CC BY
52
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ
УДК 621.762
DOI: 0.24412/0321-4664-2021-2-38-47
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИИ ГРАНУЛ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ -НАИБОЛЕЕ ЯРКАЯ СТРАНИЦА В ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ВСЕРОССИЙСКОГО ИНСТИТУТА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Генрих Саркисович Гарибов, докт. техн. наук
Металлургический завод «Электросталь», Электросталь, Московская область, Россия, [email protected]
Аннотация. Работа посвящена выдающемуся событию в истории развития специальной металлургии - созданию пионерской технологии производства критических компонентов газотурбинных авиационных двигателей. Показаны все этапы ее разработки. Приводятся служебные характеристики разработанных и внедренных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов. Названы авиационные, ракетные, морские и промышленные двигатели, в которых используются компоненты из гранул.
Ключевые слова: металлургия, гранулы, жаропрочные никелевые сплавы, га-зостаты, авиационные двигатели, характеристики сплавов
Development of the PM Technology for Heat-Resistant Ni-based Alloys is the Most Vivid Page in the History of the All-Russian Institute of Light Alloys. Dr. of Sci. (Eng.) Genrikh S. Garibov
Metallurgical Plant «Electrostal», Elektrostal, Moscow region, Russia, [email protected]
Abstract. The paper is devoted to an outstanding event in the history of the development of special metallurgy - creation of a breakthrough technology for the production of critical components of gas turbine aircraft engines. All stages of the development of this technology are described. Almost all participants who made the greatest contribution to the solution of the problem are indicated. The service characteristics of the developed and commercialized PM Ni-based superalloys are given. The paper names aircraft, rocket, ship and industrial engines where PM components are used.
Key words: metallurgy, powders, heat-resistant Ni-based alloys, HIP units, aircraft engines, alloy properties
Много важных достижений в области спецметаллургии за прошедшие 60 лет работы института имели место. Они состоялись как при плавке и литье легких и жаропрочных сплавов, титановых сплавов и тугоплавких металлов, так и при всех видах обработки давлением.
В конце шестидесятых - начале семидесятых годов прошлого века металлургическая промышленность - поставщик основных кон-
струкционных металлических материалов для различных отраслей оборонной техники - оказалась в таком положении, когда возможности дальнейшего повышения свойств металлов и сплавов традиционными методами (штамповкой, ковкой, экструзией, прокаткой) были почти полностью исчерпаны или практически стали невозможны из-за экономической целесообразности. В то же время конструкторы, раз-
рабатывающие объекты новой авиационной техники, неуклонно требовали и требуют улучшения качества металла, усложнения формы и увеличения габаритов металлургических полуфабрикатов с одновременным снижением затрат на их изготовление.
Именно в этот период отечественные и зарубежные исследователи начинают разрабатывать принципиально новые методы обработки металла, отличительная особенность которых - высокая скорость кристаллизации расплавов. Такие условия кристаллизации позволяют исключить ряд металлургических дефектов и несовершенств и получить значительно улучшенный комплекс конструкционных свойств в готовой детали.
Разработка научных основ высокоскоростной кристаллизации металлов и горячего изо-статического прессования открыла возможность получения новых высококачественных металлических материалов из различных сплавов с ранее не достигавшимися свойствами. Новая технология, кроме того, обеспечивает производство полуфабрикатов сложной формы, которые нельзя было изготовить традиционными способами. Применение их в конструкциях новых машин и агрегатов открывает перед конструкторами перспективы несравненно более эффективных решений при создании двигателей и энергетических установок.
История создания металлургии гранул весьма интересна, но и весьма драматична.
В начале семидесятых годов прошлого века ВИЛС был флагманом авиационной металлургии СССР. Именно поэтому наш замечательный учитель, выдающийся ученый и великий инженер, один из творцов технической цивилизации XX века, начальник ВИЛСа академик АН СССР Александр Федорович Белов не мог остаться в стороне от быстро меняющихся тенденций в мировой специальной металлургии, за развитием которой он всегда внимательно следил (рис. 1). Еще в конце шестидесятых он организовал ряд первых экспериментов по получению гранул и изделий из них.
23 августа 1973 г. по инициативе Александра Федоровича были созданы проблемные лаборатории 22, 23, 24, 30 для проведения поисковых исследований и разработки про-
Рис. 1. У академика А.Ф. Белова лауреаты Государственной премии СССР, доктора технических наук Г.С. Гарибов, И.А. Кононов, В.И. Ходкин
мышленной технологии производства из порошков-гранул жаропрочных никелевых сплавов турбинных дисков, прессованных прутков, труб и других заготовок методами высокоскоростной кристаллизации расплава и горячего изостатического прессования. Затем лаборатории объединили в научно-исследовательское отделение 2, позднее преобразованное в НИО-11 под руководством доктора технических наук, профессора Н.Ф. Аношкина. Работы начали с подробного ознакомления и изучения пилотных экспериментов, которые несколько ранее проводили лаборатории 24 и 4 под руководством А.Ф. Белова.
В условиях полного отсутствия газостатов уже в декабре 1973 г. после первых опытов по компактированию в сыпучих средах, которые проводила лаборатория 22, Г.С. Гарибовым и В.И. Саутиным был предложен, а в январе 1974 г. реализован принципиально новый процесс горячего гидростатического прессования (ГПС) порошков-гранул в расплавах неорганических материалов на действующих в отрасли гидравлических прессах большой единичной мощности. Во II квартале были созданы крупные установки ГПС на давления 5600 и 2000 ати, а в III квартале 1974 г. получены первые диски диаметром 560 мм и высотой 100 -120 мм из порошков-гранул сплавов ЖС6У и ЭП741 для ММЗ «Сатурн» и ММЗ «Союз». 14 августа 1975 г. были сданы заказчикам первые в СССР опытные шесть дисков ДП1 и ДП2 из сплавов ЭП741П и ЖС6УП (ДП - диск порошковый).
Рис. 2. Участники советско-шведских переговоров в ВИЛСе: А.Ф. Белов, Н.Ф. Аношкин, доктор Г. Дитрих
Во втором полугодии 1975 г. первые в СССР промышленные партии крупногабаритных турбинных и компрессорных дисков из порошков-гранул ЖС6УП и ЭП741П (всего 12 типоразмеров) были изготовлены в ВИЛСе и поставлены заказчикам (МКБ, г. Пермь и ЛНПО им. В.Я. Климова, г. Ленинград).
Короткий экскурс в прошлое показывает огромный объем и широту динамично решаемых вопросов на первых шагах нашего становления. Все эти работы тех лет и по 1999 г. возглавлял и вел Н.Ф. Аношкин.
Выполненные крупнейшие исследования позволили разработать научные основы технологического процесса производства дисков горячим изостатическим прессованием из порошков-гранул, прошедших предварительно тончайшую физико-механическую обработку. Результаты глубоких исследований были отражены в многочисленных кандидатских и докторских диссертациях: О.Х. Фаткуллина, В.И. Ходкина, Г.С., Гарибова, И.А. Кононова,
B.Т. Мусиенко, В.Н. Самарова, Л.С. Буслав-ского, В.Я. Кошелева, A.M. Казберовича и др.
Следует также отметить, что металлургия гранул жаропрочных никелевых сплавов -одна из наиболее ярких страниц совместной деятельности ВИЛСа с ВИАМом и ЦИАМом. Благодаря выдающимся руководителям этих институтов - А.Ф. Белову, А.Т. Туманову и
C.М. Шляхтенко - работа наших сотрудников (за редким исключением) шла очень слаженно.
Важнейшим звеном технологического процесса производства изделий из гранул жаропрочных никелевых сплавов является горячее
изостатическое прессование, для которого необходимы мощные газостаты.
В феврале были начаты переговоры со шведской фирмой ASEA по вопросу приобретения газостатов и современного оборудования для производства гранул (рис. 2). Они продолжались до 1983 г. и завершились поставкой нам двух крупных газостатов и оборудования, оснащенного микропроцессорной техникой, для производства и физико-механической обработки гранул.
В марте-апреле 1977 г. прошли совещания по модернизации еще не пущенного в работу отечественного газостата усилием 125 МН -увеличивали рабочий диаметр печи газостата с тем, чтобы охватить весь сортамент дисков для двигателя РДЗЗ. Эта сложная работа была выполнена В.Н. Земцовым. Уже в мае того же года на НТС лаборатории 23 рассматривали проектные параметры газостата усилием 400 МН, который должны были сконструировать во ВНИИметмаше.
Большие проектные работы по созданию газостата, проведенные во ВНИИметмаше, закончились в 1979 г., и в январе 1980 г. вся техническая документация по газостату с осевым усилием 400 МН - одному из крупнейших в мире - отправлена на Коломенский завод тяжелого станкостроения. Через пять лет он будет введен в строй в ВИЛСе. Масса прессуемой садки 10 т. Масса верхней пробки - 16 т промежуточной и нижней - по 10 т Масса силовой рамы 360 т.
Кроме технических вопросов, связанных с оснащением производства необходимым оборудованием, при освоении производства было необходимо решить целый ряд важнейших научных проблем. Проблема чувствительности гранулированных никелевых сплавов к надрезу в определенный период была одной из важных во всем комплексе работ. К ее решению были подключены все металлофизи-ческие, металловедческие и технологические лаборатории НИО-11. Было организовано тщательное изучение всей мировой литературы по чувствительности к надрезу (в поиске литературы наряду с лабораториями активно помогала ведущий инженер отдела научно-технической информации Г.А. Мушенкова). Работы вели по разным направлениям: повышение
чистоты газов при распылении (Л.А. Арбузова, П.А. Засецкий, И.А. Кононов и др.), тонкие структурные исследования (следует особо отметить работы лаборатории Н.З. Перцовско-го, О.Х. Фаткуллина и др.). Были использованы и контакты с зарубежными специалистами (в частности, с доктором К. Лундом, США и др.). В конце концов проблема была решена за счет резкого повышения чистоты газов при распылении, строгой регламентации размера частиц упрочняющих фаз, повышения качества изготовления образцов с надрезом и др.
В феврале 1980 г. сдали в комплексное опробование газостат КП379 усилием 125 МН.
Началось создание промышленной линии производства дисков с физико-механической обработкой гранул полностью в среде из сверхчистого инертного газа (4 ррт по кислороду, парам воды) на базе установок УЦР-2, газостатов с осевым усилием 50 и 125 МН, стеклостатов ГПС-750, ГПС-850, ГПС-1050, печей термообработки П117М, П112, СНО-1.
Главные конструкторы ведущих авиастроительных предприятий проявили огромный интерес к применению в конструкциях их предприятий дисков и валов из гранул, которые позволяли существенно повысить технические характеристики, снизить вес изделий. Началась проработка технологии производства нового вида изделий - дисков с лопатками (бли-сков, блингов, как назвали такие диски через 20 лет) для двигателей НК32 Н.Д. Кузнецова и других изделий.
В технологии производства дисков из гранул важнейшую роль играет капсула. От того, как она сконструирована, а тем более как изготовлена, из какого материала, с какими сварными швами, при какой культуре производства, зависит 51 % качества диска или вала. Капсулы поручили делать инструментальному цеху, ибо капсула является пластически деформируемым формообразующим инструментом. Начальником цеха был замечательный специалист А.Т. Шайков, благодаря усилиям которого было организовано производство капсул высокого качества.
Параллельно с ростом выпуска дисков, продолжалось совершенствование организации взаимодействия производственных и научных подразделений.
Рис. 3. Коллектив лаборатории 7 (1988 г.)
20 августа 1981 г. вышел приказ по ВИЛСу об организации научно-производственного комплекса 36 «Металлургия гранул» в составе вновь организуемой лаборатории 7 (рис. 3) и цеха 36 с подчинением директору завода. Начальником комплекса назначили меня.
В комплексе, прежде всего, мы договорились о регламенте работы: понедельник - оперативка, вторник - совет по качеству. И то, и другое с протоколом и персональной ответственностью.
Первый приказ по НПК 36 был о вакуумной гигиене в комплексе. Всех сотрудников лаборатории 7 и цеха 36 срочно одели в белые халаты. Все оборудование цеха без исключения покрасили в белый цвет и тщательно следили за чистотой и стерильностью рабочих камер, где обрабатывают гранулы. Особенно строго следили мы за чистотой хлопчатобумажных перчаток операторов установок.
Перед новым 1982 г. Александр Федорович, как всегда, созвал НТС института, чтобы подвести итоги года, сказать о задачах наступающего года и поздравить всех с Новым годом. В этот раз настроение его было превосходным. Перед НТС я сообщил ему, что в декабре будет сдано 43 крупных диска для изделий «88» и «48» по графику Министра. Такого еще никогда не было. Эту весть он преподнес всем в качестве новогоднего подарка.
Однако наши недостатки лучше нас знали только мы сами. Выход годного на крупных массивных дисках был недопустимо низким, всего 18,3 %. Мы сосредоточили все усилия на том, чтобы существенно повысить выход годного. В результате напряженной работы, проведенной в 1982 г., выход годного был повышен до 80,2 %. Это было большой победой.
Во второй декаде января 1983 г. важные события развернулись на СМК: было принято решение об организации производства дисков.
18 февраля 1982 г., наконец, был подписан контракт с фирмой АБЕА на поставку в СССР двух газостатов и оборудования для обработки гранул.
Отработка технологии термической обработки к концу марта 1982 г. привела к некоторой стабилизации механических и жаропрочных характеристик дисков из гранул. Р.Ф. Бабико-ва и Н.М. Гриц под руководством начальника лаборатории О.Х. Фаткуллина предложили режим термической обработки сплава ЭП741НП, включающий высокотемпературный отжиг, совмещенный с закалкой, и длительное старение с охлаждением на воздухе. Сплав ЭП741НП и режим термообработки были паспортизованы ВИАМом в 1981 г. Сплав рекомендован для изготовления дисков авиационных ГТД с рабочими температурами до 850 °С. Почти два года ушло на отработку технологии термической обработки. Она гарантировала уровень свойств, заданный заказчиком.
В начальный период вопросам развития металлургии гранул уделялось большое внимание. Очень активная роль принадлежала заместителю министра авиационой промышленности СССР Н.А. Дондукову, который неоднократно проводил совещания по этому вопросу, совмещая доброжелательность и твердость требований. Большое внимание проблеме развития металлургии гранул уделялось заместителями министра Г.Б. Строгановым, А.Г. Братухиным, В.М. Чуйко, В.М. Чепкиным и др. С большой требовательностью к выполнению принятых решений, в целом оказывавших большую помощь ВИЛСу, относился министр авиационной промышленности И.С. Силаев. «Никаких уступок и пощады тем, кто тормозит внедрение металлургии гранул. НТС должен перейти от разговоров к реализации, надо обострять вопрос внедрения» - так он формулировал свое отношение к проблеме на НТС 23 мая 1982 г.
Задачи, которые надо решать до конца 1982 г., были так велики, что с 13 сентября мы вынуждены были перейти на непрерывный график работы.
В последний день 1983 г. были завершены исследования по разгадке одной из коварных
неприятностей, возникающей при нагреве и прессовании дисков - проблеме РРВ (prime particles boundary). Из-за карбидной оторочки гранул браковали диски по структуре и свойствам, когда образец не выдерживал установленной длительной прочности при высокой температуре. Эти исследования проводил один из наших самых лучших специалистов по металлургии гранул Л.С. Буславский. Была проведена корректировка режимов нагрева капсул с гранулами перед прессованием, режимов прессования, что позволило решить эту проблему.
С декабря 1984 г. все производство гранул было переведено с крупности менее 315 мкм на крупность менее 200 мкм.
6 января 1986 г. - за 3 месяца до его 80-летия - отправляют на отдых нашего гениального «папу» Александра Федоровича Белова. Закончилась Эпоха Белова в ВИЛСе и в спецметаллургии.
28 марта 1986 г. исполнилось 80 лет А.Ф. Белову. Все, кто знал его, тепло поздравили его. Я собрал человек 60 народу из лабораторий 7 и 23, из цеха 36 и строем пошли поздравлять очень дорогого нам человека, над подарком к его юбилею мы работали много и долго. Спроектировали как бы модель изделия «88» в масштабе 1:10. Диски и вал расположили в ней точно, как в двигателе. Модель сконструировали наши замечательные конструкторы лаборатории 7 В.И. Фейгин и Н.А. Рыжова. Затем работа шла строго по технологии и получилось так, что изготавливали ее все работники лаборатории 7 и цеха 36. Когда вся эта толпа людей пришла к Александру Федоровичу, он был очень растроган и прослезился.
Начальником института вместо А.Ф. Белова назначили Николая Ивановича Корягина, а директором завода - доктора технических наук, профессора Бориса Ивановича Бондарева.
Металлургия гранул оказалась в эпохе перемен. Новому руководству ВИЛСа как раз и пришлось срочно решать проблему плавки и литья электродов и подготовки к сильно возросшей программе 1986 г.
Большое внимание Министерства авиационной промышленности к работе ВИЛСа по металлургии гранул, безусловно, способствовало
ускоренному ее развитию, постоянно привлекало внимание моторостроительных ОКБ и заводов к проведению более широких испытаний.
10 ноября 1988 г. пришло радостное известие, что за разработку проблемы металлургии гранул коллективу авторов из 12 человек присудили Государственную премию СССР в области науки и техники: Г.С. Гарибову, В.И. Ходкину, И.А. Кононову, О.Х. Фаткуллину (ВИЛС), Е.В. Бабуриной (ВИАМ), В.И. Миронову (СМК), Р.Н. Сизовой (ЦИАМ), Я.И. Чер-нину (завод «Красный Октябрь»), Г.Н. Поле-тову (ЛНПО им. В.Я. Климова), Г.А. Кривоносу (ВНИИметмаш), Г.Н. Руину (КСПО), Г.Г. Мас-лову (8 ГУ МАП СССР).
Это очень приятное и заслуженное событие было омрачено тем, что в списке отсутствовали два самых главных руководителя и исполнителя проблемы: А.Ф. Белов и Н.Ф. Анош-кин - они отказались от премии в пользу других участников.
1988 г. закончился тем, что впервые у Н.Ф. Аношкина с участием ЦИАМа, ВИАМа, завода «Красный Октябрь» и военных обсуждали существо внутригранульной пористости и ее регламентацию в материале дисков. Были разработаны и приняты 5-балльные эталоны (А.В. Востриков), по которым и по сей день оценивают микроструктуру дисков в процессе приемосдаточных испытаний. Эта система оценки материала оправдала себя и способствовала дальнейшему совершенствованию технологии производства гранул.
В 1989 г. плазменную плавку и центробежное распыление вращающейся заготовки на гранулы, в основном, осуществляли на установке УЦР-2. Однако новая установка УЦР-4 также работала.
Для производства серийных дисков использовали гранулы крупностью -200 + 50 мкм. Допустимое содержание неметаллических включений (примесей) составляло 100 шт./кг. Для дисков пассажирского двигателя ПС-90А (Д90) оно было ниже в 2 раза - 50 шт./кг.
В сентябре 1988 г. впервые на установке УЦР-2 были изготовлены шесть партий гранул крупностью -140 + 50 мкм для дисков изделий «65» и «94» пассажирских ГТД.
Поставленная задача была решена в течение 1988-1989 гг. Был разработан и паспорти-
зирован ВИАМом новый режим термической обработки, включающий в себя высокотемпературную закалку с охлаждением сжатым воздухом, двухступенчатое старение с охлаждением с печью и на воздухе. Этот режим разработали наши ведущие сотрудники В.А. Зиновьев, Т.А. Горбунова, Л.С. Буславский, А.В. Вос-триков и др. Он исправно служит и по сей день.
С 21 мая 1990 г. диски двигателя ПС-90А изготавливали исключительно из гранул -140 + 50 мкм. Одновременно с этим норма по неметаллическим включениям была ужесточена еще в 2,5 раза и установлена на уровне 20 шт./кг.
1988-1991 гг. примечательны тем, что по мере ввода мощностей на СМК и в ВИЛСе непрерывно рос выпуск дисков из гранул. Пик выпуска приходится на 1989 г., когда в ВИЛСе было выпущено 2183 диска, а на СМК -2508 дисков.
В конце 1991 г. Александр Федорович Белов тяжело заболел. 24 декабря его не стало.
С 1993 г. производство истребителей МиГ-29, а соответственно, и двигателей РД-ЗЗ было полностью прекращено. Заказы на диски и валы для этого двигателя были не уменьшены, а обрушены до нуля. В поисках загрузки производственных мощностей я убедился в практически полном отсутствии потенциальной потребности в дисках. Временный выход из положения был найден в изготовлении прутковых заготовок для точного литья лопаток.
Всего мы освоили около 40 марок жаропрочных и коррозионностойких лопаточных сплавов. Эта работа, главным образом, позволила сохранить кадровый состав НПК 36, пережить смутные 90-е годы прошлого века. Большой вклад в разработку технологии и организацию производства ЛПЗ внесли В.И. Кондратьев, А.А. Офицеров, Ю.А. Ок-мянский, Ю.Е. Бурдов, В.И. Кошелев, В.Н. Ко-тович, Н.Н. Рытов, А.Ю. Гуркин, 3.3. Галимов, Н.И. Ходакова, Е.В. Котов, В.А. Данилкин и др.
В конце 1993 г. в ВИЛСе были проведены серьезные работы по подготовке к сертификации всех видов технологий и производств. Шла усиленная учеба руководителей всех уровней. Работы эти возглавлял начальник института Б.И. Бондарев, который своим личным участием во всех мероприятиях подчеркивал
важность этой работы. Эта работа успешно завершилась получением Международного сертификата ИСО9001 в 1994 г. Сертификацию проводила германская фирма TÜV.
Одним из первых сертифицированных подразделений был НПК 36, куда обычно приводили всех советских и иностранных гостей. Затем последовала сертификация литейного производства жаропрочных никелевых сплавов нашего комплекса комиссией правительства Москвы, а потом и всего производства жаропрочных никелевых сплавов Авиационным Регистром (АР) Межгосударственного Авиационного комитета (МАК) в 1995 г.
Новым этапом развития гранульного производства стало взаимодействие ВИЛСа с ОАО «Авиадвигатель». Летом 2001 г. от генерального директора, генерального конструктора ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, Александра Александровича Иноземцева поступила просьба написать ему подробно, чем наша технология отличается от американской, в чем преимущества и недостатки каждой из технологий. Полтора месяца я вынашивал ответ, а потом написал ему ответ на 12 листах. Потом эта просьба повторилась с дополнением дать разъяснение по вопросу контроля дисков. Опять ушел наш ответ и заодно удивление, что пермские металлурги с 1986 г. не задали нам ни одного вопроса, работают по старинке, получают диски тоже по ТУ 1986 г., хотя мы давно ушли вперед. Вся эта переписка шла в преддверии начала работ по двигателю ПС-90А2.
И вот этот час настал - летом 2002. Мы долго спорили с металлургами по показателям ТУ и УЗК, с конструкторами - по чертежам-нормалям. Все согласовали. И вдруг объявились оппоненты в лице ВИАМа, который предлагал поставить в ПС-90А2 диски из сплава ЭП151ИД, хотя и не опробованного, не имеющего банка данных в ЦИАМе. У нас тоже объявились проблемы - неметаллические и шлаковые включения, медьсодержащие включения в дисках, методики их контроля и выявления, максимальная чувствительность УЗ-контроля и др. По существу, получился тендер. Он был проведен в ЦИАМе. Были приглашены главные специалисты всех КБ и заводов. Приехали генеральные конструкторы А.А. Иноземцев, А.А. Саркисов, Э.И. Гольдин-
ский, руководители предприятий А.Н. Хованов, Е.Н. Каблов, В.А. Скибин и другие. Неожиданно для всех и для нас тоже выступил А.А. Саркисов. Он очень положительно охарактеризовал диски, изготовленные по технологии металлургии гранул, где ЛНПО им. В.Я. Климова является одним из родоначальников их применения в авиадвигателях. Когда А.А. Сар-кисов заявил, что диски из гранул в составе двигателей РД-ЗЗ безаварийно уже налетали более 14,5 млн ч, все хорошенько призадумались. Если к этой цифре добавить безаварийную наработку ПС-90А в объеме 4,46 млн ч, то получается очень солидно. Все выступающие высказались за сплав ЭП741НП, кроме ВИАМа, хотя на этот раз они критиковали наш сплав сравнительно мягко. Так и решили. Это было 10 декабря 2002 г.
Совершенствование принятого решения, да, можно сказать, и совершенствование технологии шло в эксклюзивном порядке с А.А. Иноземцевым. Сначала мы согласились, что, учитывая особое значение успеха ПС-90А2 для судеб российской авиации, было бы хорошо изготовить диски из гранул крупностью менее 100 мкм. Затем мы, в порядке нашей обычной практики работы, внутренним решением ужесточили норму по неметаллическим включениям в пробе гранул еще в 2 раза - с 10 до 5 включений на 1 кг гранул. Не имея установки для получения гранул крупностью менее 100 мкм, мы разработали технологию их извлечения из гранул крупностью -140 + 50 мкм и добились успеха на этом пути. Конечно, некоторые потери были неизбежны. Но поставленной цели мы добились. Важнейшим этапом дальнейшей работы стало освоение производства дисков для двигателя ПС-90А2.
Диски ПС-90А2 достаточно массивны. Обеспечение всего комплекса их механических и жаропрочных свойств, которые олицетворяли бы наши самые высокие достижения, являло для нас серьезную задачу, особенно на стадии закалки дисков. Приняли специальные меры при охлаждении дисков и также добились поставленной цели.
Уже в марте-апреле 2003 г. 7 комплектов дисков четырех наименований, полностью соответствующих техническим условиям, были сданы заказчику.
Проведен комплекс экспериментальных работ в области литейного производства, направленных на существенное улучшение качества электродов для распыления на гранулы. Намечены работы по двойному переплаву - ВИП + ЭШП, ВДПШ-ЛПЗ, позволяющему одновременно повысить на порядок их качество по газосодержанию и очень существенно - выход годного.
С целью существенного снижения или полностью исключения возможности попадания медных включений в массу гранул проводили фундаментальные исследования работы плазмотронов установок УЦР и капитальную модернизацию их сопел. Эти работы шли совместно с учеными Исследовательского центра имени М.В. Келдыша.
В начале 90-х годов работа по производству заготовок из гранул жаропрочных никелевых сплавов, по совершенствованию технологии сопровождалась широкими международными контактами специалистов. Этому способствовало наше стремление побольше узнать о технологии, принятой в зарубежных странах, тем более, что поступавшие к нам сведения об особенностях технологии за рубежом вызывали в кругу наших специалистов подчас очень острые дискуссии. С другой стороны, интерес зарубежных специалистов подогревался сведениями о широких масштабах успешного применения заготовок из гранул в изделиях нашей промышленности.
В начале 90-х годов были установлены первые научные контакты с Пекинским НИИ чугуна и стали. Китайская сторона проявила большую заинтересованность к производству заготовок дисков из жаропрочных никелевых сплавов методом металлургии гранул. В рамках научного сотрудничества в эти же годы в КНР по контракту были поставлены литые прутковые заготовки из жаропрочных никелевых сплавов. В 1992 г. по технологии, разработанной в ВИЛ-Се, из них было получено 500 кг гранул аналога сплава ЭП741НП. Эти гранулы на установке УЗГК-Д были подвергнуты термической дегазации и засыпаны в капсулы РК-1, которые затем были переданы CISRI (г. Пекин) для последующего компактирования в газостате.
По контракту с фирмами ТигЬотеса и ТесрИу (Франция) были изготовлены гранулы из французского сплава N18 и несколько не-
больших дисков для исследовательских целей, а по контракту с фирмой «Новая эра» (КНР) еще 500 кг гранул сплава R-95.
Зарубежные поездки начались с чтения лекций в Париже и знакомства с господином Герардом Рессоном (фирма Tecphy), а также поездки на фирму Turbomeca (главный металлург господин Франсуаз Пеллерин), которая уже занималась исследованиями нашего биметаллического диска.
В 1996 г. мне довелось участвовать в Международной конференции по ГИП в г. Андове-ре, Международной конференции по аэрокосмическим материалам АЭРО-МАТ-96 в г. Дейтоне и во Всемирном конгрессе по порошковой металлургии РМ2ТЕС в Вашингтоне. Во время этих конференций удалось посетить фирму IMT в г. Андовере, которая располагает восемью газостатами, в том числе самым крупным в мире с рабочей камерой диаметром 1650 мм, высотой 8 м. За время первой конференции я познакомился и имел полезные беседы с Сэмом Фроесом, Джоном Хебайзеном, Биллом Айзеном, Джоном Николсоном и др. Я посетил фирму Nuclear Metals Inc, поразившую идеальной чистотой при производстве гранул никелевых и титановых сплавов, а затем фирму Wyman Gordon Со, объединившуюся с фирмой Cameron. Они изготавливают диски из гранул для гражданских и военных самолетов фирмы General Electric Со.
Состоялись также посещения и беседы со специалистами фирм Ladish, Crucible Research Center, ABB-Autoclave Systems Inc, Conaway, Tason, Лаборатории материалов авиабазы ВВС США.
После однократного переноса в мае 2002 г. в ВИЛСе состоялась Международная конференция по горячему изостатическому прессованию ГИП'02. Председателем оргкомитета конференции являлся генеральный директор ОАО ВИЛС А.Н. Хованов, заместителем председателя - заместитель начальника лаборатории A.M. Казберович, выполнявший громадную работу по организации и проведению конференции. Большая работа по подготовке и проведению конференции была выполнена Н.Ф. Аношкиным и М.З. Ерманком.
В конференции приняли участие более 300 человек из 13 стран. По оценке отечествен-
ных и зарубежных участников, конференция прошла на высоком профессиональном и организационном уровне и, безусловно, вошла в ряд наиболее ярких конференций по ГИП.
В 2011 г. мы приняли участие с докладами на Международной конференции по ГИП в г. Кобе, Япония, где, кроме основного, представили несколько стендовых докладов по вопросам технологии металлургии гранул. Два доклада были признаны лучшими и награждены дипломами. Там же меня наградили Почетной грамотой и русским самоваром за выдающийся вклад в развитие горячего изостатиче-ского прессования в мире. Была продолжена добрая традиция, когда нас награждали дипломами за успехи в конкурсе на лучшую деталь, изготовленную из гранул методом ГИП. Так было в Андовере, США (1996 г.), в Москве (2002 г.), в Хантингтон Бич, США (2009 г.), в Стокгольме, Швеция (2013 г.).
Коллектив исследователей в ВИЛСе был молод и поэтому, помимо участия в конкурсах и конференциях, молодежь активно работала над повышением своего научного и инженерного уровня, смело бралась за решение очень сложных технологических проблем. В ряде случаев наиболее удачные работы заканчивались защитой диссертаций. Так, в начале двухтысячных годов был создан ряд высоко-
прочных и высокожаропрочных гранулированных никелевых сплавов, имеющих уникальные служебные характеристики - ВВ750П, ВВ751П, ВВ752П, ВВ753П (см. таблицу). Применение деталей ГТД из гранул сплава ЭП741НП взамен сплава ЭП742ИД повышает ресурс двигателей более чем в 4,5 раза, снижает массу двигателя на 15 %, снижает стоимость одинаковых деталей двигателя на 20-30 %.
Сплав ВВ751П после трудного этапа освоения стал базовым для целого ряда авиационных и промышленных двигателей 5- и 6-го поколений - ПД-14, ПД-8, ПД-35 и др. Он сертифицирован Росавиацией и на него получена лицензия на право производства компонентов для авиационной техники.
Флагман российского авиационного моторостроения - двигатель ПД-14 разработки АО «ОДК-Авиадвигатель» для ближне- среднема-гистральных самолетов типа - МС-21 в 2018 г сертифицирован Авиарегистром РФ, а в декабре 2020 г. совершил первый полет на крыле самолета МС-21-310. Все критические детали КВД и ТВД двигателя ПД-14 изготовлены с применением сплава ВВ751П, имеющего уникальное сочетание высокой прочности, жаропрочности и малоцикловой усталости в заданном конструкторами диапазоне температур. Сплав
Гарантируемые по техническим условиям характеристики заготовок дисков из гранул жаропрочных никелевых сплавов
Сплав Диаметр Механические свойства Жаропрочность
дисков, мм ав, МПа а0,2, МПа 8, % V, % KCU, Дж /см2 Т, °С ав, МПа т, ч
ЭП741П До 750 1250 850 13 15 40 900 600 100
ЭП741НП До 750 1450 1020 18 18 40 650, 750 1020,650 100
ЭП962П До 750 1500 1100 11 11 30 1050 650 100
ЭП975П До 750 1350 950 10 10 30 1080 750 100
ЭИ698П До 800 1250 800 15 20 40 650 720 100
ВВ750П До 750 1550 1150 16 16 35 750 750 100
ВВ751П До 750 1600 1200 14 14 25 650 1140 100
ВВ752П До 800 1650 1220 13 13 25 650 1140 100
ВВ753П До 750 1600 1150 16 16 35 750 800 100
ВВ751П на сегодня - лучший в своем классе гранулируемый жаропрочный никелевый сплав, потенциал которого до конца не раскрыт.
На базе универсального газогенератора двигателя ПД-14 создается семейство авиационных двигателей нового поколения и газотурбинных установок для транспортировки газа.
Сплав ВВ751П также применяют для реализации программы «Создание семейства двигателей большой тяги на базе газогенератора ПД-35». Появление данного двигателя обеспечит России достойное место в тройке лидеров авиационных держав мира и поможет в реализации амбициозных проектов двигателестроительного кластера промышленности нашей страны.
На пороге 60-летия ВИЛСа можно подвести некоторые итоги развития металлургии гранул в институте:
- создана уникальная универсальная технология производства тяжелонагруженных деталей сложных конфигураций из гранул жаропрочных никелевых сплавов, основанная на высокоскоростной кристаллизации малых масс тонко диспергированного расплава и горячем изостатическом прессовании этих частиц после термической дегазации в стальных вакуумированных капсулах;
- создана научная школа, изучающая проблемы высокоскоростной кристаллизации ма-
лых масс металла, его структурирования при горячем изостатическом прессовании и специальной термической обработке в монолитные беспористые изотропные изделия, обладающие уникальным комплексом механических и жаропрочных характеристик;
- создана теория вязкопластического формоизменения стальных капсул сложной формы, выполняющих роль пластически деформируемого формообразующего инструмента в процессе горячего изостатического прессования;
- создана теория горячего изостатического прессования в жидких и газовых рабочих средах больших масс гранул в стальных капсулах;
- создано не знающее аналогов уникальное технологическое оборудование для осуществления процессов массового производства гранул и их физико-механической и термической обработки в вакууме и в сверхчистом инертном газе;
- совместно с СМК практически реализована уникальная технология производства дисков, валов, лабиринтов, напорных колец, дефлекторов и других деталей авиационных, ракетных, морских, промышленных ГТД и ЖРД, в том числе горячим гидростатическим прессованием, всего около 900 наименований. Изготовлено и сдано заказчикам около 70 тыс. дисков и валов.
