CC BY
55
ЖАРОПРОЧНЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ И ДЕФОРМИРУЕМЫЕ СПЛАВЫ И СТАЛИ, ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД
УДК 669.018.44 О.Г. Оспенникова1
ИТОГИ РЕАЛИЗАЦИИ СТРАТЕГИЧЕСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ ЛИТЕЙНЫХ И ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ И СТАЛЕЙ ЗА 2012-2016 гг.
DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-17-23
Рассмотрены основные достижения за последние пять лет научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных во ФГУП«ВИАМ» в 2012—2016гг. в области создания нового поколения жаропрочных литейных и деформируемых сплавов и сталей. Работы выполнены в рамках реализации комплексных научных направлений: 3. «Компьютерные методы моделирования структуры и свойств материалов при их создании и работе в конструкции», 7. «Интерметаллидные материалы», 9. «Монокристаллические, жаропрочные суперсплавы, естественные композиты», 10 «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии получения деталей, полуфабрикатов и конструкций» и 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].
Ключевые слова: компьютерные методы моделирования; интерметаллидные материалы; монокристаллические, жаропрочные суперсплавы, естественные композиты; аддитивные технологии; упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия.
O.G. Ospennikova
Implementation results of the strategic directions on creation of new generation of heat-resisting cast and wrought alloys and steels for 2012-2016
The main achievements over the last five years of the research and developmental works, executed at FSUE «VIAM» in 2012—2016 in the field of
1 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]
development of new generation of heat resisting cast and wrought alloys and steels are considered. Works are executed within the implementation of the complex scientific directions: 3. «Computer modeling methods of structure and properties of materials at their development and work in construction», 7. «Intermetallic materials», 9. «Single-crystal, heat-resisting superalloys, natural composites», 10. «Power-effecient, resource-saving and additive technologies for producing details, semi-finished products and constructions» and 17. «The complex anticorrosive protection, hardening, wear-protective and heat-protection coatings» («The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030») [1].
Keywords: computer modeling methods; intermetallic materials; single-crystal, heat-resisting superalloys, natural composites; the additive technologies; hardening, wear-resistant protective and heat-protection coatings.
В 2011 г. в соответствии с приоритетными направлениями и критическими технологиями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, определенными указом Президента РФ №899 от 7 июля 2011 г., во ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ под руководством Генерального директора, академика РАН Евгения Николаевича Каблова разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» с учетом приоритетов государственной политики в промышленной сфере и стратегий развития государственных корпораций и интегрированных структур.
В основу Стратегических направлений заложены основные принципы создания современных материалов для сложных технических систем, базирующиеся на постулатах единства (неразрывности) материалов, технологий и конструкций, а также реализации полного жизненного цикла с использованием IT-технологий: создание материала - эксплуатация в конструкции - диагностика, ремонт, продление ресурса - утилизация. Стратегические направления систематизированы, исходя из анализа тенденций развития материалов в мире, по 18 направлениям, 9 из которых направлены на разработку комплекса научно-технологических решений для создания нового поколения жаропрочных литейных и деформируемых сплавов и сталей.
Постановлением Правительства Российской Федерации от 19.09.2016 г. ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ определен головной организацией по приоритетному технологическому направлению «Технологии материаловедения», а Указом Президента Российской Федерации от 20.07.2016 г. №347 Е.Н. Каблов определен руководителем приоритетного технологического направления «Технологии материаловедения».
Подводя итоги НИР и ОКР за последние пять лет, выполненных во ФГУП «ВИАМ» в 2012-2016 гг. в области создания нового поколения жаропрочных литейных и деформируемых сплавов и сталей в соответствии
со «Стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г.», необходимо отметить достигнутые успехи [1-10].
При выполнении Государственного контракта с Минпромторгом России (НИР «Демонстратор-ПД») в период 2014-2016 гг., в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) «Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации до 2020 года», во ФГУП «ВИАМ» совместно с АО «ОДК»: НИИД (филиал АО «НПЦ газотурбостроения «Салют») и ОКБ им. А. Люльки (филиал ПАО «УМПО») - разработаны промышленные технологии, изготовлены полуфабрикаты, детали и сборочные единицы (ДСЕ) из материалов нового поколения (титановый сплав ВТ41, титановые интерметаллидные сплавы ВТИ-4 и ВИТ1, жаропрочный никелевый сплав ВЖ172, интерметаллидный никелевый сплав ВКНА-1В) для перспективного двигателя «Изделие 30».
Проведен комплекс работ по освоению промышленных технологий изготовления полуфабрикатов в условиях ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», АО «Металлургический завод «Электросталь» и ПАО «Ашин-ский метзавод», выпущены необходимые партии полуфабрикатов с последующим обеспечением изготовления ДСЕ на АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» и ПАО «УМПО», проведены их испытания.
Впервые в истории отечественного двигателестроения, включая и советский период:
- разработана технология электронно-лучевой сварки и изготовлен сварной ротор компрессора высокого давления (КВД) из жаропрочного никелевого сплава ВЖ172, не имеющий болтовых соединений;
- разработана технология электронно-лучевой сварки и изготовлен сварной барабан первой, второй и третьей ступеней КВД конструкции типа «блиск» из жаропрочного титанового сплава ВТ41.
Внедрение материалов нового поколения в конструкцию перспективного двигателя «Изделие 30» позволило обеспечить:
- повышение весовой эффективности на 30-40% благодаря применению интерметаллидных титановых сплавов ВТИ-4 - для корпуса КВД и ВИТ1 - для лопаток четвертой, пятой и шестой ступеней КВД взамен серийных материалов;
- снижение массы конструкций на 15-20% за счет исключения болтовых соединений в сварной конструкции ротора (четвертой, пятой и шестой ступеней и вала) КВД и сварного барабана первой, второй и третьей ступеней КВД;
- повышение максимальной рабочей температуры стенки камеры сгорания на 250°С путем применения нового монокристаллического сплава ВКНА-1В для сегментов жаровой трубы взамен применяемого серийно листового жаропрочного свариваемого сплава ЭП648.
В настоящее время в АО «ОДК» запланированы работы по сборке и испытаниям изготовленных ДСЕ в составе технологического изделия.
В области применения аддитивных технологий для серийных изделий из металлических материалов в 2014-2015 гг. во ФГУП «ВИАМ» и АО «ОДК-Авиадвигатель» в сотрудничестве с институтами РАН и вузами впервые в России с помощью селективного лазерного сплавления из отечественной металлопорошковой композиции сплава ЭП648-ВИ изготовлена деталь двигателя ПД-14 (завихритель фронтового устройства камеры сгорания), отвечающая требованиям конструкторской документации. При этом в 10 раз сокращено время изготовления детали (по традиционной технологии - 60 дней, по аддитивной - 5 дней) и существенно (в 2,5 раза) повышена точность ее изготовления. В настоящее время за-вихрителями укомплектованы шесть двигателей ПД-14, а для нужд предприятий Российской Федерации изготовлено по аддитивным технологиям более 500 деталей из отечественных металлопорошковых композиций.
В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» успешно решена задача по созданию производства отечественных металлопорошковых композиций: в рамках проекта шифра «Тантал» ведется разработка материалов нового поколения для аддитивных технологий изготовления конструктивных элементов авиационных и ракетных двигателей. Спроектирован и изготовлен промышленный атомизатор с бестигельной плавкой электрода, что позволило решить проблему изготовления титановых и интерметаллидных порошковых композиций. В первом полугодии 2017 г. планируется введение в эксплуатацию еще одного атомизатора. Таким образом, будет обеспечен выпуск металлопорошковых композиций в объеме до 150 т в год.
Разработка материалов нового поколения с высоким комплексом физико-химических свойств для использования в аддитивных технологиях совместно с отработкой технологии изготовления особо ответственных конструктивных элементов характеризуется новизной и прорывным характером.
При поддержке фонда перспективных исследований в кратчайшие сроки во ФГУП «ВИАМ» впервые в России проведен демонстрационный эксперимент по созданию и испытанию прототипа малоразмерного газотурбинного двигателя (МГТД) для беспилотных летательных аппаратов, основные детали которого изготовлены по аддитивной технологии - послойного лазерного сплавления с использованием металлопорошковых композиций жаропрочного и алюминиевого сплавов, которые также разработаны во ФГУП «ВИАМ».
Полученный опыт при проведении работ по изготовлению деталей ГТД, ГТУ и МГТД позволяет на данном этапе перейти к решению более сложных задач, связанных с применением интерметаллидных сплавов на основе НА! и №5813, разработанных во ФГУП «ВИАМ» и
предназначенных для изготовления рабочих лопаток турбин высокого (№^3) и низкого давления (ТШ), которые позволят снизить массу турбины на 25-30% при повышении температуры газа на выходе из камеры сгорания на 150-200°С.
На специально разработанном стенде (с выходом вращения ротора двигателя на 100000 об/мин при температуре газа 640°С на выходе из турбины) прототип-демонстратор показал как высокую работоспособность материалов нового поколения, так и эффективность предложенной технологии. По итогам эксперимента совместно с АО НПО «ОКБ им. М.П. Симонова» принято решение о разработке, изготовлении и испытании модификаций перспективных МГТД для беспилотных летательных аппаратов в интересах Министерства обороны Российской Федерации.
Во ФГУП «ВИАМ» в качестве инициативы и за счет собственных средств впервые в России разработана новая высокопрочная коррозионностойкая сталь со сверхравновесным содержанием азота (>0,3%). Эти стали благодаря уникальному сочетанию высокой прочности и коррозионной стойкости имеют широкие перспективы применения для силовых конструкций самолетов и вертолетов, редукторов и трансмиссий, а также в инструментальной промышленности. Применение в системе легирования высокопрочных сталей сверхравновесного количества азота позволяет отказаться от дорогостоящих и редких металлов, при этом достигается высокий комплекс свойств материалов. По сравнению с обычными нержавеющими сталями высокопрочные стали со сверхравновесным содержанием азота обладают более высокими показателями твердости, прочности, вязкости разрушения и коррозионной стойкости.
В России, по состоянию на данный момент, такого рода стали не выплавляются из-за отсутствия специального оборудования для их производства - установок электрошлакового переплава под высоким (до 40 ат (4 МПа)) давлением азота. В рамках выполнения ФЦП «Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации до 2020 года» по Техническому заданию ФГУП «ВИАМ» на предприятии ООО «НПФ Комтерм» (г. Москва) в 2015 г. впервые в России спроектирована, изготовлена и введена в эксплуатацию единственная в нашей стране полупромышленная установка ДЭШП-0,1 для электрошлакового переплава под давлением.
После ввода в эксплуатацию в 2016 г. оборудования, во ФГУП «ВИАМ» в качестве инициативы и за счет собственных средств приступили к разработке новых высокопрочных коррозионностойких сталей со сверхравновесным содержанием азота и технологий их выплавки, деформации и термической обработки. В результате исследований разработаны уникальные технологические процессы, обеспечивающие получение равномерного
сверхравновестного содержания азота по сечению слитка и требуемый уровень свойств. С применением разработанный технологий первые в России получены слитки из высокопрочной стали со сверхравновесным содержанием азота с твердостью и прочностью, не уступающими аналогичным характеристикам стали Cronidur 30 (Германия) - наиболее широко используемой в мире марки стали со сверхравновесным содержанием азота.
Таким образом, несмотря на введенные в 2015 г. экономические санкции, реализация основных научно-технологических решений и инновационных идей в соответствии со Стратегическими направлениями позволила не только развернуть исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на создание нового поколения жаропрочных сплавов и сталей, но и обеспечить технологическую независимость РФ в области монокристаллических высокожаропрочных сплавов и сталей, что свидетельствует о глубокой проработке и актуальности «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года».
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/20719140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.
3. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Стратегические направления развития конструкционных материалов и технологий их переработки для авиационных двигателей настоящего и будущего // Автоматическая сварка. 2013. №10. С. 23-32.
4. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
5. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение: итоги и перспективы // Вестник Российской академии наук. 2002. Т. 72. №1. С. 3-12.
6. Каблов Е.Н. Без новых материалов - нет будущего // Металлург. 2013. №12. С. 4-8.
7. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы - материалы современных и будущих высоких технологий // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S2. С. 3-10.
8. Каблов Е.Н. Материалы и технологии ВИАМ в конструкциях
перспективных двигателей разработки ОАО «Авиадвигатель» // Пермские авиационные двигатели: информ. бюл. 2014. №31. С. 43-47.
9. Евгенов А.Г., Лукина Е.А., Асланян И.Р. Структура и свойства сплавов на основе никеля, полученных методом СЛС // Аддитивные технологии: настоящее и будущее: матер. II Междунар. конфер. М.: ВИАМ, 2016. С. 1.
10. Каблов Е.Н. Из чего сделать будущее? Материалы нового поколения, технологии их создания и переработки - основа инноваций // Крылья Родины. 2016. №5. С. 8-18.
