IV. Сложнолегированные сплавы для горячего изостатического прессования (ГИП).

Наиболее перспективной технологией изготовления полуфабрикатов из современных высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов является металлургия гранул, заключающаяся в получении микрослитков - гранул размером с большой скоростью охлаждения при кристаллизации и их последующем ГИП. Основным преимуществом этой технологии является возможность использования для изготовления деталей ГТД сложной формы наиболее сложнолегированных сплавов (диски, жаровые трубы и др.), а также для деталей ГТД нового поколения повышенной тяги.

Формирование структуры, а следовательно, механических и эксплуатационных свойств изделий из гранулируемых сплавов происходит в основном в процессах ГИПи последующей термической обработки. При этом диапазон варьирования температуры ГИП весьма ограничен, что в значительной мере снижает возможности управления структурой.

Наиболее распространенными ТМизготовления полуфабрикатов из современных жаропрочных никелевых сплавов являются:

1. Геторайзинг. Разработан фирмой «Пратт - Уитни» и включает в себя следующие технологические операции (ТО):

а) получение ГИПкомпактной заготовки;

б) прессование заготовки на пруток;

в) штамповка в изотермических условиях;

2. Метод ГИП + деформация (разработка проф. А.Г. Братухина совместно с учеными ВИЛСа и ВИАМа):

а) получение ГИП компактной заготовки;

б) штамповка заготовки.

Достоинства метода ГИП + деформация:

1) Использование различных механизмов рекристаллизации;

2) Эффективное воздействие на границы гранул;

3) Получение требуемой зеренной структуры;

4) Повышение комплекса механических свойств.

Типы структуры после деформации компактной заготовки:

1. Создание материала с регламентированной зеренной структурой по сравнению с размерами зерна ГИП:

а) Более мелкое, что приводит к получению повышенных значений прочности и малоцикловой усталости при рабочих температурах ;

б) Более крупное, что позволяет повысить жаропрочность при ;

2. Создание в сплавах так называемой структуры типа «ожерелье», определяющей повышенный комплекс всех механических свойств.

В ВИАМе и ВИЛСе разработаны параметры термомеханической обработке, позволяющие получить в деформированных гранульных заготовках сплавов типа ЭП962Пи ЭП741МП как мелкозернистую структуру, так и структуру типа «ожерелье».

Кроме того, в ВИЛСе были созданы опытно-промышленная и промышленная линии металлургии гранул, на которых с 1982г. начат серийный выпуск дисков из нового жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП с повышенной длительной прочностью для двигателей ПС-90, ТВ-117, ВД-33 и др.

Для жаровых труб и других деталей создан новый структурно-стабильный гомогенный свариваемый сплав ВЖ145, ремонтоспособный, нечувствительный к острым надрезам.

В последние годы наряду с развитием металлургии гранул разрабатываются новые ТП получения дисков сложной конфигурации из новых труднодеформируемых высокожаропрочных никелевых сплавов типа ЭП962ПД, ЭК79ПД и ЭК151ПДна вертикальных прессах с использованием структурной сверхпластичности, прессованной заготовки, что позволяет значительно улучшить деформируемость сплавов.

V. Жаропрочные сплавы, получаемые литьем с направленной кристаллизацией:

1. Литье монокристальных лопаток ГТД из жаропрочных сплавов. Впервые внедрен на Московском мотостроительном заводе «Салют» в условиях вакуума на специализированных установках высокоскоростной направленной кристаллизации УВНК-8П под руководством проф. А.Г. Братухина. Теоретические основы монокристального литья рабочих лопаток в ТД разрабатываются под научным руководством чл.-корр. РАН Е.Н. Каблова;

2. Точное литье по выплавляемым моделям с минимальной литниково-питающей системой. Основан на основе использования направленного затвердевания высокоэффективных никелевых литейных жаропрочных сплавов: ЖС6К, ВЖЛ12У и ЖС6У. Применяются для изготовления рабочих лопаток турбин и цельно-литых роторов литьем по выплавляемым моделям с последующей термической обработкой. Они имеют равноосную кристаллизацию Ni-Co-Cr-Al-Ti-W-Mo и представляют собой - твердый раствор, упрочненный фазой на основе Ni₃Al. Сплавы могут длительно работать при температуре 1000⁰С.

Для рабочих лопаток самолетов гражданской авиации применяются сплавы с направленной и монокристаллической структурой ЖС30 и ЖС26У. Они имеют более высокие пределы длительной прочности во всем интервале рабочих температур, выносливости, термостойкости и более высокую термостабильность (меньше темпы снижения длительной прочности во времени, что позволяет использовать их при изготовлении лопаток более длительного ресурса, чем равновесные, без промежуточного ремонта). Несмотря на то, что сплавы ЖС30 и ЖС26Уобладают более высокой плотностью, их удельная прочность выше, чем у равновесных, поскольку значительно выше жаропрочность. Сплавы могут длительно работать при Тр=(1050-1100)⁰С и кратковременно 1150⁰С, что обеспечивает дальнейшее повышение ресурса двигателя.

VI. Полимерные композиционные материалы:

1. Конструкционные углепластики. КпМ на основе углеродных наполнителей (жгутов, лент, тканей) и различных полимерных связующих. Обладают комплексом специальных свойств:

а) Повышенный ресурс изделий при статических и динамических нагрузках;

б) Высокое сопротивление усталости;

в) Трещиностойкость;

г) Высокий уровень упругопрочностных свойств углеродных наполнителей и работоспособность материалов в заданных диапазонах температур за счет термореактивных связующих.

Основные марки:

1)КМУ-П. Однонапрвленный, пултрузионный полимерный КпМ, работоспособный в интервале температур Тр=(60-150)⁰С, в том числе в агрессивных средах, с сохранением 70% прочностных свойств при максимальной рабочей температуре. Обеспечивает повышение жесткости, ресурса и снижение массы конструкции;

2) КМУ-4. КпМ в виде тонких углеродистых лент и эпоксидной матрицы. Отличается высокой технологичностью и может эксплуатироваться при температурах .

Углепластики применяются для изготовления деталей механизмов крыла и оперения, стабилизаторов, элементов конструкции фюзеляжа и др. Впервые эти материалы были применены в конструкциях пассажирских самолетов: ИЛ-96-300, ИЛ-114, ТУ-204, ТУ-334, а также на военных истребителях: МиГ-29 и Су-27. Производство деталей и агрегатов из углепластика было освоено на Ульяновском авиационно-промышленном комплексе и Воронежском авиационно-промышленном объединении.

Так называемый «каскадный эффект» снижения массы проявляется , если объем применения углепластиков превысить некоторое критическое значение. Тогда обеспечивается снижение взлетной массы изделия, достаточное для того, чтобы при сохранении тактико-технических параметров самолета уменьшить мощность двигательных установок, что и собственно приводит к снижению их собственной массы, уменьшению расхода топлива, в том числе и его запаса на борту;

2. Органопластики, армированные армидными волокнами:

а) Армидное волокно «Кевлар» (за рубежом);

б) Волокно марки СВМ (отечественное).

Основные достоинства:

1) Удельная прочность при растяжении (одно из самых высоких среды КМ);

2) Высокие параметры вязкости разрушения;

3) Длительность ресурса;

4) Надежность эксплуатации изделий в условиях воздействия механического или акустического удара, эрозирующих потоков и вибрационных нагрузок;

5) Хорошие теплоизоляционные и диэлектрические свойства;

6) Низкие показатели горючести и дымовыделения.

Широко используются в конструкциях вертолетов и самолетов;

3. Звукопоглощающие и вибродеформирующие материалы. Должны обеспечивать максимальное снижение шума при минимальном увеличении массы и обладать заданной несущей способностью.

В настоящее время с целью снижения шума в самолетах используются волокнистые поглощающие материалы и звукопоглощающие конструкции (ЗПК) резонансного типа, которые представляют собой трехслойную панель с сотовым заполнителем, перфорированной и непроницаемой обшивки из стеклопластика.

Применяются в двигателях, воздухозаборниках и в других местах самолетов;

4. Материалы с повышенной долговечностью, металлоорганопластики - алоры. Являются КпМ нового поколения, позволяющим перейти к созданию безопасно- поврежденных конструкций ЛА.

По сравнению с традиционными материалами критического значения трещина в конструкциях из алора достигает при числе полетов ЛА более чем в5 раз большем. Что обеспечивается присутствием в алоре чередующих слоев алюминиевого сплава и армированного композиционного полимерного материала (слоя органопластика), выполняющего функцию внутреннего стоппера усталостных трещин;

5. Органические стекла:

а) Ориентированные органические стекла. Получают путем плоскостного растяжения или сжатия листового органического стекла на установках при температуре высокоэластичной деформации. Ориентированное стекло при локальном ударе разрушается без трещин. Впервые были получены в 1950-е годы в ВИАМе;

б) Теплостойкие органические стекла: Э-2; СО-200;

в) Многослойные композиционные материалы. Позволяют решать проблемы многофункционального остекления. При этом каждому из слоев остекления помимо его основных функций – прозрачности и восприятия силовых нагрузок, придаются дополнительные, например электрообогрев, защита от вторичных осколков при разрушении, от различных излучений и т.д.

Органические стекла применяются для остекления вертолетов и самолетов. Головным разработчиком является Научно-исследовательский институт технического стекла (НИТС).

VII. Функциональные материалы:

1. Синтетические клеи. Пригодны для эксплуатации в интервале температур Тр=(-259-+1000)⁰С и обеспечивают надежную работу металлических и неметаллических конструкций в различных климатических условиях и отвечающих требованиям авиастроения:

а) Фенольно-каучуковые клеи. Обладают различными физико-механическими и технологическими свойствами, отличаются высокой эластичностью в сочетании с высокой прочностью. Выдерживают высокие акустические, усталостные и малоцикловые нагрузки;

б) Пленочные клеи. На основе модифицированных эпоксидных олигомеров. Применяются в наиболее нагруженных и ответственных агрегатах планера для склеивания сотовых и слоистых конструкций из металла и полимерных КпМ;

в) Вспенивающие клеи. Используются при изготовлении сотовых конструкций в сочетании с высокопрочными пленочными клеями;

г) Клеи со специальными свойствами для авиаприборостроения:

- электропроводные клеи, для крепления радиоэлементов;

- теплопроводные клеи, обладают высокими электроизоляционными свойствами;

- вакуумплотные клеи;

- оптически прозрачные клеи и др.;

д) Термостойкие клеи. Эксплуатируются при повышенных температурах в условиях ограниченного воздействия кислорода, воды и других факторов за счет выбора полимеров, обладающих высокой термической устойчивостью. Термостойкие клеи на основе элементоорганических полимеров характеризуются длительной термостойкостью при Тр=(300-350)⁰С и выдерживают кратковременные нагревы до Т=(1000-1200)⁰С;

2. Герметики. Применяются для герметизации кабин пассажирских салонов, остекления, топливных кессон-баков и др.:

а) Герметики на основе жидкого тиокола. Применяются для герметизации топливных баков:

- первые герметики этого класса У-30 мэс-5 и УТ-32. Разработаны в 1960-х гг., применяются без ремонта на большинстве изделий;

- новый герметик У-30 мэс-5м; по основным свойствам (физико – механическим, ресурсу в топливе и воздушной среде и др.) близок к герметику У-30мэс-5, но имеет преимущество по адгезионным характеристикам;

- полисульфидные герметики; используются при температурах ;

- герметики на основе фторсодержащих эластомеров, фторсилоксанов и фторорганических каучуков; применяются при одновременном воздействии нефтяных топлив и высоких температур;

3. Лакокрасочные покрытия (ЛКП). Являются основным средством защиты материалов, которые за счет высокого коэффициента излучения тепловой энергии снижают температуру разогрева, улучшают видимость конструкций в тумане, предохраняют материалы от эрозионного износа, способствуют сохранению диэлектрических свойств деталей радиотехнического назначения и др. Применяются ЛКП следующего назначения: грунтовки, шпатлевки, лаки и эмали, свойства которых зависят в основном от природы пленкообразующего полимера, являющегося их основой:

а) Непревращаемые пленкообразующие. Покрытия образуются в результате физического процесса улетучивания растворителей (перхлорвиниловые, фторопластовые и акриловые);

б) Превращаемые пленкообразующие. Покрытия образуются в результате сложных физико-химических процессов (эпоксидные, полиуретановые, алкидные и феноломасляные). Пленки таких покрытий имеют повышенную твердость, хорошую адгезию, стойкость к действию агрессивных жидкостей и др.

Для обеспечения требований сверхзвуковой авиации на основе полиорганосилоксанов созданы термостойкие ЛКП: эмали К-811, КО-88 и КО-818, позволяющие обеспечивать комплекс свойств, необходимых для защиты металлических конструкций, работающих в интервале температур Тр=(400-700)⁰С.

Традиционным ЛКП на сегодня является покрытие на основе эпоксидных грунтовок и акрилстирольной эмали АС-115, но она имеет восприимчивость к воздействию жидкости для гидросистем НГЖ-4, являющейся агрессивной по отношению ко многим полимерам. В связи с этим, а также по причине значительного ужесточения требований к декоративным свойствам и эксплуатационной стойкости покрытий все большее распространение получают полиуретановые покрытия.

VIII. Диффузионные и теплозащитные покрытия:

1. Диффузионные покрытия. Процесс получения диффузионных покрытий производится на установке МАП-1 с последующим вакуумным отжигом. Концентрация Al во внешней зоне получаемых покрытий составляет (16-28)% и легко регулируется технологическими приемами. Особенностью процесса являются высокая точность получения заданной толщины диффузионного покрытия и возможность его легирования различными элементами (Si, Y и B). Используются для увеличения долговечности лопаток:

а) Диффузионные алюминидные покрытия. Модифицируются Si и реактивными элементами Y и Cе. Имеют долговечность в 3-4 раза выше, чем алитированные;

б) Конденсационные покрытия систем Ni(Co)-Cr-Al-Y. Разрабатываются в ВИАМе, ИЭС им. Е.О. Патона и в НПО «Труд» с целью дальнейшего увеличения долговечности лопаток;

2. Теплозащитные покрытия (ТЗП):

а) Керамические. Применяются для охлаждаемых рабочих лопаток газовых турбин. Их использование позволяет: понизить температуру лопаток на (40-80)⁰С, уменьшить в 3-5 раз уровень термических напряжений и увеличить долговечность лопаток;

б) Теплозащитные материалы. В состав теплозащиты космической и авиационной техники (КТ и АТ) входят: керамическая плитка, клеи, фетры, специальные покрытия и др.:

- керамика; оксиды, нитриды, карбиды; основными достоинствами являются: возможность эксплуатации при высоких температурах Тр=(1600-2500)⁰С (для сравнения: жаропрочные стали Тр=1500⁰С), небольшая плотность (в 2-3 раза меньше чем у жаропрочных сплавов), твердость как у алмаза, отличные диэлектрические характеристики и высокая химическая стойкость; применяются в ГТД и в качестве теплоизоляции КТ;

- углерод-углеродные материалы; сохраняют и повышают прочность 1000МПас ростом рабочей температуры ; применяются в ГТД нового поколения и для теплозащиты КТ.

Существенным недостатком углерод-керамических материалов является низкая окислительная стойкость. Поэтому для их защиты разрабатываются специальные антиокислительные покрытия, выдерживающие .