Главная

Журнал «Крылья Родины» совместно с АО «ОДК» выпустил к Международному авиационно-космическому салону МАКС-2019 номер, главной темой которого стал новый отечественный двигатель пятого поколения ПД-14. Об участии ВИАМ в этом проекте на страницах журнала рассказал Генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), академик РАН Евгений Николаевич Каблов.

***

ВИАМ: материалы нового поколения для ПД-14

Более десяти лет Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ) активно сотрудничает с предприятиями Объединенной двигателестроительной корпорации (АО «ОДК») в области разработки, исследований, производства и внедрения материалов нового поколения в конструкцию перспективных газотурбинных двигателей.

Ярким примером слаженной совместной работы может служить реализация при поддержке Президента Российской Федерации проекта по созданию авиационного двигателя пятого поколения ПД-14. Его инновационность заключается в том, что при разработке ПД-14 удалось получить качественное изменение основных параметров рабочего режима двигателя, в том числе увеличение степени двухконтурности (в два раза), температуры газа перед турбиной (на 100 К), суммарной степени сжатия в компрессоре (на 20%). Благодаря этому удельный расход топлива снизился на 12%, а экономичность работы двигателя и соответствие экологическим параметрам значительно повысились. Все это удалось обеспечить благодаря применению 20 материалов нового поколения, разработанных в ВИАМ, и более 50 доработанных серийных марок материалов.

Решение о создании двигателя ПД-14 было принято Владимиром Владимировичем Путиным в июне 2008 года после посещения нашего института. Тогда он поддержал инициативу Минпромторга России по созданию семейства газотурбинных двигателей гражданской авиации на базе унифицированного газогенератора. В 2008 году на реализацию этого проекта было выделено 12,8 млрд рублей.

Головным разработчиком ПД-14 стало конструкторское бюро газотурбинных двигателей для гражданской авиации и промышленных установок для энергетики АО «ОДК-Авиадвигатель» (руководитель – член-корреспондент РАН, профессор Александр Александрович Иноземцев).

Создание первого за 35 лет российского газотурбинного двигателя ПД-14 для гражданской авиации было бы невозможно без использования в его конструкции лучших отечественных материалов и технологий нового поколения, которые стали важным преимуществом нового двигателя, особенно в нынешних экономических реалиях.

В конструкции газогенератора и мотогондолы двигателя ПД-14 используются 20 новых материалов и технологий их производства, разработанных в ВИАМ. Среди них: никелевые жаропрочные сплавы для турбины высокого давления – монокристаллический рений-рутениевый сплав для рабочих лопаток и интерметаллидный для сопловых лопаток с высокоресурсными жаростойкими и комплексными теплозащитными покрытиями; высокопрочная сталь для валов турбины и деталей подвески; жаропрочные никелевые и титановые сплавы для дисков компрессора и турбины высокого давления; сплав ЭП648-ПС для получаемых по аддитивным технологиям завихрителей фронтового устройства камеры сгорания. Для защиты замков лопаток вентилятора двигателя ПД-14 разработано фреттингостойкое шликерное покрытие. Для деталей и агрегатов мотогондолы ПД-14 в ВИАМ созданы перспективные полимерные материалы нового поколения: угле- и стеклопластики, которые по характеристикам не уступают лучшим мировым аналогам и выпускаются в условиях малотоннажного производства ВИАМ.

Для двигателя ПД-14 специалистами ВИАМ, АО «ОДК-Авиадвигатель» и металлургических заводов (ПАО «Корпорация «ВСМПО-АВИСМА», АО «Металлургический завод «Электросталь», ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», АО «Ступинская металлургическая компания», АО «Уральская кузница», ПАО «Русполимет») освоены 20 новых сплавов и доработаны более 50 серийных марок материалов и технологий изготовления из них полуфабрикатов с выпуском всех необходимых нормативных документов на производство и поставку.

Применение в конструкции двигателя ПД-14 инновационной продукции материаловедов ВИАМ обеспечивает не только надежность, но и высокие эксплуатационные характеристики ПД-14, делая его конкурентоспособным на мировом рынке.

ВИАМ совместно с АО «ОДК-Авиадвигатель» и АО «ОДК-ПМ» разработал полный технологический цикл нанесения многослойного теплозащитного покрытия на рабочие лопатки из современных безуглеродистых жаропрочных рений- и рений-рутенийсодержащих сплавов. Для защиты внутренних полостей охлаждаемых лопаток были разработаны двухстадийная технология газоциркуляционного алитирования с предварительной цементацией для создания дуффузионного барьера потокам алюминия и других легирующих элементов; новые сплавы для жаростойких слоев теплозащитных покрытий, получаемых методом вакуумной ионно-плазменной технологии высоких энергий; технология нанесения керамического слоя ТЗП методом электронно-лучевого напыления покрытий; проведена отработка комплексной технологии нанесения керамического слоя ТЗП в условиях АО «ОДК-ПМ».

Для защиты замков лопаток вентилятора и компрессора двигателя ПД-14 разработано новое высокоэффективное фреттингостойкое шликерное покрытие, обеспечивающее повышение стойкости к фреттинг-износу в 2–5 раз. Испытания в составе технологического двигателя показали, что данное покрытие по эксплуатационным характеристикам превосходит серийное на основе серебра. Коллективы наших предприятий совместно осуществляют разработку, испытания и применение высокотемпературных ТЗП для двигателей нового поколения.

Одной из задач авиадвигателестроения является то, что применение устаревших серийных материалов приводит к недопустимо высокой массе узлов и снижению ресурса эксплуатации основных деталей. Поэтому создание нового двигателя ПД-14 с обеспечением требуемых параметров было бы невозможно без использования в его конструкции новых материалов для основных (роторных) деталей. По расчетам АО «ОДК-Авиадвигатель» использование высокопрочных жаропрочных сплавов нового поколения для дисков вместо ЭП742 или In718 обеспечивает снижение массы турбины и компрессора высокого давления (за счет уменьшения массы диска турбины высокого давления) с 37,0 до 27,7 кг. В целях снижения массы узлов двигателя ПД-14 впервые в отечественной практике для вала турбины низкого давления (ТНД) был применен новый класс высокопрочных мартенситностареющих сталей (_в≥1600–1800 МПа). Несмотря на сложности, с которыми столкнулись разработчики при освоении производства валов из этой стали на металлургическом заводе «Электросталь» (длина заготовки составляла более 2 м), задача была успешно решена.

Одной из приоритетных целей развития производства двигателей для гражданской авиации является создание и внедрение интерметаллидных γ-титановых сплавов и технологий изготовления из них деталей. Без применения этих сплавов не может быть решен вопрос создания конкурентоспособных отечественных двигателей. Компанией General Electric (GE) на данный момент уже освоено производство лопаток из интерметаллидных сплавов на основе титана методом фасонного литья, а также лопаток ТНД с применением аддитивных технологий.

В рамках проекта ПД-14 ВИАМ при поддержке Минпромторга России создал центр компетенции по интерметаллидным титановым сплавам с низкой плотностью. Новые технологии изготовления из них деталей существенно увеличат весовую эффективность нового семейства двигателей за счет снижения в два раза массы лопаток ТНД.

На сегодняшний день ВИАМ совместно с АО «ОДК» и АО «ОДК-Авиадвигатель» разработал новый литейный интерметаллидный сплав ВИТ-Х для рабочих лопаток ТНД. Кроме того, проведен комплекс работ по внедрению интерметаллидного деформируемого сплава ВТИ-4 для корпусных деталей турбины и компрессора. В кооперации с АО «ОДК-Авиадвигатель» созданы новые технологии производства крупногабаритных слитков, кольцевых заготовок и листов из этого сплава применительно к металлургическому оборудованию ПАО «Корпорация «ВСМПО-АВИСМА».

ВИАМ также ведет освоение новой технологии центробежного литья лопаток из интерметаллидных титановых сплавов.

Производство лопаток из γ-титановых сплавов по аддитивным технологиям является перспективным направлением во всем мире. За рубежом такие работы ведутся очень активно. Так, в итальянском подразделении компании General Electric (GE) Avio организован центр аддитивного производства, специализирующийся, помимо деталей горячего тракта газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов, на выращивании заготовок лопаток ТНД из интерметаллида титана. Лопатки выращивают на установках электронно-лучевого синтеза из порошков, которые производят отдельно на специальном участке с применением бестигельной плавки сплава.

В связи с этим в ВИАМ в 2014 году впервые в Российской Федерации создана инфраструктура для аддитивного производства замкнутого цикла, включая получение высокочистых заготовок для распыления, цифровые технологии синтеза детали, методы контроля, термическую, газостатическую обработку.

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

Создано производство металлопорошковых композиций (МПК) с годовым объемом до 190 т/год. Наличие мощного металлургического производства с парком новейшего вакуумного плавильного оборудования с номинальной емкостью тигля от 20 до 1000 кг, собственные технологии выплавки и комплексного рафинирования расплава с широким применением РЗМ позволяют производить необходимый объем шихтовой заготовки под распыление с высокой чистотой по газовым и неметаллическим примесям менее 5 ppm.

Производство МПК сплавов на железной, никелевой, титановой, алюминиевой основах, в том числе их интерметаллидов, осуществляется на современных тигельных и бестигельном атомайзерах:

– лабораторный атомайзер;

– промышленный тигельный атомайзер, распылительный узел которого был спроектирован в цифре и изготовлен силами ВИАМ;

– промышленный бестигельный атомайзер для производства жаропрочных и интерметаллидных титановых сплавов, полностью спроектированный с использованием цифровых технологий и изготовленный в ВИАМ в условиях запрета к продаже в России зарубежных аналогов.

Первый отечественный материал, примененный в аддитивных технологиях, – сплав ЭП648 разработки и производства ВИАМ. Металлопорошковая композиция данного материала успешно применена для ремонта краевых гребешков бандажных полок рабочих лопаток ТВД методом лазерной газопорошковой наплавки еще в 2011 году на АО «ОДК-Авиадвигатель». Наработка восстановленных по серийной технологии лопаток составила уже более 20 000 ч.

В 2014–2015 годы специалистами ВИАМ и АО «ОДК-Авиадвигатель» выполнена работа, в результате которой впервые в России изготовлена по аддитивной технологии из отечественной металлопорошковой композиции сплава ЭП648-ПС деталь перспективного авиационного двигателя ПД-14 (завихритель фронтового устройства камеры сгорания), в полном объеме отвечающая требованиям конструкторской документации. В ноябре 2015 года двигатель, оснащенный комплектом изготовленных в ВИАМ по технологии селективного лазерного сплавления завихрителей, совершил первый полет в составе летающей лаборатории Ил-76. В настоящее время завихрителями укомплектовываются все двигатели ПД-14 (поставлено более 700 деталей), разработан полный комплект нормативной документации по всем стадиям производственного цикла: получение металлопорошковой композиции, синтез деталей, газостатическая и термическая обработка, постобработка.

Одной из главных задач в области аддитивного производства является освоение технологии селективного электронно-лучевого сплавления (СЭЛС) интерметаллидных титановых сплавов для изготовления ультралегких высокотемпературных лопаток ТНД.

Разработка технологии изготовления рабочих лопаток ТНД с применением технологии СЭЛС обеспечит:

– рекордное снижение массы статорных деталей ТНД (в 1,5–2 раза) за счет снижения плотности с 8,3 до 5,3 г/см³ по сравнению с серийно применяемыми жаропрочными сплавами;

– повышение производительности труда за счет 20–30-кратного снижения трудоемкости при переходе от опытных работ к серийному производству деталей методом СЭЛС по сравнению с литьем и механической обработкой;

– снижение металлоемкости в 3–4 раза и экономию дорогостоящих металлов;

– сокращение времени проектирования статорных деталей ТНД в 3–5 раз.

Основное направление работы ВИАМ – развитие производства МПК сплавов собственной разработки. Сегодня в институте разработано более десяти марок МПК для технологий селективного лазерного сплавления, селективного электронно-лучевого сплавления, прямого лазерного выращивания, на материалы выпущен полный комплект нормативной документации. Еще более 20 марок МПК поставляются по требованиям заказчика.

В ВИАМ реализовано аддитивное производство полного цикла: создан научно-исследовательский комплекс, включающий все стадии процесса – от выплавки шихтовой заготовки и ее распыления до синтеза готовых деталей и их последующей обработки. Такой подход позволяет не просто произвести требуемую массу порошка, но и представить заказчику готовое технологическое решение с выбором материала, разработкой технологии синтеза практически под любой тип оборудования и последующими поставками МПК для серийного освоения технологии.

Одной из важнейших проблем при создании двигателя ПД-14 являлась разработка мотогондолы, обладающей высокой весовой эффективностью по сравнению с металлическими аналогами отечественного производства, а также обеспечение требований по шуму как внутри салона, так и на местности. В настоящее время Россия закупает мотогондолы двигателей для самолета SSJ-100 за рубежом у фирмы Pratt&Whitney, причем стоимость одной мотогондолы по оценкам экспертов составляет около 30 млн руб. Впервые в отечественной инженерной и технологической практике АО «ОДК-Авиадвигатель» совместно с ВИАМ сконструировали мотогондолу двигателя ПД-14 из ~60% по массе полимерных композиционных материалов (ПКМ), обеспечивающую высокую весовую эффективность по сравнению с металлическими аналогами при сохранении требуемых упруго-прочностных свойств, в том числе высоких ударной вязкости и стойкости к климатическим факторам, и отвечающую требованиям по шуму как внутри салона, так и на местности.

В результате проведенных в ВИАМ исследований создано новое поколение высокодеформативных теплостойких связующих, ПКМ и функциональных материалов, обладающих высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных характеристик, которые внедрены в конструкцию мотогондолы двигателя. Применение технологий изготовления деталей и узлов мотогондолы двигателя из ПКМ обеспечило снижение их массы не менее чем на 20% (по сравнению с деталями и узлами из алюминиевых сплавов). В свою очередь это позволило повысить весовую эффективность и ресурс, уменьшить более чем на 25% трудоемкость и энергоемкость изготовления деталей и узлов из ПКМ, снизить материалоемкость производства не менее чем на 15% по сравнению с традиционными технологиями изготовления деталей и узлов из ПКМ. Наш институт осуществляет серийные поставки препрегов углепластиков и стеклопластиков предприятиям, участвующим в кооперации по разработке и изготовлению мотогондолы. Изготовление образцов и проведение квалификационных испытаний ПКМ, создание конструктивно подобных образцов и образцов-демонстраторов деталей мотогондолы осуществляются совместно со специалистами АО «Пермский завод «Машиностроитель», АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина», ПАО «ВАСО» и ПНИПУ.

Для сертификации двигателя в 2018 году, в рамках комплексной программы, включающей полномасштабные квалификационные испытания для определения расчетных значений характеристик прочности материалов, в ВИАМ проведены испытания 11 277 образцов для 19 материалов (54 полуфабрикатов), в том числе 80% от общего количества самых трудоемких испытаний на длительную прочность и ползучесть.

Впервые в России на предприятиях АО «ОДК» и в ведущих отраслевых институтах, в том числе в ВИАМ, создана и постоянно актуализируется экспериментально-теоретическая база данных по свойствам материалов и полуфабрикатов, что позволит создать экспериментально-расчетную базу для квалификации отечественных материалов в Европе (EASA) и по американским требованиям и нормам (FAA).

Следует также отметить, что впервые в отечественной практике в сжатые сроки на базе АО «ОДК-Авиадвигатель» был создан уникальный роботизированный производственный комплекс для изготовления образцов из металлических материалов c мощностью производства до 7000–10000 шт./год. Принятое генеральным конструктором А.А. Иноземцевым решение о создании этого участка позволило выполнить график квалификационных испытаний к моменту сертификации двигателя ПД-14, а также обеспечить готовыми образцами всех участников программы специальной квалификации материалов.

Для обеспечения материалами и полуфабрикатами серийного выпуска двигателей семейства ПД-14 в ВИАМ организованы малотоннажные производства:

– литой прутковой шихтовой заготовки жаропрочных никелевых сплавов для лопаток турбины;

– припоев;

– катодов для нанесения покрытий;

– препрегов для производства угле- и стеклопластиков мотогондолы.

15 октября 2018 года отечественный двигатель гражданской авиации ПД-14 получил Сертификат типа Федерального агентства воздушного транспорта (Росавиация).

Следующим этапом развития гражданского авиадвигателестроения является проект создания перспективного двигателя с тягой 35 т, разработка которого ведется по прямому поручению Президента Российской Федерации (совещание 23 сентября 2017 г. в Ново-Огарево, Московская область).

Разработка перспективного двигателя большой тяги ПД-35, конкурентоспособного зарубежным аналогам, которые будут находиться в эксплуатации в 2020–2030 годах, предусматривает создание материалов нового поколения, необходимых для существенного повышения параметров двигателя относительно освоенных в программе двигателя ПД-14, снижения массы, выполнения более жестких экологических требований, достижения высоких показателей надежности и эксплуатационной технологичности. Для этого ВИАМ с января 2017 года в рамках контракта с АО «Авиадвигатель» выполняет НИОКР по разработке конструкционных высокотемпературных металлических, интерметаллидных, композиционных, керамических, естественно-композиционных, функциональных материалов нового поколения и технологий изготовления крупногабаритных полуфабрикатов и деталей в обеспечение создания:

– широкохордной лопатки вентилятора из ПКМ высотой до 1,5 м, изготавливаемой автоклавным способом и пропиткой под давлением;

– крупногабаритного корпуса вентилятора из ПКМ;

– лопаток ТНД из интерметаллидных титановых сплавов;

– малоэмиссионной камеры сгорания с деталями, изготовленными по аддитивным технологиям;

– роторных деталей с функционально-градиентными свойствами;

– подшипников нового поколения.

Подводя итог, могу с уверенностью сказать – объединив усилия специалистов ВИАМ и ОДК, мы сможем осуществить прорывные для нашей двигателестроительной отрасли проекты, реализация которых ведется на базе принципа единства: материал-технология-конструкция. Это существенно повысить конкурентоспособность выпускаемой отечественной продукции на внутреннем и зарубежном рынках.

"Крылья Родины" 7-8 2019