технологий, физики. Физику и специальные предметы вели преподаватели Московского авиационно-технологического института им. К.Э. Циолковского. А поскольку школа и вуз напрямую сотрудничали, то я по результатам выпускного экзамена стал студентом МАТИ, о чем ни разу не пожалел, ведь материаловедение – глубокое и разностороннее направление науки.

В 2007 году на пятом курсе меня направили на дипломную практику в ВИАМ, где группу студентов из МАТИ распределяли в лаборатории алюминий-магниевых, титановых и жаропрочных никелевых сплавов. Считаю, что мне повезло, когда досталось распределение на практику в лабораторию жаропрочных деформируемых никелевых сплавов под руководством Сергея Вячеславовича Овсепяна. Изучив литературу по новому направлению, я быстро влился в работу сектора свариваемых никелевых сплавов, где моим руководителем стал начальник сектора, ведущий научный сотрудник Владимир Борисович Латышев. К моменту защиты дипломной работы я уже участвовал в выполнении научно-исследовательских работ по государственным контрактам и хоздоговорам и чувствовал себя частью ВИАМ. Вскоре меня приняли на работу в должности инженера, чему я был очень рад: окунуться в профессиональную деятельность, да еще и связанную с практикой производства, далеко не у каждого выпускника вуза получается.

Во многом задачами нашей лаборатории, коллектив которой разработал большое количество жаропрочных материалов для газотурбинных двигателей, стало их внедрение в промышленное производство, а также научно-техническое сопровождение моторостроительных предприятий. Несмотря на трудный период после развала СССР: отсутствие государственных заказов, финансирования, ВИАМ сохранил мощный научный потенциал. В этот нелегкий период инженеры и научные сотрудники института трудились во многом на энтузиазме, но сохранили верность своему делу, накапливали знания, проводили эксперименты, часто выполняя самую тяжелую работу своими руками. К счастью, благодаря Генеральному директору ВИАМ, академику РАН Евгению Николаевичу Каблову произошел настоящий перелом в судьбе института – от первых небольших государственных заказов для авиационной промышленности к масштабной практической и научно-исследовательской деятельности по разработке и внедрению авиационных материалов, а также их производству на собственных мощностях. Кстати, обширное взаимодействие с лучшими техническими вузами, обеспечившее обучение и приток молодых специалистов на работу в ВИАМ, – признанная заслуга нашего директора!

От работ, выполненных во времена СССР, нам остался большой объем наработок – теоретических и даже экспериментальных, вплоть до проектов паспортов на материалы, так и не воплощенные «в железе». Все это должно было вылиться в реальные полуфабрикаты, заготовки деталей, которые уже могли бы быть применены и опробованы в опытном производстве на моторостроительных предприятиях. А так как наши сплавы требуют особого к себе отношения, особой чистоты выплавки, как правило, узкого температурного интервала при обработке давлением, требуется контроль процессов производства на всех стадиях и, если что-то не получается, анализ причин, корректировка технологии, постоянное взаимодействие с технологами металлургического предприятия. Фактически, работа с заводами стала одним из основных направлений моей деятельности. Освоение этого непростого предмета было бы невозможно без поддержки и непосредственного участия моего научного руководителя, главного научного сотрудника ВИАМ, профессора Бориса Самуиловича Ломберга, который поставил меня на ноги с точки зрения практического металловедения, да и в целом – при организации моей работы, моего отношения к делу.

Технологии определяют перспективы материала в изделии

Ключевой аспект нашей деятельности – внедрение новых разработок. Очень скоро меня направили «путешествовать» по металлургическим заводам, где производились жаропрочные никелевые сплавы: на подмосковную «Электросталь», Ступинский металлургический комбинат, Кулебакский металлургический завод (теперь – «Русполимет»).

Жаропрочные деформируемые материалы представлены довольно обширным спектром полуфабрикатов и заготовок деталей. Это труднодеформируемые сплавы для дисков ГТД, свариваемые высокопрочные и жаростойкие материалы, которые относительно легко поддаются деформации. Свариваемые сплавы, что логично следует из их названия, соединяются аргоно-дуговой и другими методами сварки и широко применяются для корпусов, оболочек, опор двигателя, а также для жаровых труб, деталей форсажной камеры и реактивного сопла, где повышенная температура уже не позволяет применять сталь или титан.

Моя специализация – именно свариваемые никелевые материалы. В отличие от дисковых, спектр изделий и полуфабрикатов из них чрезвычайно широк – это листовой прокат, поковки, прутки, цельнокатаные и профилированные сварные кольца. Каждый вид – это отдельная технология, отдельная цепочка производства, везде свои нюансы. Технология задает структуру и, как следствие, свойства материала. Это необходимо учитывать еще на стадии разработки сплава. Мне повезло, что я сразу начал заниматься практической деятельностью – относительно быстро получил представление о реальном производстве. Мы должны удовлетворять все возрастающие требования разработчиков двигателей к характеристикам наших материалов, сохраняя их способность к свариваемости, деформируемости, возможности изготавливать из них полуфабрикаты, заготовки деталей любой формы. С этих позиций при научных разработках и моделировании новых сплавов мы прогнозируем будущий результат.

Аддитивные технологии, например, позволяют реализовать известные материалы с совершенно новыми свойствами. Те свариваемые сплавы, которые моторостроители использовали в виде отливок, в последние два-три года получены нами в виде деталей, синтезированных из порошка. Заданная полностью готовая геометрия, требующая лишь небольшой обработки для достижения низкой шероховатости поверхности, форма любой сложности, такая как, например, в детали типа «завихритель» – вот лишь один из примеров успешного освоения серийных свариваемых сплавов ЭП648 и пришедшего ему на смену ВЖ159 в аддитивном производстве ВИАМ.

Из-за особенности процесса селективного лазерного синтеза плавление происходит маленькими порциями металла (лазер воздействует на область и плавит объем порошка на площади 100–150 микрон), а кристаллизация – со сверхвысокими скоростями. За счет этого получается структура, обеспечивающая прочность, в сущности, литого материала, сопоставимую с деформированным, рекристаллизованным состоянием. Для отдельных синтезированных материалов даже наблюдается превосходство по прочности перед деформированными полуфабрикатами.

Закономерности формирования структуры при синтезе лазером или электронным лучом из порошка – это интересная и перспективная область знаний для ученых-металловедов. Если научиться управлять структурой в процессе синтеза деталей, как это было сделано для отливок рабочих лопаток турбин, когда при осуществлении кристаллизации была создана направленная структура, а потом и монокристалл заданной кристаллографической ориентации, можно значительно повысить свойства, казалось бы, уже известных сплавов. Применяя ту или иную технологию, мы задаем структуру, фазовое состояние, во многом, физические свойства, которые в совокупности определяют комплекс служебных характеристик материала.

Сплав, технология и конструкция объединились в борьбе за вес

Премия Правительства Москвы – это признание практической значимости применения в реальном секторе экономики разработок нашего института в области свариваемых сплавов и технологий их получения. Первого марта в торжественной обстановке коллектив ВИАМ – ваш покорный слуга, Максим Ахмедзянов и Александр Скугорев, получили премию в номинации «Авиационная и космическая техника» за разработку технологий производства сварных узлов из новых жаропрочных свариваемых сплавов и их внедрение для модернизированного двигателя вертолета ВК-2500М. Впервые за долгое время внедрены новые никелевые жаропрочные свариваемые сплавы – ВЖ171 и ВЖ172. Отработаны технологии их серийного производства для сварных узлов свободной турбины и жаровой трубы камеры сгорания двигателей вертолета.

До недавнего времени вся основная линейка двигателей для вертолетов ТВ3-117 и ВК-2500 производилась на Украине. Несколько лет назад Правительством РФ было принято решение обеспечить производство этих вертолетных двигателей в России. Потребность в новых машинах, таких как Ми-35, Ми-28, Ка-52 для военной авиации, и вертолетах Ми-17, Ми-38 для гражданского авиапарка, а также необходимость замены двигателей на эксплуатируемых не один десяток лет вертолетах Ми-8 определила необходимость большого объема выпуска газотурбинных двигателей для вертолетов. Конечно, экономически и стратегически целесообразно, чтобы эти двигатели производились у нас. И задача ставилась не просто перенести производство, а подготовить и наладить изготовление модернизированного двигателя с повышенными характеристиками и надежностью.

Начиная с 2012 года по контрактам с Министерством промышленности и торговли Российской Федерации ВИАМ в течение трех лет выполнил работы по внедрению новых материалов и технологий для модернизированного двигателя ВК-2500М, а также перспективного двигателя вертолета. Более 15 материалов и сопутствующих им технологий были разработаны и реализованы в деталях и узлах. Большая часть из них прошла стендовые испытания в условиях моторостроительного завода АО «Климов», являющегося разработчиком большинства вертолетных двигателей и ведущей организацией в кооперации по производству отечественных вертолетных двигателей ВК2500. Эту работу мы вели в тесном сотрудничестве с петербургскими моторостроителями.

Я был ответственным исполнителем по двум разделам этого контракта – то есть отвечал за выполнение работы и результаты на всех этапах проведения. Научным руководителем по материалу и технологии создания сварного ротора из сплава ВЖ172 являлся Борис Самуилович Ломберг. Работами по сплаву ВЖ171 как новому материалу жаровой трубы двигателя вертолета руководил Сергей Вячеславович Овсепян. Все работы мы выполняем совместно с лабораторией обработки металлов давлением, так как имеем дело с деформированными полуфабрикатами, и с лабораторией сварки – потому что свариваемые материалы должны соединяться в узлы посредством сварки. Таким большим коллективом мы выполнили эти две масштабные задачи.

Первый раздел госконтракта касался необходимости создания неразъемной, сварной конструкции ротора – вращающейся части двигателя. Для ротора свободной турбины вертолетного ГТД, который работает в условиях не самой высокой температуры, мы предложили высокопрочный свариваемый сплав ВЖ172. Он превосходит серийно применяемые дисковые сплавы ЭИ437Б, ЭИ698 по прочности, а при своей способности к свариваемости позволяет значительно облегчить конструкцию за счет отказа от болтового соединения дисков разных ступеней ротора. Если говорить о зарубежных аналогах, то конструкция сварного ротора компрессора получила распространение еще в конце прошлого века. В турбореактивных двигателях самолетов гражданской авиации компрессор имеет рабочую температуру до 650°С. Там широко применяется сплав Inconel 718, далеко не новый материал, разработанный еще в 1960-х годах. Однако технология его производства доведена до такого уровня, что прирост характеристик прочности составил около 10–15% за счет контролируемой мелкозернистой структуры заготовок, и спустя 50 лет это самый распространенный никелевый сплав за рубежом. Он применяется и в многоступенчатом сварном компрессоре двигателей фирмы General Electric. Мы к этой технологии только пришли, так как до сих пор не было материала, сочетающего прочность и жаропрочность со способностью к сварке. Вместе с тем, отмеченные премией материалы превосходят зарубежные аналоги.

Конечно, свариваемый сплав ВЖ172 обладает заведомо менее высокими свойствами, чем новые дисковые материалы. Но благодаря специфике его применения в сварной конструкции ротора, есть возможность уйти от соединения болтами. Мы убираем болты, создаем жесткое сварное соединение, за счет этого экономим вес, отчасти снижаем нагруженность конструкции, избавляемся от опасного концентратора напряжений, коим является крепежное соединение. Снижение веса критически важно для двигателя: создатели машин борются за каждый, если не грамм, то за каждые 100 грамм точно! Чем меньше вес, тем больше так называемая удельная тяга двигателя и эффективнее его работа.

Опробование сплава ВЖ172 в виде крупногабаритных заготовок для дисков, который изначально паспортизован как листовой, мы начали еще в 2011 году. Тогда же родилось предложение: каким-то образом опробовать его для сварной конструкции. Потому что разработка, которая не воплощена в металле и в изделии, для конструкторов все равно, что фантазия. Поставить новый материал вместо десятилетиями уже опробованного, пока он не реализован в заготовках с подтвержденным статистикой уровнем свойств, в виде конкретной детали, прошедшей испытания, – это непозволительный риск для конструктора.

Благодаря непосредственному руководству начальника НИО ВИАМ Ольги Геннадиевны Оспенниковой и ее тесному контакту с коллегами из филиала НИИД АО «НПЦ газотурбостроения «Салют», мы договорились опробовать электронно-лучевую сварку кольцевых заготовок из сплава ВЖ172, имитирующую соединение двух дисков. Испытание на свариваемость прошли успешно, а свойства такого сварного соединения показали равнопрочность с основным материалом, и мы уже уверенно предлагали этот материал и технологию для последующей реализации.

Для получения исходных полуфабрикатов – прутков, необходимых для производства дисков, была отработана промышленная технология на заводе «Электросталь», а уже в условиях производства ВИАМ была разработана технология изготовления изотермической штамповкой на воздухе заготовок дисков из сплава ВЖ172 диаметром до 300 мм. С коллегами-сварщиками мы разработали режим электронно-лучевой сварки заготовок дисков, обеспечивающий бездефектное соединение, а также режим термической обработки такой сварной конструкции.

Однако борьба за вес не должна идти вразрез с ресурсными показателями. А требования к ним при каждой последующей генерации двигателей становятся все жестче: растет количество часов, которые должны быть гарантированно отработаны до планового ремонта машины, увеличивается и общий назначенный ресурс. А значит, предъявляются особые требования к материалу: он должен обладать комплексом высоких характеристик по жаропрочности, сопротивлению малоцикловой усталости и многим другим. Более строгие требования предъявляются и к технологии: соблюдение стабильности качества производства, минимальные допуски заданных параметров, всесторонний контроль механических свойств, структуры. Все это обусловило необходимость проведения большого объема испытаний для определения расчетных характеристик прочности заготовок дисков для сварного ротора из сплава ВЖ172.

Затем в условиях завода АО «Климов» были изготовлены сварные диски свободной турбины четвертой ступени, проведены их испытания на стенде. В результате испытаний мы подтвердили требуемый двукратный запас по прочности конструкции при рабочих нагрузках.

Эта разработка, осуществленная для двигателя ВК-2500М, также уже прошла успешную апробацию на АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» для перспективного изделия, а значит, может быть реализована в конструкциях ГТД других моторостроительных предприятий.

Преодолеть температурный порог

Еще один раздел по модернизации двигателя вертолета касался повышения рабочей температуры жаровой трубы, узла в виде сварной тонкостенной оболочки, в которой происходит горение топливовоздушной смеси, благодаря чему и формируется рабочее тело реактивной тяги газотурбинного двигателя. Жаровая труба – самое горячее место газотурбинного двигателя. Рост эффективности ГТД связан с повышением возможной температуры работы стенки жаровой трубы, что позволяет снизить расход воздуха на охлаждение, повысить полноту сгорания топлива. Конечно, жаровая труба работает с защитой, чтобы обеспечить требуемый ресурс. Но к материалу предъявляются требования к сопротивлению нагрузкам, которые возникают в жаровой трубе под давлением газов, а также к сопротивлению прогарам под воздействием раскаленной топливовоздушной смеси в случае повреждения покрытия. Жаропрочность – способность материала длительно выдерживать нагрузку при высокой температуре – одна из основных характеристик, ее повышение – основное требование конструкторов. Наиболее совершенный в этом классе материал разработки ВИАМ – сплав ВЖ171, значительно превосходящий аналоги, был паспортизован в 2006 году.

А первые экспериментальные исследования проводились еще в конце 1980 – начале 1990-х годов. К этому времени свариваемыми листовыми сплавами для жаровых труб, фактически, был достигнут предел по росту характеристик жаропрочности. За счет чего они достигаются? Вводятся тугоплавкие элементы в состав сплава на никель-хромовой или никель-кобальтовой основе: вольфрам, молибден, реже – тантал. Но при этом материал должен сохранять структурную стабильность и одновременно успешно свариваться. И было понятно, что дальнейшее повышение доли тугоплавких элементов делает материал полностью несвариваемым или слишком хрупким (а детали для жаровой трубы нужно получать из тонких листов холодной штамповкой). С повышением доли хрома либо кобальта в основе упрочняющий эффект уже не усиливался, а в процессе эксплуатации возникали нежелательные фазы, охрупчивающие изделие и снижающие ресурс. Нужен был кардинально новый подход к упрочнению.

В процессе кристаллизации никелевых сплавов образуется небольшое количество карбидных фаз, но их слишком мало, чтобы вносить серьезный упрочняющий вклад. Вместе с тем, из теоретических работ известно, что при диффузии азота с поверхности вглубь металлов могут образовываться чрезвычайно стабильные тугоплавкие частицы – нитриды. Так родилась идея, что высокотемпературную упрочняющую фазу можно создать специальной обработкой в среде азота. Насыщение кислородом или азотом при высокой температуре тугоплавких материалов – никеля, хрома, вольфрама, само по себе не давало пригодного для производства жаровой трубы материала, ведь он становился несвариваемым, хрупким. Азотирование не отдельных металлов, а специального сплава, причем уже в виде полностью готового сварного узла, дало кратный прирост жаропрочности. За счет химико-термической обработки азот в структуре сплава соединяется с титаном и образует чрезвычайно тугоплавкие нитриды. Такой материал структурно стабилен и работоспособен при температурах вплоть до 1250°С, причем кратковременно – даже без защитного покрытия. В итоге нам удалось достичь увеличение жаропрочности на 200–300% в интервале рабочей температуры жаровой трубы.

В рамках госконтракта для внедрения сплава ВЖ171 для жаровой трубы двигателя ВК-2500М в ВИАМ была проведена большая работа по производству листового проката. Также были разработаны режимы обработки холодной деформацией – то есть гибкой, штамповкой, отбортовкой. Отработаны различные виды сварки: для жаровой трубы применяются аргоно-дуговая и контактная точечная сварка. А далее на АО «Климов» были изготовлены детали жаровой трубы, которые затем подверглись азотированию в ВИАМ, приобретая в структуре упрочняющую фазу. Детали после химико-термической обработки мы отправили обратно на завод, где они прошли стадии финальной сборки в жаровую трубу, нанесения покрытия ВЭС-104М, специально разработанного специалистами нашего института для нового материала, и узел был передан на испытания при высокой температуре. Также «горячие» испытания жаровой трубы из сплава ВЖ171 проводились и на «Салюте». Во всех случаях они были успешно пройдены. Конечно, еще предстоят более длительные ресурсные испытания двигателей. Но результатами этой работы мы показали, что разработанная технология обеспечивает недоступный ранее прирост рабочей температуры и повышение характеристик, а серийное производство узлов из нового сплава с применением существующего оборудования может быть начато незамедлительно.

Материалы ВИАМ обеспечивают прогресс в двигателестроении

Новые материалы дают конструкторам возможность воплощения перспективных идей. Тот же сварной ротор, например. Или повышение температуры жаровой трубы, которое позволяет снизить расход воздуха на охлаждение, а значит, повысить эффективность двигателя. Растет при сохранении надежности и рабочая температура материала. Значит, двигатель сможет в критических форсажных режимах дольше работать, его технические характеристики улучшены.

Очень важно отметить, что каждый специалист у нас в ВИАМ с глубоким пониманием участвует в разработках и исследованиях, вносит свой вклад в общее дело и несет ответственность за свою работу. И премия Правительства Москвы – это оценка работы и нашей лаборатории, и всего института. Очень важно, что в рамках этого торжественного мероприятия мы смогли рассказать о своей работе и представить ее на суд общественности. О нас услышали не только в Правительстве Москвы – там прекрасно знают ВИАМ благодаря Генеральному директору института Евгению Николаевичу Каблову. Важно, что новость представлена сообществу ученых и производственников. Эта номинация – утверждение принципов нашей научной деятельности в высокотехнологичном производстве.

Ценность нашей трехлетней работы в том, что материалы реализованы именно в конкретных деталях и созданы серийные технологии их производства.

Надеюсь, что эти и другие разработанные ВИАМ материалы буду широко внедрены на новых двигателях как в военной, так и гражданской авиации. Сейчас завершаются летные испытания и готовится к серийному производству двигатель ПД-14. Уже реализован ряд новых материалов и технологий, их более 20! Я уверен, что в последующих модификациях, а предполагается целая линейка двигателей с различными характеристиками тяги, будет использовано еще больше новых материалов. Очень рассчитываю, что именно отечественный двигатель ПД-14 будет стоять на новом гражданском самолете МС-21. Для вертолетов серийный двигатель ВК-2500 уже выпускается, а теперь есть и его модернизированный вариант – ВК-2500М. И уже начаты работы над последующим перспективным двигателем для вертолета.

Главный принцип, который мы стараемся реализовать в наших разработках, – единство материала, технологии и конструкции. Он позволяет выходить на новый уровень эффективности газотурбинных двигателей. А для этого нужно быть уверенным в конечном продукте на 100%. Поэтому на всех этапах – от появления идеи до реализации материала в детали, а также при его дальнейшей эксплуатации ВИАМ отвечает за весь комплекс свойств своих разработок. Ведь лучшая награда для нас – внедрение результатов труда в двигателе.