«Всероссийский институт легких сплавов» получил 4 патента на собственные разработки в области металлургии, а также представил широкой аудитории своё ноу-хау — никелевый жаропрочный гранулируемый сплав BB751П, из которого производятся детали для новейшего российского авиационного двигателя пятого поколения ПД-14. Три новых патента подтверждают изобретение деформируемых сплавов на основе алюминия, один патент выдан на технологию изготовления порошковых заготовок из заэвтектического силумина. Два новых деформируемых сплава на основе алюминия предназначены для изготовления прессованных прутков, область применения которых достаточно обширна.

Они используются в авиакосмической технике, судостроении, транспортном машиностроении и других отраслях в качестве заготовок для токопроводящих элементов. Существующие сегодня алюминиевые сплавы, применяемые в данном качестве, имеют низкие прочностные и электропроводные свойства, они утяжеляют токопроводящие элементы конструкции и снижают тем самым характеристики весовой отдачи.

Первый запатентованный сплав имеет в 1,2 раза более высокий предел прочности, в 1,3 раза более высокий предел текучести и в 1,11 раза более высокую электропроводность, что позволяет в 1,1-1,2 раза снизить массу и габариты токопроводящих элементов, а также повысить показатели весовой отдачи всей конструкции. Характеристики второго запатентованного сплава: в 1,08 раза более высокий предел прочности и в 1,11 раза более высокий предел текучести.

Его применение дает возможность на 8-10% снизить массу и габариты токопроводящих элементов и повысить весовую отдачу. Такие свойства сплавов имеют принципиальное значение для авиакосмической техники, судостроения, транспортного машиностроения и ряда других отраслей. Также запатентован высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu. Он превосходит известные аналоги (в частности, деформируемый сплав на основе алюминия марки В96Ц) по прочностным характеристикам и обладает более высокими показателями удельной прочности в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии.

Применение нового сплава позволит на 5-7% снизить массу конструкции с соответствующим увеличением массы полезной нагрузки и повышением характеристик весовой отдачи, что принципиально важно для высоконагруженных узлов в авиастроении, космической отрасли, судостроении и др. Еще один патент выдан на новую технологию производства порошковых заготовок из заэвтектического силумина для поршней двигателей внутреннего сгорания. Она позволяет получить литую заготовку с характеристиками, близкими к прессованной заготовке из гранул, но изготовленную более простым методом полунепрерывного литья (вместо гранульной металлургии).

Это кардинальным образом упрощает технологический процесс и значительно снижает стоимость поршневой заготовки. На выходе получается структура с мелкими равномерно распределенными кристаллами первичного кремния, физико-механические свойства заготовки близки к уровню свойств гранулированного материала. Напомним, что заэвтектические силумины используют для изготовления поршней из-за высокого содержания кремния, который способствует уменьшению коэффициента теплового расширения (КЛТР). Вследствие этого уменьшается зазор между поршнем и цилиндром, что приводит к увеличению мощности, снижению эмиссии выхлопных газов, снижению шума и т.п.

Благодаря новой технологии изготовить высококачественные поршни для ДВС теперь можно более простым и дешевым способом. Никелевый жаропрочный гранулируемый сплав BB751П, из которого производятся детали для новейшего российского авиационного двигателя пятого поколения ПД-14, «Всероссийский институт легких сплавов» представляет широкой аудитории на открывшемся сегодня авиасалоне МАКС-2017 в подмосковном Жуковском. На стенде института представлены образцы гранулируемого сплава BB751П, а также готовая продукция: турбинные диски и лопатки, созданные для новой модели двигателя ПД-14. Детали технологического процесса производства посетители стенда могут увидеть на мультимедийном экране.

Справка:

ОАО «ВИЛС» является единственным в стране производителем данного вида продукции из никелевого жаропрочного гранулируемого сплава BB751П и единственным обладателем патента на его изготовление. Использование данного сплава дает возможность увеличить ресурс деталей в разы: для боевой авиации со стандартных 500 до 10 000 ч и для гражданской авиации с 5000 до 30 000 полётных циклов. Последний показатель открывает новые возможности по конструированию двигателя новейшего поколения ПД-35, который станет самым инновационным за всю историю российского авиастроения.

ОАО «Всероссийский институт легких сплавов» – стратегическое предприятие в области создания новых технологий и производства металлургической продукции из специальных сплавов. Институт «ВИЛС» обладает замкнутым металлургическим производственным циклом, интегрированным с испытательной и исследовательской базой. В инновационном портфеле института находится 93 патента. Научные кадры и производственные мощности сосредоточены на единой площадке в Москве. Крупнейшим акционером ОАО «ВИЛС» является государственная корпорация «Ростех».

Жаропрочные сплавы — металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред. Начало систематических исследований жаропрочных сплавов приходится на конец 1930-х годов — период нового этапа в развитии авиации, связанного с появлением реактивной авиации и газотурбинных двигателей (ГТД).

Жаропрочные сплавы могут быть на алюминиевой, титановой, железной, медной, кобальтовой и никелевой основах. Наиболее широкое применение в авиационных двигателях получили никелевые жаропрочные сплавы, из которых изготавливают рабочие и сопловые лопатки, диски ротора турбины, детали камеры сгорания и т. п. В зависимости от технологии изготовления никелевые жаропрочные сплавы могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Наиболее жаропрочными являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур 1050—1100 °C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках.

Первые жаропрочные стали для газотурбинных двигателей были разработаны в Германии фирмой Krupp в 1936—1938 годах. Высоколегированная аустенитная сталь Тинидур создавалась как материал рабочих лопаток турбины на температуры 600—700°C. Тинидур — аустенитная сталь с дисперсионным твердением (Ni₃Ti) и карбидным упрочнением. В 1943-1944 годах годовое производство Тинидур составляло 1850 тонн. Институтом Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) и фирмой Heraeus Vacuumschmelze были разработаны аустенитые стали (сплавы по английской терминологии) DVL42 и DVL52 на более высокие рабочие температуры 750—800°C.

В Германии 1940-х годов среди разработчиков авиационных ГТД существовало стремление повысить температуру газа перед турбиной до 900°C. С этой целью институт DVL совместно с рядом фирм экспериментировал с аустенитными сложнолегированными сплавами. В ходе войны была признана невозможность подобного решения по причине острого дефицита в Германии легирующих элементов. В результате исследования приняли два направления: 1. создание полых охлаждаемых воздухом лопаток (рабочих и сопловых) при соответствующем снижении легирования используемых материалов; 2. исследование возможностей керамических материалов. Оба направления работ являлись пионерскими, по каждому из них были получены значимые результаты.

Первые серии реактивного двигателя Jumo-004A выпускались с 1942 года с монолитными рабочими и сопловыми лопатками из материала Тинидур фирмы Крупп. Позднее заменены полыми охлаждаемыми лопатками из того же материала, что позволило повысить температуру газа перед турбиной до 850°C (серия Jumo-004E). С 1944 года на серийных модификациях двигателя Jumo-004B применялись полые охлаждаемые рабочие лопатки из менее дефицитной стали Cromadur.

В 1950-х годах компаниями Pratt & Whitney и General Electric были разработаны сплавы Уаспалой (Waspaloy) и M-252, легированные молибденом и предназначенные для лопаток авиационных двигателей. Затем были разработаны такие сплавы, как Hastelloy alloy X, Rene 41, Инконель, в том числе Inco 718, Incoloy 901 и др.

Согласно оценкам экспертов, за период 1950-1980-х годов химические составы никелевых жаропрочных сплавов изменялись наиболее значительно за счет введения алюминия и замещающих его элементов в гамма-фазе. Указанное привело к увеличению объемной доли гамма-фазы от 25-35 об.% в сплавах нимоник 80 и U-700 до 65-70 об.% в современных лопаточных материалах.

Жаропрочные сплавы на основе никеля, как правило, обладают сложным химсоставом. Он включает 12 — 13 компонентов, тщательно сбалансированных для получения необходимых свойств. Содержание таких примесей, как кремний (Si), фосфор (P), сера (S), кислород (O) и азот (N) также контролируется. Содержание таких элементов, как селен (Se), теллур (Te), свинец (Pb) и висмут (Bi) должно быть ничтожно малым, что обеспечивается подбором шихтовых материалов с низким содержанием этих элементов, т.к. избавиться от них в ходе плавки не представляется возможным. Эти сплавы обычно содержат 10—12 % хрома (Cr), до 8 % алюминия (Al) и титана (Ti), 5-10 % кобальта (Co), а также небольшие количества бора (B), циркония (Zr) и углерода (C). Иногда добавляются молибден(Mo), вольфрам (W), ниобий (Nb), тантал (Ta) и гафний (Hf).

Легирующие элементы в этих сплавах можно сгруппировать следующим образом:

1. Элементы, образующие с Ni аустенитную гамма-матрицу с гранецентрированной кристаллической решёткой — Co, Fe, Cr, Mo и W
2. Элементы, образующие упрочняющую гамма-фазу (Ni₃X) — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При этом Ti, Nb и Ta входят в состав фазы и упрочняют её.
3. Элементы, образующие сегрегации по границам зёрен — B, C и Zr

К карбидообразующим элементам относятся Cr, Mo, W, Nb, Ta и Ti. Al и Cr образуют оксидные плёнки, защищающие изделия от коррозии.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!