Видели ли вы, как мастер, сидящий за гончарным кругом, из куска вязкой глины, едва касаясь ее пальцами, формует изящную амфору или другое произведение искусства? А представьте, что подобным образом создают из металла, например, диск газотурбинного двигателя. Невероятно? Однако такая уникальная технология существует — впервые в мировой практике она разработана российскими учеными. Вот только роль гончарного круга выполняет раскатной стан, весящий 82 тонны. Это громада шестиметровой ширины, еще большей длины, высотой с трехэтажный дом. Пальцы гончара в нем заменены на раскатные головки с закрепленными в них роликами. Вместо глины берут заготовку с подготовленной для сверхпластической деформации структурой. В результате такой раскатки диаметр заготовки из жаропрочных сплавов на основе никеля или титана увеличивается, по меньшей мере, вдвое: от 300-350 мм до 800-900 мм, приобретая любой заданный профиль.
И ни средства, потраченные на разработку стана, ни стоимость его изготовления, ни затраты на эксплуатацию не сравнятся с экономией, которую получает производство, заменяя на новые технологии традиционную штамповку на гидропрессах. Выгода — в расходе металла, электроэнергии, дорогостоящего инструмента. Кроме того, значительно повышается качество получаемых посредством такой раскатки изделий, например дисков компрессора турбины с прикрепленными к ним лопатками. А ведь именно они определяют ресурс наиболее важных деталей авиационных газотурбинных двигателей — тех самых “движков”, на которых летают многие гражданские отечественные и все наши военные самолеты. Обычно их ресурс не превышает трех с половиной тысяч часов, после чего диски надо демонтировать и сдавать в ремонт. Между тем аналогичная зарубежная техника служит втрое дольше — от 15 до 18 тысяч часов…
Основы технологии раскатки были разработаны сотрудниками Института проблем сверхпластичности металлов (ИПСМ) РАН (Уфа) еще в 1980-х годах. Сегодня технология развивается благодаря усилиям коллективов Института машиноведения им. А.А.Благонравова (ИМАШ) РАН (Москва) и ИПСМ РАН под руководством директоров — Ривнера Ганиева и Радика Мулюкова.
Некоторое время назад ИМАШ и ИПСМ РАН совместно с Объединенной промышленной корпорацией “Оборонпром”, Савеловским машиностроительным заводом, а также МГТУ “СТАНКИН” приняли участие в конкурсе по программе Минпромторга РФ “Развитие отечественного станкостроения и инструментальной промышленности на 2011-2016 годы”. Этот консорциум предложил проект на тему “Разработка оборудования для формообразования деталей из жаропрочных сплавов на основе титана и никеля методами пластической деформации”.
— Решить столь сложную задачу силами одной организации за полтора-два года практически невозможно, — рассказывает заместитель директора ИМАШ РАН Рафаэль СУХОРУКОВ. — Только результаты фундаментальных исследований ИПСМ РАН в области изучения структуры металлов и сплавов, технологии изготовления изделий путем сверхпластической деформации жаропрочных сплавов, а также получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой в совокупности с опытом ИМАШ РАН, что силен в создании машин и механизмов на основе новых явлений и открытий, исследовании прочности конструкционных материалов, реализации интеллектуальных систем управления сложными механизмами, обеспечили выигрыш проекта в конкурсе. Кроме того, мы знали о конструкторских наработках Савеловского машиностроительного завода, выпускающего оборудование для авиационных предприятий, и МГТУ “СТАНКИН”, создающего программное обеспечение для систем управления современными станками. Вместе мы и предложили принципиально новую технологию и оснащение для ее промышленной реализации. Главным конструктором проекта является доктор технических наук Фарид Утяшев из ИПСМ РАН. Это он впервые в мире предложил метод сверхпластической раскатки дисков и разработал принципиальную схему раскатного стана.
Но вернемся к газотурбинным двигателям. При эксплуатации на диски с лопатками действуют огромное давление со стороны нагретого до температуры свыше тысячи градусов газа и значительные центробежные силы. Потому диски изготавливают из труднодеформируемых жаропрочных сплавов на основе никеля. Такие сплавы благодаря доходящему до 80% содержанию в них интерметаллидных наноразмерных частиц отличаются чрезвычайно низкой пластичностью и значительным сопротивлением деформации. Решить эти проблемы помогло изучение феномена структурной сверхпластичности, которое свойственно всем кристаллическим материалам в определенных условиях. Если соответствующим образом подготовить структуру жаропрочного сплава, то при температуре около тысячи градусов заготовка из него станет мягкой и податливой, как та самая глина в руках гончара.
Важнейшее свойство данного способа раскатки — возможность управлять размерами и формой зерен в условиях сверхпластичности. Поэтому в сочетании с термообработкой становится реальным получить в зоне ступицы диска мелкозернистую структуру, а на периферии диска — крупнозернистую, что, в свою очередь, обеспечивает необходимые эксплуатационные свойства изделия.
— Кто-нибудь в мире достигал подобных результатов?
— За рубежом жаропрочные сплавы сначала измельчают в порошок, затем формуют из него прутки с помощью горизонтальных гидропрессов усилием 16-20 тысяч тонн. Прутки режут на заготовки, из которых в вакуумно-штамповочных комплексах за несколько переходов штампуют в условиях сверхпластичности диски. Такой подход по сравнению с раскаткой чрезвычайно затратен из-за высокой стоимости мощных прессов, вакуумных камер, штампов, изготовленных из дефицитных молибденовых сплавов, которые могут работать лишь в безокислительной атмосфере.
— Казалось бы, перед разработчиками новой технологии стояла чисто инженерная задача, и решать ее должны были бы специалисты, скажем, по сплавам да металлурги. А конкурс выиграли академические институты, ведущие фундаментальные исследования. Как же так?
— Задача разработки оборудования для раскатки дисков из жаропрочных никелевых сплавов ставилась впервые, ранее был изготовлен стан для раскатки дисков лишь из титановых сплавов. В отсутствие инженерного опыта с новой задачей справиться можно было лишь на основании глубоких фундаментальных исследований. Так, наши коллеги из ИПСМ РАН многие годы развивали методы обработки металлов, в частности жаропрочных сплавов, и достигли здесь практически совершенства. Их вклад в этот проект неоценим. Что касается оборудования, то создавать пришлось в буквальном смысле “умную” машину, которая в состоянии выполнять несколько разных и сложных операций.
ИМАШ РАН привнес в общую копилку опыт изготовления новых машин и механизмов, создания интеллектуальных систем управления этими машинами. Мы провели сложные прочностные расчеты, определили величину необходимых сил на каждом этапе создания деталей.
— Поскольку вы участвуете в государственной программе, у вас, вероятно, не возникнет проблем с продвижением проекта?
— Надеемся, что нет. Мы уложились в заданные сроки. Благодаря опыту и наработкам всех участников нашего консорциума всего за два года мы успешно завершили НИОКР, разработали конструкторскую документацию и получили четыре патента. Но, подчеркну, прежде всего, заслуга в этом принадлежит нашим коллегам из ИПСМ РАН: больше 20 лет они пытались “пробить” подобную технологию в одиночку.
Первый образец раскатного стана сдан госкомиссии, созданной Минпромторгом РФ, и проходит опытную эксплуатацию в ИПСМ РАН. Но совершенствование технологии и конструкции стана, естественно, не прекращается. Идет отработка надежности всех узлов, улучшается система контроля геометрических размеров деталей и параметров технологического процесса. По договорам заинтересованных организаций на опытном образце стана исполняются заказы по изготовлению конкретных изделий из различных жаропрочных сплавов.
Савеловский машиностроительный завод по документации, разработанной нашим коллективом, будет изготавливать раскатный стан для предприятий авиапромышленности. ФГУП “НПЦ газотурбостроения “Салют”, входящий в состав “Объединенной двигателестроительной компании”, приступил к созданию высокотехнологичного производства дисков — от изотермической обработки заготовок, раскатки дисков на стане до термообработки и последующей металлообработки изделий. ИМАШ РАН и ИПСМ РАН подготовили конкретные предложения по участию в этом проекте. С другим предприятием — ОАО “Кузнецов” (Самара) — готовим заявку на конкурс Минпромторга РФ по созданию стана для изготовления колец из жаропрочных сплавов диаметром до полутора метров. Предстоит и подача заявки на один из конкурсов Минобрнауки — проект будет связан с процессом раскатки длинномерных (до 2-3 м) валов из жаропрочных сплавов, необходимых для газотурбинных двигателей.
Надеемся, что первые авиационные двигатели с деталями, сделанными на основе наших разработок, появятся уже в 2015-2016 годах. Предполагается, что затраты на создание этой прорывной технологии окупятся всего за несколько лет.
— Можно ли применить этот метод на других производствах?
— Безусловно, одной авиацией распространение данной технологии раскатки не ограничится. Она пригодится при изготовлении наземных газотурбинных установок, для создания самых разных деталей (колец, полых валов, обечаек и т.д.) из жаропрочных сплавов, над совершенствованием которых работают сегодня Всероссийский институт авиационных материалов, Всероссийский институт легких сплавов. На наш взгляд, новая технология раскатки даст толчок внедрению перспективных сплавов в аэрокосмической и других отраслях промышленности.
Андрей Максимов
Фотоснимки предоставлены ИМАШ РАН
Нет комментариев