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

		Сентябрь					Примечание
							Залито, шт.
							Предъявлено, шт.
							Сдано, шт./%
							Залито, шт.
							Предъявлено, шт.
							Сдано, шт./%
							Залито, шт.
							Предъявлено, шт.
							Сдано, шт./%

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

										Длительная прочность	Источник

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

	d , кг/м 3				МнЦУ: , МПа (при N =2·10 7 циклов)

Продолжение

							Область применения
							Рабочие и сопловые лопатки с равноосной структурой
							Рабочие и сопловые лопатки с направленной и монокристаллической структурой
							Рабочие лопатки с монокристаллической структурой
							Рабочие лопатки с направленной и монокристаллической структурой для стационарной ГТУ длительного ресурса

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.

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована в лопатках газотурбинного двигателя (ГТД) для авиационного, судового и наземного (в составе энергоустановки) применения. В полезной модели решается задача увеличение усталостной прочности по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке во избежание преждевременного разрушения лопатки. Дополнительной задачей является возможность применения предлагаемого решения к охлаждаемым лопаткам ГТД. Поставленная задача решается тем, что лопатка турбины ГТД содержит елочный замок, на котором выполнен концентратор напряжения в виде отверстия. Новым в предлагаемой полезной модели является то, что отверстие расположено вдоль оси лопатки ГТД. Лопатка может содержать канал, который сообщается с отверстием, образуя единый концентратор напряжений. Такое выполнение елочного замка лопатки турбины ГТД увеличивает усталостную прочность по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке, что позволяет избежать преждевременного разрушения лопатки.

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована в лопатках газотурбинного двигателя (ГТД) для авиационного, судового и наземного (в составе энергоустановки) применения.

Известна конструкция лопатки турбины ГТД, содержащая елочный замок (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1981,с.89, рис.3.27).

Недостатком лопатки с таким замком является то, что в ней не предусмотрено выполнение концентратора напряжений. Отсутствие концентратора ведет при внезапном снятии нагрузки к разрушению не только лопаток, но и диска.

Также известна конструкция лопатки ГТД, содержащая елочный замок и, по крайней мере, один концентратор напряжений в виде отверстия на замке, расположенного поперек оси лопатки (Патент GB 1468470 от 30.03.1977).

К недостатком такой конструкции можно отнести то, что на елочный замок при работе действуют напряжения растяжения, увеличение которых приводит к недостаточной усталостной прочности на изгиб. Результатом является преждевременное разрушение лопатки ГТД. Так же данную конструкцию нельзя использовать в охлаждаемых лопатках, так как возникает утечка охлаждающего воздуха.

Технической задачей полезной модели является увеличение усталостной прочности по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке во избежание преждевременного разрушения лопатки.

Дополнительной технической задачей является возможность применения предлагаемого решения к охлаждаемым лопаткам ГТД.

Поставленная задача решается тем, что лопатка турбины ГТД содержит елочный замок, на котором выполнен концентратор напряжения в виде отверстия.

Новым в предлагаемой полезной модели является то, что отверстие расположено вдоль оси лопатки ГТД.

Кроме того, лопатка может содержать канал, который сообщается с отверстием, образуя единый концентратор напряжений.

На предлагаемом чертеже изображен продольный разрез лопатки турбины ГТД.

Лопатка ГТД включает елочный замок 1. Елочный замок 1 содержит концентратор напряжений в виде отверстия 2, выполненного вдоль оси 3 лопатки.

Лопатка турбины ГТД снабжена каналом 4 для охлаждения, который сообщен с отверстием 2.

При работе колеса турбины ГТД, в случае отказа при внезапном снятии нагрузки, частота вращения диска увеличивается под действием увеличивающихся центробежных сил. В свою очередь центробежные силы увеличивают напряжения сжатия и изгиба в елочном замке 1 и в диске (на чертеже не показан), при этом напряжения растяжения снижаются из-за наличия концентратора напряжений в виде отверстия 2, выполненном на елочном замке 1 вдоль оси лопатки. Это ведет к повышению усталостной прочности на изгиб в замке лопатки, что позволяет избежать преждевременного разрушения лопатки.

Лопатка турбины ГТД работает, как охлаждаемая лопатка, когда воздух проходит по каналу 4 для охлаждения, который сообщен с отверстием 2 для охлаждения елочного замка 1 лопатки.

Такое выполнение лопатки турбины ГТД позволяет увеличить усталостную прочность по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке во избежание преждевременного разрушения лопатки, возможно применение к охлаждаемым лопаткам ГТД.

Формула полезной модели

1. Лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая елочный замок, на котором выполнен, по крайней мере, один концентратор напряжения в виде отверстия отличающаяся тем, что отверстие выполнено вдоль оси лопатки.

2. Лопатка турбины газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что лопатка содержит, по крайней мере, один канал для охлаждения, который сообщен с отверстием.

Производство лопаток ГТД занимает особое место в авиадвигателестроении, что обусловливается рядом факторов, главными из которых являются:

сложная геометрическая форма пера и хвостовика лопаток;

высокая точность изготовления;

применение дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток;

массовость производства лопаток;

оснащенность технологического процесса производства лопаток дорогостоящим специализированным оборудованием;

общая трудоемкость изготовления.

Лопатки компрессора и турбины являются самыми массовыми деталями газотурбинных двигателей. Их число в одном моторокомплекте доходит до 3000, а трудоемкость изготовления составляет 25...35 % от общей трудоемкости двигателя.

Перо лопатки имеет протяженную сложную пространственную форму

Длина рабочей части пера составляет от 30- 500мм с переменным профилем в поперечных сечениях вдоль оси. Эти сечения строго ориентированы относительно базовой расчетной плоскости и профиля замковой части. В поперечных сечениях заданы расчетные значения точек, определяющих профиль спинки и корыта лопатки в координатной системе. Значения этих координат задаются табличным способом. Поперечные сечения повернуты относительно друг друга и создают закрутку пера лопатки.

Точность профиля пера лопатки в координатной системе определяется допустимым отклонением от заданных номинальных значений каждой точки профиля пера. В примере это составляет 0,5 мм, угловая погрешность при этом по закрутке пера не должна превышать значения 20 ’ .

Толщина пера имеет малые значения, на входе и выходе воздушного потока в компрессор она для различных сечений изменяется от 1,45мм до 2,5мм. При этом допуск на толщину колеблется от 0,2 до 0,1мм. Высокие требования предъявляются также для формирования радиуса перехода на входе и выходе пера лопатки. Радиус при этом изменяется от 0,5мм до 0,8мм.

Шероховатость профиля пера лопатки должна быть не ниже 0,32мкм.

В средней части пера лопатки расположены опорные бандажные полки сложной профильной конструкции. Эти полки играют роль вспомогательных конструкторских поверхностей лопаток, и на их опорные поверхности наносятся твердосплавные покрытия карбида вольфрама и карбида титана. Средние бандажные полки, соединяясь между собой, создают единое опорное кольцо в первом колесе ротора компрессора.

В нижней части лопатки расположена замковая полка, которая имеет сложную пространственную форму с изменяемыми параметрами сечений. Нижние полки лопаток создают замкнутый контур в колесе компрессора и обеспечивают плавность подачи воздуха в компрессор. Изменение зазора между этим полками выполняется в пределах 0,1…0,2мм. Верхняя часть пера лопатки имеет фасонную поверхность, образующая которой точно расположена относительно профиля замка и входной кромки пера лопатки. От точности выполнения этого профиля зависит зазор между вершинами лопаток и корпусом колеса статора компрессора.

Рабочий профиль пера лопатки бандажных полок, и замка подвергается упрочняющим методам обработки с целью создания на образующих поверхностях сжимающих напряжений. Высокие требования предъявляются также к состоянию поверхностей лопаток, на которых не допускаются трещины, прижоги и другие дефекты производства.

Материал лопатки относится ко второй группе контроля, которая предусматривает тщательную проверку качества каждой лопатки. Для партии лопаток готовится также специальный образец, который подвергается лабораторному анализу. Требования, предъявляемые к качеству лопаток компрессора, весьма высокие.

Способы получения исходных заготовок для таких деталей и использование традиционных и специальных методов при дальнейшей обработки определяют выходные качественные и экономические показатели производства. Исходные заготовки лопаток компрессора получают методом штамповки. При этом могут быть получены заготовки повышенной точности, с малыми припусками на механическую обработку. Ниже рассмотрен технологический процесс изготовления лопаток компрессора, исходная заготовка которая получена методом горячей штамповки обычной точности. При создании такой заготовки определены пути, уменьшающие трудоемкость изготовления и выполнения перечисленных показателей качество лопаток компрессора.

При разработке технологического процесса ставились следующие задачи:

Создание исходной заготовки методом горячей штамповки с минимальным припуском по перу лопатки.

Создание технологических прибылей для ориентирования и надежного закрепления заготовки в технологической системе.

Разработки технологической оснастки и применение метода ориентирования исходной заготовки в технологической системе относительно профиля пера лопатки с целью распределения (оптимизации) припуска на различных этапах механической обработки.

Использование станка с ЧПУ для обработки сложных контуров на фрезерных операциях.

Использования отделочных методов обработки шлифованием и полированием с гарантированием качественных показателей поверхностей.

Создание системы контроля качества исполнения операций на основных этапах производства.

Маршрутная технология изготовления лопаток. Штамповка и все связанные сней операции выполняются по технологии горячей штамповки обычной точности. Обработка ведется на кривошипно-шатунных прессах в соответствии с техническими требованиями. Штамповочные уклоны составляют 7…10°. Радиусы перехода поверхностей штамповки выполняются в пределах R=4мм. Допуски на горизонтальные и вертикальные размеры в соответствии с IT-15. Допустимое смещение по линии разъема штампов не более 2мм. Перо исходной заготовки подвергается профилированной обкатке. Следы от облоя по всему контуру заготовки не должны превышать 1мм.

Лопатки компрессора являются одним из самых ответственных и массовых изделий двигателя и имея ресурс работы от нескольких часов до несколько десятков тысяч часов, испытывают широкий спектр воздействий от динамических и статических напряжений, высокотемпературного газового потока, содержащего абразивные частицы, а также окислительные продукты окружающей среды и сгорания топлива. При этом необходимо отметить, что в зависимости от географического места эксплуатации и режима работы двигателя температура по его тракту колеблется от –50…-40 С° до

700…800 С° в компрессоре. В качестве конструкционных материалов для лопаток компрессора современных газотурбинных двигателей применяют титановые сплавы (ВТ22, ВТ3-1, ВТ6,ВТ8,ВТ33), жаропрочные стали (ЭН961 Ш, ЭП517Ш), а для лопаток турбины литейные сплавы на никелевой основе (ЖС6У, ЖС32).

Опыт эксплуатации и ремонта двигателей для военных самолетов показывает, что обеспечение назначенного ресурса 500-1500 часов во многом зависит от уровня повреждаемости рабочих лопаток компрессора и турбины. При этом она в большинстве случаев связана с появлением забоин, трещин усталости и термоусталости, питтинговый и газовой коррозии, эрозионным износом.

Падение предела выносливости для лопаток 4 ступени на базе 20*10 6 циклов составляет 30% (с 480Мпа для лопаток без дефектов, до 340Мпа для ремонтных лопаток), максимумы напряжений на отремонтированных лопатках 4 ступени хотя и уменьшаются, но все таки значительно превышают напряжение на кромках лопаток без забоин. Забоины на лопатках ротора компрессора ведут к значительной потере усталостной прочности новых лопаток. Значительное число лопаток отбраковывается и безвозвратно теряется, так как они имеют забоины, выходящие за предел допуска на ремонт. Конструкции, изготовленные из титана при относительно малой массе, обладают высокой стойкости против коррозии, хорошими механическими свойствами и красивым внешним видом.

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)

В настоящее время при изготовлении лопаток компрессора широкое применение получили методы пластического деформирования и механической обработки, а также комплексные технологии на финишных операциях технологического процесса.
Виброабразивная обработка (ВО) на специальных установках нашла широкое применение в производстве лопаток компрессора из титановых сплавов. Положительное влияние на эффективность виброабразивной обработки оказывает применение вместе с абразивом химически активных жидкостей.
Ультразвуковая обработка шариками (УЗО) позволяет формировать благоприятное сочетание характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора, имеющих малую жесткость, высокую точность изготовления, сложную конфигурацию и тонкие кромки.
Пневмодробеструйная обработка (ПДО) характерна скользящим соударением шариков с поверхностью пера лопатки, не допуская их перенаклепа. Установлено, что ПДО сопровождается уменьшением структурной неоднородности и придает структуре, распределению фаз и остаточным сжимающим напряжениям более однородный характер в поверхностном слое пера лопатки. Предлагаемый пневмодробеструйный метод отделочно-упрочняющей обработки эффективно нейтрализует технологические микродефекты поверхностного слоя, образованные на предыдущих стадиях технологического процесса, сопровождается значительным увеличением предела выносливости, снижением рассеяния долговечности и не требует последующей доводки тонких кромок ручным полированием .
Одним из перспективных методов отделочно-упрочняющей обработки является метод магнитно-абразивного полирования (МАП). Отличительная черта МАП заключается в возможности обрабатывать детали с различной конфигурацией и сочетать в одном процессе отделочные и упрочняющие операции.
Проблема эрозии лопаток газотурбинных двигателей является общепризнанной. Интенсивность и вид эрозии лопаток компрессора зависят не только от условий соударения частиц с поверхностью пера, но и от сочетания характеристик поверхностного слоя.
Для повышения износостойкости лопаток все более широкое применение получили различные виды комплексных технологий - нанесение плазменных покрытий в сочетании с различными отделочно-упрочняющими методами.
Разработка и внедрение в серийное производство двигателей в настоящее время сопровождается прогрессивными конструкторско-технологическими решениями, выражающимися в появлении новых деталей, применением принципиально новых конструкционных материалов, а также усовершенствованием технологий производства, сборки и испытания. Широко используются прогрессивные технологические процессы механической обработки, основанные на концепции высокоскоростного резания, усовершенствуются методы отделочно-упрочняющей и термической обработки.
Тесная взаимосвязь между конструкцией и технологией производства двигателей предопределила ряд актуальных на сегодняшний день вопросов, связанных с повышением несущей способности сложнопрофильных деталей технологическими методами.

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.

Лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) являются наиболее массовыми деталями в производстве данных силовых установок.

Общее количество лопаток в роторе и статоре ГТД в зависимости от его конструкции может достигать нескольких тысяч штук при номенклатуре в два-три десятка наименований, при этом по типоразмерам они могут составлять от нескольких десятков миллиметров до одного – полутора метров. Лопатки турбин наиболее сложны в изготовлении и наиболее ответственны в эксплуатации. Трудоёмкость изготовления данных деталей в общих трудозатратах по производству ГТД составляет не менее 70 – 80 %.

Совершенствование технологических процессов изготовления лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) должно решать прежде всего задачу повышения экономических показателей процесса, а именно: увеличения коэффициента использования материала; снижения трудоемкости изготовления; сокращения технологического цикла изготовления деталей и затрат на технологическую подготовку производства.

Основой решения этой задачи является разработка групповых технологий изготовления главных деталей ГТД, определяющих его себестоимость. К таким деталям, в первую очередь, относятся лопатки турбины и компрессора, открытые и полузакрытые крыльчатки. Выбор той или иной технологии их изготовления зависит от конструктивных особенностей деталей. Однако для одной и той же конструкции лопатки могут быть использованы различные технологические процессы, выбор наиболее оптимального из которых определен экономической целесообразностью его использования в рамках той или иной программы выпуска, т.е. при изготовлении одной и той же детали на разных стадиях развития производства – от единичного к серийному – используются различные технологии, при этом переход от одной технологии к другой может быть существенно сокращен при соблюдении некоторых общих принципов.

Эти принципы должны отвечать условиям автоматизированного производства, где достижение требуемой геометрической точности и качества поверхностного слоя гарантировано соблюдением той или иной групповой технологии, реализуемой на многоцелевых станках, и использованием специальных процессов.

Одним из выдающихся советских ученых и конструкторов был Михаил Миль . Этот уникальный человек работал главным конструктором по вертолётостроению. Используя его выдающиеся знания были созданы вертолёты Ми-1, Ми-2, Ми-4, Ми-6, Ми-8, Ми-10, Ми-12, Ми-24 и др.

Групповая технология опирается на типовые конструкции деталей. Классификация последних на различные типы осуществляется с учетом сходства их конструктивных признаков и функционального назначения. Это позволяет при обработке деталей той или иной группы применять сходные технологии. Базой формирования групп сходных деталей является множество разнообразных деталей, используемых в газотурбинных двигателях (ГТД).

На основе единообразных признаков сходства и различия деталей можно сформировать следующие группы с характерными признаками: рабочие лопатки турбины; сопловые лопатки; компрессорные лопатки; кольца; диски; валы; дефлекторы; опоры и т.д. Так, приведена группа деталей – компрессорные лопатки ГТД, которые должны изготовляться в рамках одной типовой технологии.

Использование групповой технологии в качестве одного из этапов производства требует ее обязательного кодирования, основанного на системе классификации деталей. Эта система строится по принципу распределения деталей по группам конструктором изделия. Геометрическое сходство деталей играет при этом решающее значение. Это сходство определяет другую общность – сходство способов обработки, т.е. одинаковую последовательность выполнения операций, методов обработки резанием и, соответственно, одинаковое технологическое оборудование для их изготовления.

Следующим этапом классификации является использование кодов (номеров) операций групповой технологии. Код операции должен предполагать конкретную технологическую операцию, определяющую тот или иной этап групповой технологии.

Например, операция 005 – изготовление технологических баз для механической обработки от литейных баз; операция 095 – обработка поверхностей, сопрягаемых с другой деталью от технологической базы, и т.д. Таким образом, при составлении новой технологии для изготовления детали, входящей в ту или иную группу, номер (код) операции используется для интеграции данной детали в технологические мощности, задействованные для этой операции.

Однако существующие производства уже включают в себя большое число технологий, созданных в предыдущий период, которые также должны быть объединены в рамках групповой технологии, сохранив при этом имеющуюся у них систему классификации деталей, технологических процессов, оснастки и т.д.

Кроме того, в пределах одной группы могут встречаться детали с конструктивными отличиями, влекущими за собой введение в технологию дополнительных операций. Эти операции кардинально не изменяют групповую технологию, осуществляются в ее рамках. Однако они существенно изменяют технологию конкретной детали, входящей в данную группу. Вследствие этих конструктивных отличий для выполнения того или иного этапа групповой технологии для конкретной детали может быть использовано различное число технологических операций и, соответственно, приспособлений, режущего и измерительного инструмента и т.д.

Таким образом, технологическая система групповых технологий призвана с одной стороны обобщить опыт предшествующих этапов развития предприятия, с другой создать упорядоченную систему технологической подготовки производства для последующего развития предприятия.

---