Обмер лопатки гтд контактным способом. Фундаментальные исследования. Формула полезной модели

dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-10-1-1

УДК 621.74:629.7.03-226.2

ОТ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НЕОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК К ЛОПАТКАМ ТУРБИН С ПРОНИКАЮЩИМ (ТРАНСПИРАЦИОННЫМ) ОХЛАЖДЕНИЕМ, ИЗГОТОВЛЕННЫМ ПО АДДИТИВНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ (обзор по технологии литья монокристаллических лопаток ГТД)

Приведены этапы становления и развития процесса монокристаллического литья лопаток из жаропрочных, интерметаллидных сплавов, сплавов с композиционной структурой типа ВКЛС, создания опытно-промышленного и промышленного оборудования для осуществления процесса направленной кристаллизации, а также развития систем охлаждения лопаток путем создания сложных внутренних полостей. Рассмотрены проблемы, связанные с получением лопаток с проникающей системой охлаждения. Обсуждается прогноз получения лопаток с проникающей системой охлаждения без применения керамических форм и стержней, т. е. по аддитивной технологии.

Введение

Многочисленные исследования и статистические данные по поломке авиатехники в связи с отказом двигателя показали, что основной причиной разрушения лопаток ГТД (наиболее нагруженных деталей двигателя) является их разрыв по границам зерен, ориентированным перпендикулярно основным растягивающим напряжениям от центробежных сил. Это послужило толчком для развития технологии направленной кристаллизации, обеспечивающей получение лопаток со столбчатой структурой, границы зерен в которой ориентированы параллельно главной оси лопатки (рис. 1).

Рис. 1. Лопатки с равноосной (а ), направленной (б ) и монокристаллической (в ) структурой

Лопатки со столбчатой структурой имеют более высокий ресурс работы на двигателе в отличие от лопаток с равноосной структурой. Дальнейшие исследования показали, что границы зерен, расположенные параллельно оси лопатки, имеют неблагоприятно ориентированные относительно действующих напряжений участки. Таким образом, появилась идея создать лопатки, в структуре которых межзеренные границы отсутствуют, т. е. сделать их монокристаллическими. Исследовательские центры всего мира были мобилизованы на решение этой задачи. Перед ВИАМ также была поставлена задача разработать технологию монокристаллического литья, создать оборудование для ее осуществления, усовершенствовать сплавы, предназначенные для направленной кристаллизации, и внедрить в промышленность.

В 1968 г. молодыми специалистами (В.В. Герасимов, В.Н. Толораия, А.В. Яковлева, А.В. Рогов, Е.Р. Черкасова, Л.Б. Василенок) под руководством профессора, д.т.н. Дмитрия Андреевича Петрова были начаты экспериментальные работы по получению монокристаллов жаропрочных сплавов. Эксперименты проводили на модернизированной установке «Редмет-4». Для расширения экспериментальных возможностей Конструкторский отделВИАМ спроектировал специализированные установки (проекты 1591, 1604, 1790), которые были изготовлены и сданы в эксплуатацию. По предложению Д.А. Петрова вокруг оснований моделей образцов и неохлаждаемых лопаток были изготовлены так называемые «стартовые козырьки» переменного сечения, которые позволили получить первые монокристаллические отливки (рис. 2). Нетехнологичность «стартовых козырьков» приводила к малому выходу годных по монокристаллической структуре отливок.

В дальнейшем были предложены стартовые основания в виде конусов - для круглых образцов или конических законцовок пера для лопаток (рис. 3). Это резко повысило выход годных по монокристаллической структуре отливок. Для управления кристаллографической ориентацией (КГО) получаемых отливок (очень важная характеристика для монокристаллов) в вершину стартовых оснований предложено устанавливать затравки с заранее заданной КГО. Опробованы два варианта затравок: из того же сплава, что и материал лопаток, и из тугоплавкого сплава типа Ni-W (рис. 3, д ). В дальнейшем более широкое промышленное внедрение получили затравки из сплава системы Ni-W. Это открыло путь к промышленному производству монокристаллических лопаток, основным преимуществом которых являлось отсутствие границ зерен, по которым в основном происходило разрушение деталей при эксплуатации. Одновременно с разработкой процесса направленной кристаллизации решался вопрос о повышении его производительности, чтобы приблизиться к производительности равноосного литья, но с более высоким качеством получаемых деталей. Повысить производительность можно было только путем увеличения скорости охлаждения отливки при направленной кристаллизации. Этого удалось добиться благодаря применению жидкометаллических охлаждающих сред, конвективное охлаждение в которых дает существенно больший эффект, чем охлаждение формы с отливкой путем излучения в вакууме. Влияние повышения скорости охлаждения на структурные изменения в отливках, а также схемы направленной кристаллизации приведены на рис. 4.

Рис. 2. Внешний вид первых монокристаллических лопаток (а ) и прямоугольных образцов (б ), выращенных с помощью стартовых козырьков

Рис. 3. Стартовые устройства (схема и общий вид) для получения монокристаллических образцов и лопаток:

а , б - для лопаток с бандажной полкой; в - для лопаток без бандажной полки; г - для цилиндрических образцов; д - два варианта затравок; 1 , 2 - оптимальный и допустимый вариант профиля стартового устройства соответственно; 3 - профиль пера лопатки; R 1 и R 2 - радиусы, образующие профиль

Рис. 4. Схемы установок для направленной кристаллизации с применением водоохлаждаемого медного (а б ) и микроструктура образцов:

I - в поперечном направлении (×100); II - в продольном направлении (×100); III - междендритные области (×500); IV - морфология упрочняющей γʹ-фазы (×10000); микроструктуры образцов, полученных по технологии направленной кристаллизации с применением водоохлаждаемого (а ) и жидкометаллического кристаллизаторов (б )

Повышение степени дисперсности структурных составляющих положительно сказывается на всех эксплуатационных свойствах деталей из жаропрочных сплавов, поэтому разработанный и опробованный в ВИАМ процесс направленной кристаллизации с применением жидкометаллических охлаждающих сред положен в основу технического задания на разработку промышленного оборудования.

В ВИАМ разработаны техническое задание и конструкторские чертежи (ведущий конструктор А.С. Шалимов) на промышленную установку УВНК-8, серийное производство которой поручено РПО «Электромеханика». При обсуждении проекта установки УВНК-8 с заводскими работниками было предложено снабдить установку дополнительной шлюзовой камерой для повышения ее производительности. Шлюзовая камера была спроектирована на РПО «Электромеханика», а установка стала называться УВНК-8П. В это время в ВИАМ по заданию ММПО им. В.В. Чернышева для двигателя РД-33 на установке В-1790 отлито три тысячи лопаток, из которых изготовлено три комплекта деталей для государственных испытаний. Успешное испытание лопаток в составе изделия инициировало серийное изготовление установок УВНК-8П и оснащение ими моторостроительных заводов отрасли. В зависимости от требуемой производительности создавались участки, оборудованные установками УВНК-8П: от 2 (на опытных заводах) до 12 (на серийных предприятиях). Одновременно в ВИАМ проводились работы по созданию сплавов для направленной кристаллизации. Разработаны и впоследствии внедрены в промышленность сплавы ЖС26, ЖС26У, ЖС32, ЖС36 (безуглеродистый) и ЖС40, длительная прочность которых существенно превышает аналогичные показатели сплава ЖС6У, применявшегося ранее. Первый участок в России из восьми установок создан на ММПО им. В.В. Чернышева, основным направлением работ на котором было повышение выхода годного при литье лопаток и коэффициента загрузки оборудования. За первые три года работы участка выход годного увеличен с 30 до 60% (табл. 1).

Таблица 1

Выход годного за первые три года серийного производства лопаток первой ступени

для изделия «88» на ММПО им. В.В. Чернышева на установках УВНК-8П

Продолжение

Таким образом, комплексный подход (разработка технологии, создание специальных сплавов и промышленного оборудования для направленной кристаллизации) к решению проблемы получения монокристаллических лопаток в короткие сроки дал положительные результаты и помог решить важнейшую государственную задачу по повышению ресурса двигателей РД-33 и АЛ-31,применяемых всовременных истребителях.

В дальнейшем комплексный подход к решению сложных проблем, объединяющий усилия технологов, разработчиков сплавов, оборудования и конструкторов, неоднократно давал положительные результаты. Так, с привлечением сотрудников ВИАМ, ЦИАМ им. П.И. Баранова, ОКБ ПАО «НПО «Сатурн» была решена проблема получения эвтектических сплавов.

Формирование композиционной структуры в эвтектических сплавах

ВКЛС-10, ВКЛС-20, ВКЛС-20Р при получении лопаток ГТД

Эвтектические сплавы системы γ/γʹ-МеС, к которым относятся сплавы ВКЛС-10, ВКЛС-20 и ВКЛС-20Р, получаемые методом направленной кристаллизации, считались перспективными материалами для лопаток ГТД. Высокий уровень жаропрочности и сопротивления усталости эвтектических сплавов с композиционной структурой обеспечивается путем одновременного действия двух основных механизмов упрочнения: дисперсионного (как в обычных жаропрочных сплавах типа ЖС) и композиционного (благодаря армированию матрицы сплава нитевидными кристаллами NbC, выращиваемыми в процессе направленной кристаллизации).

Эвтектическое превращение характеризуется одновременным диффузионным разделением жидкости на две кристаллизующиеся фазы при постоянной температуре.

Известно, что необходимым условием формирования композиционной структуры эвтектик является создание и поддержание в процессе всего цикла кристаллизации микроскопически плоской поверхности раздела между жидкой и твердой фазами. По аналогии с критерием концентрационного переохлаждения (G /R ≥ΔT /D ) для однофазных сплавов , если используя диаграмму состояния заменить DТ эквивалентными величинами, то получают уравнения сохранения устойчивости плоского фронта при кристаллизации двухкомпонентных доэвтектических и заэвтектических сплавов:

где m - наклон линии ликвидус; k - коэффициент распределения легирующего элемента в твердой и жидкой фазах; G - температурный градиент в жидкости на фронте кристаллизации; R - скорость кристаллизации;C - состав сплава; C e - состав эвтектики; D - коэффициент диффузии элементов в жидкости.

Для каждого сплава существует определенное критическое значение соотношения G /R , выше которого плоский фронт кристаллизации является стабильным, а ниже его - становится ячеистым или дендритным, получение композиционной структуры при котором становится невозможно .

Химические составы разработанных в ВИАМ высокожаропрочных эвтектических сплавов ВКЛС-10, ВКЛС-20 и ВКЛС-20Р (а. с. 1111500, 1358425) и некоторых зарубежных аналогов представлены в табл. 2 .

Таблица 2

Химический состав эвтектических сплавов

При направленной кристаллизации с плоским фронтом роста в сплавах типа ВКЛС формируется структура естественного композита (рис. 5), состоящая из γ/γ `-матрицы, армированной каркасом из высокопрочных волокон карбида ниобия. Содержание волокон NbC составляет 4-6% (объемн.), поперечное сечение волокна - в среднем 2×2 мкм. Между кристаллической решеткой γ/γ` -матрицы и волокнами существует определенное кристаллографическое соответствие. Устойчивое формирование регулярной композиционной структуры сплава, отливаемого в алундовых тиглях с внутренним диаметром 16-18 мм и толщиной стенок 2 мм, происходило при скорости погружения тигля 6-7 мм/ч и температурном градиенте 100-150°С/см. Такой градиент достигался при температуре верхней поверхности теплового экрана >1345°С, что соответствовало температуре в средней части цилиндрического нагревателя (1750°С) и стенок тигля (1680°С).

Рис. 5. Распределение температур (а ) в однозонной печи сопротивления при получении эвтектических сплавов в алундовых тиглях, макро- (б ) и микроструктуры (в ) слитков (б , в - продольное и поперечное сечение соответственно, ×100; г - поперечное сечение, ×10000)

В связи с технологическими трудностями получения лопаток из композиционных сплавов (высокие градиенты температур на фронте роста, низкие скорости роста, высокие температуры нагревателей и формы) рассмотрены и практически реализованы несколько путей производства деталей:

Получение слитков большого диаметра, из которых методами последующей механической обработки предполагалось изготавливать неохлаждаемые лопатки малоразмерных двигателей;

Изготовление методами направленной кристаллизации раздельных заготовок лопаток (отдельно спинки, отдельно корыто), соединение которых осуществляется пайкой по входной и выходной кромкам;

Изготовление цельнолитых охлаждаемых лопаток со сложной внутренней полостью.

При использовании двухзонного нагревателя, жидкометаллического охлаждения и экранов, на установке В-1790 отработана технология получения различных по конструкции лопаток из сплавов ВКЛС-10, ВКЛС-20 и ВКЛС-20Р. Во всех лопатках имелись три структурные зоны (как и на образцах): стартовая зона протяженностью 20-40 мм с крупными равноосными карбидами; композиционная зона с регулярными волокнами карбидов ниобия; зона с дендритной морфологией карбидов в верхней части отливок. Размер стартовой зоны выбирали так, чтобы в рабочую часть лопатки прорастала только композиционная структура. Установлено, что композиционная структура легче прорастает из замкового (толстого) сечения в тонкое, чем из тонкого пера в замок (на модельных лопатках). Таким образом, с помощью конструкторско-технологических приемов удалось снизить рабочую температуру нагревателей с 1750 до 1550°С. Такая температура на нагревателе не влияет на устойчивость керамических форм и стержней. Кроме того, резко увеличилась работоспособность нагревателей. Стабильная работа нагревателей наряду с эффективным экранированием позволили получить образцы и лопатки с необходимой (годной) композиционной структурой.

На основании анализа критерия устойчивости плоского фронта роста при кристаллизации эвтектик и большого количества проведенных экспериментов установлено, что жаропрочные сплавы типа ВКЛС имеют композиционную структуру в отливках толщиной до 10-15 мм при минимальном значении G /R =100-120°С·ч/см 2 .

Показано, что стартовая зона, в микроструктуре которой наблюдается большое количество неориентированных карбидов, содержит ³1% (по массе) С; композиционная зона на большой длине содержит 0,4-0,5% (по массе) С; дендритная зона в головной части отливки содержит £0,3% (по массе) С при исходной концентрации углерода в сплаве 0,38-0,55% (по массе).

Изучены механизмы образования поверхностных карбидов, ростовых дефектов различной морфологии при получении деталей из эвтектических сплавов типа ВКЛС.

При исследовании влияния термообработки на характеристики паяных соединений сплава ВКЛС-10 обнаружено явление эвтектоидного превращения карбидов с ориентированным выстраиванием их в поперечном к паяному шву направлении, что положительно сказывается на свойствах паяных соединений.

Разработана технология получения образцов с композиционной структурой и проведена паспортизация сплавов ВКЛС-10, ВКЛС-20 и ВКЛС-20Р .

Впервые по разработанной технологии получены лопатки с композиционной структурой в пере и замке следующих наименований:

Опытные лопатки Д-30 с простой геометрической формой внутренней полости;

Лопатки ТС-2-09 со сложной внутренней полостью, оформляемой стержнем;

Составные лопатки для изделия «79» с внутренним оребрением, оформленным керамикой формы;

Составные лопатки для изделия «20»;

Цельнолитые лопатки ВТ-60-02-047 с простой геометрической формой внутренней полости;

Цельнолитые охлаждаемые лопатки для изделия «99» и изделия «20» со сложной геометрической формой полости.

Впервые в заводских условиях на установке УВНК-8П с модернизированным приводом вертикального перемещения форм получены лопатки из сплава ВКЛС-20 с композиционной структурой пера и дендритно-композиционной структурой замка. Подтверждена пригодность установки УВНК-8П для получения лопаток ГТД из эвтектических сплавов типа ВКЛС.

Аналогичным образом решалась и проблема интерметаллидных сплавов.

Исследования в области взаимодействия металлов между собой и с другими элементами Периодической системы Д.И. Менделеева привели к открытию большого числа химических соединений, обладающих уникальными свойствами .

Металлиды (интерметаллиды) - химические соединения двух или нескольких металлов, образующиеся при взаимодействии компонентов в процессе нагрева, в результате обменных реакций, при распаде пересыщенных растворов одного металла в другом и т. д.

В кристаллической решетке металлидов атомы каждого из металлов занимают строго определенное положение, создавая как бы несколько вставленных одна в другую подрешеток. Интерметаллиды, как правило, существуют в определенной области концентраций компонентов (так называемой области гомогенности). Состав интерметаллидов обычно не отвечает формальной валентности компонентов. Диаграмма «состав-свойство» в области гомогенности может иметь сингулярную точку, соответствующую постоянному отношению атомов компонентов (дальтониды) или не иметь ее (бертоллиды) .

К наиболее важным химическим свойствам металлидов относятся стойкость к окислению и коррозионная стойкость в агрессивных средах. Стойкость к окислению объясняется высокой прочностью химической связи, малой диффузионной подвижностью атомов в их решетке, а также тем, что на их поверхности образуются стойкие оксидные пленки.

В ВИАМ разработана серия сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni 3 Al: ВКНА-4, ВКНА-4У, ВКНА-1В, ВКНА-25, ВИН2, ВИН3, ВИН4 . Все они паспортизованы и прошли промышленное опробование. Температурный уровень их работоспособности представлен графически на рис. 6, а .

Применение Ta, Re, Ru - элементов, которые ранее не применялись в системе легирования сплавов типа ЖС, привело к существенному повышению свойств сплавов и отодвинуло эвтектические сплавы типа ВКЛС на задний план. К этому времени в ВИАМ был разработан компьютерный метод конструирования жаропрочных сплавов, который заменил традиционный трудоемкий способ легирования методом «проб и ошибок» . С использованием метода компьютерного конструирования создано новое поколение жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС), механические свойства которых представлены в табл. 3.

Тем не менее применение сплавов на никелевой основе не обеспечивает существенного повышения рабочих температур, необходимого для создания современных двигателей следующего поколения. В связи с этим проводятся исследовательские работы по поиску иной основы жаропрочных сплавов. В ВИАМ в этом направлении активно проводятся работы по созданию сплавов на основе системы Nb-Si (рис. 6, б ) .

Помимо повышения жаропрочности сплавов, позволяющего увеличить температуру газов перед турбиной, гораздо больший эффект в настоящее время обеспечивают системы внутреннего охлаждения материала лопаток.

Рис. 6. Температурный уровень работоспособности литейных интерметаллидных сплавов (а ) и жаропрочных сплавов (б )

Стремление к созданию высокотемпературных двигателей диктуется природой тепловых машин. При рассмотрении цикла Карно, лежащего в основе создания тепловых машин, в частности ГТД, видно, что коэффициент полезного действия (КПД) машины определяется только интервалом температур, в котором совершается работа:

где η - КПД тепловой машины; Т 1 - температура горячего источника, от которого рабочее тело (газ для ГТД) получает тепло для совершения работы; Т 2 - температура охлаждающей среды (для ГТД: Т 2 =Т атмосферы =300 К).

Следовательно η→1 при Т 1 →∞, т. е. высокотемпературные циклы обладают значительно более высоким КПД.

Цикл Карно является основным термодинамическим циклом. Он устанавливает предел превращения теплоты в работу при заданном температурном перепаде. Реальный КПД двигателя естественно будет меньше КПД цикла Карно при равных температурных перепадах.

Повышение КПД - это еще и рост экономических показателей двигателей, которые оцениваются удельным расходом топлива. Первые ГТД имели удельный расход топлива при работе на земле 1,3-1,5 кг топлива на 1 кг тяги в час, современные ТРД 0,7-0,9 кг топлива на 1 кг тяги в час, а ТРДД 0,5-0,7 кг топлива на 1 кг тяги в час.

Между конструкторами всего мира развернулась жесткая конкуренция по освоению предельно высоких температур газа перед турбиной, по снижению весовых характеристик машин, повышению их ресурса и надежности, технологичности конструкций и снижению при этом стоимости.

Таблица 3

Механические свойства литейных жаропрочных сплавов

Продолжение

Экономический фактор, ранее не считавшийся главным при создании военной авиационной техники, теперь является доминирующим. Так, стоимость одного самолета-истребителя превысила 10 млн долларов, создание стратегического бомбардировщика оценивается суммой более 21 млн долларов, один самолет Е-3А с системой AWACS стоит 111 млн долларов.

Освоение высоких температур газа перед турбиной идет в двух направлениях: конструктивные проработки систем внутреннего охлаждения лопаток и применение новых жаропрочных сплавов. Отсюда следует, что применение неохлаждаемых лопаток возможно лишь на малогабаритных или вспомогательных силовых установках или на установках наземного базирования. Авиационные перспективные двигатели будут иметь все более сложные системы охлаждения внутренних полостей лопаток вследствие высоких температур газа перед турбиной, уже сейчас превышающих температуру плавления сплава лопаток. Развитие систем охлаждения лопаток наглядно представлено на рис. 7, приведены поколения авиационных двигателей и соответствующие им температуры газов перед турбиной, внешний вид и сечения лопаток, рост температуры газов вследствие проведения конструктивных мероприятий и благодаря повышению работоспособности материалов лопаток .

Рис. 7. Развитие систем охлаждения лопаток (рост температуры газа перед турбиной и усложнение систем внутреннего охлаждения лопаток): 1 - температура газа; 2 - температура металла

На смену неохлаждаемым лопаткам, эксплуатирующимся при температурах ниже 1000°С, пришли лопатки с воздушным охлаждением, воздух для которых отбирается из последних ступеней компрессора. Эффективность охлаждения наглядно показана на рис. 8. При одинаковой температуре на входной кромке лопаток (950°С) температура газа перед турбиной в случае охлаждаемой лопатки повышена на 350°С.

Внутренние полости первых охлаждаемых лопаток были сформированы кварцевыми трубками подходящего диаметра. Затем появились лопатки с вставным дефлектором. В дальнейших разработках внутренние охлаждаемые полости лопаток формировались керамическими стержнями очень сложной геометрической формы. Внешний вид стержней, используемых для формирования охлаждаемых полостей, показан на рис. 9. Усложнение внутренних полостей лопаток позволяло снижать температуру материала лопаток и повышать температуру газов перед турбиной. Рост температуры газов перед турбиной при усложнении внутренних полостей охлаждения показан на рис. 7.

Рис. 8. Охлаждаемая (а ) и неохлаждаемая (б ) лопатки турбины

Рис. 9. Внешний вид керамических стержней для формирования внутренних полостей охлаждаемых лопаток

Рассмотрим более подробно технологию получения лопаток с проникающим (транспирационным) охлаждением, поскольку в ней сконцентрированы лучшие достижения в области создания керамических стержней особо сложной конструкции, разработки сплавов и технологии получения монокристаллов, а также в конструктивных особенностях самих лопаток. Для решения всего комплекса проблем потребовалось привлечение специалистов из многих лабораторий ВИАМ и ЦИАМ им. П.И. Баранова, а также заводских работников.

Формирование монокристаллической структуры в лопатках газовых турбин,

изготовленных из безуглеродистых жаропрочных сплавов,

Известно несколько схем проникающего (транспирационного) охлаждения: Lamilloy (фирма Allison Transmission, США), Transplay (фирма Rolls-Royce, Великобритания), Supercooling (фирма Pratt & Whitney, США).

Использование жаропрочных материалов с проникающей (транспирационной) системой охлаждения для изготовления деталей горячего тракта ГТД и ГТУ позволит создать стехиометрический двигатель, в котором температура газа в камере сгорания достигнет теоретической температуры горения топлива, а на входе в турбину 2200-2300 К. При одинаковой рабочей температуре для работы деталей с проникающей системой охлаждения (в силу ее эффективности) требуется меньшее (на 30-50%) количество охлаждающего воздуха, чем для работы деталей с традиционными видами охлаждения. Если же для охлаждения использовать одинаковое количество охлаждающего воздуха, то детали с проникающей системой охлаждения будут работать при более низкой температуре, что позволит увеличить (в 2-4 раза) их ресурс по сравнению с ресурсом деталей с другими системами охлаждения.

Разработаны деформируемые и литые жаропрочные материалы с проникающей системой охлаждения. Из деформируемых жаропрочных материалов изготовляют камеры сгорания и жаровые трубы, а из литых - сопловые и рабочие лопатки. По мнению зарубежных экспертов, именно материалы с проникающей системой охлаждения будут определять облик ГТД нового поколения.

В настоящее время существуют разнообразные конструкции систем проникающего охлаждения. Первая система, получившая название «Ламеллой», была разработана фирмой Allison Transmission и запатентована. Сначала материал с системой охлаждения «Ламеллой» изготавливали в виде листов (деформированный вариант), а в конце 1980-х гг. фирма разработала вариант литого монокристаллического материала с такой же системой охлаждения.

Необходимо отметить, что в новом литом материале с проникающей системой охлаждения успешно используются последние достижения в области:

Разработки конструкций эффективной проникающей системы охлаждения;

Создания сверхжаропрочных литейных сплавов;

Разработки технологии монокристаллического литья.

В ВИАМ работы по созданию материалов и деталей с проникающей системой охлаждения начаты в 1993 г. Первая оригинальная разработка была выполнена совместно с МГТУ им. Н.Э. Бауманаи получила название «Вихрепор» .

Для отработки технологии изготовления каналов и отверстий в тонких стенках с криволинейными поверхностями в ВИАМ и ЦИАМ им. П.И. Баранова создана конструкция имитационного трубчатого образца с системой аксиальных каналов прямоугольного сечения, а также входных и выходных отверстий (рис. 10).

Рис. 10. Имитационные трубчатые образцы с проникающей системой охлаждения:

а , б - образцы после литья и после механической обработки соответственно; в - закладной керамический элемент

Толщина стенок трубчатого образца переменная и изменяется в тех же пределах, что и в модельной лопатке газогенератора ВТ-68 конструкции ЦИАМ им. П.И. Баранова (от 3 (в корневом сечении) до 1,5 мм (в верхней части)). Разработана технология отливки такого образца с применением закладных керамических элементов, для изготовления которых, а также для модели трубчатого образца, спроектированы и изготовлены соответствующие пресс-формы.

Испытания образцов, проведенные в ЦИАМ им. П.И. Баранова, подтвердили эффективность проникающего охлаждения и перспективность его применения в лопатках двигателей следующего поколения.

Проникающая система охлаждения предполагает наличие в пере лопатки системы двух взаимосвязанных полостей:

Центральной - имеющей относительно простую форму;

Периферийной - представляющей собой разветвленные охлаждающие каналы в стенках лопатки, которые сообщаются с внутренней (центральной) полостью и имеют выход за пределы тела лопатки.

Для формирования каналов в стенках лопатки необходимы тонкие сложнопрофильные керамические стержни, изготовленные с высокой точностью. Использование такого стержня при литье лопаток должно обеспечить проникающую систему охлаждения лопатки - движение охлаждающего воздуха из центральной внутренней полости лопатки через отверстия в разветвленные, насыщенные штырьками каналы в стенках лопатки и далее через отверстия за пределы лопатки.

Требования, предъявляемые к конструкции лопатки:

Средняя толщина стенки

Диаметр отверстий подвода и выпуска воздуха 0,4-0,6 мм (шаг отверстий 4-6 мм);

Диаметр штырьков 0,6-0,8 мм (шаг штырьков 4-6 мм).

На основании этих данных можно сформулировать требования к керамическому стержню:

Толщина стержня 0,4-0,8 мм;

Диаметр штырьков 0,4-0,6 мм (формируют отверстия подвода и выпуска воздуха), шаг штырьков 4-6 мм;

Диаметр отверстий 0,6-0,8 мм (формируют штырьки), шаг отверстий 4-6 мм;

Длина стержня 50-100 мм;

Стержень должен быть химически инертным к металлическому расплаву.

Требования к прочности стержня, качеству поверхности, величине усадки, допусков и степени коробления такие же, как и для стандартных стержней.

Из ряда возможных схем охлаждения выбрана комбинированная схема, сочетающая струйный и проникающий способы охлаждения. Сущность предложенной схемы заключается в том, что охлаждающий воздух подается во внутреннюю полость лопатки и поступает в радиальные отверстия, соединенные с аксиальными каналами в профильной стенке лопатки. Столкновение воздушных струй с внутренней поверхностью горячей стенки обеспечивает струйное охлаждение. Затем воздух проникает через выходные отверстия на внешнюю горячую поверхность стенки, образуя защитную воздушную пленку (проникающее охлаждение). Струйное охлаждение зависит от скорости воздушных струй: чем выше скорость, тем эффективнее теплопередача между горячей стенкой и охлаждающим воздухом. Напротив, проникающее охлаждение тем эффективнее, чем ниже скорость просачивания воздуха через выходные отверстия. Эффективность проникающего охлаждения зависит от перепада давления воздуха и является функцией отношения суммарных площадей входных и выходных отверстий. По этой причине входные отверстия имеют меньший диаметр, чем выходные. Кроме того, чем тоньше горячая стенка, тем эффективнее проникающее охлаждение. Толщина горячей стенки составляет £0,5 мм.

Сочетание струйного и проникающего способов охлаждения является более эффективным по сравнению с применяемым в настоящее время пленочным охлаждением.

Практическая реализация предложенной схемы комбинированного охлаждения зависит от конструкции керамического стержня, оформляющего при литье радиальные входные и выходные отверстия, а также аксиальные каналы.

Предлагаемый составной керамический стержень состоит из основного стержня, оформляющего внутреннюю полость будущего изделия, и соединенных с ним специальным образом мини-стержней. Конструкция основного стержня определяется конструктивными особенностями внутренней полости изделия, а мини-стержни представляют собой керамические рамки прямоугольной или трапецеидальной формы. Внутри каждой рамки расположена тонкая продольная перегородка, которая с обеих сторон соединена перемычками с продольными стенками рамки, при этом оси перемычек смещены относительно друг друга. При кристаллизации изделия перегородка формирует канал в стенке будущего полого изделия, а перемычки - систему отверстий для подвода и выпуска охлаждающего воздуха. Геометрические размеры мини-стержней (диаметр и длина перемычек), расстояние между ними, площадь поперечного сечения центральной перегородки, толщина стенок рамки определяются габаритами отливаемого изделия, прежде всего, толщиной стенки полого изделия.

Экспериментальная рабочая лопатка высокотемпературного газогенератора,

изготовленная из монокристаллических сплавов ЖС32 или ЖС40,

с проникающей системой охлаждения

Экспериментальная рабочая лопатка с проникающим охлаждением разработана применительно к турбине газогенератора ВТ-68. Лопатка относительно небольших размеров: высота пера 46 мм, хорда 32 мм. Конструктивный облик лопатки определялся технологическими возможностями ее изготовления.

Специалистами ВИАМ и ЦИАМ им. П.И. Баранова предложено использовать составной керамический стержень, формирующий сложную систему каналов и отверстий в отливке лопатки после ее направленной кристаллизации. На центральный стержень устанавливают дополнительные стержни (закладные элементы) по количеству радиальных каналов, определяемому тепловым и гидравлическим расчетом. Закладные элементы позволяют получать отливку с радиальными каналами в стенке и отверстиями входа/выхода воздуха в эти каналы. Технология применения закладных элементов отрабатывалась при изготовлении полых цилиндрических образцов. Закладные элементы выполнены минимально возможного размера. При использовании этой технологии удалось расположить в лопатке только 6 радиальных каналов размером 2×0,5 мм и шагом ~5 мм. Рамочная конструкция обеспечивает жесткость и формоустойчивость мини-стержней при обжиге и литье, поэтому сводятся к минимуму такие дефекты, как коробление при обжиге, обламывание тонких перемычек при заливке расплава и его направленной кристаллизации. Таким образом, конструкция составного стержня обеспечивает в процессе литья формирование в стенке лопатки тонких каналов и связанных с ними входных и выходных отверстий для циркуляции воздуха, создавая тем самым высокоэффективную систему охлаждения .

Разработаны технологические режимы, по которым получена опытная партия лопаток (рис. 11).

Рис. 11. Температурные параметры процесса получения лопаток с проникающей системой охлаждения: ─ температура кристаллизатора (Al); ─ температура расплава в тигле; ─ , ─ печь подогрева форм (верх и низ)

Десять полученных лопаток подвергали тепловым испытаниям в ЦИАМ им. П.И. Баранова на установке У-276 . Лопатка спроектирована применительно к турбине высокотемпературного газогенератора ВТ-68. Внешний вид лопатки и часть ее поперечного сечения показаны на рис. 12. Микроструктура данной лопатки представлена на рис. 13.

Характерное значение расстояния между осями дендритов первого порядка составляет 120 мкм. Результаты испытаний показали, что средняя часть лопатки охлаждается очень эффективно. Достигнут коэффициент охлаждения (θ), равный 0,78-0,8. Коэффициент охлаждения связывает температуры газа перед турбиной (Т г), материала лопатки (Т л) и охлаждающего воздуха от компрессора (Т в) .

Рис. 12. Лопатка (спинка и корыто) (а ) и часть ее сечения (б ), на котором видны каналы проникающего охлаждения

Рис. 13. Микроструктура (×100) пера лопатки в поперечном сечении (характерное значение междендритного расстояния между осями первого порядка λ =120 мкм):

а - у входной кромки (верх); б -со стороны спинки (середина); в - у выходной кромки (низ)

Для оценки свойств двустенных лопаток разработаны специальные двустенные образцы, к которым после прожига отверстий (диаметром 0,5 мм) электроискровым способом и механической обработки припаивались захваты, позволяющие провести испытания на термостойкость. Жаропрочный сплав для отливки тонкостенных образцов, имитирующих двойную стенку лопатки с проникающим охлаждением, должен удовлетворять ряду требований:

Обладать высокими физико-механическими свойствами, в частности высоким сопротивлением термической усталости;

Быть склонен к формированию монокристаллической структуры в тонких (0,5 мм) сечениях;

Быть паспортизован и иметь невысокую стоимость.

С учетом этих требований проанализированы три жаропрочных никелевых сплава: ЖС32, ЖС36 и ЖС40, химический состав которых приведен в табл. 3.

В состав сплава ЖС32 входит углерод, который образует монокарбиды Ti, Ta, Nb. Известно, что карбиды являются очагами зарождения трещин, поэтому сплав ЖС32 обладает пониженным сопротивлением усталости, а также является дорогостоящим из-за высокого содержания рения.

Сплав ЖС36 не содержит углерода, хорошо формирует монокристаллическую структуру в тонких сечениях, более дешевый по сравнению со сплавом ЖС32.

Безуглеродистый сплав ЖС40 обладает высоким сопротивлением термоусталостному разрушению, относительно недорогой, однако требует сложной термической обработки.

Исходя из рассмотренных особенностей сплавов, для изготовления образцов выбран сплав ЖС36.

Для отливки двустенных монокристаллических образцов (рис. 14) использовали тугоплавкие затравки с кристаллографической ориентацией . Отливка образцов осуществлена на установках В-1790 и УВНК-9 с компьютерным управлением. В зависимости от установки, на которой проводили направленную кристаллизацию пластин, разработаны различные варианты сборки моделей в литейные блоки. Плоские пластины собирали по 6 шт. в блоке для установки В-1790 и по 9 шт. - для УВНК-9.

Рис. 14. Блоки двустенных монокристаллических образцов, имитирующих стенку лопатки с проникающим охлаждением

Керамический стержень из полученных образцов удаляли в бифториде калия. Растрав внутренней поверхности после операции удаления стержней не превышал
30 мкм.

В ЦИАМ им. П.И. Баранова проведены испытания на термическую усталость охлаждаемых образцов с перфорацией и без нее при следующих параметрах цикла: 1000⇄400°С, при растягивающем напряжении 196,2 и 98,1 МПа соответственно.

Испытания носили сравнительный характер с целью выяснения влияния перфорации образцов, имитирующих двойную стенку лопатки с проникающим охлаждением, на их термоусталостную прочность.

Долговечность двух перфорированных образцов составила 960 и 1157 циклов, тогда как образец без перфорации выдержал 3056 циклов. По расчетам ЦИАМ им. П.И. Баранова циклическая долговечность образца с отверстиями (коэффициент концентрации напряжений равен 2) при данном «жестком» цикле составляет 999 циклов и совпадает с экспериментальными значениями. Расчетная циклическая долговечность образцов без перфорации равна 12000 циклов, что в 4 раза превышает экспериментальные значения. Причина такого расхождения неизвестна.

Установлено, что термоусталостные трещины зарождаются на концентраторах напряжений на внутренней стенке образцов. В перфорированных образцах таковыми являются острые кромки отверстий и шероховатость, образовавшаяся в результате растрава. Кромки отверстий - более сильные концентраторы напряжений, поэтому они являются первичными очагами зарождения микротрещин, тогда как шероховатость внутренней поверхности служит источником множества вторичных очагов. В дальнейшем распространение микротрещин происходит с возрастанием скорости по мере приближения к месту долома. В сплошных образцах происходит многоочаговое зарождение микротрещин на шероховатостях внутренней поверхности, образовавшихся в результате растрава.

Конструктивная и технологическая проработка экспериментальной рабочей лопатки с использованием жестких стержней для организации системы проникающего охлаждения показала, что в лопатке относительно небольшого размера эффективность этого способа охлаждения не реализуется в полной мере, так как поместить нужное количество мини-стержней в объеме лопатки технически невозможно.

Разрабатываемое в ВИАМ второе направление технологии отливки лопаток на базе «гибких» керамических лент позволит качественно улучшить характеристики рабочих лопаток с проникающим охлаждением и является более перспективным.

Составной керамический стержень в случае применения «гибких» керамических лент также состоит из основного стержня, изготовленного по традиционной технологии, и дополнительного стержня в форме тонкой пластины с поверхностным рельефом и системой отверстий, эквидистантно огибающей профиль основного стержня. Основной и дополнительный стержни соединены клеящей суспензией . Процесс изготовления сложного керамического стержня включает следующие операции:

Изготовление основного керамического стержня из смеси огнеупорных порошков (заданного гранулометрического состава) и термопластификатора, прессование расплавленной стержневой массы и обжиг в засыпке адсорбента или керамическом драйере;

Прокатка гладкой ленты из смеси огнеупорных порошков (определенного гранулометрического состава) и полимерного связующего (толщина и ширина ленты зависят от геометрических размеров основного стержня);

Нанесение на поверхность ленты необходимого рельефа методом штамповки или прокатки в фигурных валках. Изготовленная таким образом рельефная лента в необожженном состоянии обладает достаточно хорошей гибкостью благодаря присутствию в ней полимерного связующего. Минимальный радиус кривизны при изгибе ленты без появления трещин и надрывов определяется ее толщиной, плотностью нанесения элементов рельефа, объемным наполнением огнеупорных порошков и типом полимерного связующего. Поскольку при прокатке площадь контакта валков с поверхностью ленты мала, то адгезионное сцепление в этом случае незначительно и можно получить ленту большой длины и ширины без повреждения элементов поверхностного рельефа;

Раскрой рельефной ленты на отдельные заготовки необходимых форм и размеров, которые и используются как дополнительные «гибкие» стержни;

Изготовление промежуточной модели на основном стержне;

Профилирование необожженного дополнительного стержня по контуру промежуточной модели с обеспечением плотного контакта и соединения элементов рельефа с криволинейной поверхностью основного стержня. Эта операция осуществляется в обжимном штампе либо по всей поверхности основного стержня, либо в определенных местах. Во избежание повреждения выступающих элементов рельефа при изгибе дополнительного стержня, предусмотрено изготовление специальных пазов на профильных поверхностях штампа. Этим достигается постоянство зазора (0,5-0,8 мм) между основным и дополнительным стержнем, что гарантирует получение необходимой геометрической формы составного стержня с заданной точностью;

Удаление промежуточной модели;

Совместный высокотемпературный обжиг основного и соединенного с ним дополнительного стержня. В процессе обжига происходит выгорание связующего, спекание порошковых частиц и превращение заготовки в сложный единый стержень. При обжиге происходит спекание дополнительного стержня в местах контакта элементов рельефа с поверхностью основного стержня. Точное соединение возможно только в том случае, если температурные коэффициенты линейного расширения и усадка обоих элементов составного стержня близки. Обжиг составного стержня для обеспечения стабильности размеров следует производить в керамическом драйере.

Для практической отработки технологии получения монокристаллических лопаток с проникающей системой охлаждения с использованием гибких керамических пленок была выбрана лопатка первой ступени энергетической турбины ГТЭ-25.

Основной стержень изготавливали по серийной технологии из смеси огнеупорных порошков Al 2 O 3 . Дополнительный стержень изготавливали в две стадии:

Прокаткой получали гладкую ленту из смеси порошков Аl 2 О 3 заданного гранулометрического состава и полимерного связующего;

Методом прессования наносили двухсторонний рельеф. В данном случае элементы рельефа имели вид штырьков высотой 0,9 мм и диаметром 0,8 мм; толщина ленты
0,7 мм; диаметр отверстий 0,9 мм. Далее вырезали заготовку размером 50×50 мм.

Из-за отсутствия необходимой оснастки разработчики вынуждены были осуществить профилирование и соединение плоской заготовки с основным стержнем вручную. Склеивание основного стержня и заготовки осуществлено с помощью клеящей суспензии на основе ЭТС-40. Профилирование проводили только вокруг входной кромки основного стержня в его верхней части. Далее проводили высокотемпературный обжиг составного стержня при 1300-1350°С.

Прокаленный составной стержень устанавливали в модельную пресс-форму и по стандартной технологии изготавливали восковую модель. Торцы штырьков полностью очищали от модельной массы. Затем по промышленной технологии изготавливали керамическую оболочковую форму, которую после прокалки заливали на установке В-1790 жаропрочным сплавом ЖС40. Плавку, заливку и направленную кристаллизацию жаропрочного сплава проводили по режимам, обеспечивающим заполнение тонких каналов и получение монокристаллической структуры в отливке. Из полученной отливки по заводской технологии в бифториде калия удаляли стержень. Отлита опытная партия лопаток, три лопатки из которой отправлены в соответствии с контрактом №150-96-191-840 на фирму HOWMET. В верхней части со стороны входной кромки лопатки имели двойные стенки (рис. 15). На фирме HOWMET лопатки подробно исследованы визуально, с помощью методов компьютерной томографии и металлографии. Установлено, что лопатки имеют макро- и микроструктуру (рис. 15, в ), типичную для монокристаллов с КГО . Взаимодействие между металлом и формой, а также между металлом и стержнем отсутствует. Отмечен значительный разброс значений толщины стенки, что вызвано применением временной оснастки и ручной сборки составного стержня. В местах контакта дополнительного стержня с основным стержнем заусенцев не обнаружено, т. е. в местах контакта нет трещин. Таким образом, в ВИАМ разработаны и успешно опробованы технологии двойного стержня и монокристаллического литья, несмотря на необходимость дальнейших исследований по достижению равномерной толщины стенок профиля .

Рис. 15. Лопатка ГТЭ-25 с дополнительной охлаждающей полостью в верхней части входной кромки, сформированной по технологии с применением «гибкого» стержня:

а - общий вид; б , в - сечения (×5 и ×32 соответственно)

В ЦИАМ им. П.И. Баранова лопатки с дополнительными полостями охлаждения, сформированными по технологии «гибких» стержней, не испытывали, однако на основании испытаний лопаток с закладными элементами в работе сделан вывод о еще большей перспективности (в смысле улучшения охлаждения) лопаток, получаемых с использованием технологии «гибких» стержней.

Выводы

На основании анализа научных направлений развития авиационных двигателей сделан вывод о перспективности применения лопаток с проникающим (транспирационным) охлаждением, которые определят облик двигателя нового поколения.

Разработаны научные подходы к созданию лопаток с транспирационным охлаждением: организация охлаждения с помощью «закладных» элементов и применения «гибких» стержней.

Создана уникальная опытно-промышленная технологии получения охлаждаемых лопаток принципиально новой конструкции, которая включает достижения трех основных направлений развития высокотемпературных материалов в области:

Создания безуглеродистых ренийсодержащих сплавов;

Технологии монокристаллического литья с заданными кристаллографической ориентацией и размером структурных составляющих;

Создания конструктивных схем охлаждения, обеспечивающих коэффициенты охлаждения ≥0,8.

Отработаны основные температурно-скоростные параметры получения монокристаллических трубчатых, а также полых прямоугольных образцов, лопаток для изделия «88» с закладными элементами, лопаток типа ГТН-25 с «гибкими» стержнями на входной кромке и модельных лопаток с дополнительными охлаждающими полостями на корыте и спинке для перспективных изделий. Получена опытная партия деталей всех вышеперечисленных наименований.

Лопатки с закладными элементами прошли испытания в ЦИАМ им. П.И. Баранова на установке У-276. Достигнута величина коэффициента охлаждения 0,78-0,8, что позволит создать стехиометрическийдвигатель с температурой газа перед турбиной, приближающейся к теоретически возможной температуре сгорания топлива.

Исследованы структура и КГО полученных деталей с транспирационным охлаждением. Отклонение кристаллографической ориентации всех деталей находится в пределах 10 град от КГО . Расстояние между осями дендритов первого порядка в сечении пера составляет 120-150 мкм. Монокристаллическая структура формируется во всех конструктивных элементах лопаток.

Получение монокристаллических лопаток с проникающим (транспирационным) охлаждением является уникальным достижением литейной технологии.

В настоящее время идет бурное развитие высоких технологий, в частности развитие аддитивных технологий производства разнообразных деталей, которое может в корне изменить всю существующую систему производственных отношений.

Аддитивные технологии - комплекс принципиально новых производственных процессов, в которых изготовление изделия происходит путем добавления (англ. Add - добавлять) материала, в отличие от традиционных технологий, где деталь создается методом удаления лишнего.

Аддитивные технологии открывают фантастические возможности для получения лопаток, в том числе с проникающим (транспирационным) охлаждением. При этом не требуется использования керамических форм и ажурных стержней со сложной технологией производства, а также литейного оборудования с высоким энергопотреблением. Академик Е.Н. Каблов в одной из своих статей , затрагивая тему аддитивных технологий, пишет, что хотел бы «напечатать» целый самолет (с помощью 3D-принтера).

В ВИАМ по аддитивной технологии уже изготавливают детали сложной геометрической формы (например, завихритель топлива камеры сгорания современного двигателя).

Применительно к лопаткам ГТД целесообразно использовать часть (например, замок) монокристаллической лопатки и, используя ее как затравку, эпитаксиальным наращиванием слоев жаропрочного сплава (путем нанесения по заданной программе капель или порошков) получать детали с заданными полостями и каналами внутренней полости без использования керамических форм и стержней.

В ВИАМ эта задача еще не решена. Однако в США имеется патент , согласно которому получают лопатки с проникающей системой охлаждения (рис. 16) из интерметаллидного сплава.

Рис. 16. Схема лопатки из интерметаллидного сплава, полученной по аддитивной технологии согласно пат. 5312584 US

Большое количество молодых талантливых специалистов, пришедших работать в ВИАМ, и то внимание, которое уделяется развитию аддитивных технологий, позволяют надеяться на успешное решение задачи получения лопаток ГТД (в том числе с проникающим охлаждением).

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 9.5. «Направленная кристаллизация (с переменным управляемым градиентом) высокотемпературных жаропрочных сплавов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») .

ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST

1. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия / под общ. ред. Е.Н. Каблова. 2-е изд. М.: Наука, 2006. 632 с.
2. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1998. 464 с.
3. Курц В., Зам П.Р. Направленная кристаллизация эвтектических материалов. М.: Металлургия, 1980. С. 91–96.
4. Эвтектический сплав на основе никеля: а. с. 1111500; опубл. 09.06.83.
5. Сплав на основе никеля: а. с. 1358425; опубл. 08.08.87.
6. Кишкин С.Т., Петрушин Н.В., Светлов И.Л. Эвтектические жаропрочные сплавы // Авиационные материалы на рубеже ХХ–ХХI веков: науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 1994. С. 252–258.
7. Bibring H. Conception et etude d eutectiques orientes fortement solicites en temperature et en contraite // Ann. Chim. 1980. V. 5. №2–3. P. 111–138.

9. СР. 1.2.010–84. Сертификат на сплав ВКЛС20. М.: ВИАМ, 1984.
10. Герасимов В.В., Демонис И.М. Формирование композиционной структуры в эвтектических сплавах при получении лопаток ГТД // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №6. Ст. 01. URL: http://www..02.2014).
11. Вестбрук Д. Исследования и перспективы применения интерметаллических соединений // Металловедение и термическая обработка. 1971. №4. С. 74–80.
12. Корнилов И.И. Металлиды – материалы с уникальными свойствами // Вестник АН СССР. 1970. №12. С. 30–33.
13. Химический энциклопедический словарь / под ред. И.Л. Кнунянц. М.: Советская энциклопедия, 1983. 792с.
14. 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: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33
15. Каблов Е.Н., Бунтушкин В.П., Базылева О.А. Литые лопатки из интерметаллидов никеля (Ni3Al) для высокотемпературных газовых турбин // Конверсия в машиностроении. 2004. №4. С. 57–59.
16. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. C. 19–36.
17. Герасимов В.В., Петрушин Н.В., Висик Е.М. Усовершенствование состава и технология литья монокристаллических лопаток из жаропрочного интерметаллидного сплава // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №3. Ст. 01. URL: http://www..04.2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-3-1-1.
18. Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения // Крылья Родины. 2012. №3–4. С. 34–38.
19. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В. Компьютерный метод конструирования литейных жаропрочных никелевых сплавов // Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина. М.: Наука, 2006. С. 56–78.
20. Полая лопатка «Вихрепор»: пат. 2078946 Рос. Федерация; опубл. 13.05.96.

22. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Демонис И.М., Фоломейкин Ю.И. Монокристаллические лопатки с транспирационным охлаждением для высокотемпературных газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии: науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 2003. Вып. Высокожаропрочные материалы для современных и перспективных газотурбинных двигателей и прогрессивные технологии их производства. С. 24–33.
23. Скибин В.А., Солонин В.И., Дульнев А.А. Перспективы развития газотурбинных двигателей // Газотурбинные технологии. 2000. №2. С. 4–14.
24. Герасимов В.В., Висик Е.М., Колядов Е.В. О неиспользованных резервах направленной кристаллизации в повышении эксплуатационных характеристик деталей ГТД и ГТУ // Литейное производство. 2013. №9. С. 30–32.
25. Составной керамический стержень: пат. 2094163 Рос. Федерация; опубл. 27.10.97.

27. Каблов Е.Н. Чтобы собрать самолет по атомам // Индустрия. Инженерная газета. 2015. №12. С. 1–2.

1. Litye lopatki gazoturbinnyh dvigatelej: splavy, tehnologii, pokrytiya / pod obshh. red. E.N. Kablova. 2-e izd. . M.: Nauka, 2006. 632 s.
2. Kablov E.N., Golubovskij E.R. Zharoprochnost nikelevyh splavov: ucheb. posobie . M.: Mashinostroenie, 1998. 464 s.
3. Kurc V., Zam P.R. Napravlennaya kristallizaciya evtekticheskih materialov . M.: Metallurgiya, 1980. S. 91–96.
4. Evtekticheskij splav na osnove nikelya: a. s. 1111500 ; opubl. 09.06.83.
5. Splav na osnove nikelya: a. s. 1358425 ; opubl. 08.08.87.
6. Kishkin S.T., Petrushin N.V., Svetlov I.L. Evtekticheskie zharoprochnye splavy // Aviacionnye materialy na rubezhe XX–XXI vekov: nauch.-tehnich. sb. M.: VIAM, 1994. S. 252–258.
7. Bibring H. Conception et etude d" eutectiques orientes fortement solicites en temperature et en contraite // Ann. Chim. 1980. V. 5. №2–3. P. 111–138.
8. Khan T. Further Assessment and Improvement of High Strength y/y`-NbC. Composites for Advanced Turbine Blades // Proc. Conf. On in Situ Composites III. 1979. P. 378–389.
9. SR. 1.2.010–84. Sertifikat na splav VKLS20 . M.: VIAM, 1984.
10. Gerasimov V.V., Demonis I.M. Formirovanie kompozicionnoj struktury v evtekticheskih splavah pri poluchenii lopatok GTD // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №6. St. 01. Available at: http://www..
11. Vestbruk D. Issledovaniya i perspektivy primeneniya intermetallicheskih soedinenij // Metallovedenie i termicheskaya obrabotka. 1971. №4. S. 74–80.
12. Kornilov I.I. Metallidy – materialy s unikal"nymi svojstvami // Vestnik AN SSSR. 1970. №12. S. 30–33.
13. Himicheskij enciklopedicheskij slovar / pod red. I.L. Knunyanc . M.: Sovetskaya enciklopediya, 1983. 792s.
14. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
15. Kablov E.N., Buntushkin V.P., Bazyleva O.A. Litye lopatki iz intermetallidov nikelya (Ni3Al) dlya vysokotemperaturnyh gazovyh turbin // Konversiya v mashinostroenii. 2004. №4. S. 57–59.
16. Ospennikova O.G. Strategiya razvitiya zharoprochnyh splavov i stalej specialnogo naznacheniya, zashhitnyh i teplozashhitnyh pokrytij // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 19–36.
17. Gerasimov V.V., Petrushin N.V., Visik E.M. Usovershenstvovanie sostava i tehnologiya lit"ya monokristallicheskih lopatok iz zharoprochnogo intermetallidnogo splava // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2015. №3. St. 01. Available at: http://www.. DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-3-1-1.
18. Kablov E.N., Lomberg B.S., Ospennikova O.G. Sozdanie sovremennyh zharoprochnyh materialov i tehnologij ih proizvodstva dlya aviacionnogo dvigatelestroeniya // Krylya Rodiny. 2012. №3–4. S. 34–38.
19. Kablov E.N., Petrushin N.V. Kompyuternyj metod konstruirovaniya litejnyh zharoprochnyh nikelevyh splavov // Litejnye zharoprochnye splavy. Effekt S.T. Kishkina. M.: Nauka, 2006. S. 56–78.
20. Polaya lopatka «Vihrepor»: pat. 2078946 Ros. Federaciya ; opubl. 13.05.96.
21. Single-cast high-temperature, thin wall structure and method of making the same: pat. 5295530 US; publ. 22.03.94.
22. Kablov E.N., Svetlov I.L., Demonis I.M., Folomejkin Yu.I. Monokristallicheskie lopatki s transpiracionnym ohlazhdeniem dlya vysokotemperaturnyh gazoturbinnyh dvigatelej // Aviacionnye materialy i tehnologii: nauch.-tehnich. sb. M.: VIAM, 2003. Vyp. Vysokozharoprochnye materialy dlya sovremennyh i perspektivnyh gazoturbinnyh dvigatelej i progressivnye tehnologii ih proizvodstva. S. 24–33.
23. Skibin V.A., Solonin V.I., Dulnev A.A. Perspektivy razvitiya gazoturbinnyh dvigatelej // Gazoturbinnye tehnologii. 2000. №2. S. 4–14.
24. Gerasimov V.V., Visik E.M., Kolyadov E.V. O neispolzovannyh rezervah napravlennoj kristallizacii v povyshenii ekspluatacionnyh harakteristik detalej GTD i GTU // Litejnoe proizvodstvo. 2013. №9. S. 30–32.
25. Sostavnoj keramicheskij sterzhen: pat. 2094163 Ros. Federaciya ; opubl. 27.10.97.
26. Bouse G.K. and Sikkenga B. Characterization of Double Walled Single Crystal Turbine Blades From Russian VIAM Institute // Technical Report №1058/A. Howmet Corporation. 1997. 11 p.
27. Kablov E.N. Chtoby sobrat samolet po atomam // Industriya. Inzhenernaya gazeta. 2015. №12. S. 1–2.
28. Moldless/coreless single crystal castings of nickel-aluminide: pat. 5312584 US; publ. 17.05.94.
29. Veys J.M., Mevrel R. Influence of Protective Coatings on the Mechanical Properties of CMSX-2 and Cotac 784 // Materials Science and Engineering. 1987. №88. P. 253–260.

Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.

Актуальность работы

Ресурс и надежность авиационных двигателей в основном определяются несущей способностью лопаток компрессора (рис. 1), являющихся наиболее ответственными и высоконагруженными деталями, испытывающими в процессе эксплуатации значительные знакопеременные и циклические нагрузки, которые воздействуют на них с большими частотами. Лопатки компрессора самая массовая, высоконагруженная и ответственная деталь авиационного двигателя.
Особенностью лопаток компрессора, имеющих тонкие входные и выходные кромки и изготовленных из титановых сплавов, весьма чувствительных к концентрации напряжений, является то, что они первыми встречаются с инородным телом (птица, град и др.), попавшим в тракт двигателя.
Риски, забоины, эрозионные повреждения и др. дефекты значительно увеличивают уровень локальных вибронапряжений, что резко снижает прочностные характеристики лопаток. Поэтому создание благоприятного сочетания свойств поверхностного слоя на финишных отделочно-упрочняющих операциях оказывает большое влияние на повышение несущей способности лопаток ГТД. Актуальной задачей является оценка влияния поверхностного деформационного упрочнения на ударную прочность лопаток при соударении с посторонними предметами.

Рисунок 1 - Модель лопатки компрессора ГТД (10 кадров, 20 циклов)

Цель и задачи работы

Цель работы - повышение долговечности и качества лопаток компрессора ГТД за счет совершенствования структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД.

Основные задачи работы:
1.) Провести анализ современного состояния структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД;
2.) Исследовать возможности повышения долговечности лопаток компрессора путем нанесения ионно-плазменных покрытий;
3.) Выполнить эксперименты по исследованию свойств износостойкого ионно-плазменного покрытия;
4.) Разработка рекомендаций по совершенствованию структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в разработке рекомендаций по совершенствованию структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД и создании оптимальной структуры технологического процесса обработки лопаток компрессора ГТД. Также данная работа предусматривает решение проблемы долговечности и износостойкости лопаток компрессора ГТД.

Основная часть

Компрессорные лопатки газотурбинного двигателя

Лопатки ГТД работают в условиях высоких температур, достигающих для турбины свыше 1200°С, для компрессора свыше 600°С. Многократное изменение тепловых режимов работы двигателя - быстрый нагрев в момент запуска и быстрое охлаждение при остановке двигателя - вызывает циклическое изменение термических напряжений, характеризуемое как тепловая усталость (рис. 2). Кроме этого, профильная часть пера и хвостовик лопатки, помимо растяжения и изгиба от центробежных сил, изгиба и крутящего момента от скоростного газового потока, испытывают знакопеременные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах.

Рисунок 2 - Схема движения газовых потоков в ГТД (3 кадра)

Надежность работы рабочих лопаток компрессора и турбины зависит не только от их конструктивной прочности, сопротивления циклическим и длительным статическим нагрузкам, но и от технологии их изготовления, которая непосредственно влияет на качество поверхностного слоя хвостовика и пера лопаток. В поверхностном слое образуются конструктивные и технологические концентраторы напряжений, он испытывает влияние наклепа и внутренних остаточных напряжений от механической обработки. Кроме того, поверхностный слой подвергается воздействию внешних нагрузок при основных видах напряженного состояния (изгибе, растяжении, кручении) внешней среды. Эти негативные факторы могут привести к разрушению лопатки, и, следовательно, к выходу из строя газотурбинного двигателя.
Производство лопаток ГТД занимает особое место в авиадвигателестроении, что обуславливается рядом факторов, главными из которых являются:
сложная геометрическая форма пера и хвостовика лопаток;
высокая точность изготовления;
применение дорогостоящих материалов, таких, как легированные стали и титановые сплавы;
массовость производства лопаток;
оснащенность технологического процесса дорогостоящим специализированным оборудованием;
высокая трудоемкость изготовления.
Для производства лопаток ГТД на сегодняшний день характерны следующие виды механической обработки:
протягивание;
фрезерование;
вальцевание;
полирование;
виброполирование или виброшлифование;
термообработка .

Формирование поверхностного слоя на финишных операциях изготовления лопаток

При изготовлении лопаток ГТД на их поверхностях образуются микронеровности, риски, а в поверхностном слое происходят структурные и фазовые превращения. Кроме того, в поверхностном слое наблюдается повышение твердости металла и формирование остаточных напряжений.
В условиях эксплуатации поверхностный слой воспринимает наибольшие нагрузки и подвергается физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, коррозионному и др.
В большинстве случаев у лопаток ГТД начинают ухудшаться служебные свойства поверхности из-за износа, эрозии, коррозии, зарождения усталостных трещин, что может привести к отказу.
После финишной обработки различают такие дефекты поверхности: риски, царапины, задиры, вмятины, поры, трещины, заусеницы и др.
Физико-механические свойства поверхностного слоя, созданные при изготовлении лопаток, во время эксплуатации существенно изменяются под действием силовых, температурных и других факторов.
Поверхность детали по сравнению с сердцевиной имеет ряд особенностей. Атомы, которые находятся на поверхности, имеют односторонние связи с металлом, поэтому находятся в неустойчивом состоянии и обладают избыточной энергией по сравнению с атомами, находящимися внутри.
В результате диффузии, особенно при воздействии повышенных температур, в поверхностном слое возникают химические соединения основного металла с проникающими извне веществами. При повышенных температурах усиливается диффузионная подвижность атомов, приводящая к перераспределению концентрации легирующих элементов. Диффузия в поверхностном слое оказывает заметное влияние на свойства металлов. Это особенно характерно для такой операции, как шлифование, когда в зоне обработки наблюдается высокая температура.
Основными причинами возникновения макронапряжений при механической обработке является неоднородность пластической деформации и локальный нагрев металла поверхностного слоя, а также фазовые превращения.
Степень и глубина наклепа поверхностного слоя деталей обусловлены режимами механической обработки и непосредственно связаны с увеличением количества дислокаций, вакансий и др. дефектов кристаллической решетки металла.
Поверхностный слой деталей ГТД формируется в результате взаимосвязанных явлений, происходящих в очаге деформирования и прилегающих к нему зонах: многократных упруго-пластических деформаций, изменения пластических свойств металла, трения, изменения микро и макроструктуры и др.
При упрочнении в результате деформирования поверхностного металла и работы трения выделяется теплота, которая нагревает деталь. При интенсивных режимах обработки локальные участки поверхностных слоев нагреваются, при выглаживании - до 600-700 °С, при ударных методах - до 800-1000 °С .
Такой нагрев приводит к снижению уровня остаточных сжимающих напряжений у поверхности, что может привести к уменьшению эффекта упрочнения. В некоторых случаях происходит превращение сжимающих напряжений в растягивающие.
Основной причиной упрочнения является повышение плотности дислокаций, скапливающихся вблизи линий сдвигов, и последующая их остановка перед различного рода препятствиями, образующимися в процессе деформирования или существовавшими до него. Дробление на блоки объемов металла, заключенных между плоскостями скольжения, поворот этих блоков, искривление плоскостей скольжения и накопление на них продуктов разрушения кристаллической решетки способствуют увеличению неровностей по плоскостям скольжения, а следовательно, и упрочнению.
При механической обработке деталей образование остаточных напряжений связано с неравномерной пластической деформацией поверхностных слоев, которая протекает при взаимодействии силового и теплового факторов.
Деформация сопровождается неравномерными по глубине и взаимосвязанными между собой процессами сдвига, переориентации, дробления, удлинения или укорочения составляющих структуры. В зависимости от характера деформаций наблюдается увеличение плотности материала детали.
При жестких режимах упрочнения может происходить перенаклеп, в результате которого в поверхностном слое появляются опасные микротрещины и намечается образование частичек отслаивающегося металла. Перенаклеп - необратимый процесс, при котором нагрев не восстанавливает исходную структуру металла и его механические свойства.

Виброабразивная обработка лопаток

Лопатки являются характерными массовыми деталями авиационных ГТД, работают в условиях высоких статических, динамических и термических нагрузок и во многом определяют ресурс и надежность работы двигателя в целом.
Для их изготовления используются высокопрочные титановые сплавы, нержавеющие стали, жаропрочные сплавы на основе никеля, а также композиционные материалы.
Трудоемкость изготовления лопаток в большинстве конструкций ГТД составляет 30-40 % общей трудоемкости двигателя. Эта особенность, наряду с условиями работы лопатки в двигателе, требует использования в производстве прогрессивных методов получения заготовок, современных технологий обработки, особенно на финишных операциях, механизации и автоматизации технологических процессов.
В эксплуатации авиационных ГТД из всех отказов по причинам прочностных разрушений деталей на лопатки приходится около 60%. Подавляющее большинство разрушений лопаток носит усталостный характер. Этому нередко способствуют повреждения лопаток, вызванные попаданием в тракт двигателя твердых частиц (камней при рулении на земле, птиц в полете и т.п.). Это вызывает потребность иметь достаточно высокий запас циклической прочности лопаток, а также принимать специальные технологические и конструктивные меры по повышению их живучести в случае получения повреждений (забоин).
В зависимости от условий работы в двигателе уровень переменных напряжений в лопатках обычно находится в пределах 40-160 МПа, а с учетом необходимого запаса прочности их предел выносливости требуется, как правило, в диапазоне 300-500 МПа. Сопротивление усталости лопатки зависит от материала, конструкции лопатки, технологии ее изготовления, но в любом случае на величину предела выносливости очень сильно влияет состояние поверхностного слоя. Основными факторами, влияющими на качество поверхностного слоя, являются:
- остаточные напряжения - их знак, величина, глубина залегания, характер распределения по сечению детали и др.;
- микрорельеф поверхности - величина и характер микронеровностей, наличие рисок;
- структура поверхностного слоя .
Актуальность задач по повышению сопротивления усталости лопаток привела к разработке и внедрению специальных методов обработки и внедрению в отрасли ряда специальных методов обработки их поверхности.
Место виброабразивной обработки в технологическом процессе механообработки лопаток, как правило, финишный процесс, выполняемый на завершающей стадии обработки. В зависимости от материала лопатки, вида предшествующей обработки, и исходной величины микронеровностей поверхности и некоторых других факторов назначаются режимы обработки - частота и величина амплитуды колебаний, характеристики рабочих тел (бой абразива, формованные вибротела, керамические, стеклянные или металлические шары, деревянные кубики и др.), соотношения масс и др. Это позволяет достигать желаемого результата в достаточно широком диапазоне исходных состояний поверхности. Так, для компрессорных лопаток малых и средних габаритов из стальных и титановых сплавов окончательной формообразующей операцией является холодное вальцевание с последующим скруглением кромок абразивным кругом. В этом случае шероховатость поверхности Rа=1,6 и выше, поэтому используются «мягкие» режимы виброобработки для выравнивания микронеровностей по поверхности и создания сжимающих напряжений в поверхностном слое. При этом применяется обработка «внавал», (без закрепления деталей) в торообразных вибромашинах. В ряде случаев технология обработки предусматривает на окончательных операциях абразивное шлифование с последующим полированием поверхности пера лопатки. Такие лопатки подвергаются более интенсивной виброабразивной обработке для снятия микронеровностей и обеспечения в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.
Реализовать эффективную виброобработку крупных лопаток турбомашин значительно сложнее. Большая масса таких деталей с учетом веса контейнера и рабочей среды делают проблематичным создание вибромашины с приемлемыми частотой и амплитудой колебаний в двух или трех координатах из-за резкого роста потребной мощности приводов и динамических перегрузок элементов машин. Кроме того, такие детали имеют худшее качество исходной поверхности, что снижает производительность обработки.
На предприятии «Мотор Січ» используется метод продольной однокоординатной виброобработки в замкнутом контейнере (ПОВО).
В традиционных отечественных и зарубежных виброабразивных машинах сыпучий наполнитель приводится в движение от колебательных движений днища контейнера, расположенного всегда снизу. При этом наполнитель возвращается обратно свободным падением. Эффективность такого метода недостаточно высока.
Процесс виброабразивной обработки деталей значительно активизируется и интенсифицируется внутри закрытого контейнера с двумя днищами, расположенными напротив друг друга, если сыпучий наполнитель активно колеблется между ними, получая кинетическую энергию толчка от каждого днища. Интенсивность соударений наполнителя с обрабатываемой деталью существенно возрастает. Боковые стенки контейнера выполняются наклонными (коническими), это создает дополнительное обжатие ими наполнителя во время его движения, что увеличивает силы динамического воздействия между абразивным наполнителем и стенками контейнера, внутри которого располагаются обрабатываемые детали ГТД в закрепленном или свободном состоянии.
При виброобработке указанным методом абразивными гранулами и стальными калеными шариками происходят более интенсивные, чем в традиционных вибромашинах, съем металла с поверхности и поверхностное микродеформирование деталей, что увеличивает величину и глубину залегания поверхностных сжимающих напряжений и повышает сопротивление усталости деталей.
На рисунке 3 представлены кривые изменения шероховатости поверхности лопаток из стали 14Х17Н2Ш от продолжительности обработки на виброустановке с U-образным контейнером.

Рисунок 3 – Зависимость шероховатости от виброабразивной обработки в U-образном контейнере (1) и методом ПОВО (2)

Достижение шероховатости Ra=1.5 мкм методом ПОВО, как следует из рис.3, происходит примерно за 30 мин, а обычной виброабразивной обработкой - 1,5 ч.
Исследование виброабразивной обработки турбинных и компрессорных лопаток показывает преимущества этого процесса по сравнению с полированием и глянцеванием вручную. Результаты исследования показали, что предел выносливости лопаток, подвергнутых виброшлифованию и виброполированию, составляет 410 МПа и удовлетворяет требованиям ТУ. Величина и характер остаточных напряжений исследуемых лопаток более благоприятны, чем на лопатках с полированием и глянцеванием вручную.

Заключение

Большое значение в решении проблемы обеспечения ресурса и надежности авиационных ГТД, а также создания двигателей новых поколений имеет разработка, совершенствование и создание новых технологических процессов, методов обработки деталей и оборудования, которые повышают не только производительность, но и качество изготовления.
Появление современных типов и модификаций авиационных двигателей непрерывно сопровождается новыми конструкторскими решениями, влекущими за собой технологические трудности. Для их своевременного преодоления и сокращения разрыва между «идеальной», с точки зрения конструкции, и «реальной», с точки зрения технологии изготовления детали, необходимо активно внедрять в производство прогрессивные методы механической и отделочно-упрочняющей обработки.

Литература

1. Богуслаев В. А., Яценко В.К., Притченко В.Ф. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД. -К.: Издательская фирма «Манускрипт», 1993. - 332 с.
2. Дриггс И. Г., Панкастер О. Е. Авиационные газовые турбины. Пер. с англ. Г.Г. Миронова. - М., Оборонгиз, 1957 - 265 с.
3. Жирицкий Г. С. Авиационные газовые турбины. -М., Оборонгиз, 1950 - 511 с. 4. Доронин Ю.В., Макаров В.Ф. Причины образования дефектов на профиле пера титановых лопаток при полировании.// Там же. – 1991. - №12. – С. 17- 19
5. Колощук Э.М., Шаботенко А.Г., Хазанович С.В. Объемная виброабразивная обработка деталей ГТД. // Авиац. прои-сть. – 1973. - №6. С7 13 -16
6. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Жеманюк П.Д., Пухальская Г.В., Павленко Д.В., Бень В.П. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД – Запорожье, изд. ОАО «МоторСич», 2005 г. – 559 с.
7. Демин Ф. И., Проничев Н. Д., Шитарев И. Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. - М.: Машиностроение. 2002. - 328 с.; ил.
8. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: МашиностроениеЮ, 1988.240с.
9. Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели: Учебник для студентов авиационных вузов. М.: Машиностроение, 1969-544 с.
10. Маталин А. А. Технология машиностроения: Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1985-512 с.
11. http://www.nfmz.ru/lopatki.htm
ОАО «Наро-Фоминский машиностроительный завод» Компрессорные лопатки ГТД
12. http://www.nfmz.ru/lopatki.htm
Д.т.н. Юрий Елисеев, генеральный директор ФНПЦ ММПП "Салют", Перспективные технологии производства лопаток ГТД

Важное замечание!
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) из материалов, способных деформироваться в холодном или горячем состоянии. Изготавливают заготовку лопатки. Образовывают аэродинамический профиль в каждом сечении пера. Образовывают хвостовик. Проводят отделочные операции. Образование аэродинамического профиля и хвостовика осуществляют одновременной закруткой пера и хвостовика и их калибровкой в штампе. Плоскую заготовку изготавливают с сечениями, площадь и протяженность которых равна соответственно площади соответствующих сечений отштампованной лопатки и протяженности хорд данных сечений. В результате обеспечивается увеличение коэффициента использования металла и точности изготовления, повышение качества широкохордных лопаток ГТД и снижение затрат времени. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) из материалов, способных деформироваться в холодном или горячем состоянии.

В современных конструкциях вентиляторов авиационных двигателей широкое применение находят крупногабаритные широкохордные лопатки, позволяющие существенно снизить шумность вентилятора, увеличить тягу и в целом повысить экономичность газотурбинного двигателя.

Известны традиционные технологии производства лопаток, включающие в себя изготовление штамповкой заготовки лопатки с поэтапной закруткой профиля пера и припусками по перу и замку, с последующим удалением припусков обработкой резанием, электрофизическими и иными методами (Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство лопаток газотурбинных двигателей. М., "Машиностроение / Машиностроение - Полет", 2002 г., стр.66-100, 101-197).

Данный способ становится чрезвычайно трудоемким и металлозатратным при производстве широкохордных лопаток из-за их больших габаритов (длина может достигать 1,5 м, при отношении высоты к хорде менее 2) и сложной геометрической формы.

Сложная конфигурация предварительных переходов снижает технологичность выполнения сопутствующих операций, начиная от зачистки дефектов штамповки, до использования специализированных ложементов для нагрева перед следующим штамповочным переходом.

Уменьшение припуска на механическую обработку профиля пера приводит к росту удельных усилий штамповки, а одновременное получение его окончательной конфигурации требует увеличение жесткости штампового комплекта в сборе для гашения высоких сдвигающих усилий при штамповке.

Одновременная окончательная доводка профиля пера по толщине и конфигурации, несмотря на известные способы механического, химического и электрохимического фрезерования, является высоко трудоемкой операцией.

Известен способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя (патент РФ №2257277) - прототип. Суть способа заключается в том, что на первом этапе проектирования технологического процесса перерабатывают конструкторский чертеж лопатки, раскручивая и раздвигая между собою расчетные сечения пера, «укладывая» при этом хорды раскручиваемых сечений в одной плоскости. Полученный модифицированный чертеж лопатки является основой для проектирования заготовки-штамповки. Заготовка-штамповка, имеющая раскрученный профиль пера, изготавливается методами объемной штамповки с припуском по перу и замку под дальнейшую обработку резанием. После удаления чернового припуска, например фрезерованием, выполняют закрутку профиля пера в горячем состоянии с привлечением специальных устройств. Впоследствии, изготовленная таким способом заготовка подвергается всем традиционным стадиям технологического процесса изготовления лопатки.

Недостатком способа является то, что определение силовых параметров по расчету процесса горячей закрутки пера лопатки, имеющей сечение аэродинамического профиля, переменным по длине проблематично т.к. анализ существующих математических моделей определения силовых параметров при скручивании ограничен рассмотрением стержней с элементарными геометрическими сечениями (круг, эллипс, квадрат, прямоугольник). Поэтому деформации при закрутке изделия неизбежно приводят к искажению аэродинамического профиля, которое может превосходить поле допуска. Подбор технологических режимов и геометрических параметров заготовки требует большого количества трудоемких и затратных по времени опытных работ для каждого типа размера широкохордной лопатки. Процесс не стабилен, зависит от многих факторов и требует наличия специального оборудования.

Для устранения вышеуказанных негативных моментов предлагается разделить операции: формирование сдаточной толщины профиля пера и формирование его контура. Дополнительно это позволяет существенно расширить спектр оборудования для выполнения первого этапа, а все сопутствующие операции адъюстажной и механической обработки данного этапа проводить на более технологичном в обработке спрямленном контуре.

В настоящем изобретении предпринимается попытка представить новый метод производства лопаток газотурбинных двигателей с оформленным контуром, методом однопереходной изотермической безоблойной окончательной штамповки (закрутка + калибровка), который сокращает или решает вышеупомянутые проблемы.

Изобретением решается задача изготовления широкохордных лопаток ГТД, сложной геометрической формы на стандартном оборудовании.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества изготовления широкохордных лопаток ГТД, а также стабильности технологического процесса при одновременном снижение затрат.

Способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя, включающий изготовление заготовки лопатки, образование аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки, образование хвостовика и проведение отделочных операций, образование аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки и образование хвостовика осуществляют путем одновременной закрутки пера и хвостовика и их калибровки в штампе изотермической штамповкой, при этом изготавливают плоскую заготовку, выполненную с сечениями, площадь и протяженность которых равна соответственно площади соответствующих сечений отштампованной лопатки и протяженности хорд данных сечений.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - широкохордная лопатка 1, выполненная, например, из титана или из одного из его сплавов;

на фиг.2 - спрямленная заготовка широкохордной лопатки.

Предлагаемый согласно изобретению способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей осуществляется следующим образом.

1. Производство плоской заготовки 4 (фиг.2) методами экструзии и (или) прецизионной штамповки, а также вальцовки и (или) высадки и (или) механической обработкой плоского или сортового проката.

2. Подготовка базовых элементов 3 последующей чистовой механической обработки пера и одновременно укладочных элементов для однопереходной штамповки либо на этапе прецизионной штамповки заготовки и(или) дополнительной мех. обработки полученных ранее заготовок или получаемые путем приварки к заготовке 4 и дополнительной мех. обработки.

3. Подготовка плановой проекции заготовки для однопереходной штамповки либо на этапе прецизионной штамповки заготовки и(или) дополнительной мех. обработки полученных ранее заготовок (при этом обеспечивается равенство хорд заготовки пера 6 и хорд готового изделия 7).

4. Подготовка высотных размеров заготовки для однопереходной штамповки либо на этапе прецизионной штамповки заготовки и (или) дополнительной мех. обработки полученных ранее заготовок.

5. Применение тепла и давления к заготовке для изотермической штамповки (одновременная закрутка аэродинамического профиля («пера») 1 и хвостовика («замка») 2 с одновременной калибровкой) и производства по существу необходимой готовой внешней конфигурации и размеров профиля пера. Для высокоугловой закрутки аэродинамического профиля (более 40°) и калибровки широкохордных вентиляторных лопаток используются специально вводимые удерживающие элементы штамповой оснастки (не показаны).

6. Чистовая обработка изделия для удаления избытка материала с входной и выходной кромки (5) изотермически отштампованной внешней конфигурации для получения готового профиля пера.

7. Удаление базовых (укладочных) элементов 3 фиг.1.

8. Механическая обработка хвостовика лопатки («замка») 2.

Пример конкретного выполнения. Проведена опытная штамповка широкохордной лопатки ГТД в закрытом штампе. Материал - титановый сплав марки ВТ6. Температура штамповки не более 850°С. Инструмент нагревали до температуры не более 850°С. Размеры готовой лопатки: длина - 1200 мм, максимальная ширина хорды 620 мм.

Предлагаемый способ изготовления широкохордных лопаток позволяет разработать эффективную технологию, с применением которой возможно производство ряда лопаток для ГТД из прогрессивных металлов и сплавов.

Преимущество предложенного технического решения позволяет расширить технологические возможности стандартного оборудования, вести процесс при минимальных затратах времени. Значительно повышается коэффициент использования металла, увеличивается точность изготовления и стабильность технологического процесса.

Способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя, включающий изготовление заготовки лопатки, образование аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки, образование хвостовика и проведение отделочных операций, отличающийся тем, что образование аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки и образование хвостовика осуществляют путем одновременной закрутки пера и хвостовика и их калибровки в штампе изотермической штамповкой, при этом изготавливают плоскую заготовку, выполненную с сечениями, площадь и протяженность которых равна соответственно площади соответствующих сечений отштампованной лопатки и протяженности хорд данных сечений.

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению, а именно к обработке металлов ультразвуковой ковкой, и может быть использовано для изготовления деталей с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками и для формирования закругленных кромок с переменной толщиной.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в авиационной промышленности при изготовлении заготовок лопаток с двумя хвостовиками или с одним хвостовиком и бандажной полкой. Нагретую заготовку устанавливают в контейнер между двумя полуматрицами составной матрицы, выполненной с каналом. При этом часть заготовки располагают на нижнем пуансоне. Заготовку деформируют с образованием шейки путем смыкания полуматриц. Затем формируют один из хвостовиков лопатки движением нижнего пуансона вверх после остановки полуматриц. Заготовку выдавливают через канал составной матрицы верхним пуансоном при движении нижнего пуансона в нижнее положение. При этом часть заготовки оставляют в контейнере и формируют штамповку переменного сечения, расширяющуюся по направлению к оставшейся в контейнере части заготовки. В результате обеспечиваются расширение спектра получаемых штамповок, увеличение коэффициента использования металла, повышение прочностных характеристик изделия. 2 ил.

Изобретения относятся к обработке металлов давлением и могут быть использованы при изготовлении лопаток турбин методом горячей штамповки. Исходную заготовку размещают в горизонтальном приемнике разъемной матрицы, состоящей из двух полуматриц с вертикальной плоскостью разъема. Полуматрицы выполнены с горизонтальным сквозным отверстием, образующим приемник, и радиально расположенными относительно приемника полостями под лопатки. К обоим торцам заготовки прикладывают осевое усилие посредством расположенных с обеих сторон пуансонов. В результате производят деформирование заготовки до полного заполнения полостей под лопатки и получают многоштучную поковку. Поковка состоит из лопаток, соединенных пресс-остатком. Поковку извлекают из штампа и отделяют лопатки от пресс-остатка. В результате обеспечивается повышение пластичности материала заготовки при его истечении в полости полуматриц, снижение технологического усилия, а также повышение точности получаемых изделий и коэффициента использования материала. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 18 ил. 1 пр.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей из материалов, способных деформироваться в холодном или горячем состоянии

Кандидат технических наук И. ДЕМОНИС, заместитель генерального директора ВИАМа.

Реактивная авиация, которая начала создаваться с 1940-х годов, потребовала разработки нового типа двигателя. Получившие наиболее широкое применение газотурбинные реактивные двигатели произвели революцию в авиационной технике.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Лопатки газовой турбины реактивного двигателя работают в очень тяжелых условиях: их обтекает поток раскаленных газов из камер сгорания.

Охлаждающий воздух, поданный со стороны оси турбины в каналы лопатки, выходит из ее торца.

Стержни-закладки, которые помещают в форму для отливки лопатки газовой турбины. После охлаждения заготовки стержни растворяют и в готовой лопатке остаются каналы для пропускания охлаждающего воздуха.

Воздух, выходящий из отверстий в боковой части лопаток, создает тонкую воздушную пленку, которая изолирует лопатку от горячих газов (слева). Каналы, ведущие к отверстиям, имеют довольно сложную геометрию (справа).

Металл отлитой лопатки застывает в виде кристаллов разного размера, сцепленных недостаточно надежно (слева). После введения в металл модификатора кристаллы стали мелкими и однородными, прочность изделия повысилась (справа).

Так производят направленную кристаллизацию материала лопатки.

Усовершенствовав технологию направленной кристаллизации, удалось вырастить лопатку в виде единого монокристалла.

В монокристаллических лопатках создается охлаждающая полость сложной формы. Новейшие разработки ее конфигурации позволили в полтора раза повысить эффективность охлаждения лопаток.

ДВИГАТЕЛИ И МАТЕРИАЛЫ

Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела - в случае реактивного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Чем выше температура газа, тем мощнее двигатель, тем больше его тяга, тем выше экономичность и лучше весовые характеристики. В газотурбин ном двигателе имеется воздушный компрессор. Его приводит во вращение газовая турбина, сидящая с ним на одном валу. Компрессор сжимает атмосферный воздух до 6-7 атмосфер и направляет его в камеры сгорания, куда впрыскивается топливо - керосин. Поток вытекающего из камер раскаленного газа - продуктов сгорания керосина - вращает турбину и, вылетая через сопло, создает реактивную тягу, движет самолет. Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания, потребовали создания новых технологий и применения новых материалов для конструирования одного из наиболее ответственных элементов двигателя - статорных и роторных лопаток газовой турбины. Они должны в течение многих часов, не теряя механической прочности, выдерживать огромную температуру, при которой многие стали и сплавы уже плавятся. В первую очередь это относится к лопаткам турбины - они воспринимают поток раскаленных газов, нагретых до температур выше 1600 К. Теоретически температура газа перед турбиной может достигать 2200 К (1927 о C). В момент зарождения реактивной авиации - сразу после войны - материалов, из которых можно было изготовить лопатки, способные длительно выдерживать высокие механические нагрузки, в нашей стране не существовало.

Вскоре после окончания Великой Отечественной войны работу по созданию сплавов для изготовле ния турбинных лопаток начала специальная лаборатория в ВИАМе. Ее возглавил Сергей Тимофеевич Кишкин.

В АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛЛОМ

Первую отечественную конструкцию турбореактивного двигателя еще до войны создал в Ленинграде конструктор авиационных двигателей Архип Михайлович Люлька. В конце 1930-х годов он был репрессиро ван, но, вероятно, предвидя арест, чертежи двигателя успел закопать во дворе института. Во время войны руководство страны узнало, что немцы уже создали реактивную авиацию (первым самолетом с турбореак тивным двигателем был немецкий "хейнкель" He-178, сконструированный в 1939 году в качестве летающей лаборатории; первым серийным боевым самолетом стал двухмоторный "мессершмит" Me-262 (поступивший на вооружение германских войск в 1942 году. - Прим. ред .). Тогда Сталин вызвал Л. П. Берия, который курировал новые военные разработки, и потребовал найти тех, кто у нас в стране занимается реактивными двигателями. А. М. Люльку быстро освободили и дали ему в Москве на улице Галушкина помещение под первое конструкторское бюро реактивных двигателей. Свои чертежи Архип Михайлович нашел и выкопал, но двигатель по его проекту сразу не получился. Тогда просто взяли купленный у англичан турбореактивный двигатель и повторили его один к одному. Но дело уперлось в материалы, которые отсутствовали в Советском Союзе, однако имелись в Англии, и состав их, конечно, был засекречен. И все-таки расшифровать его удалось.

Приехав в Англию для ознакомления с производством двигателей, С. Т. Кишкин всюду появлялся в ботинках на толстой микропористой подошве. И, посетив с экскурсией завод, где обрабатывали турбинные лопатки, он возле станка, как бы невзначай, наступил на стружку, упавшую с детали. Кусочек металла врезался в мягкую резину, застрял в ней, а потом был вынут и уже в Москве подвергнут тщательному анализу. Результаты анализа английского металла и большие собственные исследования, проведенные в ВИАМе, позволили создать первые жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток и, самое главное, разработать основы теории их строения и получения.

Было установлено, что основным носителем жаропрочности таких сплавов служат субмикроскопичес кие частицы интерметаллической фазы на основе соединения Ni 3 Al. Лопатки из первых жаропрочных никелевых сплавов могли длительно работать, если температура газа перед турбиной не превышала 900-1000 К.

ЛИТЬЕ ВМЕСТО ШТАМПОВКИ

Лопатки первых двигателей штамповали из сплава, отлитого в пруток, до формы, отдаленно напоминающей готовое изделие, а затем долго и тщательно обрабатывали на станках. Но здесь возникла неожиданная сложность: чтобы повысить рабочую температуру материала, в него добавили легирующие элементы - вольфрам, молибден, ниобий. Но они сделали сплав настолько твердым, что штамповать его стало невозможно - формовке методами горячей деформации он не поддавался.

Тогда Кишкин предложил лопатки отливать. Конструкторы-мотористы возмутились: во-первых, после литья лопатку все равно придется обрабатывать на станках, а главное - как можно литую лопатку ставить в двигатель? Металл штампованных лопаток очень плотен, прочность его высока, а литой металл остается более рыхлым и заведомо менее прочным, чем отштампованный. Но Кишкин сумел убедить скептиков, и в ВИАМе создали специальные литейные жаропрочные сплавы и технологию литья лопаток. Были проведены испытания, после чего практически все авиационные турбореактивные двигатели стали выпускать с литыми турбинными лопатками.

Первые лопатки были сплошными и долго выдерживать высокую температуру не могли. Требовалось создать систему их охлаждения. Для этого решили делать в лопатках продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Идея эта была не ахти: чем больше воздуха из компрессора уйдет на охлаждение, тем меньше его пойдет в камеры сгорания. Но деваться было некуда - ресурс турбины необходимо увеличить во что бы то ни стало.

Стали конструировать лопатки с несколькими сквозными охлаждающими каналами, расположенны ми вдоль оси лопатки. Однако скоро выяснилось, что такая конструкция малоэффективна: воздух сквозь канал протекает слишком быстро, площадь охлаждаемой поверхности мала, тепло отводится недостаточно. Пытались изменить конфигурацию внутренней полости лопатки, вставив туда дефлектор, который отклоняет и задерживает поток воздуха, или сделать каналы более сложной формы. В какой-то момент специалистами по авиационным двигателям овладела заманчивая идея - создать целиком керамическую лопатку: керамика выдерживает очень высокую температуру, и охлаждать ее не нужно. С тех пор прошло почти пятьдесят лет, но пока никто в мире двигателя с керамическими лопатками так и не сделал, хотя попытки продолжаются.

КАК ДЕЛАЮТ ЛИТУЮ ЛОПАТКУ

Технология изготовления турбинных лопаток называется литьем по выплавляемым моделям. Сначала делают восковую модель будущей лопатки, отливая ее в пресс-форме, в которую предварительно вкладывают кварцевые цилиндрики на место будущих каналов охлаждения (потом стали использовать другие материалы). Модель покрывают жидкой керамической массой. После ее высыхания воск вытапливают горячей водой, а керамическую массу обжигают. Получается форма, выдерживающая температуру расплавленного металла от 1450 до 1500 о С в зависимости от марки сплава. В форму заливают металл, который застывает в виде готовой лопатки, но с кварцевыми стержнями вместо каналов внутри. Стержни удаляют, растворяя в плавиковой кислоте. Эту операцию проводит в герметически закрытом помещении работник в скафандре со шлангом для подачи воздуха. Технология неудобная, опасная и вредная.

Чтобы исключить эту операцию, в ВИАМе начали делать стержни из оксида алюминия с добавкой 10-15% оксида кремния, который растворяется в щелочи. Материал лопаток со щелочью не реагирует, а остатки оксида алюминия удаляют сильной струей воды. Наша лаборатория занималась изготовлением стержней, а сам я начал изучать технологию литья, материалы для керамических форм, сплавы и защитные покрытия готовых изделий и теперь возглавляю это направление исследований.

В повседневной жизни мы привыкли считать литые изделия очень грубыми и шероховатыми. Но нам удалось подобрать такие керамические составы, что форма из них получается совершенно гладкой и отливка механической обработки почти не требуется. Это намного упрощает работу: лопатки имеют очень сложную форму, и обрабатывать их нелегко.

Новые материалы потребовали новых технологий. Какими бы удобными ни были добавки оксида кремния в материал стержней, от него пришлось отказаться. Температура плавления оксида алюминия Al 2 O 3 - 2050 о С, а оксида кремния SiO 2 - только около 1700 о С, и новые жаропрочные сплавы разрушали стержни уже в процессе заливки.

Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%.

ПОЧЕМУ ОТКАЗАЛИСЬ ОТ ШТАМПОВАННЫХ ЛОПАТОК

Как уже говорилось, после штамповки лопатку приходилось обрабатывать на станках. При этом 90% металла уходило в стружку. Была поставлена задача: создать такую технологию точного литья, чтобы сразу получался заданный профиль лопатки, а готовое изделие оставалось бы только отполировать и нанести на него теплозащитное покрытие. Не менее важна и конструкция, которая образуется в теле лопатки и выполняет задачу ее охлаждения.

Таким образом, весьма важно сделать лопатку, которая эффективно охлаждается, не снижая температуру рабочего газа, и обладает высокой длительной прочностью. Эту задачу удалось решить, скомпоновав каналы в теле лопатки и выходные отверстия из нее так, чтобы вокруг лопатки возникала тонкая воздушная пленка. При этом разом убивают двух зайцев: раскаленные газы с материалом лопатки не соприкасаются, а следовательно, и не нагревают ее и сами не охлаждаются.

Здесь возникает некоторая аналогия с тепловой защитой космической ракеты. Когда ракета на большой скорости входит в плотные слои атмосферы, начинает испаряться и сгорать так называемое жертвенное покрытие, закрывающее головную часть. Оно берет на себя основной тепловой поток, а продукты его сгорания образуют своего рода защитную подушку. В конструкции турбинной лопатки заложен такой же принцип, только вместо жертвенного покрытия используется воздух. Правда, лопатки нужно защищать еще и от эрозии и от коррозии. Но об этом подробнее см. стр. 54.

Порядок изготовления лопатки таков. Сначала создается никелевый сплав с заданными параметрами по механической прочности и жаропрочности, для чего в никель вводятся легирующие добавки: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения. Они позволяют добиться максимальных высокотемпературных характеристик для литых сплавов на основе никеля (есть соблазн еще повысить их, используя больше рения, но он безумно дорог). Перспективным направлением считается использование силицида ниобия, но это - дело далекого будущего.

Но вот сплав залит в форму при температуре 1450 о С и вместе с ней охлаждается. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, и работающие лопатки разрушались по границам зерен и разлетались вдребезги. Ни одна лопатка не могла проработать дольше 50 часов. Тогда мы предложили ввести в материал формы для литья модификатор - кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими. Новые лопатки стали работать по 500 часов. Эта технология, которую разработал Е. Н. Каблов, работает до сих пор, и работает хорошо. А мы в ВИАМе нарабатываем алюминат кобальта тоннами и поставляем его на заводы.

Мощность реактивных двигателей росла, температура и давление газовой струи повышались. И стало ясно, что многозеренная структура металла лопатки в новых условиях работать не сможет. Нужны были другие идеи. Они нашлись, были доведены до стадии технологической разработки и стали называться направленной кристаллизацией. Это значит, что металл, застывая, образовыва ет не равноосные зерна, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Лопатка с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому. Сразу вспоминается старая притча про веник, который переломить не удается, хотя все его прутики по отдельности ломаются без труда.

КАК ПРОИЗВОДЯТ НАПРАВЛЕННУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Чтобы кристаллы, образующие лопатку, росли должным образом, форму с расплавленным металлом медленно вынимают из зоны нагрева. При этом форма с жидким металлом стоит на массивном медном диске, охлаждаемом водой. Рост кристаллов начинается снизу и идет вверх со скоростью, практически равной скорости выхода формы из нагревателя. Создавая технологию направленной кристаллизации, пришлось измерить и рассчитать множество параметров - скорость кристаллизации, температуру нагревателя, градиент температуры между нагревателем и холодильником и др. Требовалось подобрать такую скорость движения формы, чтобы столбчатые кристаллы прорастали на всю длину лопатки. При соблюдении всех этих условий вырастают 5-7 длинных столбчатых кристаллов на каждый квадратный сантиметр сечения лопатки. Эта технология позволила создать новое поколение авиационных двигателей. Но мы пошли еще дальше.

Изучив рентгенографическими методами выращенные столбчатые кристаллы, мы поняли, что всю лопатку целиком можно сделать из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ - наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого сделали затравку, которая позволяла только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X -Y - нет). Затравку поставили в нижнюю часть формы и залили металл, интенсивно охлаждая его снизу. Вырастающий монокристалл приобретал форму лопатки. Кстати, первая публикация об этой технологии появилась в журнале "Наука и жизнь" еще в 1971 году, в № 1.

Американские инженеры применяли для охлаждения медный водоохлаждаемый кристаллизатор. А мы после нескольких экспериментов заменили его ванной с расплавленным оловом при температуре 600-700 К. Это позволило точнее подбирать необходимый градиент температуры и получать изделия высокого качества. В ВИАМе построили установки с ваннами для выращивания монокристалличес ких лопаток - очень совершенные машины с компьютерным управлением.

В 1990-х годах, когда распался СССР, на территории Восточной Германии остались советские самолеты, в основном истребители МиГ. У них в двигателях стояли лопатки нашего производства. Металл лопаток исследовали американцы, после чего довольно скоро их специалисты приехали в ВИАМ и попросили показать, кто и как его создал. Оказалось, что им была поставлена задача сделать монокристаллические лопатки метровой длины, которую они решить не могли. Мы же сконструировали установку для высокоградиентного литья крупногабаритных лопаток для энергетических турбин и попытались предложить свою технологию Газпрому и РАО "ЕЭС России", но они интереса не проявили. Тем не менее у нас уже практически готова промышленная установка для литья метровых лопаток, и мы постараемся убедить руководство этих компаний в необходимости ее внедрения.

Кстати, турбины для энергетики - это еще одна интересная задача, которую решал ВИАМ. Самолетные двигатели, выработавшие ресурс, стали использовать на компрессорных станциях газопроводов и в электростанциях, питающих насосы нефтепроводов (см. "Наука и жизнь" № ). Сейчас стала актуальной задача создать для этих нужд специальные двигатели, которые работали бы при гораздо меньших температурах и давлении рабочего газа, но гораздо дольше. Если ресурс авиационного двигателя порядка 500 часов, то турбины на нефтегазопроводе должны работать 20-50 тыс. часов. Одним из первых ими начало заниматься самарское конструкторское бюро под руководством Николая Дмитриевича Казнецова.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Монокристаллическая лопатка вырастает не сплошной - внутри у нее имеется полость сложной формы для охлаждения. Совместно с ЦИАМом мы разработали конфигурацию полости, которая обеспечивает коэффициент эффективности охлаждения (отношение температур металла лопатки и рабочего газа), равный 0,8, почти в полтора раза выше, чем у серийных изделий.

Вот эти лопатки мы и предлагаем для двигателей нового поколения. Сейчас температура газа перед турбиной едва дотягивает до 1950 К, а в новых двигателях она дойдет до 2000-2200 К. Для них мы уже разработали высокожаропрочные сплавы, содержащие до пятнадцати элементов таблицы Менделеева, в том числе рений и рутений, и теплозащитные покрытия, в которые входят никель, хром, алюминий и иттрий, а в перспективе - керамические из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

В сплавах первого поколения присутствовало небольшое количество углерода в виде карбидов титана или тантала. Карбиды располагаются по границам кристаллов и понижают прочность сплава. От карбида мы избавились и заменили рением, повысив его концентрацию от 3% в первых образцах до 12% в последних. Запасов рения у нас в стране мало; есть месторождения в Казахстане, но после развала Советского Союза его полностью скупили американцы; остается остров Итуруп, на который претендуют японцы. Зато рутения у нас много, и в новых сплавах мы успешно заменили им рений.

Уникальность ВИАМа заключается в том, что мы умеем разрабатывать и сплавы, и технологию их получения, и методику отливки готового изделия. Во все лопатки вложен огромный труд и знания всех работников ВИАМа.

См. в номере на ту же тему

Наверное, всем известно, что как китайцы не стараются, скопировать современные реактивные двигатели они не могут. Все. что могли - скопировали и получили свою СУшку, а вот двигатель все равно приходится покупать в РФ. Вот только что прочитал статью на ВиМе:http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/74298/ "Китаю до сих пор не удается скопироватьсовременный реактивный двигатель". Причем, я понимаю, что там имеют место ультрасовеременные технологии, наработки, математика и прочее, прочее, прочее... Но для того, чтобы понимать более детально в чем тут собственно дело рекомендую прочитать следующую статью.

ДВИГАТЕЛИ И МАТЕРИАЛЫ

Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела - в случае реактивного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Чем выше температура газа, тем мощнее двигатель, тем больше его тяга, тем выше экономичность и лучше весовые характеристики. В газотурбин ном двигателе имеется воздушный компрессор. Его приводит во вращение газовая турбина, сидящая с ним на одном валу. Компрессор сжимает атмосферный воздух до 6-7 атмосфер и направляет его в камеры сгорания, куда впрыскивается топливо - керосин. Поток вытекающего из камер раскаленного газа - продуктов сгорания керосина - вращает турбину и, вылетая через сопло, создает реактивную тягу, движет самолет. Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания, потребовали создания новых технологий и применения новых материалов для конструирования одного из наиболее ответственных элементов двигателя - статорных и роторных лопаток газовой турбины. Они должны в течение многих часов, не теряя механической прочности, выдерживать огромную температуру, при которой многие стали и сплавы уже плавятся. В первую очередь это относится к лопаткам турбины - они воспринимают поток раскаленных газов, нагретых до температур выше 1600 К. Теоретически температура газа перед турбиной может достигать 2200 К (1927 о C). В момент зарождения реактивной авиации - сразу после войны - материалов, из которых можно было изготовить лопатки, способные длительно выдерживать высокие механические нагрузки, в нашей стране не существовало.
Вскоре после окончания Великой Отечественной войны работу по созданию сплавов для изготовле ния турбинных лопаток начала специальная лаборатория в ВИАМе. Ее возглавил Сергей Тимофеевич Кишкин.

В АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛЛОМ

Первую отечественную конструкцию турбореактивного двигателя еще до войны создал в Ленинграде конструктор авиационных двигателей Архип Михайлович Люлька. В конце 1930-х годов он был репрессиро ван, но, вероятно, предвидя арест, чертежи двигателя успел закопать во дворе института. Во время войны руководство страны узнало, что немцы уже создали реактивную авиацию (первым самолетом с турбореак тивным двигателем был немецкий "хейнкель" He-178, сконструированный в 1939 году в качестве летающей лаборатории; первым серийным боевым самолетом стал двухмоторный "мессершмит" Me-262. Тогда Сталин вызвал Л. П. Берия, который курировал новые военные разработки, и потребовал найти тех, кто у нас в стране занимается реактивными двигателями. А. М. Люльку быстро освободили и дали ему в Москве на улице Галушкина помещение под первое конструкторское бюро реактивных двигателей. Свои чертежи Архип Михайлович нашел и выкопал, но двигатель по его проекту сразу не получился. Тогда просто взяли купленный у англичан турбореактивный двигатель и повторили его один к одному. Но дело уперлось в материалы, которые отсутствовали в Советском Союзе, однако имелись в Англии, и состав их, конечно, был засекречен. И все-таки расшифровать его удалось.
Приехав в Англию для ознакомления с производством двигателей, С. Т. Кишкин всюду появлялся в ботинках на толстой микропористой подошве. И, посетив с экскурсией завод, где обрабатывали турбинные лопатки, он возле станка, как бы невзначай, наступил на стружку, упавшую с детали. Кусочек металла врезался в мягкую резину, застрял в ней, а потом был вынут и уже в Москве подвергнут тщательному анализу. Результаты анализа английского металла и большие собственные исследования, проведенные в ВИАМе, позволили создать первые жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток и, самое главное, разработать основы теории их строения и получения.

Было установлено, что основным носителем жаропрочности таких сплавов служат субмикроскопичес кие частицы интерметаллической фазы на основе соединения Ni 3 Al. Лопатки из первых жаропрочных никелевых сплавов могли длительно работать, если температура газа перед турбиной не превышала 900-1000 К.

ЛИТЬЕ ВМЕСТО ШТАМПОВКИ

Лопатки первых двигателей штамповали из сплава, отлитого в пруток, до формы, отдаленно напоминающей готовое изделие, а затем долго и тщательно обрабатывали на станках. Но здесь возникла неожиданная сложность: чтобы повысить рабочую температуру материала, в него добавили легирующие элементы - вольфрам, молибден, ниобий. Но они сделали сплав настолько твердым, что штамповать его стало невозможно - формовке методами горячей деформации он не поддавался.
Тогда Кишкин предложил лопатки отливать. Конструкторы-мотористы возмутились: во-первых, после литья лопатку все равно придется обрабатывать на станках, а главное - как можно литую лопатку ставить в двигатель? Металл штампованных лопаток очень плотен, прочность его высока, а литой металл остается более рыхлым и заведомо менее прочным, чем отштампованный. Но Кишкин сумел убедить скептиков, и в ВИАМе создали специальные литейные жаропрочные сплавы и технологию литья лопаток. Были проведены испытания, после чего практически все авиационные турбореактивные двигатели стали выпускать с литыми турбинными лопатками.
Первые лопатки были сплошными и долго выдерживать высокую температуру не могли. Требовалось создать систему их охлаждения. Для этого решили делать в лопатках продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Идея эта была не ахти: чем больше воздуха из компрессора уйдет на охлаждение, тем меньше его пойдет в камеры сгорания. Но деваться было некуда - ресурс турбины необходимо увеличить во что бы то ни стало.

Стали конструировать лопатки с несколькими сквозными охлаждающими каналами, расположенны ми вдоль оси лопатки. Однако скоро выяснилось, что такая конструкция малоэффективна: воздух сквозь канал протекает слишком быстро, площадь охлаждаемой поверхности мала, тепло отводится недостаточно. Пытались изменить конфигурацию внутренней полости лопатки, вставив туда дефлектор, который отклоняет и задерживает поток воздуха, или сделать каналы более сложной формы. В какой-то момент специалистами по авиационным двигателям овладела заманчивая идея - создать целиком керамическую лопатку: керамика выдерживает очень высокую температуру, и охлаждать ее не нужно. С тех пор прошло почти пятьдесят лет, но пока никто в мире двигателя с керамическими лопатками так и не сделал, хотя попытки продолжаются.

КАК ДЕЛАЮТ ЛИТУЮ ЛОПАТКУ

Технология изготовления турбинных лопаток называется литьем по выплавляемым моделям. Сначала делают восковую модель будущей лопатки, отливая ее в пресс-форме, в которую предварительно вкладывают кварцевые цилиндрики на место будущих каналов охлаждения (потом стали использовать другие материалы). Модель покрывают жидкой керамической массой. После ее высыхания воск вытапливают горячей водой, а керамическую массу обжигают. Получается форма, выдерживающая температуру расплавленного металла от 1450 до 1500 о С в зависимости от марки сплава. В форму заливают металл, который застывает в виде готовой лопатки, но с кварцевыми стержнями вместо каналов внутри. Стержни удаляют, растворяя в плавиковой кислоте. Эту операцию проводит в герметически закрытом помещении работник в скафандре со шлангом для подачи воздуха. Технология неудобная, опасная и вредная.
Чтобы исключить эту операцию, в ВИАМе начали делать стержни из оксида алюминия с добавкой 10-15% оксида кремния, который растворяется в щелочи. Материал лопаток со щелочью не реагирует, а остатки оксида алюминия удаляют сильной струей воды.
В повседневной жизни мы привыкли считать литые изделия очень грубыми и шероховатыми. Но нам удалось подобрать такие керамические составы, что форма из них получается совершенно гладкой и отливка механической обработки почти не требуется. Это намного упрощает работу: лопатки имеют очень сложную форму, и обрабатывать их нелегко.
Новые материалы потребовали новых технологий. Какими бы удобными ни были добавки оксида кремния в материал стержней, от него пришлось отказаться. Температура плавления оксида алюминия Al 2 O 3 - 2050 о С, а оксида кремния SiO 2 - только около 1700 о С, и новые жаропрочные сплавы разрушали стержни уже в процессе заливки.
Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%.

ПОЧЕМУ ОТКАЗАЛИСЬ ОТ ШТАМПОВАННЫХ ЛОПАТОК

Как уже говорилось, после штамповки лопатку приходилось обрабатывать на станках. При этом 90% металла уходило в стружку. Была поставлена задача: создать такую технологию точного литья, чтобы сразу получался заданный профиль лопатки, а готовое изделие оставалось бы только отполировать и нанести на него теплозащитное покрытие. Не менее важна и конструкция, которая образуется в теле лопатки и выполняет задачу ее охлаждения.
Таким образом, весьма важно сделать лопатку, которая эффективно охлаждается, не снижая температуру рабочего газа, и обладает высокой длительной прочностью. Эту задачу удалось решить, скомпоновав каналы в теле лопатки и выходные отверстия из нее так, чтобы вокруг лопатки возникала тонкая воздушная пленка. При этом разом убивают двух зайцев: раскаленные газы с материалом лопатки не соприкасаются, а следовательно, и не нагревают ее и сами не охлаждаются.
Здесь возникает некоторая аналогия с тепловой защитой космической ракеты. Когда ракета на большой скорости входит в плотные слои атмосферы, начинает испаряться и сгорать так называемое жертвенное покрытие, закрывающее головную часть. Оно берет на себя основной тепловой поток, а продукты его сгорания образуют своего рода защитную подушку. В конструкции турбинной лопатки заложен такой же принцип, только вместо жертвенного покрытия используется воздух. Правда, лопатки нужно защищать еще и от эрозии и от коррозии.

Порядок изготовления лопатки таков. Сначала создается никелевый сплав с заданными параметрами по механической прочности и жаропрочности, для чего в никель вводятся легирующие добавки: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения. Они позволяют добиться максимальных высокотемпературных характеристик для литых сплавов на основе никеля (есть соблазн еще повысить их, используя больше рения, но он безумно дорог). Перспективным направлением считается использование силицида ниобия, но это - дело далекого будущего.
Но вот сплав залит в форму при температуре 1450 о С и вместе с ней охлаждается. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, и работающие лопатки разрушались по границам зерен и разлетались вдребезги. Ни одна лопатка не могла проработать дольше 50 часов. Тогда мы предложили ввести в материал формы для литья модификатор - кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими. Новые лопатки стали работать по 500 часов. Эта технология, которую разработал Е. Н. Каблов, работает до сих пор, и работает хорошо. А мы в ВИАМе нарабатываем алюминат кобальта тоннами и поставляем его на заводы.
Мощность реактивных двигателей росла, температура и давление газовой струи повышались. И стало ясно, что многозеренная структура металла лопатки в новых условиях работать не сможет. Нужны были другие идеи. Они нашлись, были доведены до стадии технологической разработки и стали называться направленной кристаллизацией. Это значит, что металл, застывая, образовыва ет не равноосные зерна, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Лопатка с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому. Сразу вспоминается старая притча про веник, который переломить не удается, хотя все его прутики по отдельности ломаются без труда.

КАК ПРОИЗВОДЯТ НАПРАВЛЕННУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Чтобы кристаллы, образующие лопатку, росли должным образом, форму с расплавленным металлом медленно вынимают из зоны нагрева. При этом форма с жидким металлом стоит на массивном медном диске, охлаждаемом водой. Рост кристаллов начинается снизу и идет вверх со скоростью, практически равной скорости выхода формы из нагревателя. Создавая технологию направленной кристаллизации, пришлось измерить и рассчитать множество параметров - скорость кристаллизации, температуру нагревателя, градиент температуры между нагревателем и холодильником и др. Требовалось подобрать такую скорость движения формы, чтобы столбчатые кристаллы прорастали на всю длину лопатки. При соблюдении всех этих условий вырастают 5-7 длинных столбчатых кристаллов на каждый квадратный сантиметр сечения лопатки. Эта технология позволила создать новое поколение авиационных двигателей. Но мы пошли еще дальше.
Изучив рентгенографическими методами выращенные столбчатые кристаллы, мы поняли, что всю лопатку целиком можно сделать из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ - наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого сделали затравку, которая позволяла только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X-Y - нет). Затравку поставили в нижнюю часть формы и залили металл, интенсивно охлаждая его снизу. Вырастающий монокристалл приобретал форму лопатки.
Американские инженеры применяли для охлаждения медный водоохлаждаемый кристаллизатор. А мы после нескольких экспериментов заменили его ванной с расплавленным оловом при температуре 600-700 К. Это позволило точнее подбирать необходимый градиент температуры и получать изделия высокого качества. В ВИАМе построили установки с ваннами для выращивания монокристалличес ких лопаток - очень совершенные машины с компьютерным управлением.
В 1990-х годах, когда распался СССР, на территории Восточной Германии остались советские самолеты, в основном истребители МиГ. У них в двигателях стояли лопатки нашего производства. Металл лопаток исследовали американцы, после чего довольно скоро их специалисты приехали в ВИАМ и попросили показать, кто и как его создал. Оказалось, что им была поставлена задача сделать монокристаллические лопатки метровой длины, которую они решить не могли. Мы же сконструировали установку для высокоградиентного литья крупногабаритных лопаток для энергетических турбин и попытались предложить свою технологию Газпрому и РАО "ЕЭС России", но они интереса не проявили. Тем не менее у нас уже практически готова промышленная установка для литья метровых лопаток, и мы постараемся убедить руководство этих компаний в необходимости ее внедрения.

Кстати, турбины для энергетики - это еще одна интересная задача, которую решал ВИАМ. Самолетные двигатели, выработавшие ресурс, стали использовать на компрессорных станциях газопроводов и в электростанциях, питающих насосы нефтепроводов. Сейчас стала актуальной задача создать для этих нужд специальные двигатели, которые работали бы при гораздо меньших температурах и давлении рабочего газа, но гораздо дольше. Если ресурс авиационного двигателя порядка 500 часов, то турбины на нефтегазопроводе должны работать 20-50 тыс. часов. Одним из первых ими начало заниматься самарское конструкторское бюро под руководством Николая Дмитриевича Кузнецова.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Монокристаллическая лопатка вырастает не сплошной - внутри у нее имеется полость сложной формы для охлаждения. Совместно с ЦИАМом мы разработали конфигурацию полости, которая обеспечивает коэффициент эффективности охлаждения (отношение температур металла лопатки и рабочего газа), равный 0,8, почти в полтора раза выше, чем у серийных изделий.

Вот эти лопатки мы и предлагаем для двигателей нового поколения. Сейчас температура газа перед турбиной едва дотягивает до 1950 К, а в новых двигателях она дойдет до 2000-2200 К. Для них мы уже разработали высокожаропрочные сплавы, содержащие до пятнадцати элементов таблицы Менделеева, в том числе рений и рутений, и теплозащитные покрытия, в которые входят никель, хром, алюминий и иттрий, а в перспективе - керамические из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

В сплавах первого поколения присутствовало небольшое количество углерода в виде карбидов титана или тантала. Карбиды располагаются по границам кристаллов и понижают прочность сплава. От карбида мы избавились и заменили рением, повысив его концентрацию от 3% в первых образцах до 12% в последних. Запасов рения у нас в стране мало; есть месторождения в Казахстане, но после развала Советского Союза его полностью скупили американцы; остается остров Итуруп, на который претендуют японцы. Зато рутения у нас много, и в новых сплавах мы успешно заменили им рений.
Уникальность ВИАМа заключается в том, что мы умеем разрабатывать и сплавы, и технологию их получения, и методику отливки готового изделия. Во все лопатки вложен огромный труд и знания всех работников ВИАМа.

Кандидат технических наук И. ДЕМОНИС, заместитель генерального директора ВИАМа