CC BY
130
-Ф-
_АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ_
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 621.452.3.002
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Л.А. Магеррамова, докт. техн. наук(mag@ciam.ru), Ю.А. Ножницкий, докт. техн. наук, Б. Е. Васильев, В. С. Кинзбурский
(ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова»)
Рассмотрены опыт применения аддитивных технологий, перспективы и проблемы их применения в авиадвигателестроении.
Показано, что аддитивные технологии могут обеспечить существенное повышение характеристик, определяющих конкурентоспособность авиационных газотурбинных двигателей, прежде всего снижение массы и повышение надежности, а также сокращение затрат времени и средств на разработку, изготовление и эксплуатацию авиационных двигателей.
Разработаны модели охлаждаемых лопаток турбин, которые были использованы для изготовления деталей с помощью аддитивных технологий.
Ключевые слова: аддитивные технологии, Эй-модели, авиадвигателестрое-ние, конструкции деталей, топологическая оптимизация, свойства, конкурентоспособность.
The Use of Additive Technologies for Production of Advanced Gas-Turbine Engine Components. L.A. Magerramova, Yu.A. Nozhnitsky, B.Ye. Vasiliev, V.S. Kinzbursky.
Experience in application of additive technologies, as well as prospects and problems of the use of these technologies in the aircraft engine industry are discussed.
It is shown that the additive technologies can ensure a noticeable improvement in characteristics governing competitiveness of aircraft gas-turbine engines. Among these characteristics are, first of all, a reduction in weight and an improvement in reliability, as well as a reduction in time and funds needed for development, manufacture and operation of the aircraft engines.
Models of cooled turbine blades which are used for manufacture of components via the additive technologies have been developed.
Key words: additive technologies, 3D models, aircraft engine industry, component designs, topological optimization, properties, competitiveness.
Согласно стандарту АБТМ Р2792.1549323-1 [1] под аддитивной технологией (АТ) понимается процесс объединения материалов с целью создания объекта из данных 3й-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих« производственных технологий.
В настоящее время АТ бурно развиваются [2-10].
Применение методов АТ позволяет создавать сложные оптимальные конструкции без ограничений, присущих традиционным технологиям проектирования и изготовления.
Со времени появления в конце 80-х гг. прошлого столетия АТ получили развитие от создания прототипов деталей до изготовления сложных функциональных изделий.
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Ниже рассмотрены опыт, перспективы и проблемы применения АТ в авиадвигателе-строении. Работы в этом направлении активно ведутся в различных странах, прежде всего в США, странах Западной Европы, КНР [4].
Аддитивные технологии в авиадвигателестроении
Применение АТ в газотурбинных двигателях определяется основными задачами, решаемыми при создании перспективных конкурентоспособных двигателей, включая:
- сокращение затрат времени и средств на разработку, изготовление и техобслуживание (в т.ч. ремонт);
- улучшение экологических характеристик (снижение шума, уменьшение вредных выбросов);
- повышение топливной экономичности;
- увеличение долговечности и повышение безотказности;
- снижение массы.
Задача быстрого прототипирования, т.е. получение прототипа изделия в максимально короткие сроки, остается одной из важных задач практического применения АТ. Прото-типирование может быть использовано для быстрого изготовления из полимерных материалов модели, которая может использоваться для анализа и последующего улучшения конструкции, включая исследование ее отдельных характеристик. Это позволяет значительно сократить затраты времени и средств, необходимых для разработки конструктивно-технологического решения.
Другим актуальным направлением в развитии АТ является разработка ремонтных технологий, с помощью которых могут быть отремонтированы, в частности, лопатки турбо-машин (гребешки и реборды антивибрационных полок, торцы, кромки лопаток и т.д.), лабиринтные уплотнения и другие детали. Основная преследуемая при этом цель - сокращение сроков и стоимости ремонта.
Применение АТ может позволить преодолеть отдельные конструктивно-технологические ограничения, связанные с необходимостью применения деталей сложной формы, конструкций с тонкими стенками или кромками, деталей из материалов с градиентными свойствами.
АТ могут использоваться для изготовления технологической оснастки, необходимой для получения деталей двигателей. Прежде всего речь идет о сложных пресс-формах, а также керамических стержнях, применяемых для изготовления литых лопаток высокотемпературных турбин. Применение АТ при этом направлено на снижение стоимости и сроков изготовления деталей, создание деталей двигателей, обеспечивающих повышение топливной экономичности и надежности.
Наиболее интенсивно развивающимся в последнее время является применение АТ для изготовления из металлических сплавов функциональных и силовых деталей перспективных газотурбинных двигателей (ГТД) и другой авиационной техники.
Например, корпорация Boing с помощью метода 3й-печати изготавливает в год более 20 тыс. деталей 300 наименований для 10 типов коммерческих и военных самолетов [5]. Компания А^Ьив йгоир использует на самолете А350 более 1000 деталей, изготовленных методами АТ [6]. Компания GE обладает парком из более чем 300 установок для изготовления деталей АТ [7].
В частности, в ГТД аддитивные технологии могут применяться при изготовлении деталей жаровых труб камер сгорания (форсунок, завихрителей, сегментов и т.д.). Объединение CFM International заявило об использовании на двигателе LEAP-1 форсунок, изготовленных методом АТ, которые на 20 % легче ив 5 раз долговечнее прототипа [6]. ОАО «Авиадвигатель» совместно с ФГУП «ВИАМ» разработало и испытывает полученный с помощью АТ завихритель камеры сгорания [4]. В ФГУП «ЦИАМ» исследуется изготовленный совместно с ОАО «НПО «Сатурн» с помощью АТ двухзонный фронтовой модуль малоэмиссионной камеры сгорания [10].
Существенного уменьшения массы и снижения стоимости изготовления можно добиться при применении АТ для изготовления имеющих сложную конструкцию крупногабаритных тонкостенных корпусов, основным методом изготовления которых в настоящее время является литье часто в сочетании со сваркой. Компания Rolls-Royce изготовила методом АТ и подготовила к летным испыта-
-Ф-
ниям титановый корпус диаметром 1,5 м передней опоры ротора двигателя Trent XWB [8].
Значительный интерес представляет использование АТ для лопаток турбомашин. Компания AVIO изготавливает для двигателя GE9X методом АТ лопатки турбины низкого давления (ТНД) из интерметаллида (у-алю-минида) титана [9]. С помощью АТ могут быть получены имеющие сложные схемы охлаждения лопатки (в том числе малоразмерные) высокотемпературных турбин, лопатки турбин дефлекторной конструкции, блоки сопловых аппаратов, тонкостенные пустотелые и имеющие тонкие выходные кромки лопатки турбин низкого давления двигателей с большой степенью двухконтурности. В работе [10], а также ниже рассмотрены первые результаты работы в этом направлении, проводимой ФГУП «ЦИАМ». Применение АТ в этих случаях может не только позволить сократить затраты времени и средств, но и обеспечить возможность повышения топливной экономичности и надежности двигателей на основе применения оптимизированных конструкций. Целесообразно также оценить возможность и эффективность применения АТ для изготовления пустотелых лопаток вентиляторов.
В перспективе АТ могут использоваться для выращивания лопаток блисков компрессоров и турбин. Это может позволить снизить стоимость изготовления блисков, обеспечить возможность их ремонта при значительных повреждениях отдельных лопаток, а также создавать блиски из разнородных материалов, что особенно важно для перспективных турбин. В ФГУП «ЦИАМ» совместно с рядом предприятий начаты работы в этом направлении. Окончательный выбор технологии должен основываться на результатах анализа конкурентоспособности АТ по отношению к другим возможным решениям (например, применение линейной сварки трением ).
Разработка надежной технологии изготовления центробежных колес закрытого типа может позволить повысить надежность и экономичность вертолетных и других малоразмерных ГТД.
Кроме того, АТ могут использоваться для изготовления элементов уплотнений, теплообменников, деталей топливной системы, систем шумоглушения и многих других дета-
лей двигателей. В частности, в ФГУП «ЦИАМ» проводится отработка теплообменника, созданного с применением АТ.
Методы АТ могут использоваться также для изготовления из керамических порошков [11] элементов конструкции жаровых труб камер сгорания (фронтовых устройств), элементов теплообменников, уплотнений и других относительно малонагруженных деталей.
В перспективе, по-видимому, можно будет изготавливать методами АТ конструкции из разнородных материалов, например, лопатку турбины из никелевого сплава с керамической кромкой.
Некоторые проблемы применения АТ
Для успешного применения при проведении опытно-конструкторских работ новые технологии должны быть доведены до VI уровня технологической готовности (по шкале HACA) и соответствующего уровня производственной готовности .
При разработке АТ необходимо решить комплекс вопросов, связанных с выбором или разработкой метода и оборудования для изготовления детали, выбором порошка или другого материала, исследованием характеристик материалов деталей, получаемых с помощью АТ, проектированием этих деталей, отработкой технологических процессов изготовления и ремонта .
Основными применяемыми методами АТ являются [2]: Bed Deposition (послойное построение) - метод, при котором осуществляется предварительное формирование слоя в виде равномерно распределенного по всей поверхности рабочей платформы сыпучего или жидкого материала, а затем селективное отверждение фрагментов сформированного слоя в соответствии с текущим сечением CAD-модели, например, путем спекания, сплавления , склеивания или полимеризации частиц материала; Directed energy deposition (прямое построение) - метод, при котором подача материала (в виде прутка, пасты, вдуваемого порошка) происходит непосредственно в то место, где в данный момент времени происходит процесс синтеза. Каждый из названных методов имеет различные вариации и обладает рядом преимуществ и недостатков.
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Выбор метода и оборудования зависит также от применяемого материала, формы и размеров изготавливаемой детали.
Определяющее влияние на выбор того или другого метода оказывает конструкция детали. Так, например, детали, имеющие множественные горизонтальные перегородки, могут быть изготовлены только методами послойного построения. Однако для применения этих методов необходимо использовать поддерживающие элементы (поддержки), которые должны обеспечивать получение геометрической формы изготавливаемой детали в процессе построения. Эти поддержки удаляются после изготовления детали и являются отходами.
В методах прямого построения отходы материала минимальны. Эти методы позволяют, наряду с другими преимуществами, осуществлять ремонт деталей, например входных кромок лопаток вентилятора, восстановление гребешков бандажных полок лопаток турбин и т.д.
Наиболее часто при изготовлении деталей методами АТ используют металлический порошок, требования к которому являются предметом отдельных исследований. Для изготовления деталей авиадвигателей используются порошки из никелевых и титановых сплавов, сталей. Изготовление деталей из титановых сплавов осуществляется в вакуумной камере или защитной среде. Оплавление материала осуществляется лазером или электронным лучом. Размеры камеры зависят от размеров изготавливаемой детали.
Для проектирования детали необходимо определить свойства материала, получаемого с помощью АТ. Для этого в соответствии с действующими стандартами должны быть проведены испытания образцов. Так как материал детали, полученной методом АТ, имеет пористость, то для повышения его механических свойств часто используют газостатическое уплотнение. Механические испытания образцов и деталей должны сопровождаться металлургическими и фрактографическими исследованиями .
Дополнительные возможности АТ открываются при проектировании деталей с применением бионических методов.
Одной из наметившихся тенденций при проектировании деталей и узлов, в том числе газотурбинных двигателей, является все более широкое применение методов оптимизации, в частности топологической оптимизации (ТО), предусматривающей, например, минимизацию массы материала при задан -ных конструктивных ограничениях и удовлетворении требований прочности в заданных условиях нагружения.
Цель ТО - определение оптимального распределения материала в области проектирования при заданных нагрузках с удовлетворением критериев и ограничений оптимизации [12, 13]. В этом случае для расчета используется метод конечных элементов, в котором каждому конечному элементу приписывается условная плотность, определяющая вклад конечного элемента в глобальную матрицу жесткости. Решением задачи ТО в данной постановке является получение оптимального (обычно для минимизации массы детали) распределения условной плотности в области проектирования. В качестве критериев и ограничений при ТО могут выступать различные функции (и их сочетания), такие как, например, податливость или потенциальная энергия деформации, объем, перемещения, прочностные характеристики.
Немаловажными факторами при отработке аддитивных процессов являются разработка (в случае необходимости) поддержек, уменьшение технологических остаточных напряжений в детали, сокращение времени построения с учетом требуемого качества изготовления и т.д.
Для контроля полученного изделия необходимо применять современные неразру-шающие методы, например компьютерную томографию.
Среди российских предприятий разработкой и внедрением АТ в авиадвигателестрое-нии активно занимаются ОАО «Авиадвигатель», ОАО «НПО «Сатурн», ФГУП «ВИАМ», ОАО «НИАТ», ФГУП «ЦИАМ» и другие предприятия. Исследованиями в области АТ занимаются такие лаборатории при университетах, как СПбПУ им. Петра Великого, СТАНКИН, МАИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МИСиС и др.
Примеры прототипов лопаток турбин, изготовленных методами АТ
В ФГУП «ЦИАМ» была спроектирована лопатка высокотемпературной турбины высокого давления с системой проникающего охлаждения [10, 14], которая затем была изготовлена методом послойного лазерного сплавления из порошка сплава In718 с размером гранул d50 = 30 мкм в ОАО «НИАТ» (рис. 1). В результате проведенного анализа установлено, что разработанная система проникающего охлаждения обеспечивает ряд преимуществ (пониженный расход воздуха на охлаждение, меньшая масса и повышенная долговечность лопатки) перед многоканальной системой охлаждения. Расчеты показали, что такая лопатка может работать без теплозащитного покрытия при более высоких температурах, чем лопатки с применяемыми в настоящее время схемами охлаждения.
Для лопаток, работающих при более низкой температуре газа, эффективной для обеспечения приемлемого теплового состояния и прочности может быть конструкция лопатки с дефлектором. Однако существующими методами литья изготовить лопатку такой конструкции крайне сложно. С целью анализа возможности выращивания такой сложной тонкостенной конструкции из порошка сплава CL20 ES на оборудовании Mlab Cusing немецкой фирмы Concept Laser методом послойного селективного лазерного спекания (СЛС) создан прототип спроектированной в ФГУП «ЦИАМ» лопатки турбины с дефлектором (рис. 2). Размер гранул порошка от 10 до 25 мкм, форма гранул сферическая, толщина слоя примерно 25 мкм. Длина рассматриваемой лопатки 75 мм, толщина стенок ее дефлектора 0,2 мм, толщина каждой стенки выходной кромки лопатки 0,35 мм с щелью между ними 0,35 мм. В результате перехода на дефлекторную систему охлаждения масса профильной части лопатки уменьшилась на 20% по сравнению с массой профильной части лопатки - прототипа.
а б в
Рис. 1. Лопатка ТВД с системой проникающего охлаждения:
а - 30- модель; б - изготовленный разрезанный прототип; в - литографическая модель
Применение АТ при изготовлении сложных деталей машин является весьма эффективным, однако следует отметить ряд особенностей, которые присутствуют при изготовлении опытных образцов лопаток авиационных ТВД. Например, образцы лопаток, изготовленные из порошка с размером гранул 650 = 35-50 мкм, имеют отклонения геометрии, превышающие допуски традиционных технологий, что может привести к искажению имеющихся каналов и отверстий системы охлаждения. Для изготовления кондиционных образцов и деталей требуются дополнительные этапы обработки, такие как полировка профилей, прожиг рядов перфорационных отверстий и т.д. Поэтому достижение необходимой точности геометрических размеров деталей и сокращение количества этапов их дополнительной
Рис. 2. Модель дефлекторнойлопатки турбины высокого давления (а) и «напечатанные» методом СЛС прототипы после полирования (б) с частично вскрьтым наружным профилем (в)
-Ф-
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
-Ф-
Рис. 3. Прозрачная модель окончательной конструкции (а) и вид сечений: перпендикулярно осевому (б) и радиальному (в) направлениям
Рис. 4. «Напечатанный» методом СЛС прототип лопатки ТНД
Рис. 5. Серия снимков сечений лопатки (а), полученных с помощью томографа, перпендикулярных радиальному (б) и осевому (в) направлениям:
1-5 - поперечные сечения лопатки; I, II - продольные сечения лопатки
инструментальной обработки являются важными направлениями совершенствования АТ.
На примере типовой неохлаждаемой лопатки ТНД газотурбинного двигателя проведена ТО ее конструкции с обеспечением отстройки от опасных резонансов [13]. Лопатка подвержена действию центробежной нагрузки и изменяющегося по радиусу температурного поля. В результате оптимизации получена конструкция полой лопатки, удовлетворяющая условиям прочности, отстроенная от опасных резонансов, с уменьшенной более чем на 30 % по сравнению с прототипом массой при сохранении неизменным внешнего профиля лопатки (рис. 3).
Прототип этой лопатки, также как и описанной выше дефлекторной лопатки, изготовлен из порошка сплава CL20 ES на оборудовании Mlab Cusing немецкой фирмы Concept Laser методом СЛС (рис. 4). Высота построенного прототипа лопатки около 70 мм, толщина выходной кромки лопатки 0,15 мм. Такую толщину выходной кромки практически невозможно получить традиционными методами литья.
На рис. 5 показана серия томограмм сечений изготовленной лопатки, полученная с помощью томографа ХТ Н 450 3D/4D в фирме «МЕГА Инжиниринг». Видно, что спроектированная лопатка изготовлена в соответствии с моделью, что подтверждает возможности выбранного метода АТ.
На рис. 6 показаны спроектированные лопатки с поддержками на платформе после выращивания.
Поддержки после снятия с платформы удаляются, как и оставшийся неспеченный порошок, который может быть удален из внутренних полостей через имеющиеся в лопатках отверстия.
3
Рис. 6. Спроектированные лопатки ТРД и ТНД (1) с поддержками (2) на платформе (3) после выращивания их методом СЛС
12
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2015
-Ф-
Таким образом, в процессе создания деталей авиационных двигателей, предназначенных для изготовления методами АТ, важными факторами являются:
- подход к проектированию детали с использованием ТО;
- выбор материала, размерности и характеристик порошков для конкретной детали с учетом конструкционной прочности в заданных условиях работы (нагрузка, температура, длительность);
- применение порошков с наименьшим разбросом размера гранул;
- выбор установки и оптимизация технологического процесса применительно к конкретной детали ;
- оптимизация дальнейшей механической и термической обработки, в том числе газо-статирования;
- обеспечение контроля полученной детали;
- обеспечение повторяемости цикла изготовления детали;
- подтверждение заданных физико-механических и других необходимых для данной детали характеристик.
Выводы
Несмотря на перечисленные выше проблемы, преимущества применения АТ для создания деталей авиационных двигателей перед традиционными технологиями очевидны, основные из которых заключаются в следующем:
- возможность изготовления деталей сложной формы оптимальной конструкции практически без технологических ограничений, а также оперативного внесения изменений в конструкцию деталей с использованием новых подходов, в том числе методов бионического дизайна, к проектированию деталей;
- снижение материальных затрат на изготовление (например, для лопаток турбин не требуется изготовления литейных форм, стержней и т.д.);
- сокращение общего времени, необходимого для производства и ремонта;
- уменьшение стоимости;
- возможность создания деталей с необходимым сочетанием свойств материала, в том числе из композиций материалов с различными характеристиками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ASTM F2792-12a, Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. ASTM International. West Conshohocken, PA. 2012. DOI: 10.1520/F2792- 12A.
2. Сироткин О.С. Современное состояние и перспективы развития аддитивных технологий // Авиационная промышленность. 2015. № 2. С. 22-25.
3. Gasser A., Backes G., Kelbassa I., Weisheit A. and Wissenbach K. 2010, Laser Additive Manufacturing // LTJ, 7: 58-63. DOI: 10.1002/latj.201090029.
4. Механик А.Г. Порошки избавляют от лишнего (интервью с генеральным директором ФГУП «ВИАМ» акад. РАН Кабловым Е.Н.) // Эксперт. 2014. № 49. С. 46-51.
5. 20,000 3D Printed Parts Are Currently Used on Boeing Aircraft as Patent Filing Reveals Further Plans, URL: http://3dprint.com/49489/boeing-3d-print (дата обращения: 04.08.2015).
6. 3D Printed Parts Prove Beneficial for Airbus and ULA URL: http://aviationweek.com/technology/3-d-printed-parts-prove-beneficial-airbus-and-ula (дата обращения: 04.08.2015).
7. GE's Additive Manufacturing (3D Printing) Research Center, URL: http://www.gereports.com/post/ 102897646835/ges-additive- manufacturing-3d-printing- research (дата обращения: 04.08.2015).
8. Rolls-Royce Building First XWB-97 for Flight Tests URL: http://www.flightglobal.com/news/articles/
rolls-royce-to-fly-trent-xwb-with- largest-ever-3d-printed-409207/ (дата обращения: 04.08.2015).
9. GE Considers 3D Printing Turbine Blades for Next Generation Boeing 777X's GE9X Engines URL: http: // 3dprint.com/11266/3d- printed- lpt-ge9x-777x/ (дата обращения: 04.08.2015).
10. Белов С.В., Волков С.А., Магеррамова Л.А. и др. Перспективы применения аддитивных технологий в производстве сложных деталей газотурбинных двигателей из металлических материалов // В сб.: Доклады конференции «Аддитивные технологии в российской промышленности». -М.: ВИАМ, 2015.
11. Timonen J., Myllys M., Konakvov V.G., Suda-rev A.V., Archakov I.Y. Structure of Ceramic Material Developed by Laser Prototyping Techniques // Rev. Adv. Mater. Sci. 2011. 29. P. 17-179.
12. Сысоева В.В., Чедрик В.В. Алгоритмы оптимизации топологии силовых конструкций // Ученые записки ЦАГИ. 2011. Т. 42. № 2. С. 91-102.
13. Васильев Б.Е., Магеррамова Л.А. Анализ возможности применения топологической оптимизации при проектировании неохлаждаемых рабочих лопаток турбин // Вестник СГАУ. 2015. Т. 14. № 3. Ч. 1. С. 139—147.
14. Пат. 2267616 РФ. Охлаждаемая лопатка турбины / Почуев В.П., Мухин А.А., Харьковский С.В., Светлов И.Л. Опубл. 10.01.2006.
