НОВОЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛОПАТОК ТУРБИН

ФГУП "ММПП "Салют": Юрий Сергеевич Елисеев, генеральный директор, д.т.н.
Ольга Геннадиевна Оспенникова, главный металлург, к.т.н.

Успешная деятельность "Салюта" во многом предопределена профессиональным уровнем его кадров. Неоценим вклад 12 докторов технических наук, 36 профессоров, доцентов и старших научных сотрудников, 109 кандидатов технических наук в ускоренное развитие предприятия. Конструкторские бюро, научно-технологические и научно-производственные центры "Салюта" тесно сотрудничают с институтами РАН, отраслевыми и учебными институтами при решении задач, связанных с повышением надежности и ресурса двигателей, снижением производственных и эксплуатационных затрат, обеспечением экологических требований. На "Салюте" созданы все условия для повышения квалификации рабочих, а также для получения высшего образования.

Благодаря всем этим факторам московское предприятие "Салют" - единственное в стране государственное предприятие авиационной отрасли, которое обладает статусом федерального научно-производственного центра.

Располагая всем необходимым оборудованием, обладая необходимым опытом и знаниями, специалисты завода проводят научно-исследовательские работы, которые направлены преимущественно на решение проблем, связанных с производством турбинных лопаток - одних из самых сложных элементов конструкции двигателя. Работы ведутся по многим направлениям, среди которых можно отметить: литье по выплавляемым моделям, литье лопаток с направленной и монокристальной структурой, литье под высоким давлением; изготовление моделей отливок на установках быстрого прототипирования; разработку составов модельной массы; изготовление керамических стержней на основе материалов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза; газостатическую обработку лопаток и нанесение на них многокомпонентных защитных покрытий и др.

Во всех этих и других технологиях сделан упор на информационные технологии, без которых немыслимы ни конструирование, ни отработка технологий, ни выполнение научных исследований.

Главная цель всех работ - выход на передовые рубежи мирового газотурбостроения. По некоторым направлениям достигнуты весомые результаты, о которых уже можно рассказать.

Рассмотрим вопрос изготовления керамических стержней с использованием материалов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Совершенствование параметров двигателя и технологических процессов проводится по ряду направлений. Например, температура газов перед турбиной двигателя пятого поколения должна быть доведена до 1900…2000 К (по некоторым источникам, еще больше). Но материалов, из которых можно сделать турбинную лопатку, способную работать при таких температурах, нет. Перепробованы все элементы таблицы Менделеева, в том числе и редкоземельные. Выход возможен в применении принципиально новых материалов (например, керамики), но это пока еще отдаленная перспектива. Более реальной видится перспектива сохранения работоспособности турбинной лопатки в повышении эффективности охлаждения. Для этого пространственную структуру внутренней полости лопатки приходится делать все более сложной. Соответственно, все более сложными становятся керамические стержни, форма которых и определяет геометрию внутренней полости лопатки.

После изготовления лопатки материал стержня необходимо удалять. Применяемый в современной технологии расплав бифторида калия является очень агрессивным и крайне ядовитым веществом, который, кстати, еще и достаточно дорого утилизировать. Но и это вещество не всегда способно удалить остатки стержня, особенно в узких каналах. Приходится применять механические способы удаления этих остатков.

В сложившейся ситуации был организован поиск новых материалов для литейных стержней. Условиям задачи, как выяснилось, удовлетворяют материалы, получаемые на основе соединений кремния методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-материалы). Среди них удалось найти группу материалов, удовлетворяющих прочностным условиям литейного производства, но растворяющихся при определенных условиях в растворах щелочей (нейтральных к конструкционным сталям и сплавам).

Во ФГУП "ММПП "Салют" были проведены исследования по общей теме "Разработка опытно-промышленной технологии изготовления керамических стержней из СВС-материалов, удаляемых в растворах щелочей".

По технологии СВС в ИСМАН были наработаны опытные партии керамических порошков с различным элементным составом, относящихся к твердым растворам на основе нитрида кремния, нитрида алюминия и оксинитрида кремния - "сиалонам". В настоящее время сиалоновые соединения успешно применяются при создании передовой конструкционной керамики с высокими значениями прочности, термо- и коррозионной стойкости. Метод СВС основан на фильтрационном горении порошков кремния и алюминия в газообразном азоте.

По технологическим особенностям процесса в состав исходной экзотермической смеси также вводился разбавитель. Реакционные смеси готовились в течение 4...8 ч в сиалоновых керамических шаровых мельницах. Образцы сжигались в атмосфере азота при давлении, равном 10 МПа. Толщина слоя реакционной смеси, расположенного на желобообразном поддоне, составляла примерно 9…12 см.

С учетом имеющегося на "ММПП "Салют" технологического оборудования была разработана технология спекания керамических изделий. Для этого изделия после формовки прокаливались 8…10 часов при температуре 1300...1400 °С. Этим обеспечивался необходимый для стержневой керамики уровень прочности. При более низких температурах обжига (t < 1200 °С) образовывалось слишком мало связующей алюмосиликатной фазы, что приводило к недостаточной прочности спеченного материала. При более высоких температурах обжига (t > 1500 °С) отмечалось интенсивное протекание реакции между исходными и окисленными компонентами. В результате этого взаимодействия образовывался летучий монооксид кремния SiOr, что, в свою очередь, приводило к значительным потерям массы спекаемого изделия и образованию на его поверхности трудноудаляемого пригара.

Для полученных по разработанному методу керамических материалов определены фазовый состав, растворимость их в 30-процентном водном растворе едкого калия (КОН) при t = 100…110 °С, значения прочности при изгибе в нормальных условиях и величины изменений геометрических размеров в процессе обжига. Установлено, что хорошую растворимость в водном растворе щелочи имеют материалы, образующиеся при окислении сиалонов с элементным соотношением Si/Al > 4.

Установлено, что в данных системах значения линейной усадки, близкие к стандартным требованиям для стержневой керамики, могут быть достигнуты только при введении простых оксидов в количестве не менее 70 масс. %. При этом высокую растворимость в 30-процентном водном растворе КОН сохраняли керамические материалы, полученные при использовании SiO2 в качестве основной добавки. Проведено исследование возможности применения разных модификаций SiO2: кварцевого песка, молотого кварцевого стекла и высокочистого мелкодисперсного сырья для создания оптических систем. Из сравнительного анализа структуры и прочностных характеристик синтезированных материалов сделан вывод о целесообразности использования порошков стеклообразного SiO2.

По технологии СВС в ИСМАН был разработан метод получения плавленого аморфного твердого раствора на основе SiO2 (SiO2 - не менее 80 масс. %, Сг2О3 ~ 15 масс. %, Аl2О3 - не более 5 масс. %), получившего название "Пламтикаст". Для модельных смесей на его основе ("Пламтикаст" - ZrO2, - ZrSiO4, - Аl2О3, - TiO2, - сиалоновое соединение и др.) исследованы зависимости предела прочности при изгибе и величины линейной усадки в процессе обжига от состава исходной композиции и дисперсности ее отдельных компонент. Наиболее эффективной добавкой для спекания "Пламтикаста" является низкозамещенный -сиалон.

Композиции "Пламтикаст" - -Si5Al1O1N7 (2...10 масс. %) были использованы для наработки опытных партий керамических стержней различной конфигурации, предназначенных для формирования каналов охлаждения турбинных лопаток авиационных двигателей при равноосном литье жаропрочных никелевых сплавов. Тестовые испытания стержней, проведенные на "ММПП "Салют", свидетельствуют об их пригодности для осуществления этого процесса, причем практически по всем ключевым показателям (прочность, коэффициент теплового расширения (КТР), взаимодействие со сплавом, усадка, чистота поверхности каналов охлаждения) разработанная керамика превосходит используемый в настоящее время материал на основе корунда.

Совместно ИСМАНом и ММПП "Салют" были разработаны технологические инструкции по организации производства "Пламтикаста", порошка сиалона (бета) СВС, по изготовлению керамических стержней из порошкового сырья, полученного методом СВС; удалению керамических стержней из лопаток посредством их обработки в растворе щелочи (ТИ 307-2003, ТИ 313-2003, ТИ 316 - 2003, ТИ 317 - 2003, соответственно).