Титан и его сплавы, уверенно шагнувшие в Авиацию

Для создания миниатюрной лопатки турбины, которая помещается в ладони, необходимо интегрировать более десятка сложнейших технологий. Мне очень нравятся сравнения, приведенные в одной из публикаций компании Rolls-Royce: одна лопатка турбины развивает мощность, равную мощности автомобиля Формулы-1, а при частоте вращения порядка 12 тыс. оборотов в минуту на нее действует центробежная сила величиной 18 тс, что равняется нагрузке на подвеску двухэтажного лондонского автобуса. Температура газа, с которым соприкасается лопатка, почти равна половине температуры на поверхности Солнца, а давление соответствует давлению на глубине 500 метров. При этом температура газа существенно выше температуры плавления металла, из которого изготовлена лопатка. Поэтому Rolls-Royce предложила такое сравнение: возьмите кубик льда, поместите его в печь, нагретую до 200 градусов, и попытайтесь не дать ему растаять. Добавьте сюда агрессивность среды, неравномерность и не стационарность полей давления и температуры. И в этих условиях до замены лопатка проходит путь в 15 млн миль. Не случайно одна лопатка, а их в одном колесе порядка 70, стоит в восемь раз дороже серебра. Понятно, как не просто обеспечить прочностную надежность этой детали. По данным той же компании Rolls-Royce, прочностные испытания составляют более 80% от общего объема испытаний при создании двигателя. Если вы посмотрите требования к перспективным двигателям NASA и ACARE, то там есть требования к экологии и экономичности, но нет требований к безотказности и ресурсу. Однако это не должно вводить в заблуждение, потому что уровень, который достигнут в такой сложной области, как газотурбинное двигателестроение, чрезвычайно высок. Лучшие современные двигатели имеют ресурс основных деталей порядка 20 тыс. циклов по горячей части и порядка 40 тыс. циклов по холодной части. 

При эксплуатации по состоянию двигатель до ремонта работает больше 15 тыс. часов, а лидерные двигатели не снимаются «с крыла» до 40-50 тыс. часов… Обеспечение прочности деталей двигателя – чрезвычайно сложная задача, что связано и с тяжелыми условиями работы, со сложной конструкцией, с комплексным характером требований. Для создания нового конкурентоспособного по широкому спектру характеристик двигателя необходимы существенное ужесточение условий работы двигателя, новые конструктивно-технологические решения, которые надо доводить до высокого уровня технологической готовности ещё до начала ОКР. Удовлетворение все более жестких сертификационных требований, обеспечение возможности использования прогрессивных методов эксплуатации (это прежде всего эксплуатация по техническому состоянию и более совершенный ее вариант – эксплуатация по надежности, когда при наличии потенциального дефекта каждый раз надо решать, что выгоднее при условии обеспечения безопасности: продолжать эксплуатацию, потратившись потом на более дорогой ремонт, или иметь упущенную выгоду и снимать двигатель с крыла немедленно).

Новые и/или сложные современные сертификационные требования включают такие вопросы как проведение квалификации материалов, сертификацию при предельно допустимых в эксплуатации значениях параметров температуры газов и частот вращения, исключение чрезвычайных режимов, подтверждение ресурса критических по последствиям разрушения деталей с учетом возможных начальных дефектов, предотвращение опасных отказов при отрыве лопатки вентилятора по наиболее удаленному от оси двигателя пазу хвостовика, стойкость к попаданию птиц, включая крупную стайную птицу, проверку длительной авторотации с учетом возможного дисбаланса при отрыве лопатки, разрушении подшипника, отказе маслосистемы и т.д. Важно отметить, что многие требования (например, к птицестойкости) носят комплексный характер и для оценки соответствия двигателя этим требованиям необходим многодисциплинарный подход[…]

Анализ мировых тенденций развития литейных и деформируемых титановых сплавов показал,что внимание ведущих специалистов и разработчиков мира сегодня приковано к новому классу перспективных интерметаллидных титановых сплавов. При формировании «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» в ВИАМ в качестве одного из приоритетных направлений были выбраны разработка и всестороннее исследование интерметаллидных титановых сплавов, а также создание современных технологий их переработки. Уникальная двухкамерная вакуумная индукционная печь с холодным тиглем. Современное оборудование дало возможность начать разработку перспективных деформируемых и литейных интерметаллидных сплавов нового поколения. Стоит отметить, что перспективность применения интерметаллидных титановых гамма-сплавов обусловлена высокой жаропрочностью в совокупности с низкой плотностью (до 4,1 г/см3), которая в 2 раза меньше плотности жаропрочных никелевых сплавов и сталей, что позволит существенно снизить массу деталей ГТД. Однако основной проблемой всех сплавов на основе гамма-алюминида титана, которая сдерживает их широкое практическое применение, является низкая пластичность при комнатной температуре.                                              Американская фирма General Electric в конструкции двигателя GEnx для 6–7 ступени турбины низкого давления впервые применила литые лопатки из гамма-сплава 48-2-2, использование которых позволило уменьшить массу двигателя более чем на 180 кг, что, в свою очередь, привело к снижению удельного расхода топлива. Это первое крупномасштабное использование материалов данного класса в авиационных двигателях. Следующим после разработки гамма-сплава этапом стала проблема получения бездефектных отливок лопаток методом фасонного литья. На индукционной печи с водоохлаждаемым медным тиглем производилась отработка технологических параметров центробежного литья. По итогам проведенного комплекса исследований, благодаря слаженной работе всего коллектива,нам впервые удалось получить отливку лопатки из интерметаллидного титанового гамма-сплава[…]

— Потенциал титана этому способствует?

— Конечно, современные широкофюзеляжные самолеты не зря называют композитно-титановыми: у нас как раз к выходу готовится статья, где этот вопрос затронут. Именно с титановыми сплавами лучше всего сочетать столь популярные сегодня композиты, так как титановые сплавы считаются наиболее устойчивыми к коррозии в контакте с углепластиком и металлическими материалами. Быстроразвивающееся и передовое направление – аддитивные технологии, где у титана также большие перспективы. В ВИАМ организовано производство заготовок под распыление из интерметаллидных гамма-сплавов, порошков из них и из классических титановых сплавов, таких как ВТ6 и ВТ20. Кроме аддитивных технологий, стоит развивать и традиционное литейное производство: технологии конкурирующие, но обе имеют право на жизнь Отмечу интересное научное исследование под эгидой РНФ по интерметаллидам, где мы уже получаем заслуживающие внимания результаты в изучении особенностей влияния деформации (а гамма-сплавы в принципе деформировать довольно сложно, потому что это довольно хрупкий материал), и полученными выводами уже можно руководствоваться при дальнейших работах. Идут эксперименты по бета-термической и деформационной обработке титановых сплавов – все это расширяет возможности для их применения. У титана хорошее будущее[…]

– Каково ваше видение будущего интерметаллидных титановых сплавов?

– На мой взгляд, внедрение этих материалов способно совершить мини-революцию в облегчении конструкции авиационных изделий. При замене никелевых сплавов мы уменьшаем вес детали на 30–40%. Даже несмотря на то, что основу орто-сплавов составляют достаточно дорогостоящие титан и ниобий, их применение в итоге окупается: мы получаем большое преимущество по весу, а значит – повышается эффективность расхода топлива, возрастает величина полезной нагрузки и КПД изделия. Мир не стоит на месте, мы тоже не намерены отставать. Из-за низкой пластичности интерметаллидных материалов отечественные конструкторы до недавнего времени скептически относились к возможности их применения в конструкции своих изделий. Сегодня же, особенно после нашей совместной успешной работы с «Салютом», мы с коллегами ощущаем всплеск интереса к орто-сплавам со стороны предприятий и КБ. Наша работа сегодня, слава Богу, не в стол. Конечно, есть еще много трудностей и нюансов, но это значит, что надо продолжать усерднее работать. Благодаря высокому научному статусу нашего предприятия, высоко заданной планке, а также современному высокотехнологичному оборудованию, каким, на мой взгляд, ни один подобный институт больше не обладает, у исследователя появляются крылья и желание двигаться вперед[…]

– То есть ресурс стали, как одного из традиционных металлов в авиации, еще не исчерпан?

– В эти дни с конвейера сходит первая пробная партия подшипников из наших новых материалов. Это итог разработки комплексной технологии – выплавки, деформации и термообработки прутков из стали со сверхравновесным содержанием азота, которая применяется при производстве прецизионных подшипников. Эта сталь гораздо лучше защищена от коррозии и обладает хорошей ударной вязкостью. Как мы видим, изученная вдоль и поперек сталь еще может удивлять! И это не единичный проект. Среди наших перспективных разработок – воссоздание утраченной технологии изготовления высокопрочной конструкционной стали, которая применяется для хвостовой части изделия ПАО «Туполев». В течение полутора лет я не вылезал из командировок на заводы в Челябинске и Чебаркуле, где полностью погружался в производственные процессы, изучал их плюсы и минусы, узнавал специфику работы металлургов и металловедов. Благодаря руководителям, которые не побоялись отправлять меня «молодого-зеленого», можно сказать, в гущу событий, я начал понимать весь процесс производства и механизм его контроля. В итоге мы успешно изготовили детали, которые точно будут применяться в данном самолете. За эту работу в 2018 году наш авторский коллектив был отмечен стипендией оборонно-промышленного комплекса РФ[…]