Его «величество» материал

В специальном выпуске издания «Индустрия. Инженерная газета», который приурочен к Международному Форуму Двигателестроения (МФД-2016), опубликована статья Генерального директора ВИАМ, академика РАН Евгения Николаевича Каблова.

Предлагаем вам ознакомиться с данным материалом.

 ***

Его «величество» материал

Объективно оценивая ситуацию, определяющую реалии сегодняшней российской индустрии, очевидно, что приоритеты должны быть отданы перспективным проектам с высоким уровнем кооперации, направленным не просто на разработку прорывной технологии или продукта, а способным консолидировать производственные объединения для решения задач  национального масштаба.

Одним из удачных примеров подобной интеграции является Объединенная двигателестроительная корпорация, решение о создании которой было принято Правительством Российской Федерации в 2008 году. Кстати, в том же году Владимир Путин, в ходе рабочего визита в ВИАМ поддержал инициативу о разработке критических технологий в области авиационного двигателестроения в рамках Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002–2010 годы и на период до 2015 года».

Благодаря этому существенно увеличилась финансовая поддержка со стороны государства для эффективной реализации ключевых проектов российского двигателестроения, как, впрочем, и машиностроения в целом. В частности, за пять лет, с 2008-го по 2012 год, только на гражданские проекты предприятиям двигателестроения было выделено денежных средств более 71 млрд рублей.

Важным шагом стало то, что одним из приоритетных направлений государственной программы был назван проект «Двигатели для самолета МС-21» («Двигатель ПД-14»). Его головным разработчиком стало конструкторское бюро газотурбинных двигателей для гражданской авиации и промышленных установок для энергетики ОАО «Авиадвигатель» (руководитель А. А. Иноземцев). Инновационность этого проекта состоит в том, что при разработке перспективного двигателя ПД-14 был сделан качественный скачок в основных параметрах рабочего режима двигателя, в том числе – увеличению по степени двухконтурности (в два раза), температуры газа перед турбиной (на 100 К), суммарной степени сжатия в компрессоре (на 20%). Благодаря этому удельный расход топлива снизился на 12%, а экономичность работы двигателя и соответствие экологическим параметрам значительно повысились. Все это удалось обеспечить  благодаря применению материалов нового поколения, в том числе свыше 20 марок сплавов, а также передовых технологий.

Как показывает мониторинг международного рынка авиационных материалов, развитие производства и сбыта современных зарубежных материалов полностью подконтрольно западным компаниям. С учетом этого при реализации проекта двигателя ПД-14 использовались лишь отечественные передовые конструкционные материалы и сплавы, а также новейшие энергоэффективные, ресурсосберегающие технологии. Это, несомненно, стало одним из важных преимуществ нового двигателя, особенно в сегодняшних экономических реалиях.

Если более подробно, то в конструкции перспективного двигателя ПД-14 внедрены супержаропрочные монокристаллические никелевые рений-рутенийсодержащие сплавы для рабочих и сопловых лопаток с высокоресурсными жаростойкими и комплексными теплозащитными покрытиями (ТЗП); высокопрочные конструкционные стали и деформируемые никелевые и титановые сплавы нового поколения для валов, дисков и корпусов; перспективные полимерные композиционные материалы нового поколения и др. Применение инновационной продукции отечественных материаловедов обеспечивает не только надежность, но и высокие эксплуатационные характеристики ПД-14, обеспечивая его конкурентоспособность на мировом рынке.

При этом в рамках проекта по созданию комплексной технологии и материалов для нанесения теплозащитного покрытия (ТЗП), а также для восстановления покрытия на лопатках в процессе их ремонта в ВИАМ совместно с ОАО «Авиадвигатель» и ОАО «Пермский моторный завод» разработан новый жаростойкий материал под керамический слой ТЗП для лопаток из рений- и рений-рутенийсодержащих сплавов, а также подготовлен полный комплект нормативно-технической документации. Кроме этого институтом проведена отработка комплексной технологии нанесения керамического слоя ТЗП.

В настоящее время лопатки с керамическим слоем ТЗП успешно прошли испытания. Для защиты замков лопаток вентилятора двигателя ПД-14 разработано фреттингостойкое шликерное покрытие. Коллективы наших предприятий совместно осуществляют разработку, испытания и применение высокотемпературных теплозащитных покрытий на рабочую температуру 1300 °С, а также покрытий для защиты от фреттинг-износа и коррозии ниппелей, узлов крепления трубопроводов и других деталей.

Одной из проблем авиадвигателестроения является то, что применение устаревших серийных материалов приводит к недопустимо высокой массе узлов и снижению ресурса эксплуатации основных деталей. Поэтому создание нового двигателя ПД-14 с обеспечением требуемых параметров было бы невозможно без использования в его конструкции новых материалов для основных (роторных) деталей. По расчетам «Авиадвигателя», использование нового поколения высокопрочных жаропрочных сплавов для дисков вместо ЭП742 или In718 обеспечивает снижение массы турбины и компрессора высокого давления (за счет уменьшения массы диска ТВД) с 37 до 27,7 кг. С целью снижения массы узлов двигателя ПД-14 впервые в отечественной практике для вала турбины низкого давления (ТНД) был применен новый класс высокопрочных мартенситностареющих сталей (?в?1600–1800 МПа). Несмотря на сложности, с которыми столкнулись разработчики при освоении производства валов из этой стали на ОАО «Металлургический завод «Электросталь» и ОАО «СМК» (длина заготовки составляла более 2 м), задача была успешно решена.

Одной из приоритетных целей развития производства двигателей для гражданской и военной авиации является создание и внедрение интерметаллидных ?-титановых сплавов и технологий изготовления из них деталей. Без применения этих сплавов не может быть решен вопрос создания конкурентоспособных отечественных двигателей. Ведущими зарубежными фирмами на данный момент уже освоено производство лопаток из интерметаллидных сплавов на основе титана методом фасонного литья.

В настоящее время актуальной задачей ВИАМ, реализуемой в рамках проекта создания семейства двигателей ПД-14, является разработка, внедрение и создание центра компетенции по интерметаллидным титановым сплавам с низкой удельной плотностью. Новые технологии изготовления из них деталей существенно увеличат весовую эффективность нового семейства двигателей за счет снижения в два раза массы лопаток турбины низкого давления.

На сегодняшний день ВИАМ совместно с АО «ОДК» и ОАО «Авиадвигатель» разработал новый литейный интерметаллидный сплав ВИТ-Х для рабочих лопаток турбины низкого давления. Кроме того, проведен комплекс работ по внедрению интерметаллидного деформируемого сплава ВТИ-4 для корпусных деталей турбины и компрессора. В кооперации с ОАО «Авиадвигатель» созданы новые технологии производства крупногабаритных слитков, кольцевых заготовок и листов из этого сплава применительно к металлургическому оборудованию предприятия ОАО «Корпорация «ВСМПО-АВИСМА». При этом ВИАМ ведет освоение новой технологии центробежного литья лопаток из интерметаллидных титановых сплавов.

К слову, производство лопаток из ?-титановых сплавов по аддитивным технологиям является перспективным направлением во всем мире. За рубежом такие работы ведутся очень активно. Так, в итальянском подразделении компании General Electric (GE) Avio организован центр аддитивного производства, специализирующийся, помимо деталей горячего тракта ГТД из жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов, на выращивании заготовок лопаток турбины низкого давления из интерметаллида титана. Лопатки выращивают на установках электронно-лучевого синтеза из порошков, которые производят отдельно на специальном участке.

В этой связи в ВИАМ спроектирована и находится на стадии сборки установка для промышленного производства порошков титановых сплавов методом атомизации. Создание бестигельной установки для распыления титановых порошков позволит уже в 2017 году перейти к получению отечественных порошков ?-титановых сплавов, которые будут применять в том числе и для электронно-лучевого синтеза лопаток. Благодаря такой технологии производители смогут одновременно избавиться от множества проблем, связанных с отсутствием инертных керамических материалов.

Напомню, что аддитивные технологии – это реалии шестого технологического уклада. С их применением производительность труда повышается в 20–30 раз, а полезный коэффициент использования материала вырастает с 0,3 до 1.

ВИАМ совместно с ОАО «Авиадвигатель» проводит комплексную работу, направленную на создание технологий получения высококачественных металлических порошков жаропрочных сплавов нового поколения методом газовой атомизации для аддитивных технологий. Также осуществляется внедрение этих технологий при ремонте методом лазерной порошковой наплавки LMD рабочих лопаток ТВД современных двигателей авиационного и наземного назначения. В отличие от ручной аргонодуговой наплавки, новый метод позволяет обеспечить увеличение выхода годного при ремонте в 2–2,5 раза и уменьшить величину припусков для последующей механической обработки.

Впервые в России ВИАМ для ОАО «Авиадвигатель» изготовил по аддитивной технологии «боевую» деталь двигателя ПД-14. Исследования по получению отечественного синтезированного жаропрочного сплава марки ЭП648, из которого она состоит, были начаты в середине 2014 года, а уже в 2015 году по аддитивным технологиям изготовлена первая партия ресурсных деталей – завихрителей фронтового устройства камеры сгорания для двигателя ПД-14. В настоящее время на ОАО «Авиадвигатель» поставлено более 200 деталей для комплектования четырех серийных двигателей ПД-14. При этом разработан полный комплект нормативной документации по всем стадиям производственного цикла: получение металлопорошковой композиции, синтез деталей, газостатическая и термическая обработка.

Одним из важных и перспективных направлений работы нашего института является разработка новых марок отечественных материалов для ремонта деталей компрессора ГТД из титановых сплавов (например, моноколес) – дорогостоящих изделий типа блиск, в которых лопатки и диск представляют единую деталь.

Консорциум в составе ВИАМ, ИПЛИТ РАН, ОАО «Авиадвигатель», СПбПУ выиграл конкурс в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». Тема работы – «Исследования и разработка экспериментальных аддитивных технологий для изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) с использованием металлических порошков жаропрочного сплава на основе никеля». В рамках этого проекта ведется разработка технологий синтеза ответственных деталей горячего тракта газотурбинного двигателя, включая рабочие и сопловые лопатки. Запланирована паспортизация синтезированных материалов для изготовления деталей горячего тракта ГТД (впервые в России). Разработанные в рамках этого проекта технологии позволят осуществить переход от традиционных способов и методов изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей ГТД к техническим процессам нового поколения.

Для сертификации перспективного двигателя ПД-14 в установленные сроки ОДК совместно с ВИАМ и ЦИАМ реализует специальную комплексную программу, включающую полномасштабные квалификационные испытания материалов. Осуществление программных мероприятий в заданные сроки позволит обеспечить сертификацию двигателя ПД-14 к началу летных испытаний самолета МС-21. Впервые в России на предприятиях ОДК и в ведущих отраслевых институтах (ВИАМ, ЦИАМ и др.) за четыре года создана и постоянно актуализируется экспериментально-теоретическая база данных по свойствам материалов и полуфабрикатов, которая позволит создать экспериментально-расчетную базу для сертификации отечественных материалов в Европе (EASA) и по американским требованиям и нормам FAA.

Следует также отметить, что впервые в отечественной практике в сжатые сроки на базе ОАО «Авиадвигатель» был создан уникальный роботизированный производственный комплекс для изготовления образцов из металлических материалов c мощностью производства до 7000–10000 штук в год. Принятое генеральным конструктором А.А. Иноземцевым решение о создании этого участка обеспечит выполнение графика квалификационных испытаний к моменту сертификации двигателя ПД-14.

Одной из важнейших проблем при создании двигателя ПД-14 является разработка мотогондолы, обладающей высокой весовой эффективностью по сравнению с металлическими аналогами отечественного производства, а также обеспечение требований по шуму как внутри салона, так и на местности. В настоящее время Россия закупает мотогондолы двигателей для самолета SSJ-100 за рубежом у фирмы Pratt&Whitney, причем стоимость одной мотогондолы, по оценкам экспертов, составляет около 33 млн руб. Проект мотогондолы для двигателя ПД-14 предусматривает широкое (около 60 % по массе) применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) нового поколения, обеспечивающих снижение массы конструкции при сохранении требуемых упруго-прочностных свойств, в том числе высоких ударной вязкости и стойкости к климатическим факторам.

В результате проведенных в ВИАМ исследований создано новое поколение высокодеформативных теплостойких связующих, полимерных композиционных и функциональных материалов, обладающих высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных характеристик, которые планируется внедрить в конструкцию мотогондолы двигателя. Применение технологий изготовления деталей и узлов мотогондолы двигателя из ПКМ обеспечит снижение их массы не менее чем на 20% (по сравнению с деталями и узлами из алюминиевых сплавов). В свою очередь это позволит повысить весовую эффективность и ресурс, уменьшить более чем на 25% трудоемкость и энергоемкость изготовления деталей и узлов из ПКМ, снизить материалоемкость производства не менее чем на 15% по сравнению с традиционными технологиями изготовления деталей и узлов из ПКМ. С этой целью впервые в России в ВИАМ было создано производство препрегов (полуфабрикатов), получившее сертификат в Авиационном регистре Межгосударственного авиационного комитета. Наш институт осуществляет серийные поставки препрегов углепластиков и стеклопластиков предприятиям, участвующим в кооперации по разработке и изготовлению мотогондолы. Изготовление образцов и проведение квалификационных испытаний ПКМ, создание конструктивно подобных образцов и образцов-демонстраторов деталей мотогондолы осуществляются совместно со специалистами АО «Аэрокомпозит», АО «ПЗ «Машиностроитель», АО «ОНПП «Технология», ОАО «ВАСО» и ПНИПУ.

В целом следует отметить, что за последние 25 лет в нашей стране не создавалось изделия, подобного двигателю ПД-14 по уровню новизны технологий проектирования, изготовления и испытаний авиационных двигателей. По расчетам разработчиков, характеристики нового двигателя должны превысить параметры существующих мировых аналогов на 12–18%.

В настоящее время ВИАМ совместно с «Авиадвигателем» формирует требования к материалам для нового двигателя в классе тяги до 35 тонн (двигатель ПД-35). Работы по созданию материалов нового поколения с повышенным комплексом свойств и разработка технологий производства полуфабрикатов и деталей из них будут реализовываться в рамках новой Государственной программы Российской Федерации «Развитие авиационной промышленности на 2013–2025 годы». С этой целью ВИАМом планируется разработать: сверхчистые металлические и полимерные порошковые композиции; аддитивные технологии синтеза сложнопрофильных деталей (лопаток, сопловых аппаратов, деталей и узлов камеры сгорания и др.), спроектированных с применением бионического дизайна; комплексные энергоэффективные ресурсосберегающие технологии изготовления деталей ротора нового двигателя и ряд других перспективных материалов. Мы также надеемся на более широкое применение аддитивных технологий не только в конструкции новых двигателей разработки ОАО «Авиадвигатель», но и других двигателестроительных предприятий и отраслей отечественной промышленности. Уверен, что высокий уровень кооперации с ОДК будет способствовать решению масштабных государственных задач по промышленному росту, обеспечению финансово-экономической стабильности и технологической безопасности Российской Федерации.