CC BY
39
УДК 621.762:669.24
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-2-48-52
СОТРУДНИЧЕСТВО
АО «ОДК-АВИАДВИГАТЕЛЬ» И ОАО «ВИЛС» В СОЗДАНИИ НОВЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Александр Александрович Иноземцев, докт. техн. наук, член-корр. РАН, Наталья Николаевна Черкашнева, Гоигорий Викторович Черкашнев
ОДК-Авиадвигатель, Пермь, Россия, olfice@avid.ru
Аннотация. Приведены результаты применения никелевых гранулируемых сплавов для дисков турбин ГТД, показана их наработка в эксплуатации. Определены требования по усталостным характеристикам и жаропрочности сплавов для деталей перспективных двигателей, указаны направления реализации заявленных свойств. Представлены подходы к определению циклического ресурса эксплуатации дисков из гранулируемых сплавов на основе концепции безопасного развития дефекта.
Ключевые слова: жаропрочные никелевые сплавы, металлургия гранул, дефекты, диски турбин ГТД
Cooperation of JSC «UEC-Aviadvigatel» and JSC «VILS» in the Development of New Aircraft Engines. Dr. of Sci. (Eng.) Corresponding Member of RAS Alexander A. Inozemtsev, Natalia N. Cherkashneva, Grigory V. Cherkashnev
UEC-Aviadvigatel, Perm, Russia, olfice@avid.ru
Abstract. The results of application of PM Ni-based nickel alloys in GTE turbine disks are given and their practical use is described. Requirements to fatigue characteristics and heat resistance of alloys intended for parts of advanced engines are stated and possible implementations of the declared properties are indicated. Approaches to determining the cyclic service life of disks made of PM alloys are shown taking into account the concept of safe development of a defect.
Key words: Ni-based superalloys, powder metallurgy, defects, GTE turbine disks
Решение проблем развития современных газотурбинных двигателей, направленное на существенное повышение мощности, ресурса и надежности при одновременном снижении их массы, прямым образом связано со значительной активизацией рабочего процесса, а именно с увеличением температуры газа перед турбиной. Это, в свою очередь, требует создания жаропрочных сплавов с более высоким уровнем температурной работоспособности, структурной и фазовой стабильности, обеспечивающих постоянство свойств в течение заданного ресурса и заданных условий эксплуатации при воздействии высоких температур, напряжений и агрессивной среды.
Достигнутый уровень свойств жаропрочных никелевых сплавов был обеспечен в результате осуществления многочисленных программ фундаментальных исследований, направленных на изучение структуры и процессов, протекающих в сплавах при высоких температурах.
В созданном в августе 1981 г. научно-производственном комплексе ОАО «ВИЛС» была разработана промышленная технология производства дисков из порошков-гранул. С тех пор диски авиадвигателей успешно эксплуатируют на военных и пассажирских самолетах: МиГ-31, МиГ-29, Ил-96-300, Ту-204, РКС «Энергия-Буран», Су-37, Ил-114, АЛ-41, РД-170, РД-180, Ту-214, Ту-244.
Технология производства дисков ГТД постоянно совершенствуется и развивается. В ОАО «ВИЛС» проводились масштабные работы, направленные на повышение надежности и ресурса материала дисков из гранул сплава ЭП741НП, предназначенных, прежде всего, для пассажирского двигателя ПС-90А. Эти работы хорошо известны специалистам авиадвигателестроения. Специально под программу выпуска заготовок дисков для ПС-90А крупность гранул была уменьшена до 140 мкм, а затем и до 100 мкм.
Сотрудничество АО «ОДК-Авиадвигатель» с ОАО «ВИЛС» в области металлургии гранул началось в 70-х гг. прошлого века и продолжается по настоящее время по целому ряду авиационных и промышленных двигателей. Впервые гранульный материал был применен для двигателя Д-30Ф6.
Первоначально для обеспечения требуемого ресурса наиболее нагруженные диски компрессора и турбины были изготовлены из сплава ЭП741П.
С 1983 г. начали производство гранульных дисков и лабиринта 10-й ступени кВд.
На рубеже 80-х гг. в АО «ОДК-Авиадвига-тель» развернуты работы по созданию гражданского двигателя 4-го поколения - ПС-90А. Для дисков турбины двигателя пассажирского самолета был выбран лучший на то время гранульный сплав ЭП741П. В ходе исследовательских работ в ОАО «ВИЛС» был предложен сплав ЭП741НП - улучшенный вариант сплава ЭП741П. Усовершенствована технология производства и контроля качества заготовок, ужесточены технические условия.
В обоснование надежности дисков турбины двигателя из сплава ЭП741НП совместно с ОАО «ВИЛС» и ФАУ «ЦИАМ» выполнен комплекс лабораторных исследований материала: определены характеристики малоцикловой усталости, скорости развития трещин. В АО «ОДК-Авиадвигатель» проведены эквивалентно-циклические испытания всей номенклатуры дисков на стендах поузловой доводки и на пяти двигателях. При стендовых испытаниях двигателей наработки достигали 5000 циклов. Это позволило начать коммерческую эксплуатацию двигателей с 1991 г., а пассажирские перевозки в 1993 г. Впервые в мировой практике диски, изготовленные методом прямого ГИП, были применены в конструкции ГТД самолета гражданского назначения.
С 1996 г. двигатель ПС-90А переведен на эксплуатацию по второй стратегии управления
ресурсом, что позволило обосновать увеличение ресурса дисков без их длительных испытаний на полноразмерном двигателе. Выполнен анализ условий нагружения дисков в полетном цикле и разработаны программы их циклических испытаний на специализированных стендах вне двигателя. В соответствии с концепцией второй стратегии, разработанной в ФАУ «ЦИАМ», цикл нагружения дисков на разгонном стенде УИР был отлажен таким образом, чтобы можно было воспроизводить повреждаемость материала в критических зонах дисков, максимально приближенную к эксплуатационной. В окончательно отработанных вариантах конструкции на стендах было испытано более 20 дисков различных наименований. Эквивалентные наработки нескольких дисков превысили 15 и даже 20 тыс. циклов. С учетом анализа опыта эксплуатации и состояния дисков при их ремонте проведенные работы по исследованию ресурсных возможностей дисков из сплава ЭП741НП позволили сертифицировать увеличенный ресурс дисков по безопасной циклической долговечности до 3600-5400 циклов.
На сегодняшний день суммарная наработка парка двигателей с начала пассажирских перевозок превысила 4 млн ч. Максимальная наработка отдельных дисков из сплава ЭП741НП превысила 15 000 ч, 1800 циклов (наработка ТВД на крыле без съема в ремонт).
Итоги эксплуатации гранульных дисков турбины двигателя ПС-90А показали, что за весь период пассажирских перевозок был единственный случай браковки дисков при ремонте в АО «ОДК-Пермские моторы» по дефектам металлургического характера (по наличию меди).
Попадание меди объясняется тем, что получение гранул осуществляется в установке УЦР распылением высокоэнергетической плазмой литой прутковой заготовки из жаропрочного сплава, вращающейся с частотой до 14 • 103-23Ч03 об/мин. В установке используется плазмотрон коаксиального типа. Опыт эксплуатации плазмотрона показал, что медное сопло плазмотрона работает в наиболее тяжелых условиях. Удельные тепловые потоки, воздействующие на канал сопла плазмотрона, имеющего ограниченные размеры, могут быть настолько велики, что их не может отвести даже самое интенсивное охлаждение. Это приводит к эрозии сопла, выносу частиц меди и ее паров в рабочую камеру и их попаданию в массу распыляемых гранул. Медь является вредной примесью в большинстве
никелевых сплавов. Наибольший износ сопла, сопровождающийся выбросом частиц меди, происходит при неустойчивом горении дуги и скачках тока, что наблюдается в процессе пуска плазмотрона и при неблагоприятном составе газовой смеси аргона с гелием.
Для исключения возможности попадания меди в распыляемые гранулы была проведена модернизация конструкции сопла плазмотрона. В сопло плазмотрона установлены тугоплавкие молибденовые вкладыши, позволившие решить проблему [1].
В середине 90-х гг. в ОАО «ВИЛС» разработана гранульная технология производства заготовок дисков из сплава ЭИ698П, которая позволила снизить их стоимость на 12 %. Такое снижение цены представляло значительный интерес для АО «ОДК-Авиадвигатель» и АО «ОДК-ПМ», развернувших работы по проектированию и доводке промышленных двигателей стационарных газотурбинных установок для перекачки газа.
Повышение параметров рабочего процесса, ужесточение условий работы деталей двигателя и требование минимизации массы заставляют применять для дисков компрессоров и турбин наиболее сложнолегированные сплавы с высокими характеристиками жаропрочности.
Рост жаропрочности сплавов в различных генерациях конструкций ГТД разработки АО «ОДК-Авиадвигатель» приведен на рисунке.
Создание двигателей нового поколения требует и конструктивных решений, и материалов с новым уровнем свойств.
В рамках программы создания двигателя ПД-14 были сформулированы и направлены разработчикам требования к дисковому материалу (табл. 1).
Разработанные в ОАО «ВИЛС» новые гранульные сплавы ВВ751П, ВВ750П, ВВ752П и ВВ753П по основным характеристикам близки к требованиям технических условий, предъявляемым к материалу диска, но в полном объеме этим требованиям пока не отвечают.
В настоящее время актуальной задачей является разработка методов формирования заготовок с двумя различными структурными зонами, так как реальные условия эксплуатации различных частей дисков ГТД существенно меняются при переходе от обода к ступичной части. В ОАО «ВИЛС» был предложен способ изготовления дисков с переменной структурой, заключающийся в использовании гранул жаропрочных сплавов различной крупности при горячем изостатическом прессовании
Динамика роста жаропрочности никелевых сплавов, применяемых для деталей газотурбинных двигателей разработки АО «ОДК-Авиадвигатель»
Требования к материалу диска ТВД Таблица 1
1 Механические свойства Температура, °С
20 450 650
Предел прочности о в, МПа Ступица 1608 1569 1510
Обод 1608 1569 1510
Предел текучести о02, МПа Ступица 1177 1140 -
Обод 1177 1140 1128
Относительное удлинение 5, % 16 13
Относительное сужение % 17 15
Ударная вязкость ан, Дж/м2 20 >390 450 650
2 Жаропрочность на базе 100 ч
Напряжения, МПа Ступица - 1520 1118
Обод - 1451 1177
3 Малоцикловая усталость
На базе 104 циклов ов, МПа (гладкий образец) ог = 0,25, МПа (образец с надрезом) Ступица Обод - 1206 569
На базе 3 • 104 циклов ов, МПа (гладкий образец) ог = 0,25, МПа (образец с надрезом) Ступица Обод - 1187 539
4 Трещиностойкость дисковых сплавов
Температура, °С Скорость развития трещины V, м/цикл Размах коэффициента интенсивности напряжений ДК, МПа • м1/2 Пороговый коэффициент интенсивности напряжений, Кт, МПа • м1/2 Критический коэффициент интенсивности напряжений Кс, МПа • м1/2
460 10-8 10-5 40 220 20 230
700 10-8 10-5 25 160 16 170
(ГИП) [2, 3]. При таком способе изготовления стоит задача выбора размера используемых гранул для обеспечения соответствующей разницы в размере зерна (табл. 2). Следует отметить, что размер зерна также сильно зависит от температуры ГИП и дальнейшей термообработки полученной детали.
Анализ технической литературы показал, что прочность и связанное с ней сопротивление малоцикловой усталости жаропрочных никелевых сплавов возрастают с уменьшением размера зерна, однако при этом могут снижаться характеристики жаропрочности и тре-щиностойкости. Получить одновременно вы-
сокую жаропрочность, низкую скорость СРТУ и максимально возможную высокую прочность сплава в одном структурном состоянии весьма сложная задача, так как эти свойства обеспечиваются разными значениями одних и тех же структурных характеристик.
По данным ЦИАМа, конструктивно-технологические решения типа диск с функционально-градиентными свойствами (ФГС) актуальны для диска рабочего колеса первой ступени ПД-35. Внедрение диска ТВД с ФГС для ПД-35 позволяет снизить массу рабочего колеса на 35-40 кг при увеличении прогнозируемой циклической долговечности.
Влияние структуры на характеристики сплава для ЭП741НП Таблица 2
Размер зерна Кратковременная прочность при 20 °С Жаропрочность, ч МЦУ
ав, МПа а0,2, МПа 8, % Y, % 750 °С, 700 МПа 650 °С, 1000 МПа 650 °С
Мелкое 1526 1104 20 17 175 280 33316
Крупное 1402 1069 17 17,3 225 437 6672
Изменение, % -9 -3 -18 2 22 36 -400
Кроме жаропрочности, в новых требованиях к материалу диска ТВД отражены характеристики МЦУ и трещиностойкости. Применение гранульных дисков в авиационных и промышленных двигателях имеет определенную специфику. Во время испытаний на разгонных стендах при исчерпании циклического ресурса дисков и наработках до 11 000 циклов установлено, что трещины МЦУ зарождаются в наиболее напряженных местах от металлических и неметаллических включений, которые попадают в металл при производстве заготовок. Поэтому по-прежнему остается актуальной проблема повышения чистоты сплава.
В двигателе ПД-14 для дисков ТВД применяется сплав ВВ751П. Наработка ротора на стенде поузловой доводки превысила 33 000 циклов.
Совместно с отраслевыми научными организациями характеристики материала ВВ751П исследуются методами рентгеновской томографии и фрактографии изломов образцов,
полученных в ходе специальной квалификации сплава.
Анализ расчетов, проводившихся в АО «ОДК-Авиадвигатель», показал, что с уменьшением начального размера дефекта с 0,38 мм до 0,15 мм замедляется развитие трещины до опасной величины примерно в 2-6 раз. По предварительным оценкам, выполненным специалистами ФАУ «ЦИАМ» на примере деталей из титановых сплавов, применение вероятностного подхода дает существенно большие значения периода безопасного роста трещины, чем детерминированный подход. Однако отсутствие необходимых данных не позволяет воспользоваться вероятностным подходом.
Подводя итог, необходимо отметить, что технология металлургии гранул для дисков из жаропрочных сплавов является приоритетным направлением в двигателестроении, от которого во многом зависит прогресс в новейших разработках авиационной техники и в которое ОАО «ВИЛС» внесло существенный вклад.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2350052 С1 РФ. Плазмотрон / Воробьев А.О., Гарибов Г.С., Казберович А.М., Князев А.Е., Ко-шелев В.Я., Кошелев В.И., Кошлаков В.В., Миронов В.В., Трещалин Л.Б. Опубл. 20.03.09. Бюл. № 8.
2. Гарибов Г.С. и др. Исследование возможности изготовления заготовок дисков ГТД с переменной структурой и функционально-градиентными свой-
ствами из гранул разных фракций // Технология легких сплавов. 2011. № 4. С. 41-49.
3. Пат. 2536124 С1 РФ. Способ получения диска газотурбинного двигателя / Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Казберович А.М., Бочарова А.А., Егоров Д.А., Рыжова Н.А., Стручалина А.В. Опубл. 20.12.14. Бюл. № 35.
REFERENCES
1. Pat. 2350052 S1 RF. Plazmotron / Vorob'yev A.O., Gari-bov G.S., Kazberovich A.M., Knyazev A. Ye., Koshe-lev V. Ya., Koshelev V.l., Koshlakov V.V., Mironov V.V., Treshchalin L.B. Opubl. 20.03.09. Byul. № 8.
2. Garibov G.S. i dr. Issledovaniye vozmozhnosti izgotovleniya zagotovok diskov gTd s peremennoy strukturoy i funktsional'no-gradiyentnymi svoystvami
iz granul raznykh fraktsiy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2011. № 4. S. 41-49.
3. Pat. 2536124 S1 RF. Sposob polucheniya diska gazo-turbinnogo dvigatelya / Garibov G.S., Grits N.M., Kazberovich A.M., Bocharova A.A., Yegorov D.A., Ry-zhova N.A., Struchalina A.V. Opubl. 20.12.14. Byul. № 35.
