Перспективный метод производства заготовок дисков авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) с функционально-градиентными характеристиками, разработанный «Всероссийским институтом легких сплавов», был представлен участникам международной промышленной выставки «Металл-Экспо'2017». Отличительная особенность новой технологии – в формировании переменной структуры изделия за счёт сочетания гранул разной крупности одного жаропрочного никелевого сплава. Это позволяет повысить температуру эксплуатации обода дисков и уменьшить сечение ступицы, тем самым повысив КПД, экономичность и весовые характеристики двигателей.
С докладом о новой технологии выступил ведущий научный сотрудник лаборатории №3 «ВИЛС» Дмитрий Егоров. Он пояснил, чем обусловлена актуальность этой разработки: «При создании каждого следующего поколения ГТД конструкторы стремятся повысить температуру газа на входе в турбину для увеличения КПД двигателей. Однако условия эксплуатации разных частей дисков существенно меняются при переходе от обода к ступичной части. Температура эксплуатации обода составляет 650 оС и выше, в ступице –400 оС. Также существенно меняется радиальные и окружные напряжения по сечению диска: их уровень в ступице и полотне существенно выше чем в ободе. Поэтому необходимо на ободе обеспечить максимально возможную жаропрочность, а в ступице – максимально возможную прочность и сопротивление малоцикловой усталости».
Специалисты «ВИЛС» предложили и внедрили конструкторско-технологическое решение, позволяющее достичь необходимые характеристики изделия. Заготовку изготавливают методом горячего изостатического прессования с использованием ноу-хау «ВИЛС» на стадии заполнения и герметизации капсул с гранулами, что обеспечивает равномерное заполнение различных зон диска мелкими и крупными гранулами с формированием переменной структуры по его сечению.
Последующую закалку при термообработке заготовок проводят при температуре выше температуры сольвуса сплава, что обеспечивает участие в механизме упрочнения максимального объёма выделяемой γ'-фазы. В результате полученная заготовка обладает высокой прочностью и сопротивлением малоцикловой усталости в области ступицы и высокой жаропрочностью в зоне обода, что обеспечивает увеличенный ресурс и надежность детали в эксплуатации.
Предложенная инновационная технология позволяет получать в одном изделии области с разницей размера зерна примерно в два раза (28 и 53 мкм) и шириной переходной зоны 500-800 мкм в заданной конструкторами геометрии диска с формированием функционально-градиентной структуры материала.
«Сейчас для получения дисков с переменной структурой чаще всего используется стабильный и относительно экономичный метод Dual Micro Heat Treatment, разработанный в NASA, однако новая технология «ВИЛС» превосходит его по ряду параметров, в частности, она обеспечивает более высокий уровень свойств в зоне с мелким зерном», – отметил Дмитрий Егоров. Новая технология производства дисков с переменной структурой защищена двумя патентами РФ.
Учёный также рассказал, что формирование переменной структуры в заготовках дисков даёт существенный эффект только в случае использования сложнолегированных сплавов с высокой объемной долей упрочняющей γ'-фазы, что обеспечивает большой запас по жаропрочности при температуре до 750 °С, например, сплавов ЭП741НП и ВВ750П.
После успешных испытаний материала экспериментального диска была разработана опытная технология изготовления полноразмерных заготовок дисков II ступени турбины высокого давления (ТВД) для двигателя ПД-14 из гранул сплава ВВ750П, обладающего на сегодняшний день самым высоким уровнем длительной прочности при температурах до 750 °С из существующих дисковых сплавов как у нас в стране, так и за рубежом.
В настоящее время изготовленные по новой технологии полноразмерные заготовки дисков II ступени ТВД с переменной структурой диаметром 510 мм, высотой 128 мм и массой 118 кг из гранул сплава ВВ750П для турбины авиационного двигателя ПД-14 проходят апробацию в АО «ОДК-Авиадвигатель» (г. Пермь).
С «ОДК-Авиадвигатель», разработчиком ПД-14, подписаны технические задания на разработку нового сплава и технологии производства заготовок дисков с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами для перспективного двигателя – ПД-35.
