CC BY
60УДК 629.78.036.54-63ч034:621.791.92-023.5:669-138
отработка конструктивных и технологических решений для изготовления опытных образцов внутренней оболочки камеры сгорания многофункционального жидкостного ракетного двигателя с использованием Аддитивных технологий
© 2017 г. Артемов А.Л.1, дядченко В.Ю.1, Лукьяшко А.В.1, новиков А.н.2, попович А.А.3, рудской А.и.3, Свечкин В.п.1, Скоромнов В.и1, Смоленцев А.А.1, Соколов Б.А.1, Солнцев В.Л.1, Суфияров В.Ш.3, Шачнев С.Ю.4
1 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина , 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
2ООО «Нормин» («Нормин») М. Перевалка, 9, г. Боровичи, Новгородская обл., Российская Федерация, 174411,
e-mail: normin2000@yandex.ru
3ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ) Политехническая ул., 29, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, 195251,
e-mail: office@spbstu.ru
4ЗАО «Завод экспериментального машиностроения» РКК «Энергия» им. С.П. Королёва (ЗАО «ЗЭМ») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
Представлены результаты научно-исследовательской работы «Отработка конструктивных и технологических решений для изготовления опытных образцов деталей двигателя 11Д58МФ».
Целями научно-исследовательской работы являлись исследование порошкового материала медного жаропрочного сплава БрХЦрТ В; исследование механических свойств стандартных образцов, полученных методом селективного лазерного плавления (СЛП) порошка БрХЦрТ В; изготовление двух полноразмерных образцов внутренней оболочки камеры сгорания многофункционального двигателя 11Д58МФ.
Разработана технология промышленного производства отечественного порошка медного жаропрочного сплава БрХЦрТ В. Определены химический состав и физико-технологические свойства порошка медного жаропрочного сплава БрХЦрТ В (гранулометрический состав, текучесть, форма и морфология поверхности частиц, насыпная плотность); выявлена возможность выращивания полноразмерных образцов внутренней оболочки камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя 11Д58МФ по аддитивной технологии методом СЛП из отечественного порошка сплава БрХЦрТ В; исследованы плотность этих образцов и их микроструктура; произведена термическая обработка и исследована микроструктура образцов после термической обработки. Определены механические свойства при комнатной и повышенных температурах образцов, выращенных в горизонтальном и вертикальном направлениях; разработаны технологические режимы выращивания опытных образцов внутренней оболочки камеры сгорания двигателя 11Д58МФ методом СЛП; изготовлены два полноразмерных образца внутренней оболочки камеры сгорания двигателя 11Д58МФ.
Ключевые слова: жидкостной ракетный двигатель, камера сгорания, аддитивные технологии, селективное лазерное плавление, медный жаропрочный сплав, металлические порошки.
development of design
AND TECHNOLOGY SOLDIONS
for additive manufacturing of prototype
INNER LINING FOR COMBuSTION Chamber
of multifunctional liquid-propellant
ROCKET ENGINE
Artemov A.L.1, Dyadchenko V.Yu.1, Lukyashko A.V.1, Novikov A.N.2, popovich A.A.3, Rudskoy A.I.3, Svechkin V.p.1, Skoromnov V.I.1, Smolentsev A.A.1, Sokolov B.A.1, Solntsev V.L.1, Suflyarov V.S.3, Shachnev S.Yu.4
1S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
2«Normin» Ltd.
9 m. Perevalka, Borovichi, Novgorod region, 174411, Russian Federation, e-mail: normin2000@yandex.ru
3Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU) 29 Polytechnicheskaya str., St. Petersburg, 195251, Russian Federation, e-mail: office@spbstu.ru
Experimental Machinebuilding Plant of S.P. Korolev RSC Energia (EMP) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
The paper presents results of a Research and Development (R&D) project «Development of Design and Technological Solutions for Manufacturing Prototype Parts of Engine11D58MF».
The objectives of the R&D project were to study powdered material of a Russian-made refractory copper alloy, to study mechanical properties of standard samples obtained through Selective Laser Melting (SLM) of the powder of that alloy, manufacturing of two full-scale prototype units of inner lining for combustion chamber of the multi-functional engine 11D58MF.
A process has been developed for domestic industrial manufacturing of powder of the Russian-made refractory copper alloy. Chemical composition and physical and manufacturing properties were determined for the powder of the refractory copper alloy (granulometric size composition, plasticity, shape and morphology of the surface of particles, bulk density); feasibility was demonstrated of growing full-sized sample units of inner lining for combustion chamber of liquid-propellant engine 11D58MF using the SLM additive process of manufacturing out of the domestically produced powder of the refractory copper alloy; the density of these samples and their microstructure were studied; the units were thermally treated and their microstructure after the thermal treatment was studied. Mechanical properties at ambient and higher temperatures were determined for samples that had been grown in horizontal and vertical directions; processing methods were developed for growing prototype inner lining for the combustion chamber of the engine 11D58MF using the SLM process; two full-scale units of the inner lining for the combustion chamber of the engine 11D58MF were manufactured.
Key words: liquid-propellant rocket engine, combustion chamber, additive manufacturing technologies, selective laser melting, refractory copper alloy, metal powders.
АРТЕМОВ Александр Львович — инженер-конструктор 1 категории РКК «Энергия», e-mail: Aleksandr.Artemov16@rsce.ru
ARTEMOv Alexander Lvovich — Engineer-designer 1 category at RSC Energia, e-mail: Aleksandr.Artemov16@rsce.ru
ДЯДЧЕНКО Вадим Юрьевич — Главный технолог - начальник технологического управления РКК «Энергия», e-mail: Vadim.Dyadchenko@rsce.ru
DYADCHENKO Vadim Yuryevich — General technologist - Head of Technological Department at RSC Energia, e-mail: Vadim.Dyadchenko@rsce.ru
ЛУКЬЯШКО Анатолий Васильевич — кандидат экономических наук, главный ученый секретарь НТС РКК «Энергия», e-mail: Anatoly.Lukjyashko@rsce.ru
LUKYASHKO Anatoliy Vasilyevich — Candidate of Science (Economics), Chief scientific secretary of the NTS at RSC Energia, e-mail: Anatoly.Lukjyashko@rsce.ru
НОВИКОВ Александр Николаевич — Генеральный директор ООО «Нормин», e-mail: normin@yandex.ru
NOVIKOV Alexander Nikolayevich — General Director of Normin Ltd., e-mail: normin@yandex.ru
ПОПОВИЧ Анатолий Анатольевич — доктор технических наук, профессор, директор Института металлургии, машиностроения и транспорта СПбПУ, e-mail: director@immet.spbstu.ru POPOVlCH Anatoliy Anatolyevich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Director of Institute of metallurgy, mechanical engineering and transport of SPbPU, e-mail: director@immet.spbstu.ru
РУДСКОЙ Андрей Иванович — доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, ректор СПбПУ, e-mail: rector@spbstu.ru
RUDSKOY Andrey Ivanovich — Doctor of Science (Engineering), Professor, RAS corresponding member, Rector of SPbPU, e-mail: rector@spbstu.ru
СВЕЧКИН Валерий Петрович — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: Valeriy.Svechkin@rsce.ru
SVECHKIN Valeriy Petrovich — Candidate of Science (Engineering), Lead research scientist at RSC Energia, e-mail: Valeriy.Svechkin@rsce.ru
СКОРОМНОВ Владимир Иванович — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: Vladimir.Skoromnov@rsce.ru
SKOROMNOV Vladimir Ivanovich — Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: Vladimir.Skoromnov@rsce.ru
СМОЛЕНЦЕВ Александр Алексеевич — Главный конструктор двигателей РКК «Энергия», e-mail: Alexander.Smolentsev@rsce.ru
SMOLENTSEV Alexander Alekseevich — Chief designer of the engines at RSC Energia, e-mail: Alexander.Smolentsev@rsce.ru
СОКОЛОВ Борис Александрович — доктор технических наук, профессор, Советник генерального директора РКК «Энергия», e-mail: Boris.Sokolov@rsce.ru
SOKOLOV Boris Alexandrovich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Adviser to the General director at RSC Energia, e-mail: Boris.Sokolov@rsce.ru
СОЛНЦЕВ Владимир Львович — Генеральный директор РКК «Энергия», e-mail: vsolntsev@rsce.ru SOLNTSEV Vladimir Lvovich — General Director of RSC Energia, e-mail: vsolntsev@rsce.ru
СУФИЯРОВ Вадим Шамилевич — кандидат технических наук, инженер 2 категории СПбПУ, ведущий научный сотрудник Российско-китайской научно-исследовательской лаборатории «Функциональные материалы», e-mail: Vadim.spbstu@yandex.ru
SUFIYAROV Vadim Shamilevich — Candidate of Science (Engineering), Engineer 2 category at SPbPU, Lead research scientist of the Russian-Chinese research laboratory for functional materials, e-mail: Vadim.spbstu@yandex.ru
ШАЧНЕВ Сергей Юрьевич — кандидат технических наук, заместитель генерального директора - технический директор ЗАО «ЗЭМ», e-mail: Sergey.Shachnev@rsce.ru SHACHNEV Sergey Yuryevich — Candidate of Sciences (Engineering), Deputy General Director -Technical Director of EMP, e-mail: Sergey.Shachnev@rsce.ru
Введение
Аддитивные технологии, или технологии послойного синтеза, в настоящее время являются одними из наиболее новых и динамично развивающихся перспективных производственных процессов во всем мире.
В последние пять лет рынок аддитивных технологий демонстрирует высокие темпы роста и перспективность данного направления, особенно для применения в авиакосмической отрасли [1].
Развитие аддитивных технологий, в частности, технологии селективного лазерного плавления (СЛП), предоставляет уникальную возможность изготавливать изделия из металла посредством расплавления порошка и получения сплошной твердофазной структуры. Метод СЛП позволяет изготовить детали сложнейшей геометрической формы, получить которые традиционными методами невозможно. Помимо этого, применение аддитивных технологий в разы сокращает время получения и отработки всего конечного изделия. Производство может быть начато сразу же после завершения этапа проектирования без изготовления, как правило, дорогостоящей оснастки. Таким образом, время с момента проектирования изделия до получения готовой детали может быть сокращено с нескольких месяцев до нескольких дней. Использование технологии СЛП позволяет повысить коэффициент использования материала практически до 99% и, тем самым, снизить стоимость производства [1].
Недостатком традиционных методов изготовления самых высоконагруженных агрегатов любого жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) — камер сгорания (КС) -является необходимость изготовления дорогостоящей инструментальной оснастки, производство которой, как правило, занимает долгое время. При традиционном производстве деталей из жаропрочных сплавов масса исходной заготовки может в десятки раз превышать массу готового изделия. В процессе механической обработки образуется большое количество дорогой стружки, требующей дополнительной переработки. Традиционная технология изготовления корпуса КС характеризуется очень длительным и затратным циклом, поскольку только процесс электроэрозионного нанесения на дно каналов охлаждающего тракта внутренней оболочки корпуса КС элементов «искусственной» шероховатости, турбулизи-рующих поток охладителя, длится 900 н/ч.
На рис. 1 показана донная поверхность каналов тракта охлаждения со специально наносимыми элементами «искусственной» шероховатости.
Рис. 1. Элементы «искусственной» шероховатости на донной поверхности каналов тракта охлаждения
Внутренняя оболочка КС является самым нагруженным и напряженным элементом конструкции всех современных и перспективных ЖРД.
Ниже в качестве примера приведены условия работы внутренней оболочки КС создаваемого ЖРД 11Д58МФ: рабочая температура
оболочки -173...+650 °С;
температура продуктов
сгорания в КС 3 830 °С;
максимальный удельный
тепловой поток
в стенку КС 63,3 МВт/м2;
давление в тракте
охлаждения 250 кгс/см2;
время работы за одно
включение 800 с;
количество включений
(циклов нагружения) до 10.
В конструкции перспективного многофункционального ЖРД 11Д58МФ [2] для исключения потерь удельного импульса отсутствует внутреннее завесное охлаждение огневой поверхности внутренней оболочки КС, что позволяет приблизить энергетическую отдачу кислородо-углеводородной пары топлива к энергетике кислородо-водо-родных ЖРД. Соответственно, максимальный тепловой поток в стенку КС, достигший 63,3 МВт/м2, и, одновременно, существующие при этом ограничения по максимально допустимому гидравлическому сопротивлению тракта охлаждения требуют конструктивного выполнения тракта достаточно сложной конфигурации, а именно — с переменными значениями высоты и ширины каналов, толщины ребер, больших и переменных
по длине тракта углов их закрутки. На рис. 2 показан примерный внешний вид каналов охлаждающего тракта, при этом ширина проходного сечения каналов в самом узком месте имеет значение менее 1 мм.
Рис. 2. Охлаждающий тракт камеры сгорания
конструкционная схема инновационной камеры сгорания
С целью получения возможности изготовления охлаждающих трактов принципиально любой сложной конфигурации в РКК «Энергия» в 2014 г. была разработана инновационная конструкция корпуса КС применительно к аддитивным методам ее изготовления, на которую подана заявка № 2015139304 от 15.09.2015 г. на получение патента. На рис. 3 показано сравнение конструкционных схем камер сгорания.
В традиционной конструкционной схеме КС всего шесть деталей, четыре сварных шва, два паяных шва (нужны три заводских холодных испытания на прочность и герметичность).
В инновационной конструкционной схеме КС общее количество деталей равно двум, а сварные и паяные швы отсутствуют (одно испытание на прочность и герметичность).
Как видно из сравнения, общее количество деталей корпуса КС инновационной конструкции снижается с шести до двух, сварные и паяные швы исключаются вообще, а число заводских пневмогидроиспытаний на прочность и герметичность уменьшается с трех до одного.
технология изготовления инновационной камеры сгорания
Внутренняя оболочка корпуса камеры сгорания изготавливается из отечественного порошка жаропрочного медного сплава БрХЦрТ В методом СЛП, а наружная оболочка — из высокопрочной нержавеющей стали методом лазерной наплавки.
Коэффициент использования материала при изготовлении корпуса КС инновационной конструкции возрастает с 0,51 до 0,99, объем заводского брака падает с 20 до 0%, а трудоемкость изготовления снижается на порядок.
а)
б)
Рис. 3. Сравнение конструкционных схем корпуса камеры сгорания: а — традиционная: 1 — наружная оболочка - рубашка; 2 — внутренняя оболочка, входная часть; 3 — накладки; 4 — наружная оболочка - конус; 5 — внутренняя оболочка, закритическая часть; б — инновационная (для аддитивной технологии ): 1 — наружная оболочка; 2 — внутренняя оболочка
Файлы разработанных в программе Creo Elements 5.0 трехмерных моделей внутренней оболочки КС как с открытыми, так и с закрытыми каналами охлаждающего тракта после перевода в формат *.stl были предварительно проверены путем изготовления полноразмерных деталей внутренних оболочек из полимерного пластика на 3-О-принтере фирмы EOS.
На рис. 4 показана изготовленная из пластика внутренняя оболочка КС с открытыми каналами охлаждающего тракта.
Рис. 4. Проверочная деталь оболочки камеры сгорания из пластика
Файл компьютерной модели с расширением *.slm, в котором содержится информация о детали и параметрах построения, подготавливается с использованием специализированного программного обеспечения. В данном случае использовались программы Magics (компании Materialise) и AutoFab (компании Marcam). В программе Magics происходит ориентировка детали относительно платформы для построения и создания специальных поддерживающих конструкций. В программе AutoFab происходит задание параметров построения и разделение детали на слои, в каждом из которых содержится информация о параметрах лазера и стратегии его движения. Созданный файл с расширением *.slm далее переносится на установку в программу AutoFab MCS.
В качестве исходного материала в технологии СЛП используется металлический порошок, который должен соответствовать ряду требований для обеспечения качества готовых изделий. Так, например, исходный порошок должен иметь определенный гранулометрический состав, строго сферическую форму частиц без внутренней пористости и наростов-сателлитов, а также соответствовать заданному химическому составу и иметь заданный диапазон размеров.
Для выполнения работ в качестве исходного материала использовался порошок жаропрочного медного сплава БрХЦрТ В, компанией-разработчиком отечественной технологии производства и производителем которого является компания «Нормин» (г. Боровичи, Новгородская обл.). Порошок был получен методом плазменной атомизации и имеет сертификат качества. Химический состав порошка жаропрочного медного сплава БрХЦрТ В соответствует техническим условиям на сортамент гостиро-ванного сплава БрХЦрТ В.
Сферическая форма частиц и очень высокий процент выхода годного порошка характерны для технологического способа использования установки плазменной атомизации.
Гранулометрический состав порошка определялся методом лазерной дифракции на приборе измерения размера частиц Analysette 22 NanoTec plus c общим диапазоном измерений 0,08...2 000 мкм, оснащенном тремя полупроводниковыми лазерами и отвечающим требованиям ГОСТ 8.777-2011 [3] и международного стандарта ISO 13320 [4]. Для измерений использовался блок диспергирования в жидкой среде, предназначенный для измерения твердых материалов и суспензий в жидкой, преимущественно водной, среде.
Определение текучести порошков производилось при помощи калиброванной воронки (прибора Холла) по методу, установленному ГОСТ 2089998 [5] и международным стандартом ISO 4490 [6].
Исследование формы частиц и морфологии их поверхности проводилось с помощью сканирующих электронных микроскопов (СЭМ) JE0L-6060 и TESCAN Mira 3 LMU, работающих при увеличениях от 4-х до 106-ти крат с ускоряющим напряжением 200 В...30 кВ. Для описания формы частиц использовалось справочное приложение ГОСТ 25849 [7].
Измерение насыпной плотности металлических порошков производилось согласно ГОСТ 19440 [8] и международному стандарту ISO 3923-1 [9].
Оценка относительной плотности проводилась металлографическим методом и гидростатическим взвешиванием. В первом случае образцы запрессовывали в пластмассу, шлифовали и полировали. Проводили съемку их панорамного изображения на световом оптическом микроскопе Leica DMI 5000 в диапазоне увеличений 50.1 000 крат и последующую обработку полученных фотографий с использованием программ количественной обработки Thixomet PRO и ImageJ. Измерения проводились на шлифах, изготовленных в продольном и поперечном направлениях (параллельно и перпендикулярно относительно основной плиты установки послойного лазерного сплавления, соответственно), значения измерений усредняли.
Гидростатическое взвешивание производилось в соответствии с ГОСТ 25281-82 [10].
На рис. 5 представлены с 300-кратным увеличением СЭМ-изображения частиц отечественного порошка жаропрочного медного сплава БрХЦрТ В, используемого в данной работе в качестве исходного материала.
Рис. 5. Частицы порошка сплава БрХЦрТ В
На рис. 6 показана с 2 000-кратным увеличением поверхность частиц отечественного порошка жаропрочного медного сплава БрХЦрТ В, используемого в данной работе в качестве исходного материала.
Рис. 6. Поверхность частицы порошка сплава БрХЦрТ В
Для оценки влияния параметров построения на пористость были изготовлены тестовые образцы размером 10*20*15 и
15*15*2О мм. Исследования проводились на микрошлифах, вырезанных из изготовленных образцов при помощи установки для точной резки Brillant 22О производства компании АТМ с использованием алмазных отрезных кругов. Запрессовка образцов в термопластик осуществлялась на установке для запрессовки Opal 4бО. Шлифовка и полировка микрошлифов проводилась на установке Saphir с использованием алмазных суспензий. Обработка изображений осуществлялась с использованием программ количественной обработки изображений Thixomet PRO и ImageJ. Исследовались как отдельные участки микрошлифа, так и панорамные изображения всего образца. Исследование микроструктуры производилось оптическим микроскопом Leica DMI5000 при увеличениях, кратных 5О...1 ООО.
Изготовление заготовок изделий и образцов по технологии CЛП производилось в CПбПУ на установке SLM 28О HL (SLM Solutions GmbH, Германия). Установка имеет рабочую камеру, в которой возможно изготовление изделий с максимальными размерами 28О*28О*35О мм (размер платформы построения). Установка оснащена двумя иттербиевыми волоконными лазерами с длиной волны 1 О7О нм, мощностью 4ОО и 1 ООО Вт. При выполнении данных работ в качестве защитной атмосферы использовался аргон высшего сорта.
Обмер и контроль геометрических размеров изготовленных тестовых образцов производился с использованием лазерного 3D-сканера Faro Platinum Arm с паспортной точностью ±4О мкм. Полученные данные сравнивались с данными STL-файлов с помощью программного обеспечения Geo Magic. Измерение габаритных размеров изготовленных полноразмерных образцов внутренней оболочки RC двигателя 11Д58МФ дополнительно осуществляли с помощью штангенциркулей.
Определение химического состава порошкового материала и компактных образцов из сплава БрХЦрТ В производилось с помощью эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Optima 73ОО DV с многоканальной фотоэлектрической системой МФ^8 согласно ГОСТ 2ОО68.2-79 [11].
Данные о химическом составе порошкового материала сплава БрХЦрТ В и компактных образцов, изготовленных методом CЛП из данного порошка, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Сравнение химического состава порошкового материала Брхцрт Б и компактных образцов
Образец Массовая доля, %
Сг гг Т1 8п гп 8Ь N1 81 Бе РЬ В1 Mg Си
Порошок 0,60 0,04 0,025 <0,001 <0,001 <0,02 0,004 <0,001 0,005 <0,001 <0,001 <0,001 ост.
Компактный образец 0,60 0,04 0,030 <0,001 <0,001 <0,02 0,004 <0,001 0,010 <0,001 <0,001 <0,001 ост.
Требования ТЗ 0,50.0,70 0,02.0,05 0,02.0,05 — — — — — — — — — ост.
Из приведенных результатов видно, что химический состав компактных образцов, изготовленных методом СЛП, соответствует химическому составу порошкового материала БрХЦрТ В. При этом в компактном образце незначительно отличается содержание титана (на 0,005%), содержание остальных легирующих элементов остается без изменений. Химический состав компактных образцов, полученных методом СЛП порошка медного сплава БрХЦрТ В, соответствует техническим условиям на сортамент гостированного сплава БрХЦрТ В.
Механические свойства образцов, полученных методом селективного лазерного плавления
Для определения механических свойств были изготовлены заготовки, приближенные к форме стандартных образцов по ГОСТ 1497-84 [12] для испытаний при комнатной температуре и по ГОСТ 9651-84 [13] для испытаний при температурах 600 и 800 °С. Образцы были выращены как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.
Изготовленные образцы сначала подвергли термической обработке, а затем — механической для придания соответствующей ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9651-84 формы, предназначенной для испытаний при комнатной и повышенных температурах, соответственно. Фотографии образцов после механической обработки приведены на рис. 7.
Механические свойства образцов
V 1 21 ЦП 11111 1111 з1 1 '1111111111 ■ 41 1 1111|111111111|1111|ШНШ ■51 5 б! 1 7!
б)
Рис. 7. Формы образцов для испытаний: а — при комнатной температуре; б — при повышенных температурах
Результаты испытаний механических свойств образцов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Тип образца При 20 °С При 600 °С При 800 °С
ств, МПа 5, % ств, МПа 5, % ств, МПа 5, %
Горизонтальные (без термообработки) 195,1.198,0 10,8.11,7 69,5.86,2 4,4.5,7 31,3.33,3 6,3.12,0
Вертикальные (без термообработки) 210,0.211,0 13,1.15,8 82,2.82,3 4,2.7,7 46,6 12,1
Данные ТЗ (прокатный лист, после термообработки)* 215,7.245,2 35.50 156,9.196,1 16.30 53,9.63,7 40.50
Примечание. * — свойства приведены для материала в нормализованном состоянии после нагрева до температуры 980-1 000 °С и выдержки 20 мин с последующим охлаждением на воздухе.
После обработки гостированного материала (прокатный лист) по режимам пайки традиционной конструкции КС (нагрев до температуры 980-1 020 °С), с которым корректно производить сравнение свойств, предел его прочности при температуре 600 °С снижается в 1,5 раза, а относительное удлинение — до двух раз. При основной рабочей температуре 600 °С сплав БрХЦрТ В имеет ст = 88...98 МПа и относительное удлинение 15%.
Фотографии испытанных образцов представлены на рис. 8.
а)
б)
в)
Рис. 8. Внешний вид испытанных образцов при разной температуре (°С) : а — 20; б — 600; в — 800
Таким образом, изготовленные образцы имеют предел прочности 69,5-86,2 МПа, в ТЗ обозначалась величина 88-98 МПа. Образцы, испытанные при температуре 800 °С, имеют предел прочности 31,3-46,6 МПа при относительном удлинении 6,3-12,1%.
Для выравнивания механических свойств образцов по горизонтальному и вертикальному направлениям и одновременному улучшению их свойств за счет ликвидации остаточной микропористости рекомендуется проведение газо-изостатического прессования изготовленных на 3Л-принтере деталей.
изготовление внутренней оболочки инновационной камеры сгорания
Для технологических параметров процесса СЛП полноразмерного образца внутренней оболочки КС двигателя 11Д58МФ с закрытыми каналами использовались следующие значения:
мощность лазера 400 Вт;
скорость сканирования 400 м/с;
расстояние между единичными проходами
лазера 100 мкм.
Для сканирования слоя использовалась стратегия по типу «шахматной доски». В этом случае лазерные проходы осуществляются по аналогии с шахматной доской: сечение разбивается на клетки, луч обрабатывает сначала черные, а затем белые клетки, при этом направление штриховки лазером в белых и черных клетках отличается на 90°.
На рис. 9 приведена фотография полноразмерного образца внутренней оболочки КС двигателя 11Д58МФ с «закрытыми» каналами после извлечения его вместе с платформой для построения из установки СЛП.
Рис. 9. Внутренняя оболочка инновационной камеры сгорания
Проверка каналов охлаждающего тракта полноразмерного образца внутренней оболочки КС двигателя 11Д58МФ с «закрытыми» каналами, изготовленного методом СЛП порошка БрХЦрТ В, на проходимость протока жидкости подачей самотеком воды из шприца показала, что каждый канал обеспечивает проходимость жидкости.
Проведенные измерения геометрии согласно данным трехмерного сканирования показали среднее отклонение геометрических размеров в пределах +221.-148 мкм.
Высота изготовленного полноразмерного образца внутренней оболочки КС двигателя 11Д58МФ с «закрытыми» каналами была дополнительно измерена вручную с помощью
штангенциркуля-высотомера. Полученные результаты точности изготовления по габаритному размеру образца (высоте): геометрические размеры изготовленного образца данные компьютерной модели отклонение
Томографическое сканирование образцов внутренней оболочки КС было проведено ЗАО «ЗЭМ» на томографе XT H 225/320 LC фирмы NIKON METROLOGY.
На рис. 10 и 11 приведены результаты томографических измерений наружных диаметров образца внутренней оболочки КС с «закрытыми» каналами.
303,40 мм;
303,27 мм; 0,13+0,05 мм.
".о'
i
о
о , _
Рис. 10. Томографические замеры наружных диаметров верхней части образца камеры сгорания (мм)
Рис. 11. Томографические замеры наружных диаметров нижней части образца камеры сгорания (мм)
Проходимость каналов всего охлаждающего тракта была подтверждена томографическим сканированием с записью результатов в видео формате.
Пример отдельного кадра из видеофайла, подтверждающего проходимость каналов охлаждающего тракта, показан на рис. 12.
Результаты томографического сканирования, представленные как видеофайлами, так и в виде графических данных, подтвердили полное соответствие внутренней геометрии образца оболочки КС с «закрытыми» каналами всем требованиям технического задания, включая необходимую для протока охладителя геометрию проходных сечений каналов.
Кроме того, на заключительном этапе исследований была проведена проверка материала стенки по всей длине оболочки капиллярным методом на непроницаемость керосиновой пробой по ГОСТ 3242-79 [14], керосином по ТУ 38.401-58-10-90 [15] и мелом по ГОСТ 4415-75 [16]. При таком способе проверки на наружную поверхность оболочки кисточкой наносился керосин. Внутренняя поверхность предварительно была окрашена меловым водным раствором
и полностью высушена. Проверка показала абсолютную герметичность материала стенки оболочки. Время выдержки (испытания) составило один час.
Рис. 12. Фрагмент видеофайла результатов томографического контроля проходимости каналов тракта охлаждения образца внутренней оболочки камеры сгорания
Выводы
Таким образом, в 2015 г. впервые в Российской Федерации были разработаны:
• отечественная промышленная технология получения высококачественного порошка жаропрочного медного сплава БрХЦрТ В с частицами сферической формы заданных размера и плотности;
• отечественная промышленная технология аддитивного изготовления внутренней оболочки камеры сгорания ЖРД инновационной конструкции из порошка жаропрочного медного сплава БрХЦрТ В размерности Ь = 305 мм и 215 мм с «закрытыми» каналами тракта охлаждения шириной менее 1 мм.
В 2016 г. выпущен подробный отчет о научно-исследовательской работе «Отработка конструктивных и технологических решений для изготовления опытных образцов деталей двигателя 11Д58МФ с использованием аддитивных технологий», инв. № Г404/16 (объемом 143 страницы).
Заключение
В результате анализа проведенного с положительными результатами РКК «Энергия» совместно с СПбПУ комплекса исследований изготовленных по аддитивной технологии внутренних оболочек КС была выработана последовательность дальнейших работ, направленных на завершение отработки конструктивных и технологических решений по изготовлению методами аддитивной технологии всей КС в целом на примере перспективного ЖРД 11Д58МФ. Для этого необходимо проведение следующих работ:
• разработка технологии лазерной наплавки и нанесение по ней на наружную поверхность образца внутренней оболочки КС с «закрытыми» каналами наружного слоя ~5-10 мм из высокопрочной стали 07Х25Н16АГ6Ф;
• изготовление по уже разработанной аддитивной технологии не менее трех экспериментальных внутренних оболочек камер сгорания с «закрытыми» каналами тракта охлаждения;
• нанесение на них наружных стальных силовых слоев (так называемые «рубашки»);
• один узел будет необходимо подвергнуть испытанию на прочность до разрушения для определения фактических запасов прочности;
• разрушенный узел предназначается на порезки для проведения металлографи-
ческого исследования качества соединения внутренней медной оболочки и наружной стальной рубашки;
• оставшиеся узлы должны быть использованы для сборки экспериментальных камер сгорания с целью проведения их последующих огневых стендовых испытаний;
• проведение огневых стендовых испытаний экспериментальных камер сгорания по программе огневых стендовых испытаний и по программе сертификации технологии изготовления (на ресурс до отказа);
• проведение сертификации аддитивной технологии изготовления камеры сгорания инновационной конструкции.
Таким образом, успешное завершение работ по отработке и внедрению аддитивной технологии изготовления камеры сгорания инновационной конструкции сократит производственный цикл ее изготовления с шести до двух месяцев, а также откроет новые возможности проектирования и изготовления предельно эффективных охлаждающих трактов высоконагруженных камер сгорания для ЖРД разгонных блоков, первых и вторых ступеней ракет-носителей всей отрасли.
Список литературы
1. Зленко M.A., Попович A.A., Мутыли-на И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2013. 223 с.
2. Катков Р.Э., Лозино-Лозинская И.Г., Мосолов C.B., Скоромнов В.И., Смолен-цев A.A., Соколов БЛ., Стриженко П.П., Ту-пицын H.H. Экспериментальная отработка камеры сгорания многофункционального жидкостного ракетного двигателя с кислородным охлаждением камеры: результаты 2009-2014 гг. // Космическая техника и технологии. 2015. № 4(11). С. 12-24.
3. ГОСТ 8.777-2011. Дисперсный состав аэрозолей и взвесей. Определение размеров частиц по дифракции лазерного излучения. М.: Стандартинформ, 2012.
4. ISO 13320. Particle size analysis — laser diffraction method.
5. ГОСТ 2089998. Порошки металлические. Определение текучести с помощью калиброванной воронки (прибора Холла). M.: ИПК Издательство стандартов, 2001.
6. ISO 4490. Metallic powders determination of flow rate by means of a calibrated funnel (Hall flowmeter).
7. ГОСТ 25849. Порошки металлические. Метод определения формы частиц. M.: Издательство стандартов, 1983.
8. ГОСТ 19440. Порошки металлические. Определение насыпной плотности. М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.
9. ISO 3923-1. Metallic powders determination of apparent density. Part 1: Funnel method.
10. ГОСТ 25281-82. Порошковая металлургия. Метод определения плотности формовок. М.: Издательство стандартов, 1982.
11. ГОСТ 20068.2-79. Бронзы безоловянные. Метод спектрального анализа по металлическим стандартным образцам с фотоэлектрической регистрацией. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002.
12. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Стандартин-форм, 2008.
13. ГОСТ 9651-84. Металлы. Методы испытания на растяжение при повышенных температурах. М.: Стандартинформ, 2008.
14. ГОСТ 3242-79. Соединения сварные. Методы контроля качества. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002.
15. ТУ38.401-58-10-90. Керосины осветительные. Технические условия.
16. ГОСТ 4415-75. Мел для электродных покрытий. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2011.
Статья поступила в редакцию 10.11.2016 г.
Reference
1. Zlenko M.A., Popovich A.A., Mutylina I.N. Additivnye tekhnologii v mashinostroenii [Additive technologies in mechanical engineering]. St.-Petersburg, Polytechnic universitypubl., 2013.223p.
2. Katkov R.E., Lozino-Lozinskaya I.G., Mosolov S.V., Skoromnov V.I., Smolentsev A.A., Sokolov B.A., Strizhenko P.P., Tupitsyn N.N. Eksperimental'naya otrabotka kamery sgoraniya mnogofunktsional'nogo zhidkostnogo raketnogo dvigatelya s kislorodnym okhlazhdeniem kamery: rezul'taty 2009-2014gg [Experimental development of a multifunctional liquid rocket engine with oxygen-cooled combustion chamber: results of 2009-2014]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 4(11), pp. 12-24.
3. GO ST 8.777-2011. Dispersnyi sostav aerozolei i vzvesei. Opredelenie razmerov chastits po difraktsii lazernogo izlucheniya [GOST 8.777-2011. Dispersion composition of aerosols and suspensions. Determination of the particle size by the laser radiation diffraction]. Moscow, Standartinformpubl., 2012.
4. ISO 13320. Particle size analysis - laser diffraction method.
5. GOST20899 98. Poroshki metallicheskie. Opredelenie tekuchesti spomoshch yu kalibrovannoi voronki (pribora Kholla) [GOST 20899 98. Metallic powders. Determination of the low rate using a calibrated funnel (Hall flowmeter)]. Moscow, IPKIzdatel'stvo standartovpubl., 2001.
6. ISO 4490. Metallic powders - determination of flow rate by means of a calibrated funnel (Hall flowmeter).
7. GOST 25849. Poroshki metallicheskie. Metod opredeleniya formy chastits [GOST 25849. Metallic powders. The method of determing the particle shape]. Moscow, Izdatel'stvo standartov publ., 1983.
8. GOST 19440. Poroshki metallicheskie. Opredelenie nasypnoi plotnosti [GOST 19440. Metallic powders. Determination of the bulk density]. Moscow, IPK Izdatel'stvo standartov publ., 1996.
9. ISO 3923-1. Metallic powders - determination of apparent density. Part 1: Funnel method.
10. GOST 25281-82. Poroshkovaya metallurgiya. Metod opredeleniya plotnosti formovok [GOST 25281-82. Powder metallurgy. The method of determining the molding density]. Moscow, Izdatel'stvo standartov publ., 1982.
11. GOST20068.2-79.Bronzybezolovyannye.Metodspektral nogoanalizapometallicheskimstandartnym obraztsam s fotoelektricheskoi registratsiei [GOST 20068.2-79. Tinless bronze. The method of spectral analysis of standard metal specimens with photoelectric recording]. Moscow, IPK Izdatel'stvo standartov publ., 2002.
12. GOST 1497-84. Metally. Metody ispytanii na rastyazhenie [GOST 1497-84. Metals. Tensile test methods]. Moscow, Standartinform publ., 2008.
13. GOST9651-84. Metally. Metody ispytaniya na rastyazheniepripovyshennykh temperaturakh [GOST 9651-84. Metals. Methods of tensile tests at increased temperatures]. Moscow, Standartinform publ., 2008.
14. GOST3242-79. Soedineniya svarnye. Metody kontrolya kachestva [GOST 3242-79. Welded joints. Quality control methods]. Moscow, IPK Izdatel'stvo standartov publ., 2002.
15. TU38.401-58-10-90. Kerosiny osvetitel'nye. Tekhnicheskie usloviya [TU38.401-58-10-90. Lighting kerosene. Specifications].
16. GOST 4415-75. Mel dlya elektrodnykh pokrytii. Tekhnicheskie usloviya [GOST 4415-75. Chalk for electrode coatings. Specifications]. Moscow, Standartinform publ., 2011.
