Новые титановые и никелевые материалы, предназначенные для перспективных российских авиационных двигателей, прошли испытания в АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» (входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию Госкорпорации Ростех) и внедрены на предприятии. Изготовлены опытные образцы сварного ротора из жаропрочного никелевого сплава, а также крупногабаритная деталь внутреннего корпуса компрессора высокого давления (КВД) из титанового интерметаллидного сплава.
Разработчиком новых сплавов является ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ВИАМ). Проект реализуется Научно-исследовательским институтом технологии и организации производства двигателей (НИИД, филиал АО «НПЦ газотурбостроения «Салют»).
Новый титановый сплав, из которого были изготовлены рабочие колеса первых ступеней КВД, является псевдо-α-сплавом. По плотности он соответствует основным конструкционным титановым сплавам, а по характеристикам длительной прочности и малоцикловой усталости значительно превосходит существующие дисковые сплавы.
Высокая рабочая температура (до 600ºС) намного выше, чем у других сплавов, а удачно подобранный химический состав позволяет изготавливать из него рабочие колеса блисковой конструкции.
Последние ступени КВД и вал были изготовлены из нового жаропрочного сплава на никелевой основе. Его применение позволило получить полностью сварную конструкцию ротора, что было сделано впервые в практике отечественного авиационного моторостроения.
«Проблеме создания сварного ротора более 40 лет, – говорит заместитель генерального директора – руководитель приоритетного технологического направления «Технологии двигателестроения» АО «ОДК», директор филиала «НИИД» АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» Валерий Гейкин, – Различными организациями и институтами разрабатывались схемы сварного соединения дисков из жаропрочных никелевых сплавов. По объективным причинам эти исследования заканчивались неудачей. Проблема стала решаться, когда диски стали изготавливать из заведомо свариваемого никелевого сплава, который одновременно удовлетворял бы всем требованиям прочнистов. Такой сплав был разработан в ВИАМ, и он является на сегодняшний день самым жаропрочным свариваемым никелевым сплавом. После того, как совместно с ВИАМ были получены прочностные характеристики сварного соединения, стала ясна перспективность применения этого сплава».
Создание сварной конструкции ротора КВД позволит увеличить его жесткость, что в свою очередь значительно повысит ресурс ротора КВД и всего двигателя. Одновременно отказ от болтовой схемы соединения дисков снизит массу конструкции.
Титановые сплавы на основе орто-фазы Ti2NbAl и технологию изготовления деталей из них кроме России освоили четыре страны: США, Китай, Япония и Франция. Замена жаропрочных сплавов на основе титана, никеля и железа на алюминиды титана (Ti3Al, TiAl, Ti2NbAl) может позволить снизить массу для статорных деталей на 20-40 %, а для роторных – в дополнение к этому уменьшить нагрузки от инерционных сил, следствием чего будет повышение мощности, экономичности и ресурса двигателя. Применение интерметаллидов титана даст возможность повысить на 100-200ºС рабочие температуры деталей по сравнению с деталями, изготовленными из титановых конструкционных сплавов. Важным преимуществом для авиационного моторостроения является пожаробезопасность титановых интерметаллидных сплавов по сравнению с жаропрочными титановыми сплавами.
В ходе реализации проекта НИИД была отработана технология электронно-лучевой сварки (ЭЛС) из нового титанового сплава и нового жаропрочного никелевого сплава, определены параметры режимов ЭЛС, обеспечивающие получение бездефектного сварного соединения.
Специалисты ВИАМ оказывали помощь на самых сложных участках работы: проведение авторского контроля технологических процессов изготовления заготовок из новых сплавов, разработка режимов термической обработки, микроструктурные исследования. ВИАМ проведен большой объем прочностных испытаний по определению свойств материала заготовок.