История разработки сталей во Всесоюзном (ныне Всероссийском) научноисследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ) начинается с момента его образования в 1932 году. К 1940 году в структуре ВИАМ работали лаборатории «Моторные стали» и «Самолетные стали». В 1951 году они объединились в лабораторию «Самолетные и моторные стали».
В предвоенные годы встала задача разработки сталей, характеристики прочности и надежности которых превосходили бы соответствующие характеристики применяемых углеродистых и слаболегированных сталей. Дополнительная сложность задачи заключалась в том, чтобы разрабатываемые стали не содержали дефицитных легирующих элементов. Специалистами ВИАМ создана сталь 30ХГСА, отвечавшая указанным требованиям. Было установлено оптимальное сочетание содержания легирующих элементов, проведены работы по оптимизации металлургического производства, термической обработки.
В военные годы для авиационных двигателей разработан ряд марок экономнолегированных сталей (ЭИ273, ЭИ274, ЭИ275) и освоено их производство.
В середине 50-х годов XX в. ВИАМ разработал новые стали различного назначения. Так, высокопрочная сталь 30ХГСН2А до настоящего времени успешно применяется практически во всех отечественных самолетах. Для крупногабаритных деталей разработана сталь ВЛ-1, способная к закалке на воздухе.
В 60-х годах начались глубокие исследования по созданию жаропрочных сталей мартенситного класса для основных деталей ГТД.
С развитием самолето-и вертолетостроения расширялся спектр требований к стальным деталям. В 70–90-е годы разработаны стали с высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и технологичностью. Они с успехом нашли применение в лучших образцах авиационной техники: самолетах МиГ-23, МиГ-25, МиГ-29, МиГ-31, Су-24, Су-27, Су-30, двигателях и ряде изделий ракетной техники.
Применение новых сталей позволило решить важнейшую задачу современного авиастроения – снижение массы конструкций.
История жаропрочных сплавов началась с создания в средине 40-х годов в Англии первого дисперсионно-твердеющего никелевого сплава Нимоник 80, из которого методом штамповки изготовляли рабочие лопатки газовых турбин.
В 50-е годы специалистами ВИАМ было показано, что наибольшую перспективу повышения уровня жаропрочности лопаток открывают не деформируемые, а литейные сплавы. Технология литья по выплавляемым моделям является практически единственным способом получения охлаждаемых лопаток, имеющих сложную геометрию внутренней полости. Это новое направление в развитии жаропрочных сплавов для изготовления рабочих лопаток газовых турбин с запозданием на пять лет было принято и в странах Запада.
В 60-х годах разработаны первые серийные отечественные литейные жаропрочные сплавы ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ12У, позволившие создать литые охлаждаемые турбинные лопатки с равноосной структурой и повысить их рабочую температуру на 200°С по сравнению с рабочей температурой лопаток из лучшего на тот период деформируемого сплава ЭИ437Б.
В 70–80-х годах совершенствование литейных жаропрочных никелевых сплавов происходило путем улучшения методов выплавки, применения шихтовых материалов повышенной чистоты, использования новых легирующих добавок и создания специальных жаропрочных сплавов для литья турбинных лопаток с направленной и естественнокомпозиционной монокристаллической структурой. Первыми отечественными сплавами данного класса стали сплавы ЖС26, ЖС30, ЖС32, ЖС36, ЖС40, ВКЛС-20, ВКЛС-20Р.
В 90-х годах созданы коррозионностойкие жаропрочные сплавы длительного ресурса ЖСКС1 и ЖСКС2 для лопаток, включая крупногабаритные, с направленной и монокристаллической структурой.
С начала 2000 года по настоящее время развитие жаропрочных никелевых сплавов связано с созданием монокристаллических высокорениевых жаропрочных сплавов третьего поколения ВЖМ1 (9,3%Re), ВЖМ2 (12%Re), ЖС55 (9%Re) и ВЖМ5 (4%Re). Для стабилизации фазового состава высокорениевые жаропрочные никелевые сплавы предложено легировать рутением. В связи с этим за истекшие 10 лет в ВИАМ были выполнены важные теоретические работы и получены многочисленные экспериментальные результаты, касающиеся разработки и исследования новых более жаропрочных монокристаллических никелевых рений-рутенийсодержащих сплавов четвертого (ВЖМ4) и пятого (ВЖМ6) поколений.
Работа по созданию новых интерметаллидных сплавов начата в конце 70-х годов сотрудниками ВИАМ, которые решили важнейшую задачу повышения пластичности интерметаллида Ni3Al. Оптимизация химического состава и технологии отливки заготовок из интерметаллида никеля позволила разработать сплавы серии ВКНА (ВИАМ, Конструкционный Никель-Алюминиевый): ВКНА-2М, ВКНА-1ЛК, ВКНА-4, ВКНА-1В, ВКНА-4У, обладающие низкой плотностью (d =7900 кг/м3) по сравнению с жаропрочными сплавами (d = 8800 кг/ м3).
Сплав ВКНА-2М применяется в качестве наплавки контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток из сплавов типа ЖС6У; сплав ВКНА-4 – для неохлаждаемых сопловых лопаток наземных энергетических установок (взамен сплава ВХ-4Л), что позволило повысить рабочую температуру и срок службы лопаток; ВКНА-4У (взамен ЖС6У) – для неохлаждаемых рабочих лопаток вспомогательных стационарных установок (ВСУ). С развитием технологий выплавки и литья по выплавляемым моделям конструкционных сплавов происходило совершенствование интерметаллидных сплавов серии ВКНА.
С начала 2000 года по настоящее время проводятся работы по модификации и технологическому опробованию интерметаллидных никелевых сплавов. Появились такие сплавы, как ВКНА-4УР, ВКНА-1ВР, ВКНА-1ВУ. Разработан сплав ВКНА-25 (ВИН1) с монокристаллической структурой–наиболеежаропрочныйизсерииВКНА(2005г.). Сплав ВКНА-1В был опробован в качестве сегментов камеры сгорания, сопловых лопаток ГТД, ВКНА-1ВР – створок реактивного сопла, ВКНА-4УР – соплового аппарата, створок и проставок сопла малогабаритного двигателя, сопловых лопаток ГТД, ВКНА-25 – рабочих неохлаждаемых лопаток малогабаритного ГТД.
В 2011–2012 годах разработаны интерметаллидные сплавы ВИН2, ВИН3 и ВИН4, превосходящие сплавы аналогичного применения ВКНА-1В и ВКНА-25 по жаропрочности и удельной жаропрочности на 20%, зарубежный сплав IС-438 – на 30%.
С развитием газотурбинных реактивных двигателей в конце 40-х годов в ВИАМ приступили к исследованию и разработке деформируемых жаропрочных сплавов на основе никеля, способных работать при высоких температурах. Эти материалы применяются для наиболее ответственных деталей горячего тракта газотурбинного двигателя (ГТД): диски турбин и компрессоров высокого давления, валы, корпуса, опоры, жаровые трубы и др. На первом этапе (1945–1965 гг.) сотрудниками лаборатории для обеспечения работы ГТД первых поколений были разработаны сплавы: ЭИ388, ЭИ437Б, ЭИ481 (диски), ЭИ437А, ЭИ617, ЭИ867, ЭП220 (лопатки турбины), ЭИ703, ЭИ435, ЭИ602 (жаростойкие свариваемые сплавы для деталей камер сгорания). Повышение тактико-технических параметров ГТД потребовало дальнейшего роста рабочей температуры сплавов для горячей зоны.
В конце 60-х начале 70-х годов разработаны дисковые сплавы ЭИ698ВД и ЭП742-ИД, которые успешно работают практически во всех серийных двигателях 3-го и 4-го поколений и до настоящего времени остаются востребованными материалами.
В 1979–2012 годах созданы сплавы ЭК79-ИД, ЭК151-ИД, ЭП975-ИД, ВЖ175-ИД, которые предназначены для современных и перспективных ГТД и по своим характеристикам не уступают зарубежным аналогам, а по жаропрочности превосходят их. Сплав ВЖ175-ИД (2007 г.) по комплексу эксплуатационных свойств превосходит известные отечественные и зарубежные материалы.
При создании сплавов для жаровых труб, корпусов и опор горячей зоны ГТД была решена задача повышения жаростойкости и длительной прочности при сохранении хорошей свариваемости и техно
логичности материала. Сотрудниками ВИАМ созданы сплавы ЭИ868, ВЖ145, ЭП708, ВЖ159, ВЖ172 и др., которые нашли широкое применение в современных и перспективных ГТД. Для применения в наиболее
высокотемпературных сварных узлах камеры сгорания был разработан сплав на основе системы Ni–Co–Cr с принципиально новым способом упрочнения матрицы сплава – нитридами титана, обеспечива
ющим рабочие температуры жаровой трубы до 1200–1250°С.
В 50-х годах созданы первые низкотемпературные уплотнительные материалы (пасты) на основе клеев и лаков. Первым уплотнительным материалом, с которого начало развитие направление Уплотнительные материалы», является материал 20Б на основе никеля и меди, содержащий нитрид бора (19–21%) и графит (9–11%), разработанный в 60-х годах. Несмотря на низкую истираемость, материал нашел широкое применение на многих авиадвигателях.
В 70-х годах появился материал на основе алюминия и нитрида бора (до 25%) – АНБ, с рабочей температурой до 450°С, высокой истираемостью и стабильными свойствами. Он нашел широкое применение и используется сейчас практически на всех современных авиадвигателях.
В 70 – 80-х годах разработано свыше десяти марок уплотнительных материалов для компрессоров и турбин низкого и высокого давления на рабочие температуры от 500°С: НПГ-75 (основа – никель, 15–18% графита); ЛУМ 80 (основа – никель, 10–13% графита); АЛК (55-60% алюминия, 40–45% нитрида бора) до 1000°С: УВС-2П (основа – никель, 10–12% оксида меди, 3–5% оксида кадмия, 16–18% нитрида бора, 2–6% алюминия, 2–4% графита); УП-34 (на основе порошков ПХ15Н77 ( 90%) и ПНБН (10%)) и др.
Бурное развитие реактивной авиации потребовало создания не только принципиально новых классов сталей и сплавов, но и металлургических технологий, обеспечивающих возможность получения и необходимое качество этих материалов. Металлургическая лаборатория ВИАМ, созданная в 1936 году, внесла решающий вклад в разработку технологий, ставших основой современного производства авиационных сталей и сплавов: вакуумной индукционной плавки (ВИ), вакуумного дугового переплава (ВДП), электрошлакового переплава (ЭШП) и др.
Первая вакуумная индукционная печь ВИАМ 100 для плавки 100 кг металла была установлена и пущена в эксплуатацию в ВИАМ в середине 50-х годов. Это стало возможным благодаря организации в ВИАМ конструкторского бюро по проектированию и изготовлению вакуумного плавильного оборудования. В дальнейшем были введены в эксплуатацию установки ОКБ-736 и ИСВ 0,16, что позволило расширить объем работ по разработке технологий выплавки в вакууме различных классов сталей и сплавов.
Разработаны и переданы в серийное производство на металлургические заводы («Электросталь», ЧМК, ЗМЗ и др.) технологии: ВДП жаропрочных дисковых сплавов (ЭИ437БУ, ЭИ698), ВИ+ВДП высокопрочных мартенситостареющих сталей (ВКС-180, ВКС-210), высокожаропрочных дисковых (ЭП742, ЭК79, ЭП975) и свариваемых (ЭП648, ВЖ145, ЭП718) сплавов; ЭШП высокопрочных коррозионностойких сталей (ЭП310, ЭП817, ВНС-65 и др.).
Разработаны технологии вакуумной индукционной плавки и переданы на Ступинский металлургический комбинат, где организовано производство литейных жаропрочных сплавов (ЖС6У, ВЖЛ12У, ЖС6К и др.) для лопаток ГТД с равноосной структурой и первого отечественного ренийсодержащего сплава ЖС32 для монокристаллических лопаток.
В 2000-х годах в ВИАМ разработаны технологии выплавки литейных супержаропрочных сплавов нового поколения для монокристаллических лопаток авиационных ГТД: рений- и рутенийсодержащих никелевых сплавов (ЖС36, ВЖМ4, ВЖМ5), ренийсодержащего интерметаллидного сплава ВКНА-25, создано их серийное производство, обеспечивающее гарантированное качество прутковой (шихтовой) заготовки на уровне лучших зарубежных суперсплавов. Разработана ресурсосберегающая технология производства серийных жаропрочных сплавов (ЖС6У, ЖС32 и др.) путем рафинирующего переплава 100% литейных отходов моторных заводов, обеспечивающая качество прутковой заготовки на уровне серийно изготовляемой из «свежих» шихтовых материалов, при стоимости на 40– 50% ниже. Во ФГУП «ВИАМ» создан специализированный участок производства этой продукции.
Разработаны и успешно осваиваются совместно с ОАО МЗ «Электросталь» технологии производства супержаропрочных деформируемых сплавов для дисков (ВЖ175) и деталей горяего тракта (ВЖ159, ВЖ172) ГТД, собственное производство элинварных сплавов (ВУС-22, ВУС-12 и др.), высокопрочной бериллийсодержащей стали ВНС-32, деформируемого износо-и коррозионностойкого медноникелевого сплава ВКМ1.
С 2010 года активно ведутся работы по созданию производства мелкодисперсных металлических порошков распылением расплава инертным газом на установке HERMIGA10/100VI. Разработаны и освоены технологии получения порошков 10 марок никелевых (ВПр24, ВПр50, ВПр36, ВПр42, ВПр44 и др.) и титановых (ВПр16 и ВПр28) припоев (10–200 мкм). Начаты поставки припоев моторным заводам. Ведутся работы по получению мелкодисперсных порошков для селективного лазерного спекания (менее 40 мкм) и лазерной наплавки (40–80 мкм).
В предвоенные годы осваивалось производство штамповок коленчатых валов, шатунов и других деталей, поставляемых по импорту для авиадвигателей.
В годы войны (1941–1945 гг.) отрабатывались технологические процессы производства деформированных полуфабрикатов из сталей и сплавов в тяжелых условиях эвакуации при отсутствии электросталей.
В 40–70-е годы разработана технология деформации сложнолегированных сплавов с ограниченной технологической пластичностью, высоким сопротивлением деформации, сложной гетерогенной структурой, большим содержанием упрочняющих фаз интерметаллидного типа, с обеспечением высоких производительности и КИМ.
В 60–70-е годы разработаны и освоены технологические процессы изготовления точных заготовок лопаток ГТД, листов и сортамента из жаропрочных никелевых сплавов.
В 80–90-е годы разработаны оригинальные технологические процессы изготовления полуфабрикатов из труднодеформируемых гетерофазных сплавов с использованием изотермической и сверхпластической деформации, освоено производство на промышленных предприятиях лопаток, дисков, кольцевых деталей, листов, фольги из новых высокожаропрочных сплавов.
С 90-х годов по настоящее время разработано новое направление по обработке давлением труднодеформируемых сплавов с формоизменением заготовки в гетерофазном состоянии с предварительным формированием регламентированной структуры и последующей изотермической деформацией при оптимальных температурно-скоростных параметрах, что позволило освоить эффективные ресурсосберегающие процессы изготовления высококачественных экономичных деформированных полуфабрикатов из высокожаропрочных и высокопрочных материалов нового класса. Полуфабрикаты из таких сплавов не могут быть изготовлены с использованием традиционной промышленной технологии.
Для практической реализации разработанных технологий во ФГУП «ВИАМ» создано производство по изготовлению штамповок дисков газотурбинных двигателей и энергетических установок, проведена модернизация технологического оборудования, позволяющая осуществлять в автоматическом режиме процессы нагрева и формоизменения заготовки по разработанной компьютерной программе с точным исполнением термомеханических параметров.
26 сентября 1932 года подписан приказ о создании в институте лаборатории сварки. В 1933 году разработан и внедрен способ дуговой сварки сталей взамен низкопроизводительной газовой сварки.
Во время Великой Отечественной войны сотрудники лаборатории оказывали техническую помощь фронту по восстановлению и ремонту боевых самолетов сваркой. Создана и внедрена механизированная сварка для поточного производства сварных фюзеляжей истребителей из стальных труб.
В 1950–1970-е годы разработаны технологии получения клеесварных соединений деталей внутреннего набора (обшивка–стрингер, обшивка–шпангоут и др.) в изделиях РСК «МиГ», ОАО АК им. С.В. Ильюшина, КБ им. О.К. Антонова; технологии сварки и пайки узлов и деталей первых отечественных газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов ЭИ437Б, ЭИ435, ЭИ868, ЖС6У.
В 80-е годы проведен обширный комплекс изысканий и внедрение сварки в силовых конструкциях планера самолета из высокопрочных сталей типа ВНС-2, ВНС-5, ВНЛ-3 и титановых сплавов ВТ20 и ОТ4 для изделий ММЗ им. П.О. Сухого, ММЗ им. А.И. Микояна, ММЗ им. С.В. Ильюшина. Впервые в мировой практике применена сварка высокопрочных сталей для изготовления сварных посадочных устройств самолета.
Разработана технология сварки в среде гелия кабины межконтинентального комплекса «Буран» из алюминиевого сплава 1201.
В 90-е годы применены в конструкциях авиакосмической техники свариваемые алюминийлитиевые сплавы. Впервые в мировой практике изготовлены герметичные цельносварные отсеки фюзеляжа и кабины пилота из сплава 1420 для самолета МиГ-29М, криогенные топливные баки из сплава 1460 для РКК «Энергия». Благодаря применению этих сплавов снижение массы конструкций составило 15–25%.
С 2000 года определены оптимальные технологические параметры, выбраны или разработаны присадочные материалы для сварки плавлением высокопрочных сталей ВКС-12, УКС, ВНС-72; жаропрочных листовых никелевых сплавов ВЖ155, ВЖ171, ВЖ172; алюминиевых сплавов различных систем легирования В-1963, В-1461, В-1469, 1424 и др.
В настоящее время разрабатываются технологии сварки в твердой фазе современных сложнолегированных конструкционных материалов. Большой объем исследований по сварке трением с перемешиванием сплава В-1469 проведен по заказу ОАО «РКК Энергия». Разработаны технологии ротационной сварки трением жаропрочных деформируемых никелевых сплавов в одноименном (ЭП975) и разноименных сочетаниях (ВЖ172 с ЭК79, ЭП975 с ВКНА-25) для изготовления деталей типа диск–вал, вал–вал сварного ротора.
Разработаны технологии высокотемпературной диффузионной пайки жаропрочных сплавов (ЖС6У, ЖС32, ЖС36, ВКНА-4У, ВЖМ4, ВЖМ5, пористоволокнистых уплотнительных материалов). Освоены в производстве новые полуфабрикаты высокотемпературных припоев на основе никеля и титана в виде порошка и ленты на органической связке.
В 1975 году начались работы в области нового процесса (вакуумная плазменная технология высоких энергий – ВПТВЭ) получения многокомпонентных покрытий на лопатки турбин. В 1978 году ВИАМ разработал констукцию ионно-плазменной установки МАП-1 и выпустил чертежи на установку. В 1981 году на ММЗ «Красный Октябрь» совместно с ВИАМ изготовлены первые три опытно-промышленные ионно-плазменные установки МАП-1, разработанные в ВИАМ. Процесс ВПТВЭ впервые внедрен на заводе «Красный Октябрь» – для нанесенияизносостойкогопокрытия из сплава ВЖЛ2 на ниппели топливного коллектора форсажной камеры двигателей Р29-300 и Р21Ф-300. Вибрационный износ ниппелей приводил к прорыву горячих газов из двигателя в крыло самолета. Применение покрытия из сплава ВЖЛ2 с карбидным упрочнением позволило решить эту проблему.
В 1983 году ионно-плазменное покрытие СДП-2 на основе сплава системы Ni–Cr–Al–Y впервые внедрено в серийное производство для защиты рабочих лопаток ТВД РД-33. Это позволило повысить в 4 раза ресурс рабочих лопаток ТВД по сравнению лопатками с серийным алитированием. В 1984 году ионно-плазменное легированное диффузионное покрытие ВСДП-11 внедрено на рабочих лопатках ТВД Р79В-300 (МНПО «Союз»), а также на рабочих лопатках ТВД Р27-300 (ТМЗ, г. Тюмень).
В 1985 году покрытие из сплава ВСДП-11 внедрено на рабочих лопатках ТВД двигателя АЛ-31 (МПП «Салют») для самолета Су-27. После этого процесс начал широко внедряться на заводах авиационной промышленности.
В 1987 году создан новый тип высокотемпературного жаростойкого конденсационно-диффузионного покрытия СДП-2+ВСДП-16, имеющего градиентное строение. Для рабочих лопаток ТВД ГТД РД-33 такое покрытие позволило повысить в 2,5 раза ресурс лопаток по сравнению с покрытием СДП-2.
В 1992 году модернизируется ионно-плазменная установка МАП-1 для нанесения упрочняющих эрозионностойких покрытий. Установка МАП1М, разработанная в 2004 году установка МАП-2 (вариант установки МАП-1М с компьютерным управлением) позволили получать покрытия на основе твердых соединений металлов (нитридов, карбидов и др.).
В 1995 году упрочняющее покрытие из нитрида циркония внедрено на ММПО им. В.В. Чернышева – для защиты титановых лопаток компрессора ТВ-7-117 от эрозионного износа.
В 2002 году коррозионностойкое покрытие СДП-1+ВСДП-20 внедрено на ОАО «Климов» – для защиты рабочих и статорных лопаток компрессора двигателя РД-33МК от солевой коррозии. В 2006 году коррозионностойкие покрытия типа СДП-1+СФ, СДП-1+ВСДП-20, ВПМСА и ВПАКС – для лопаток и других деталей компрессора двигателя, а также жаростойкое покрытие ВСДП-9+ВСДП-18.
В 2008 году создана автоматизированная ионно-плазменная установка МАП-3 для ассистированного нанесения защитных и упрочняющих покрытий.
В 2010 году разработано первое нанослойное упрочняющее покрытие ТiN/CrN для защиты лопаток компрессора от пылевой эрозии.
Для разработки энергоэффективных технологий нанесения теплозащитных покрытий (ТЗП) на рабочие лопатки ГТД в 2008 году во ФГУП «ВИАМ» спроектирована и изготовлена опытная ионно-плазменная установка УОКС-2 для магнетронного осаждения керамических слоев ТЗП, на которой проводятся работы по отработке технологий нанесения керамических слоев ТЗП нового поколения с низкой теплопроводностью (?1,0 Вт/м).
Для нанесения керамического слоя ТЗП используется новая уникальная высокопроизводительная, энергосберегающая технология – реактивное импульсное магнетронное осаждение при повышенной частоте.