- У ВСІ ЛОПАТКИ Реактивна авіація, яка почала створюватися з 1940-х років, зажадала розробки нового типу...
- У ВСІ ЛОПАТКИ
- У ВСІ ЛОПАТКИ
- У ВСІ ЛОПАТКИ
У ВСІ ЛОПАТКИ Реактивна авіація, яка почала створюватися з 1940-х років, зажадала розробки нового типу двигуна.Ті, хто отримав найбільш широке застосування газотурбінні реактивні двигуни зробили революцію в авіаційній техніці.
Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Лопатки газової турбіни реактивного двигуна працюють в дуже важких умовах: їх обтікає потік розпечених газів з камер згоряння.
Охолоджуючий повітря, поданий з боку осі турбіни в канали лопатки, виходить з її торця.
Стрижні-закладки, які поміщають в форму для відливання лопатки газової турбіни. Після охолодження заготовки стрижні розчиняють і в готовій лопатці залишаються канали для пропускання охолоджуючого повітря.
Повітря, що виходить з отворів в бічній частині лопаток, створює тонку повітряну плівку, яка ізолює лопатку від гарячих газів (зліва). Канали, які ведуть до отворів, мають досить складну геометрію (праворуч).
Метал відлитою лопатки застигає у вигляді кристалів різного розміру, зчеплених недостатньо надійно (зліва). Після введення в метал модифікатора кристали стали дрібними і однорідними, міцність виробу підвищилася (праворуч).
Так роблять спрямовану кристалізацію матеріалу лопатки.
Удосконаливши технологію спрямованої кристалізації, вдалося виростити лопатку у вигляді єдиного монокристала.
У монокристалічних лопатках створюється охолоджуюча порожнину складної форми. Новітні розробки її конфігурації дозволили в півтора рази підвищити ефективність охолодження лопаток.
<
>
ДВИГУНИ І МАТЕРІАЛИ
Потужність будь-якого теплового двигуна визначає температура робочого тіла - в разі реактивного двигуна це температура газу, що випливає з камер згоряння. Чим вище температура газу, тим потужніше двигун, тим більше його тяга, тим вище економічність і краще вагові характеристики. У газотурбін ном двигуні є повітряний компресор. Його приводить в обертання газова турбіна, що сидить з ним на одному валу. Компресор стискає атмосферне повітря до 6-7 атмосфер і направляє його в камери згоряння, куди впорскується паливо - гас. Потік випливає з камер розпеченого газу - продуктів згоряння гасу - обертає турбіну і, вилітаючи через сопло, створює реактивну тягу, рухає літак. Високі температури, що виникають в камерах згоряння, зажадали створення нових технологій і застосування нових матеріалів для конструювання одного з найбільш відповідальних елементів двигуна - статорних і роторних лопаток газової турбіни. Вони повинні протягом багатьох годин, не втрачаючи механічної міцності, витримувати величезну температуру, при якій багато хто став і сплави вже плавляться. В першу чергу це відноситься до лопаток турбіни - вони сприймають потік розпечених газів, нагрітих до температур вище 1600 К. Теоретично температура газу перед турбіною може досягати 2200 К (1927оC). У момент зародження реактивної авіації - відразу після війни - матеріалів, з яких можна було виготовити лопатки, здатні довго витримувати високі механічні навантаження, в нашій країні не існувало.
Незабаром після закінчення Великої Вітчизняної війни роботу зі створення сплавів для виготовлен ня турбінних лопаток початку спеціальна лабораторія в ВІАМ. Її очолив Сергій Тимофійович Кишкин.
У АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛОМ
Першу вітчизняну конструкцію турбореактивного двигуна ще до війни створив у Ленінграді конструктор авіаційних двигунів Архип Михайлович Люлька. В кінці 1930-х років він був репресує ван, але, ймовірно, передбачаючи арешт, креслення двигуна встиг закопати у дворі інституту. Під час війни керівництво країни дізналося, що німці вже створили реактивну авіацію (першим літаком з турбореак нормативним двигуном був німецький "хейнкель" He-178, сконструйований в 1939 році в якості літаючої лабораторії; першим серійним бойовим літаком став двомоторний "мессершміт" Me-262 (надійшов на озброєння німецьких військ в 1942 році. - Прим. ред.). Тоді Сталін викликав Л. П. Берія, який курирував нові військові розробки, і зажадав знайти тих, хто у нас в країні займається реактивними двигунами. А. М. люльку швидко звільнили і так Чи йому в Москві на вулиці Галушкина приміщення під перше конструкторське бюро реактивних двигунів. Свої креслення Архип Михайлович знайшов і викопав, але двигун за його проектом відразу не вийшов. Тоді просто взяли куплений у англійців турбореактивний двигун і повторили його один до одного. Але справа вперлося в матеріали, які були відсутні в Радянському Союзі, однак були в Англії, і склад їх, звичайно, був засекречений. і все-таки розшифрувати його вдалося.
Приїхавши до Англії для ознайомлення з виробництвом двигунів, С. Т. Кишкин всюди з'являвся в черевиках на товстій мікропористої підошві. І, відвідавши з екскурсією завод, де обробляли турбінні лопатки, він біля верстата, як би ненароком, настав на стружку, що впала з деталі. Шматочок металу врізався в м'яку гуму, застряг в ній, а потім був вийнятий і вже в Москві підданий ретельному аналізу. Результати аналізу англійського металу і великі власні дослідження, проведені в ВІАМ, дозволили створити перші жароміцні нікелеві сплави для турбінних лопаток і, найголовніше, розробити основи теорії їх будови і отримання.
Було встановлено, що основним носієм жароміцності таких сплавів служать субмікроскопічес кі частки ІНТЕРМЕТАЛІЧНОГО фази на основі сполуки Ni3Al. Лопатки з перших жароміцних нікелевих сплавів могли довго працювати, якщо температура газу перед турбіною не перевищувала 900-1000 К.
ЛИТЬЕ ЗАМІСТЬ ШТАМПОВКИ
Лопатки перших двигунів штампували зі сплаву, відлитого в пруток, до форми, що віддалено нагадує готовий виріб, а потім довго і ретельно обробляли на верстатах. Але тут виникла несподівана складність: щоб підвищити робочу температуру матеріалу, в нього додали легуючі елементи - вольфрам, молібден, ніобій. Але вони зробили сплав настільки твердим, що штампувати його стало неможливо - формуванню методами гарячої деформації він не піддавався.
Тоді Кишкин запропонував лопатки відливати. Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун? Метал штампованих лопаток дуже щільний, міцність його висока, а литий метал залишається більш пухким і свідомо менш міцним, ніж відштампований. Але Кишкин зумів переконати скептиків, і в ВІАМ створили спеціальні ливарні жароміцні сплави і технологію лиття лопаток. Були проведені випробування, після чого практично всі авіаційні турбореактивні двигуни стали випускати з литими турбінними лопатками.
Перші лопатки були суцільними і довго витримувати високу температуру не могли. Потрібно було створити систему їх охолодження. Для цього вирішили робити в лопатках поздовжні канали для подачі охолоджуючого повітря від компресора. Ідея ця була не дуже: чим більше повітря з компресора піде на охолодження, тим менше його піде в камери згоряння. Але діватися було нікуди - ресурс турбіни необхідно збільшити у що б то не стало.
Стали конструювати лопатки з декількома наскрізними охолоджуючими каналами, розташовані ми вздовж осі лопатки. Однак скоро з'ясувалося, що така конструкція є малоефективною: повітря крізь канал протікає дуже швидко, площа охолоджуваної поверхні мала, тепло відводиться недостатньо. Намагалися змінити конфігурацію внутрішньої порожнини лопатки, вставивши туди дефлектор, який відхиляє і затримує потік повітря, або зробити канали більш складної форми. У якийсь момент фахівцями з авіаційним двигунам опанувала приваблива ідея - створити цілком керамічну лопатку: кераміка витримує дуже високу температуру, і охолоджувати її не потрібно. З тих пір пройшло майже п'ятдесят років, але поки ніхто в світі двигуна з керамічними лопатками так і не зробив, хоча спроби тривають.
ЯК РОБЛЯТЬ литу лопатки
Технологія виготовлення турбінних лопаток називається литтям по виплавлюваних моделях. Спочатку роблять воскову модель майбутньої лопатки, переливаючись її в прес-формі, в яку попередньо вкладають кварцові циліндрики на місце майбутніх каналів охолодження (потім стали використовувати інші матеріали). Модель покривають рідкою керамічною масою. Після її висихання віск витоплюють гарячою водою, а керамічну масу обпалюють. Виходить форма, що витримує температуру розплавленого металу від 1450 до 1500оС в залежності від марки сплаву. У форму заливають метал, який застигає у вигляді готової лопатки, але з кварцовими стрижнями замість каналів всередині. Стрижні видаляють, розчиняючи в плавикової кислоті. Цю операцію проводить в герметично закритому приміщенні працівник в скафандрі з шлангом для подачі повітря. Технологія незручна, небезпечна і шкідлива.
Щоб виключити цю операцію, в ВІАМ почали робити стрижні з оксиду алюмінію з добавкою 10-15% оксиду кремнію, який розчиняється в луги. Матеріал лопаток з лугом не реагує, а залишки оксиду алюмінію видаляють сильним струменем води. Наша лабораторія займалася виготовленням стрижнів, а сам я почав вивчати технологію лиття, матеріали для керамічних форм, сплави і захисні покриття готових виробів і тепер очолюю цей напрям досліджень.
У повсякденному житті ми звикли вважати литі вироби дуже грубими і шорсткими. Але нам вдалося підібрати такі керамічні склади, що форма з них виходить абсолютно гладкою і виливок механічної обробки майже не потрібно. Це набагато спрощує роботу: лопатки мають дуже складну форму, і обробляти їх нелегко.
Нові матеріали зажадали нових технологій. Якими б зручними не були добавки оксиду кремнію в матеріал стрижнів, від нього довелося відмовитися. Температура плавлення оксиду алюмінію Al2O3 - 2050 оС, а оксиду кремнію SiO2 - тільки близько 1700 оС, і нові жароміцні сплави руйнували стрижні вже в процесі заливки.
Щоб форма з оксиду алюмінію зберігала міцність, її обпалюють при температурі вищій, ніж температура рідкого металу, який в неї заливають. Крім того, внутрішня геометрія форми при заливці не повинна змінюватися: стінки лопаток дуже тонкі, і розміри повинні точно відповідати розрахунковим. Тому допустима величина усадки форми не повинна перевищувати 1%.
ЧОМУ ВІДМОВИЛИСЯ ВІД штампувати ЛОПАТОК
Як вже говорилося, після штампування лопатку доводилося обробляти на верстатах. При цьому 90% металу йшло в стружку. Було поставлено завдання: створити таку технологію точного лиття, щоб відразу виходив заданий профіль лопатки, а готовий виріб залишалося б тільки відполірувати і нанести на нього теплозащитное покриття. Не менш важлива і конструкція, яка утворюється в тілі лопатки і виконує завдання її охолодження.
Таким чином, досить важливо зробити лопатку, яка ефективно охолоджується, не знижуючи температуру робочого газу, і має високу довготривалу міцність. Це завдання вдалося вирішити, скомпонувавши канали в тілі лопатки і вихідні отвори з неї так, щоб навколо лопатки виникала тонка повітряна плівка. При цьому разом вбивають двох зайців: розпечені гази з матеріалом лопатки не стикаються, а отже, і не нагрівають її і самі не охолоджуються.
Тут виникає деяка аналогія з тепловим захистом космічної ракети. Коли ракета на великій швидкості входить в щільні шари атмосфери, починає випаровуватися і згоряти так зване жертовне покриття, що закриває головну частину. Воно бере на себе основний тепловий потік, а продукти його згоряння утворюють свого роду захисну подушку. У конструкції турбінної лопатки закладений такий же принцип, тільки замість жертовного покриття використовується повітря. Правда, лопатки потрібно захищати ще й від ерозії і від корозії. Але про це докладніше див. Стор. 54.
Порядок виготовлення лопатки такий. Спочатку створюється нікелевий сплав з заданими параметрами по механічної міцності і жароміцності, для чого в нікель вводяться легуючі добавки: 6% алюмінію, 6-10% вольфраму, танталу, ренію і трохи рутенію. Вони дозволяють домогтися максимальних високотемпературних характеристик для литих сплавів на основі нікелю (є спокуса ще підвищити їх, використовуючи більше ренію, але він шалено доріг). Перспективним напрямком вважається використання силіциду ніобію, але це - справа далекого майбутнього.
Але ось сплав залитий в форму при температурі 1450 оС і разом з нею охолоджується. Остигає метал кристалізується, утворюючи окремі рівноосні, тобто приблизно однакового розміру в усіх напрямках, зерна. Самі ж зерна можуть виходити і великими і дрібними. Зчіплюються вони ненадійно, і працюють лопатки руйнувалися по межах зерен і розліталися на друзки. Жодна лопатка не могла опрацювати довше 50 годин. Тоді ми запропонували ввести в матеріал форми для лиття модифікатор - кристалики алюмината кобальту. Вони служать центрами, зародками кристалізації, які прискорюють процес утворення зерен. Зерна виходять однорідними і дрібними. Нові лопатки стали працювати по 500 годин. Ця технологія, яку розробив Е. Н. Каблов, працює до цих пір, і працює добре. А ми в ВІАМ напрацьовуємо алюмінат кобальту тоннами і поставляємо його на заводи.
Потужність реактивних двигунів росла, температура і тиск газового струменя підвищувалися. І стало ясно, що многозеренная структура металу лопатки в нових умовах працювати не зможе. Потрібні були інші ідеї. Вони знайшлися, були доведені до стадії технологічної розробки і стали називатися спрямованою кристалізацією. Це означає, що метал, застигаючи, утворюючи ет НЕ рівноосні зерна, а довгі стовпчасті кристали, витягнуті строго уздовж осі лопатки. Лопатка з такою структурою стане дуже добре чинити опір зламу. Відразу пригадується стара притча про віник, який переламати не вдається, хоча все його прутики окремо ламаються без праці.
ЯК ВИРОБЛЯЮТЬ спрямованої кристалізації
Щоб кристали, що утворюють лопатку, росли належним чином, форму з розплавленим металом повільно виймають із зони нагріву. При цьому форма з рідким металом стоїть на масивному мідному диску, охлаждаемом водою. Зростання кристалів починається знизу і йде вгору зі швидкістю, що практично дорівнює швидкості виходу форми з нагрівача. Створюючи технологію спрямованої кристалізації, довелося виміряти і розрахувати безліч параметрів - швидкість кристалізації, температуру нагрівача, градієнт температури між нагрівачем і холодильником і ін. Було потрібно підібрати таку швидкість руху форми, щоб стовпчасті кристали проростали на всю довжину лопатки. При дотриманні всіх цих умов виростають 5-7 довгих стовпчастих кристалів на кожен квадратний сантиметр перетину лопатки. Ця технологія дозволила створити нове покоління авіаційних двигунів. Але ми пішли ще далі.
Вивчивши рентгенографічними методами вирощені стовпчасті кристали, ми зрозуміли, що всю лопатку цілком можна зробити з одного кристала, який не матиме межзеренное кордонів - найбільш слабких елементів структури, за якими починається руйнування. Для цього зробили приманку, яка дозволяла тільки одному кристалу рости в заданому напрямку (кристалографічна формула такої затравки 0-0-1; це означає, що в напрямку осі Z кристал росте, а в напрямку X - Y - немає). Затравки поставили в нижню частину форми і залили метал, інтенсивно охолоджуючи його знизу. Виростає монокристал набував форму лопатки. До речі, перша публікація про цю технологію з'явилася в журналі "Наука і життя" ще в 1971 році, в № 1.
Американські інженери застосовували для охолодження мідний водоохолоджуваний кристаллизатор. А ми після кількох експериментів замінили його ванній з розплавленим оловом при температурі 600-700 К. Це дозволило точніше підбирати необхідний градієнт температури і отримувати вироби високої якості. У ВІАМ побудували установки з ваннами для вирощування монокрісталлічес ких лопаток - дуже досконалі машини з комп'ютерним управлінням.
У 1990-х роках, коли розпався СРСР, на території Східної Німеччини залишилися радянські літаки, в основному винищувачі МіГ. У них в двигунах стояли лопатки нашого виробництва. Метал лопаток досліджували американці, після чого досить скоро їх фахівці приїхали в ВІАМ і попросили показати, хто і як його створив. Виявилося, що їм була поставлена задача зробити монокристалічні лопатки метрової довжини, яку вони вирішити не могли. Ми ж сконструювали установку для високоградієнтним лиття великогабаритних лопаток для енергетичних турбін і спробували запропонувати свою технологію Газпрому і РАО "ЄЕС Росії", але вони інтересу не проявили. Проте у нас вже практично готова промислова установка для лиття метрових лопаток, і ми постараємося переконати керівництво цих компаній в необхідності її впровадження.
До речі, турбіни для енергетики - це ще одна цікава задача, якові вірішував ВІАМ. Літакові двигуни, що виробили ресурс, стали використовувати на компресорних станціях газопроводів і в електростанціях, що живлять насоси нафтопроводів (див. "Наука і життя" № 2, 1999 г. ). Зараз стала актуальною задача створити для цих потреб спеціальні двигуни, які працювали б при набагато менших температурах і тиску робочого газу, але набагато довше. Якщо ресурс авіаційного двигуна близько 500 годин, то турбіни на об'єктах нафтової повинні працювати 20-50 тис. Годин. Одним з перших ними почало займатися Самари конструкторське бюро під керівництвом Миколи Дмитровича Казнецова.
жароміцних сплавів
Монокристалічна лопатка виростає не суцільний - всередині у неї є порожнина складної форми для охолодження. Спільно з ЦИАМ ми розробили конфігурацію порожнини, яка забезпечує коефіцієнт ефективності охолодження (відношення температур металу лопатки і робочого газу), що дорівнює 0,8, майже в півтора рази вище, ніж у серійних виробів.
Ось ці лопатки ми і пропонуємо для двигунів нового покоління. Зараз температура газу перед турбіною ледь дотягує до 1950 К, а в нових двигунах вона дійде до 2000-2200 К. Для них ми вже розробили високожаропрочние сплави, що містять до п'ятнадцяти елементів таблиці Менделєєва, в тому числі реній і рутеній, і теплозахисні покриття, в які входять нікель, хром, алюміній і ітрій, а в перспективі - керамічні з оксиду цирконію, стабілізованого оксидом ітрію.
У сплавах першого покоління було присутнє невелике кількість вуглецю у вигляді карбідів титану або танталу. Карбіди розташовуються по межах кристалів і знижують міцність сплаву. Від карбіду ми позбулися і замінили ренієм, підвищивши його концентрацію від 3% в перших зразках до 12% в останніх. Запасів ренію у нас в країні мало; є родовища в Казахстані, але після розвалу Радянського Союзу його повністю скупили американці; залишається острів Ітуруп, на який претендують японці. Зате рутенію у нас багато, і в нових сплавах ми успішно замінили їм реній.
Унікальність ВІАМ полягає в тому, що ми вміємо розробляти і сплави, і технологію їх отримання, і методику виливки готового виробу. У всі лопатки вкладений величезна праця і знання всіх працівників ВІАМ.
Див. В номері на ту ж тему
Е. Кабл - ВІАМ - національне надбання.
А. ЖИРНОВ - Крилаті метали і сплави.
М. Бронфін - Випробувачі - дослідники і контролери.
Академіки дають дозвіл на безпосадочний переліт Н. С. Хрущова в Нью-Йорк на наддалекі літаку ТУ-114.
І. ФРІДЛЯНДЕР - Старіння - не завжди погано.
Б. ЩЕТАНОВ - Тепловий захист "Бурана" почалася з листа кальки.
С. МУБОЯДЖЯН - Плазма проти пара: перемога за явною перевагою.
БЮРО НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ.
Е. КОНДРАШОВ - Без неметалевих деталей літаки не літають.
І. КОВАЛЬОВ - В науку - зі шкільної лави.
С. КАРІМОВА - Корозія - головний ворог авіацііc.
А. ПЕТРОВА - Посадити на клей.
У ВСІ ЛОПАТКИ
Реактивна авіація, яка почала створюватися з 1940-х років, зажадала розробки нового типу двигуна.Ті, хто отримав найбільш широке застосування газотурбінні реактивні двигуни зробили революцію в авіаційній техніці.Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Лопатки газової турбіни реактивного двигуна працюють в дуже важких умовах: їх обтікає потік розпечених газів з камер згоряння.
Охолоджуючий повітря, поданий з боку осі турбіни в канали лопатки, виходить з її торця.
Стрижні-закладки, які поміщають в форму для відливання лопатки газової турбіни. Після охолодження заготовки стрижні розчиняють і в готовій лопатці залишаються канали для пропускання охолоджуючого повітря.
Повітря, що виходить з отворів в бічній частині лопаток, створює тонку повітряну плівку, яка ізолює лопатку від гарячих газів (зліва). Канали, які ведуть до отворів, мають досить складну геометрію (праворуч).
Метал відлитою лопатки застигає у вигляді кристалів різного розміру, зчеплених недостатньо надійно (зліва). Після введення в метал модифікатора кристали стали дрібними і однорідними, міцність виробу підвищилася (праворуч).
Так роблять спрямовану кристалізацію матеріалу лопатки.
Удосконаливши технологію спрямованої кристалізації, вдалося виростити лопатку у вигляді єдиного монокристала.
У монокристалічних лопатках створюється охолоджуюча порожнину складної форми. Новітні розробки її конфігурації дозволили в півтора рази підвищити ефективність охолодження лопаток.
<
>
ДВИГУНИ І МАТЕРІАЛИ
Потужність будь-якого теплового двигуна визначає температура робочого тіла - в разі реактивного двигуна це температура газу, що випливає з камер згоряння. Чим вище температура газу, тим потужніше двигун, тим більше його тяга, тим вище економічність і краще вагові характеристики. У газотурбін ном двигуні є повітряний компресор. Його приводить в обертання газова турбіна, що сидить з ним на одному валу. Компресор стискає атмосферне повітря до 6-7 атмосфер і направляє його в камери згоряння, куди впорскується паливо - гас. Потік випливає з камер розпеченого газу - продуктів згоряння гасу - обертає турбіну і, вилітаючи через сопло, створює реактивну тягу, рухає літак. Високі температури, що виникають в камерах згоряння, зажадали створення нових технологій і застосування нових матеріалів для конструювання одного з найбільш відповідальних елементів двигуна - статорних і роторних лопаток газової турбіни. Вони повинні протягом багатьох годин, не втрачаючи механічної міцності, витримувати величезну температуру, при якій багато хто став і сплави вже плавляться. В першу чергу це відноситься до лопаток турбіни - вони сприймають потік розпечених газів, нагрітих до температур вище 1600 К. Теоретично температура газу перед турбіною може досягати 2200 К (1927оC). У момент зародження реактивної авіації - відразу після війни - матеріалів, з яких можна було виготовити лопатки, здатні довго витримувати високі механічні навантаження, в нашій країні не існувало.
Незабаром після закінчення Великої Вітчизняної війни роботу зі створення сплавів для виготовлен ня турбінних лопаток початку спеціальна лабораторія в ВІАМ. Її очолив Сергій Тимофійович Кишкин.
У АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛОМ
Першу вітчизняну конструкцію турбореактивного двигуна ще до війни створив у Ленінграді конструктор авіаційних двигунів Архип Михайлович Люлька. В кінці 1930-х років він був репресує ван, але, ймовірно, передбачаючи арешт, креслення двигуна встиг закопати у дворі інституту. Під час війни керівництво країни дізналося, що німці вже створили реактивну авіацію (першим літаком з турбореак нормативним двигуном був німецький "хейнкель" He-178, сконструйований в 1939 році в якості літаючої лабораторії; першим серійним бойовим літаком став двомоторний "мессершміт" Me-262 (надійшов на озброєння німецьких військ в 1942 році. - Прим. ред.). Тоді Сталін викликав Л. П. Берія, який курирував нові військові розробки, і зажадав знайти тих, хто у нас в країні займається реактивними двигунами. А. М. люльку швидко звільнили і так Чи йому в Москві на вулиці Галушкина приміщення під перше конструкторське бюро реактивних двигунів. Свої креслення Архип Михайлович знайшов і викопав, але двигун за його проектом відразу не вийшов. Тоді просто взяли куплений у англійців турбореактивний двигун і повторили його один до одного. Але справа вперлося в матеріали, які були відсутні в Радянському Союзі, однак були в Англії, і склад їх, звичайно, був засекречений. і все-таки розшифрувати його вдалося.
Приїхавши до Англії для ознайомлення з виробництвом двигунів, С. Т. Кишкин всюди з'являвся в черевиках на товстій мікропористої підошві. І, відвідавши з екскурсією завод, де обробляли турбінні лопатки, він біля верстата, як би ненароком, настав на стружку, що впала з деталі. Шматочок металу врізався в м'яку гуму, застряг в ній, а потім був вийнятий і вже в Москві підданий ретельному аналізу. Результати аналізу англійського металу і великі власні дослідження, проведені в ВІАМ, дозволили створити перші жароміцні нікелеві сплави для турбінних лопаток і, найголовніше, розробити основи теорії їх будови і отримання.
Було встановлено, що основним носієм жароміцності таких сплавів служать субмікроскопічес кі частки ІНТЕРМЕТАЛІЧНОГО фази на основі сполуки Ni3Al. Лопатки з перших жароміцних нікелевих сплавів могли довго працювати, якщо температура газу перед турбіною не перевищувала 900-1000 К.
ЛИТЬЕ ЗАМІСТЬ ШТАМПОВКИ
Лопатки перших двигунів штампували зі сплаву, відлитого в пруток, до форми, що віддалено нагадує готовий виріб, а потім довго і ретельно обробляли на верстатах. Але тут виникла несподівана складність: щоб підвищити робочу температуру матеріалу, в нього додали легуючі елементи - вольфрам, молібден, ніобій. Але вони зробили сплав настільки твердим, що штампувати його стало неможливо - формуванню методами гарячої деформації він не піддавався.
Тоді Кишкин запропонував лопатки відливати. Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун? Метал штампованих лопаток дуже щільний, міцність його висока, а литий метал залишається більш пухким і свідомо менш міцним, ніж відштампований. Але Кишкин зумів переконати скептиків, і в ВІАМ створили спеціальні ливарні жароміцні сплави і технологію лиття лопаток. Були проведені випробування, після чого практично всі авіаційні турбореактивні двигуни стали випускати з литими турбінними лопатками.
Перші лопатки були суцільними і довго витримувати високу температуру не могли. Потрібно було створити систему їх охолодження. Для цього вирішили робити в лопатках поздовжні канали для подачі охолоджуючого повітря від компресора. Ідея ця була не дуже: чим більше повітря з компресора піде на охолодження, тим менше його піде в камери згоряння. Але діватися було нікуди - ресурс турбіни необхідно збільшити у що б то не стало.
Стали конструювати лопатки з декількома наскрізними охолоджуючими каналами, розташовані ми вздовж осі лопатки. Однак скоро з'ясувалося, що така конструкція є малоефективною: повітря крізь канал протікає дуже швидко, площа охолоджуваної поверхні мала, тепло відводиться недостатньо. Намагалися змінити конфігурацію внутрішньої порожнини лопатки, вставивши туди дефлектор, який відхиляє і затримує потік повітря, або зробити канали більш складної форми. У якийсь момент фахівцями з авіаційним двигунам опанувала приваблива ідея - створити цілком керамічну лопатку: кераміка витримує дуже високу температуру, і охолоджувати її не потрібно. З тих пір пройшло майже п'ятдесят років, але поки ніхто в світі двигуна з керамічними лопатками так і не зробив, хоча спроби тривають.
ЯК РОБЛЯТЬ литу лопатки
Технологія виготовлення турбінних лопаток називається литтям по виплавлюваних моделях. Спочатку роблять воскову модель майбутньої лопатки, переливаючись її в прес-формі, в яку попередньо вкладають кварцові циліндрики на місце майбутніх каналів охолодження (потім стали використовувати інші матеріали). Модель покривають рідкою керамічною масою. Після її висихання віск витоплюють гарячою водою, а керамічну масу обпалюють. Виходить форма, що витримує температуру розплавленого металу від 1450 до 1500оС в залежності від марки сплаву. У форму заливають метал, який застигає у вигляді готової лопатки, але з кварцовими стрижнями замість каналів всередині. Стрижні видаляють, розчиняючи в плавикової кислоті. Цю операцію проводить в герметично закритому приміщенні працівник в скафандрі з шлангом для подачі повітря. Технологія незручна, небезпечна і шкідлива.
Щоб виключити цю операцію, в ВІАМ почали робити стрижні з оксиду алюмінію з добавкою 10-15% оксиду кремнію, який розчиняється в луги. Матеріал лопаток з лугом не реагує, а залишки оксиду алюмінію видаляють сильним струменем води. Наша лабораторія займалася виготовленням стрижнів, а сам я почав вивчати технологію лиття, матеріали для керамічних форм, сплави і захисні покриття готових виробів і тепер очолюю цей напрям досліджень.
У повсякденному житті ми звикли вважати литі вироби дуже грубими і шорсткими. Але нам вдалося підібрати такі керамічні склади, що форма з них виходить абсолютно гладкою і виливок механічної обробки майже не потрібно. Це набагато спрощує роботу: лопатки мають дуже складну форму, і обробляти їх нелегко.
Нові матеріали зажадали нових технологій. Якими б зручними не були добавки оксиду кремнію в матеріал стрижнів, від нього довелося відмовитися. Температура плавлення оксиду алюмінію Al2O3 - 2050 оС, а оксиду кремнію SiO2 - тільки близько 1700 оС, і нові жароміцні сплави руйнували стрижні вже в процесі заливки.
Щоб форма з оксиду алюмінію зберігала міцність, її обпалюють при температурі вищій, ніж температура рідкого металу, який в неї заливають. Крім того, внутрішня геометрія форми при заливці не повинна змінюватися: стінки лопаток дуже тонкі, і розміри повинні точно відповідати розрахунковим. Тому допустима величина усадки форми не повинна перевищувати 1%.
ЧОМУ ВІДМОВИЛИСЯ ВІД штампувати ЛОПАТОК
Як вже говорилося, після штампування лопатку доводилося обробляти на верстатах. При цьому 90% металу йшло в стружку. Було поставлено завдання: створити таку технологію точного лиття, щоб відразу виходив заданий профіль лопатки, а готовий виріб залишалося б тільки відполірувати і нанести на нього теплозащитное покриття. Не менш важлива і конструкція, яка утворюється в тілі лопатки і виконує завдання її охолодження.
Таким чином, досить важливо зробити лопатку, яка ефективно охолоджується, не знижуючи температуру робочого газу, і має високу довготривалу міцність. Це завдання вдалося вирішити, скомпонувавши канали в тілі лопатки і вихідні отвори з неї так, щоб навколо лопатки виникала тонка повітряна плівка. При цьому разом вбивають двох зайців: розпечені гази з матеріалом лопатки не стикаються, а отже, і не нагрівають її і самі не охолоджуються.
Тут виникає деяка аналогія з тепловим захистом космічної ракети. Коли ракета на великій швидкості входить в щільні шари атмосфери, починає випаровуватися і згоряти так зване жертовне покриття, що закриває головну частину. Воно бере на себе основний тепловий потік, а продукти його згоряння утворюють свого роду захисну подушку. У конструкції турбінної лопатки закладений такий же принцип, тільки замість жертовного покриття використовується повітря. Правда, лопатки потрібно захищати ще й від ерозії і від корозії. Але про це докладніше див. Стор. 54.
Порядок виготовлення лопатки такий. Спочатку створюється нікелевий сплав з заданими параметрами по механічної міцності і жароміцності, для чого в нікель вводяться легуючі добавки: 6% алюмінію, 6-10% вольфраму, танталу, ренію і трохи рутенію. Вони дозволяють домогтися максимальних високотемпературних характеристик для литих сплавів на основі нікелю (є спокуса ще підвищити їх, використовуючи більше ренію, але він шалено доріг). Перспективним напрямком вважається використання силіциду ніобію, але це - справа далекого майбутнього.
Але ось сплав залитий в форму при температурі 1450 оС і разом з нею охолоджується. Остигає метал кристалізується, утворюючи окремі рівноосні, тобто приблизно однакового розміру в усіх напрямках, зерна. Самі ж зерна можуть виходити і великими і дрібними. Зчіплюються вони ненадійно, і працюють лопатки руйнувалися по межах зерен і розліталися на друзки. Жодна лопатка не могла опрацювати довше 50 годин. Тоді ми запропонували ввести в матеріал форми для лиття модифікатор - кристалики алюмината кобальту. Вони служать центрами, зародками кристалізації, які прискорюють процес утворення зерен. Зерна виходять однорідними і дрібними. Нові лопатки стали працювати по 500 годин. Ця технологія, яку розробив Е. Н. Каблов, працює до цих пір, і працює добре. А ми в ВІАМ напрацьовуємо алюмінат кобальту тоннами і поставляємо його на заводи.
Потужність реактивних двигунів росла, температура і тиск газового струменя підвищувалися. І стало ясно, що многозеренная структура металу лопатки в нових умовах працювати не зможе. Потрібні були інші ідеї. Вони знайшлися, були доведені до стадії технологічної розробки і стали називатися спрямованою кристалізацією. Це означає, що метал, застигаючи, утворюючи ет НЕ рівноосні зерна, а довгі стовпчасті кристали, витягнуті строго уздовж осі лопатки. Лопатка з такою структурою стане дуже добре чинити опір зламу. Відразу пригадується стара притча про віник, який переламати не вдається, хоча все його прутики окремо ламаються без праці.
ЯК ВИРОБЛЯЮТЬ спрямованої кристалізації
Щоб кристали, що утворюють лопатку, росли належним чином, форму з розплавленим металом повільно виймають із зони нагріву. При цьому форма з рідким металом стоїть на масивному мідному диску, охлаждаемом водою. Зростання кристалів починається знизу і йде вгору зі швидкістю, що практично дорівнює швидкості виходу форми з нагрівача. Створюючи технологію спрямованої кристалізації, довелося виміряти і розрахувати безліч параметрів - швидкість кристалізації, температуру нагрівача, градієнт температури між нагрівачем і холодильником і ін. Було потрібно підібрати таку швидкість руху форми, щоб стовпчасті кристали проростали на всю довжину лопатки. При дотриманні всіх цих умов виростають 5-7 довгих стовпчастих кристалів на кожен квадратний сантиметр перетину лопатки. Ця технологія дозволила створити нове покоління авіаційних двигунів. Але ми пішли ще далі.
Вивчивши рентгенографічними методами вирощені стовпчасті кристали, ми зрозуміли, що всю лопатку цілком можна зробити з одного кристала, який не матиме межзеренное кордонів - найбільш слабких елементів структури, за якими починається руйнування. Для цього зробили приманку, яка дозволяла тільки одному кристалу рости в заданому напрямку (кристалографічна формула такої затравки 0-0-1; це означає, що в напрямку осі Z кристал росте, а в напрямку X - Y - немає). Затравки поставили в нижню частину форми і залили метал, інтенсивно охолоджуючи його знизу. Виростає монокристал набував форму лопатки. До речі, перша публікація про цю технологію з'явилася в журналі "Наука і життя" ще в 1971 році, в № 1.
Американські інженери застосовували для охолодження мідний водоохолоджуваний кристаллизатор. А ми після кількох експериментів замінили його ванній з розплавленим оловом при температурі 600-700 К. Це дозволило точніше підбирати необхідний градієнт температури і отримувати вироби високої якості. У ВІАМ побудували установки з ваннами для вирощування монокрісталлічес ких лопаток - дуже досконалі машини з комп'ютерним управлінням.
У 1990-х роках, коли розпався СРСР, на території Східної Німеччини залишилися радянські літаки, в основному винищувачі МіГ. У них в двигунах стояли лопатки нашого виробництва. Метал лопаток досліджували американці, після чого досить скоро їх фахівці приїхали в ВІАМ і попросили показати, хто і як його створив. Виявилося, що їм була поставлена задача зробити монокристалічні лопатки метрової довжини, яку вони вирішити не могли. Ми ж сконструювали установку для високоградієнтним лиття великогабаритних лопаток для енергетичних турбін і спробували запропонувати свою технологію Газпрому і РАО "ЄЕС Росії", але вони інтересу не проявили. Проте у нас вже практично готова промислова установка для лиття метрових лопаток, і ми постараємося переконати керівництво цих компаній в необхідності її впровадження.
У ВСІ ЛОПАТКИ
Реактивна авіація, яка почала створюватися з 1940-х років, зажадала розробки нового типу двигуна.Ті, хто отримав найбільш широке застосування газотурбінні реактивні двигуни зробили революцію в авіаційній техніці.Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Лопатки газової турбіни реактивного двигуна працюють в дуже важких умовах: їх обтікає потік розпечених газів з камер згоряння.
Охолоджуючий повітря, поданий з боку осі турбіни в канали лопатки, виходить з її торця.
Стрижні-закладки, які поміщають в форму для відливання лопатки газової турбіни. Після охолодження заготовки стрижні розчиняють і в готовій лопатці залишаються канали для пропускання охолоджуючого повітря.
Повітря, що виходить з отворів в бічній частині лопаток, створює тонку повітряну плівку, яка ізолює лопатку від гарячих газів (зліва). Канали, які ведуть до отворів, мають досить складну геометрію (праворуч).
Метал відлитою лопатки застигає у вигляді кристалів різного розміру, зчеплених недостатньо надійно (зліва). Після введення в метал модифікатора кристали стали дрібними і однорідними, міцність виробу підвищилася (праворуч).
Так роблять спрямовану кристалізацію матеріалу лопатки.
Удосконаливши технологію спрямованої кристалізації, вдалося виростити лопатку у вигляді єдиного монокристала.
У монокристалічних лопатках створюється охолоджуюча порожнину складної форми. Новітні розробки її конфігурації дозволили в півтора рази підвищити ефективність охолодження лопаток.
<
>
ДВИГУНИ І МАТЕРІАЛИ
Потужність будь-якого теплового двигуна визначає температура робочого тіла - в разі реактивного двигуна це температура газу, що випливає з камер згоряння. Чим вище температура газу, тим потужніше двигун, тим більше його тяга, тим вище економічність і краще вагові характеристики. У газотурбін ном двигуні є повітряний компресор. Його приводить в обертання газова турбіна, що сидить з ним на одному валу. Компресор стискає атмосферне повітря до 6-7 атмосфер і направляє його в камери згоряння, куди впорскується паливо - гас. Потік випливає з камер розпеченого газу - продуктів згоряння гасу - обертає турбіну і, вилітаючи через сопло, створює реактивну тягу, рухає літак. Високі температури, що виникають в камерах згоряння, зажадали створення нових технологій і застосування нових матеріалів для конструювання одного з найбільш відповідальних елементів двигуна - статорних і роторних лопаток газової турбіни. Вони повинні протягом багатьох годин, не втрачаючи механічної міцності, витримувати величезну температуру, при якій багато хто став і сплави вже плавляться. В першу чергу це відноситься до лопаток турбіни - вони сприймають потік розпечених газів, нагрітих до температур вище 1600 К. Теоретично температура газу перед турбіною може досягати 2200 К (1927оC). У момент зародження реактивної авіації - відразу після війни - матеріалів, з яких можна було виготовити лопатки, здатні довго витримувати високі механічні навантаження, в нашій країні не існувало.
Незабаром після закінчення Великої Вітчизняної війни роботу зі створення сплавів для виготовлен ня турбінних лопаток початку спеціальна лабораторія в ВІАМ. Її очолив Сергій Тимофійович Кишкин.
У АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛОМ
Першу вітчизняну конструкцію турбореактивного двигуна ще до війни створив у Ленінграді конструктор авіаційних двигунів Архип Михайлович Люлька. В кінці 1930-х років він був репресує ван, але, ймовірно, передбачаючи арешт, креслення двигуна встиг закопати у дворі інституту. Під час війни керівництво країни дізналося, що німці вже створили реактивну авіацію (першим літаком з турбореак нормативним двигуном був німецький "хейнкель" He-178, сконструйований в 1939 році в якості літаючої лабораторії; першим серійним бойовим літаком став двомоторний "мессершміт" Me-262 (надійшов на озброєння німецьких військ в 1942 році. - Прим. ред.). Тоді Сталін викликав Л. П. Берія, який курирував нові військові розробки, і зажадав знайти тих, хто у нас в країні займається реактивними двигунами. А. М. люльку швидко звільнили і так Чи йому в Москві на вулиці Галушкина приміщення під перше конструкторське бюро реактивних двигунів. Свої креслення Архип Михайлович знайшов і викопав, але двигун за його проектом відразу не вийшов. Тоді просто взяли куплений у англійців турбореактивний двигун і повторили його один до одного. Але справа вперлося в матеріали, які були відсутні в Радянському Союзі, однак були в Англії, і склад їх, звичайно, був засекречений. і все-таки розшифрувати його вдалося.
Приїхавши до Англії для ознайомлення з виробництвом двигунів, С. Т. Кишкин всюди з'являвся в черевиках на товстій мікропористої підошві. І, відвідавши з екскурсією завод, де обробляли турбінні лопатки, він біля верстата, як би ненароком, настав на стружку, що впала з деталі. Шматочок металу врізався в м'яку гуму, застряг в ній, а потім був вийнятий і вже в Москві підданий ретельному аналізу. Результати аналізу англійського металу і великі власні дослідження, проведені в ВІАМ, дозволили створити перші жароміцні нікелеві сплави для турбінних лопаток і, найголовніше, розробити основи теорії їх будови і отримання.
Було встановлено, що основним носієм жароміцності таких сплавів служать субмікроскопічес кі частки ІНТЕРМЕТАЛІЧНОГО фази на основі сполуки Ni3Al. Лопатки з перших жароміцних нікелевих сплавів могли довго працювати, якщо температура газу перед турбіною не перевищувала 900-1000 К.
ЛИТЬЕ ЗАМІСТЬ ШТАМПОВКИ
Лопатки перших двигунів штампували зі сплаву, відлитого в пруток, до форми, що віддалено нагадує готовий виріб, а потім довго і ретельно обробляли на верстатах. Але тут виникла несподівана складність: щоб підвищити робочу температуру матеріалу, в нього додали легуючі елементи - вольфрам, молібден, ніобій. Але вони зробили сплав настільки твердим, що штампувати його стало неможливо - формуванню методами гарячої деформації він не піддавався.
Тоді Кишкин запропонував лопатки відливати. Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун? Метал штампованих лопаток дуже щільний, міцність його висока, а литий метал залишається більш пухким і свідомо менш міцним, ніж відштампований. Але Кишкин зумів переконати скептиків, і в ВІАМ створили спеціальні ливарні жароміцні сплави і технологію лиття лопаток. Були проведені випробування, після чого практично всі авіаційні турбореактивні двигуни стали випускати з литими турбінними лопатками.
Перші лопатки були суцільними і довго витримувати високу температуру не могли. Потрібно було створити систему їх охолодження. Для цього вирішили робити в лопатках поздовжні канали для подачі охолоджуючого повітря від компресора. Ідея ця була не дуже: чим більше повітря з компресора піде на охолодження, тим менше його піде в камери згоряння. Але діватися було нікуди - ресурс турбіни необхідно збільшити у що б то не стало.
Стали конструювати лопатки з декількома наскрізними охолоджуючими каналами, розташовані ми вздовж осі лопатки. Однак скоро з'ясувалося, що така конструкція є малоефективною: повітря крізь канал протікає дуже швидко, площа охолоджуваної поверхні мала, тепло відводиться недостатньо. Намагалися змінити конфігурацію внутрішньої порожнини лопатки, вставивши туди дефлектор, який відхиляє і затримує потік повітря, або зробити канали більш складної форми. У якийсь момент фахівцями з авіаційним двигунам опанувала приваблива ідея - створити цілком керамічну лопатку: кераміка витримує дуже високу температуру, і охолоджувати її не потрібно. З тих пір пройшло майже п'ятдесят років, але поки ніхто в світі двигуна з керамічними лопатками так і не зробив, хоча спроби тривають.
ЯК РОБЛЯТЬ литу лопатки
Технологія виготовлення турбінних лопаток називається литтям по виплавлюваних моделях. Спочатку роблять воскову модель майбутньої лопатки, переливаючись її в прес-формі, в яку попередньо вкладають кварцові циліндрики на місце майбутніх каналів охолодження (потім стали використовувати інші матеріали). Модель покривають рідкою керамічною масою. Після її висихання віск витоплюють гарячою водою, а керамічну масу обпалюють. Виходить форма, що витримує температуру розплавленого металу від 1450 до 1500оС в залежності від марки сплаву. У форму заливають метал, який застигає у вигляді готової лопатки, але з кварцовими стрижнями замість каналів всередині. Стрижні видаляють, розчиняючи в плавикової кислоті. Цю операцію проводить в герметично закритому приміщенні працівник в скафандрі з шлангом для подачі повітря. Технологія незручна, небезпечна і шкідлива.
Щоб виключити цю операцію, в ВІАМ почали робити стрижні з оксиду алюмінію з добавкою 10-15% оксиду кремнію, який розчиняється в луги. Матеріал лопаток з лугом не реагує, а залишки оксиду алюмінію видаляють сильним струменем води. Наша лабораторія займалася виготовленням стрижнів, а сам я почав вивчати технологію лиття, матеріали для керамічних форм, сплави і захисні покриття готових виробів і тепер очолюю цей напрям досліджень.
У повсякденному житті ми звикли вважати литі вироби дуже грубими і шорсткими. Але нам вдалося підібрати такі керамічні склади, що форма з них виходить абсолютно гладкою і виливок механічної обробки майже не потрібно. Це набагато спрощує роботу: лопатки мають дуже складну форму, і обробляти їх нелегко.
Нові матеріали зажадали нових технологій. Якими б зручними не були добавки оксиду кремнію в матеріал стрижнів, від нього довелося відмовитися. Температура плавлення оксиду алюмінію Al2O3 - 2050 оС, а оксиду кремнію SiO2 - тільки близько 1700 оС, і нові жароміцні сплави руйнували стрижні вже в процесі заливки.
Щоб форма з оксиду алюмінію зберігала міцність, її обпалюють при температурі вищій, ніж температура рідкого металу, який в неї заливають. Крім того, внутрішня геометрія форми при заливці не повинна змінюватися: стінки лопаток дуже тонкі, і розміри повинні точно відповідати розрахунковим. Тому допустима величина усадки форми не повинна перевищувати 1%.
ЧОМУ ВІДМОВИЛИСЯ ВІД штампувати ЛОПАТОК
Як вже говорилося, після штампування лопатку доводилося обробляти на верстатах. При цьому 90% металу йшло в стружку. Було поставлено завдання: створити таку технологію точного лиття, щоб відразу виходив заданий профіль лопатки, а готовий виріб залишалося б тільки відполірувати і нанести на нього теплозащитное покриття. Не менш важлива і конструкція, яка утворюється в тілі лопатки і виконує завдання її охолодження.
Таким чином, досить важливо зробити лопатку, яка ефективно охолоджується, не знижуючи температуру робочого газу, і має високу довготривалу міцність. Це завдання вдалося вирішити, скомпонувавши канали в тілі лопатки і вихідні отвори з неї так, щоб навколо лопатки виникала тонка повітряна плівка. При цьому разом вбивають двох зайців: розпечені гази з матеріалом лопатки не стикаються, а отже, і не нагрівають її і самі не охолоджуються.
Тут виникає деяка аналогія з тепловим захистом космічної ракети. Коли ракета на великій швидкості входить в щільні шари атмосфери, починає випаровуватися і згоряти так зване жертовне покриття, що закриває головну частину. Воно бере на себе основний тепловий потік, а продукти його згоряння утворюють свого роду захисну подушку. У конструкції турбінної лопатки закладений такий же принцип, тільки замість жертовного покриття використовується повітря. Правда, лопатки потрібно захищати ще й від ерозії і від корозії. Але про це докладніше див. Стор. 54.
Порядок виготовлення лопатки такий. Спочатку створюється нікелевий сплав з заданими параметрами по механічної міцності і жароміцності, для чого в нікель вводяться легуючі добавки: 6% алюмінію, 6-10% вольфраму, танталу, ренію і трохи рутенію. Вони дозволяють домогтися максимальних високотемпературних характеристик для литих сплавів на основі нікелю (є спокуса ще підвищити їх, використовуючи більше ренію, але він шалено доріг). Перспективним напрямком вважається використання силіциду ніобію, але це - справа далекого майбутнього.
Але ось сплав залитий в форму при температурі 1450 оС і разом з нею охолоджується. Остигає метал кристалізується, утворюючи окремі рівноосні, тобто приблизно однакового розміру в усіх напрямках, зерна. Самі ж зерна можуть виходити і великими і дрібними. Зчіплюються вони ненадійно, і працюють лопатки руйнувалися по межах зерен і розліталися на друзки. Жодна лопатка не могла опрацювати довше 50 годин. Тоді ми запропонували ввести в матеріал форми для лиття модифікатор - кристалики алюмината кобальту. Вони служать центрами, зародками кристалізації, які прискорюють процес утворення зерен. Зерна виходять однорідними і дрібними. Нові лопатки стали працювати по 500 годин. Ця технологія, яку розробив Е. Н. Каблов, працює до цих пір, і працює добре. А ми в ВІАМ напрацьовуємо алюмінат кобальту тоннами і поставляємо його на заводи.
Потужність реактивних двигунів росла, температура і тиск газового струменя підвищувалися. І стало ясно, що многозеренная структура металу лопатки в нових умовах працювати не зможе. Потрібні були інші ідеї. Вони знайшлися, були доведені до стадії технологічної розробки і стали називатися спрямованою кристалізацією. Це означає, що метал, застигаючи, утворюючи ет НЕ рівноосні зерна, а довгі стовпчасті кристали, витягнуті строго уздовж осі лопатки. Лопатка з такою структурою стане дуже добре чинити опір зламу. Відразу пригадується стара притча про віник, який переламати не вдається, хоча все його прутики окремо ламаються без праці.
ЯК ВИРОБЛЯЮТЬ спрямованої кристалізації
Щоб кристали, що утворюють лопатку, росли належним чином, форму з розплавленим металом повільно виймають із зони нагріву. При цьому форма з рідким металом стоїть на масивному мідному диску, охлаждаемом водою. Зростання кристалів починається знизу і йде вгору зі швидкістю, що практично дорівнює швидкості виходу форми з нагрівача. Створюючи технологію спрямованої кристалізації, довелося виміряти і розрахувати безліч параметрів - швидкість кристалізації, температуру нагрівача, градієнт температури між нагрівачем і холодильником і ін. Було потрібно підібрати таку швидкість руху форми, щоб стовпчасті кристали проростали на всю довжину лопатки. При дотриманні всіх цих умов виростають 5-7 довгих стовпчастих кристалів на кожен квадратний сантиметр перетину лопатки. Ця технологія дозволила створити нове покоління авіаційних двигунів. Але ми пішли ще далі.
Вивчивши рентгенографічними методами вирощені стовпчасті кристали, ми зрозуміли, що всю лопатку цілком можна зробити з одного кристала, який не матиме межзеренное кордонів - найбільш слабких елементів структури, за якими починається руйнування. Для цього зробили приманку, яка дозволяла тільки одному кристалу рости в заданому напрямку (кристалографічна формула такої затравки 0-0-1; це означає, що в напрямку осі Z кристал росте, а в напрямку X - Y - немає). Затравки поставили в нижню частину форми і залили метал, інтенсивно охолоджуючи його знизу. Виростає монокристал набував форму лопатки. До речі, перша публікація про цю технологію з'явилася в журналі "Наука і життя" ще в 1971 році, в № 1.
Американські інженери застосовували для охолодження мідний водоохолоджуваний кристаллизатор. А ми після кількох експериментів замінили його ванній з розплавленим оловом при температурі 600-700 К. Це дозволило точніше підбирати необхідний градієнт температури і отримувати вироби високої якості. У ВІАМ побудували установки з ваннами для вирощування монокрісталлічес ких лопаток - дуже досконалі машини з комп'ютерним управлінням.
У 1990-х роках, коли розпався СРСР, на території Східної Німеччини залишилися радянські літаки, в основному винищувачі МіГ. У них в двигунах стояли лопатки нашого виробництва. Метал лопаток досліджували американці, після чого досить скоро їх фахівці приїхали в ВІАМ і попросили показати, хто і як його створив. Виявилося, що їм була поставлена задача зробити монокристалічні лопатки метрової довжини, яку вони вирішити не могли. Ми ж сконструювали установку для високоградієнтним лиття великогабаритних лопаток для енергетичних турбін і спробували запропонувати свою технологію Газпрому і РАО "ЄЕС Росії", але вони інтересу не проявили. Проте у нас вже практично готова промислова установка для лиття метрових лопаток, і ми постараємося переконати керівництво цих компаній в необхідності її впровадження.
У ВСІ ЛОПАТКИ
Реактивна авіація, яка почала створюватися з 1940-х років, зажадала розробки нового типу двигуна.Ті, хто отримав найбільш широке застосування газотурбінні реактивні двигуни зробили революцію в авіаційній техніці.Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Лопатки газової турбіни реактивного двигуна працюють в дуже важких умовах: їх обтікає потік розпечених газів з камер згоряння.
Охолоджуючий повітря, поданий з боку осі турбіни в канали лопатки, виходить з її торця.
Стрижні-закладки, які поміщають в форму для відливання лопатки газової турбіни. Після охолодження заготовки стрижні розчиняють і в готовій лопатці залишаються канали для пропускання охолоджуючого повітря.
Повітря, що виходить з отворів в бічній частині лопаток, створює тонку повітряну плівку, яка ізолює лопатку від гарячих газів (зліва). Канали, які ведуть до отворів, мають досить складну геометрію (праворуч).
Метал відлитою лопатки застигає у вигляді кристалів різного розміру, зчеплених недостатньо надійно (зліва). Після введення в метал модифікатора кристали стали дрібними і однорідними, міцність виробу підвищилася (праворуч).
Так роблять спрямовану кристалізацію матеріалу лопатки.
Удосконаливши технологію спрямованої кристалізації, вдалося виростити лопатку у вигляді єдиного монокристала.
У монокристалічних лопатках створюється охолоджуюча порожнину складної форми. Новітні розробки її конфігурації дозволили в півтора рази підвищити ефективність охолодження лопаток.
<
>
ДВИГУНИ І МАТЕРІАЛИ
Потужність будь-якого теплового двигуна визначає температура робочого тіла - в разі реактивного двигуна це температура газу, що випливає з камер згоряння. Чим вище температура газу, тим потужніше двигун, тим більше його тяга, тим вище економічність і краще вагові характеристики. У газотурбін ном двигуні є повітряний компресор. Його приводить в обертання газова турбіна, що сидить з ним на одному валу. Компресор стискає атмосферне повітря до 6-7 атмосфер і направляє його в камери згоряння, куди впорскується паливо - гас. Потік випливає з камер розпеченого газу - продуктів згоряння гасу - обертає турбіну і, вилітаючи через сопло, створює реактивну тягу, рухає літак. Високі температури, що виникають в камерах згоряння, зажадали створення нових технологій і застосування нових матеріалів для конструювання одного з найбільш відповідальних елементів двигуна - статорних і роторних лопаток газової турбіни. Вони повинні протягом багатьох годин, не втрачаючи механічної міцності, витримувати величезну температуру, при якій багато хто став і сплави вже плавляться. В першу чергу це відноситься до лопаток турбіни - вони сприймають потік розпечених газів, нагрітих до температур вище 1600 К. Теоретично температура газу перед турбіною може досягати 2200 К (1927оC). У момент зародження реактивної авіації - відразу після війни - матеріалів, з яких можна було виготовити лопатки, здатні довго витримувати високі механічні навантаження, в нашій країні не існувало.
Незабаром після закінчення Великої Вітчизняної війни роботу зі створення сплавів для виготовлен ня турбінних лопаток початку спеціальна лабораторія в ВІАМ. Її очолив Сергій Тимофійович Кишкин.
У АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛОМ
Першу вітчизняну конструкцію турбореактивного двигуна ще до війни створив у Ленінграді конструктор авіаційних двигунів Архип Михайлович Люлька. В кінці 1930-х років він був репресує ван, але, ймовірно, передбачаючи арешт, креслення двигуна встиг закопати у дворі інституту. Під час війни керівництво країни дізналося, що німці вже створили реактивну авіацію (першим літаком з турбореак нормативним двигуном був німецький "хейнкель" He-178, сконструйований в 1939 році в якості літаючої лабораторії; першим серійним бойовим літаком став двомоторний "мессершміт" Me-262 (надійшов на озброєння німецьких військ в 1942 році. - Прим. ред.). Тоді Сталін викликав Л. П. Берія, який курирував нові військові розробки, і зажадав знайти тих, хто у нас в країні займається реактивними двигунами. А. М. люльку швидко звільнили і так Чи йому в Москві на вулиці Галушкина приміщення під перше конструкторське бюро реактивних двигунів. Свої креслення Архип Михайлович знайшов і викопав, але двигун за його проектом відразу не вийшов. Тоді просто взяли куплений у англійців турбореактивний двигун і повторили його один до одного. Але справа вперлося в матеріали, які були відсутні в Радянському Союзі, однак були в Англії, і склад їх, звичайно, був засекречений. і все-таки розшифрувати його вдалося.
Приїхавши до Англії для ознайомлення з виробництвом двигунів, С. Т. Кишкин всюди з'являвся в черевиках на товстій мікропористої підошві. І, відвідавши з екскурсією завод, де обробляли турбінні лопатки, він біля верстата, як би ненароком, настав на стружку, що впала з деталі. Шматочок металу врізався в м'яку гуму, застряг в ній, а потім був вийнятий і вже в Москві підданий ретельному аналізу. Результати аналізу англійського металу і великі власні дослідження, проведені в ВІАМ, дозволили створити перші жароміцні нікелеві сплави для турбінних лопаток і, найголовніше, розробити основи теорії їх будови і отримання.
Було встановлено, що основним носієм жароміцності таких сплавів служать субмікроскопічес кі частки ІНТЕРМЕТАЛІЧНОГО фази на основі сполуки Ni3Al. Лопатки з перших жароміцних нікелевих сплавів могли довго працювати, якщо температура газу перед турбіною не перевищувала 900-1000 К.
ЛИТЬЕ ЗАМІСТЬ ШТАМПОВКИ
Лопатки перших двигунів штампували зі сплаву, відлитого в пруток, до форми, що віддалено нагадує готовий виріб, а потім довго і ретельно обробляли на верстатах. Але тут виникла несподівана складність: щоб підвищити робочу температуру матеріалу, в нього додали легуючі елементи - вольфрам, молібден, ніобій. Але вони зробили сплав настільки твердим, що штампувати його стало неможливо - формуванню методами гарячої деформації він не піддавався.
Тоді Кишкин запропонував лопатки відливати. Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун? Метал штампованих лопаток дуже щільний, міцність його висока, а литий метал залишається більш пухким і свідомо менш міцним, ніж відштампований. Але Кишкин зумів переконати скептиків, і в ВІАМ створили спеціальні ливарні жароміцні сплави і технологію лиття лопаток. Були проведені випробування, після чого практично всі авіаційні турбореактивні двигуни стали випускати з литими турбінними лопатками.
Перші лопатки були суцільними і довго витримувати високу температуру не могли. Потрібно було створити систему їх охолодження. Для цього вирішили робити в лопатках поздовжні канали для подачі охолоджуючого повітря від компресора. Ідея ця була не дуже: чим більше повітря з компресора піде на охолодження, тим менше його піде в камери згоряння. Але діватися було нікуди - ресурс турбіни необхідно збільшити у що б то не стало.
Стали конструювати лопатки з декількома наскрізними охолоджуючими каналами, розташовані ми вздовж осі лопатки. Однак скоро з'ясувалося, що така конструкція є малоефективною: повітря крізь канал протікає дуже швидко, площа охолоджуваної поверхні мала, тепло відводиться недостатньо. Намагалися змінити конфігурацію внутрішньої порожнини лопатки, вставивши туди дефлектор, який відхиляє і затримує потік повітря, або зробити канали більш складної форми. У якийсь момент фахівцями з авіаційним двигунам опанувала приваблива ідея - створити цілком керамічну лопатку: кераміка витримує дуже високу температуру, і охолоджувати її не потрібно. З тих пір пройшло майже п'ятдесят років, але поки ніхто в світі двигуна з керамічними лопатками так і не зробив, хоча спроби тривають.
ЯК РОБЛЯТЬ литу лопатки
Технологія виготовлення турбінних лопаток називається литтям по виплавлюваних моделях. Спочатку роблять воскову модель майбутньої лопатки, переливаючись її в прес-формі, в яку попередньо вкладають кварцові циліндрики на місце майбутніх каналів охолодження (потім стали використовувати інші матеріали). Модель покривають рідкою керамічною масою. Після її висихання віск витоплюють гарячою водою, а керамічну масу обпалюють. Виходить форма, що витримує температуру розплавленого металу від 1450 до 1500оС в залежності від марки сплаву. У форму заливають метал, який застигає у вигляді готової лопатки, але з кварцовими стрижнями замість каналів всередині. Стрижні видаляють, розчиняючи в плавикової кислоті. Цю операцію проводить в герметично закритому приміщенні працівник в скафандрі з шлангом для подачі повітря. Технологія незручна, небезпечна і шкідлива.
Щоб виключити цю операцію, в ВІАМ почали робити стрижні з оксиду алюмінію з добавкою 10-15% оксиду кремнію, який розчиняється в луги. Матеріал лопаток з лугом не реагує, а залишки оксиду алюмінію видаляють сильним струменем води. Наша лабораторія займалася виготовленням стрижнів, а сам я почав вивчати технологію лиття, матеріали для керамічних форм, сплави і захисні покриття готових виробів і тепер очолюю цей напрям досліджень.
У повсякденному житті ми звикли вважати литі вироби дуже грубими і шорсткими. Але нам вдалося підібрати такі керамічні склади, що форма з них виходить абсолютно гладкою і виливок механічної обробки майже не потрібно. Це набагато спрощує роботу: лопатки мають дуже складну форму, і обробляти їх нелегко.
Нові матеріали зажадали нових технологій. Якими б зручними не були добавки оксиду кремнію в матеріал стрижнів, від нього довелося відмовитися. Температура плавлення оксиду алюмінію Al2O3 - 2050 оС, а оксиду кремнію SiO2 - тільки близько 1700 оС, і нові жароміцні сплави руйнували стрижні вже в процесі заливки.
Щоб форма з оксиду алюмінію зберігала міцність, її обпалюють при температурі вищій, ніж температура рідкого металу, який в неї заливають. Крім того, внутрішня геометрія форми при заливці не повинна змінюватися: стінки лопаток дуже тонкі, і розміри повинні точно відповідати розрахунковим. Тому допустима величина усадки форми не повинна перевищувати 1%.
ЧОМУ ВІДМОВИЛИСЯ ВІД штампувати ЛОПАТОК
Як вже говорилося, після штампування лопатку доводилося обробляти на верстатах. При цьому 90% металу йшло в стружку. Було поставлено завдання: створити таку технологію точного лиття, щоб відразу виходив заданий профіль лопатки, а готовий виріб залишалося б тільки відполірувати і нанести на нього теплозащитное покриття. Не менш важлива і конструкція, яка утворюється в тілі лопатки і виконує завдання її охолодження.
Таким чином, досить важливо зробити лопатку, яка ефективно охолоджується, не знижуючи температуру робочого газу, і має високу довготривалу міцність. Це завдання вдалося вирішити, скомпонувавши канали в тілі лопатки і вихідні отвори з неї так, щоб навколо лопатки виникала тонка повітряна плівка. При цьому разом вбивають двох зайців: розпечені гази з матеріалом лопатки не стикаються, а отже, і не нагрівають її і самі не охолоджуються.
Тут виникає деяка аналогія з тепловим захистом космічної ракети. Коли ракета на великій швидкості входить в щільні шари атмосфери, починає випаровуватися і згоряти так зване жертовне покриття, що закриває головну частину. Воно бере на себе основний тепловий потік, а продукти його згоряння утворюють свого роду захисну подушку. У конструкції турбінної лопатки закладений такий же принцип, тільки замість жертовного покриття використовується повітря. Правда, лопатки потрібно захищати ще й від ерозії і від корозії. Але про це докладніше див. Стор. 54.
Порядок виготовлення лопатки такий. Спочатку створюється нікелевий сплав з заданими параметрами по механічної міцності і жароміцності, для чого в нікель вводяться легуючі добавки: 6% алюмінію, 6-10% вольфраму, танталу, ренію і трохи рутенію. Вони дозволяють домогтися максимальних високотемпературних характеристик для литих сплавів на основі нікелю (є спокуса ще підвищити їх, використовуючи більше ренію, але він шалено доріг). Перспективним напрямком вважається використання силіциду ніобію, але це - справа далекого майбутнього.
Але ось сплав залитий в форму при температурі 1450 оС і разом з нею охолоджується. Остигає метал кристалізується, утворюючи окремі рівноосні, тобто приблизно однакового розміру в усіх напрямках, зерна. Самі ж зерна можуть виходити і великими і дрібними. Зчіплюються вони ненадійно, і працюють лопатки руйнувалися по межах зерен і розліталися на друзки. Жодна лопатка не могла опрацювати довше 50 годин. Тоді ми запропонували ввести в матеріал форми для лиття модифікатор - кристалики алюмината кобальту. Вони служать центрами, зародками кристалізації, які прискорюють процес утворення зерен. Зерна виходять однорідними і дрібними. Нові лопатки стали працювати по 500 годин. Ця технологія, яку розробив Е. Н. Каблов, працює до цих пір, і працює добре. А ми в ВІАМ напрацьовуємо алюмінат кобальту тоннами і поставляємо його на заводи.
Потужність реактивних двигунів росла, температура і тиск газового струменя підвищувалися. І стало ясно, що многозеренная структура металу лопатки в нових умовах працювати не зможе. Потрібні були інші ідеї. Вони знайшлися, були доведені до стадії технологічної розробки і стали називатися спрямованою кристалізацією. Це означає, що метал, застигаючи, утворюючи ет НЕ рівноосні зерна, а довгі стовпчасті кристали, витягнуті строго уздовж осі лопатки. Лопатка з такою структурою стане дуже добре чинити опір зламу. Відразу пригадується стара притча про віник, який переламати не вдається, хоча все його прутики окремо ламаються без праці.
ЯК ВИРОБЛЯЮТЬ спрямованої кристалізації
Щоб кристали, що утворюють лопатку, росли належним чином, форму з розплавленим металом повільно виймають із зони нагріву. При цьому форма з рідким металом стоїть на масивному мідному диску, охлаждаемом водою. Зростання кристалів починається знизу і йде вгору зі швидкістю, що практично дорівнює швидкості виходу форми з нагрівача. Створюючи технологію спрямованої кристалізації, довелося виміряти і розрахувати безліч параметрів - швидкість кристалізації, температуру нагрівача, градієнт температури між нагрівачем і холодильником і ін. Було потрібно підібрати таку швидкість руху форми, щоб стовпчасті кристали проростали на всю довжину лопатки. При дотриманні всіх цих умов виростають 5-7 довгих стовпчастих кристалів на кожен квадратний сантиметр перетину лопатки. Ця технологія дозволила створити нове покоління авіаційних двигунів. Але ми пішли ще далі.
Вивчивши рентгенографічними методами вирощені стовпчасті кристали, ми зрозуміли, що всю лопатку цілком можна зробити з одного кристала, який не матиме межзеренное кордонів - найбільш слабких елементів структури, за якими починається руйнування. Для цього зробили приманку, яка дозволяла тільки одному кристалу рости в заданому напрямку (кристалографічна формула такої затравки 0-0-1; це означає, що в напрямку осі Z кристал росте, а в напрямку X - Y - немає). Затравки поставили в нижню частину форми і залили метал, інтенсивно охолоджуючи його знизу. Виростає монокристал набував форму лопатки. До речі, перша публікація про цю технологію з'явилася в журналі "Наука і життя" ще в 1971 році, в № 1.
Американські інженери застосовували для охолодження мідний водоохолоджуваний кристаллизатор. А ми після кількох експериментів замінили його ванній з розплавленим оловом при температурі 600-700 К. Це дозволило точніше підбирати необхідний градієнт температури і отримувати вироби високої якості. У ВІАМ побудували установки з ваннами для вирощування монокрісталлічес ких лопаток - дуже досконалі машини з комп'ютерним управлінням.
У 1990-х роках, коли розпався СРСР, на території Східної Німеччини залишилися радянські літаки, в основному винищувачі МіГ. У них в двигунах стояли лопатки нашого виробництва. Метал лопаток досліджували американці, після чого досить скоро їх фахівці приїхали в ВІАМ і попросили показати, хто і як його створив. Виявилося, що їм була поставлена задача зробити монокристалічні лопатки метрової довжини, яку вони вирішити не могли. Ми ж сконструювали установку для високоградієнтним лиття великогабаритних лопаток для енергетичних турбін і спробували запропонувати свою технологію Газпрому і РАО "ЄЕС Росії", але вони інтересу не проявили. Проте у нас вже практично готова промислова установка для лиття метрових лопаток, і ми постараємося переконати керівництво цих компаній в необхідності її впровадження.
У ВСІ ЛОПАТКИ
Реактивна авіація, яка почала створюватися з 1940-х років, зажадала розробки нового типу двигуна.Ті, хто отримав найбільш широке застосування газотурбінні реактивні двигуни зробили революцію в авіаційній техніці.Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Наука і життя // Ілюстрації
Лопатки газової турбіни реактивного двигуна працюють в дуже важких умовах: їх обтікає потік розпечених газів з камер згоряння.
Охолоджуючий повітря, поданий з боку осі турбіни в канали лопатки, виходить з її торця.
Стрижні-закладки, які поміщають в форму для відливання лопатки газової турбіни. Після охолодження заготовки стрижні розчиняють і в готовій лопатці залишаються канали для пропускання охолоджуючого повітря.
Повітря, що виходить з отворів в бічній частині лопаток, створює тонку повітряну плівку, яка ізолює лопатку від гарячих газів (зліва). Канали, які ведуть до отворів, мають досить складну геометрію (праворуч).
Метал відлитою лопатки застигає у вигляді кристалів різного розміру, зчеплених недостатньо надійно (зліва). Після введення в метал модифікатора кристали стали дрібними і однорідними, міцність виробу підвищилася (праворуч).
Так роблять спрямовану кристалізацію матеріалу лопатки.
Удосконаливши технологію спрямованої кристалізації, вдалося виростити лопатку у вигляді єдиного монокристала.
У монокристалічних лопатках створюється охолоджуюча порожнину складної форми. Новітні розробки її конфігурації дозволили в півтора рази підвищити ефективність охолодження лопаток.
<
>
ДВИГУНИ І МАТЕРІАЛИ
Потужність будь-якого теплового двигуна визначає температура робочого тіла - в разі реактивного двигуна це температура газу, що випливає з камер згоряння. Чим вище температура газу, тим потужніше двигун, тим більше його тяга, тим вище економічність і краще вагові характеристики. У газотурбін ном двигуні є повітряний компресор. Його приводить в обертання газова турбіна, що сидить з ним на одному валу. Компресор стискає атмосферне повітря до 6-7 атмосфер і направляє його в камери згоряння, куди впорскується паливо - гас. Потік випливає з камер розпеченого газу - продуктів згоряння гасу - обертає турбіну і, вилітаючи через сопло, створює реактивну тягу, рухає літак. Високі температури, що виникають в камерах згоряння, зажадали створення нових технологій і застосування нових матеріалів для конструювання одного з найбільш відповідальних елементів двигуна - статорних і роторних лопаток газової турбіни. Вони повинні протягом багатьох годин, не втрачаючи механічної міцності, витримувати величезну температуру, при якій багато хто став і сплави вже плавляться. В першу чергу це відноситься до лопаток турбіни - вони сприймають потік розпечених газів, нагрітих до температур вище 1600 К. Теоретично температура газу перед турбіною може досягати 2200 К (1927оC). У момент зародження реактивної авіації - відразу після війни - матеріалів, з яких можна було виготовити лопатки, здатні довго витримувати високі механічні навантаження, в нашій країні не існувало.
Незабаром після закінчення Великої Вітчизняної війни роботу зі створення сплавів для виготовлен ня турбінних лопаток початку спеціальна лабораторія в ВІАМ. Її очолив Сергій Тимофійович Кишкин.
У АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛОМ
Першу вітчизняну конструкцію турбореактивного двигуна ще до війни створив у Ленінграді конструктор авіаційних двигунів Архип Михайлович Люлька. В кінці 1930-х років він був репресує ван, але, ймовірно, передбачаючи арешт, креслення двигуна встиг закопати у дворі інституту. Під час війни керівництво країни дізналося, що німці вже створили реактивну авіацію (першим літаком з турбореак нормативним двигуном був німецький "хейнкель" He-178, сконструйований в 1939 році в якості літаючої лабораторії; першим серійним бойовим літаком став двомоторний "мессершміт" Me-262 (надійшов на озброєння німецьких військ в 1942 році. - Прим. ред.). Тоді Сталін викликав Л. П. Берія, який курирував нові військові розробки, і зажадав знайти тих, хто у нас в країні займається реактивними двигунами. А. М. люльку швидко звільнили і так Чи йому в Москві на вулиці Галушкина приміщення під перше конструкторське бюро реактивних двигунів. Свої креслення Архип Михайлович знайшов і викопав, але двигун за його проектом відразу не вийшов. Тоді просто взяли куплений у англійців турбореактивний двигун і повторили його один до одного. Але справа вперлося в матеріали, які були відсутні в Радянському Союзі, однак були в Англії, і склад їх, звичайно, був засекречений. і все-таки розшифрувати його вдалося.
Приїхавши до Англії для ознайомлення з виробництвом двигунів, С. Т. Кишкин всюди з'являвся в черевиках на товстій мікропористої підошві. І, відвідавши з екскурсією завод, де обробляли турбінні лопатки, він біля верстата, як би ненароком, настав на стружку, що впала з деталі. Шматочок металу врізався в м'яку гуму, застряг в ній, а потім був вийнятий і вже в Москві підданий ретельному аналізу. Результати аналізу англійського металу і великі власні дослідження, проведені в ВІАМ, дозволили створити перші жароміцні нікелеві сплави для турбінних лопаток і, найголовніше, розробити основи теорії їх будови і отримання.
Було встановлено, що основним носієм жароміцності таких сплавів служать субмікроскопічес кі частки ІНТЕРМЕТАЛІЧНОГО фази на основі сполуки Ni3Al. Лопатки з перших жароміцних нікелевих сплавів могли довго працювати, якщо температура газу перед турбіною не перевищувала 900-1000 К.
ЛИТЬЕ ЗАМІСТЬ ШТАМПОВКИ
Лопатки перших двигунів штампували зі сплаву, відлитого в пруток, до форми, що віддалено нагадує готовий виріб, а потім довго і ретельно обробляли на верстатах. Але тут виникла несподівана складність: щоб підвищити робочу температуру матеріалу, в нього додали легуючі елементи - вольфрам, молібден, ніобій. Але вони зробили сплав настільки твердим, що штампувати його стало неможливо - формуванню методами гарячої деформації він не піддавався.
Тоді Кишкин запропонував лопатки відливати. Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун? Метал штампованих лопаток дуже щільний, міцність його висока, а литий метал залишається більш пухким і свідомо менш міцним, ніж відштампований. Але Кишкин зумів переконати скептиків, і в ВІАМ створили спеціальні ливарні жароміцні сплави і технологію лиття лопаток. Були проведені випробування, після чого практично всі авіаційні турбореактивні двигуни стали випускати з литими турбінними лопатками.
Перші лопатки були суцільними і довго витримувати високу температуру не могли. Потрібно було створити систему їх охолодження. Для цього вирішили робити в лопатках поздовжні канали для подачі охолоджуючого повітря від компресора. Ідея ця була не дуже: чим більше повітря з компресора піде на охолодження, тим менше його піде в камери згоряння. Але діватися було нікуди - ресурс турбіни необхідно збільшити у що б то не стало.
Стали конструювати лопатки з декількома наскрізними охолоджуючими каналами, розташовані ми вздовж осі лопатки. Однак скоро з'ясувалося, що така конструкція є малоефективною: повітря крізь канал протікає дуже швидко, площа охолоджуваної поверхні мала, тепло відводиться недостатньо. Намагалися змінити конфігурацію внутрішньої порожнини лопатки, вставивши туди дефлектор, який відхиляє і затримує потік повітря, або зробити канали більш складної форми. У якийсь момент фахівцями з авіаційним двигунам опанувала приваблива ідея - створити цілком керамічну лопатку: кераміка витримує дуже високу температуру, і охолоджувати її не потрібно. З тих пір пройшло майже п'ятдесят років, але поки ніхто в світі двигуна з керамічними лопатками так і не зробив, хоча спроби тривають.
ЯК РОБЛЯТЬ литу лопатки
Технологія виготовлення турбінних лопаток називається литтям по виплавлюваних моделях. Спочатку роблять воскову модель майбутньої лопатки, переливаючись її в прес-формі, в яку попередньо вкладають кварцові циліндрики на місце майбутніх каналів охолодження (потім стали використовувати інші матеріали). Модель покривають рідкою керамічною масою. Після її висихання віск витоплюють гарячою водою, а керамічну масу обпалюють. Виходить форма, що витримує температуру розплавленого металу від 1450 до 1500оС в залежності від марки сплаву. У форму заливають метал, який застигає у вигляді готової лопатки, але з кварцовими стрижнями замість каналів всередині. Стрижні видаляють, розчиняючи в плавикової кислоті. Цю операцію проводить в герметично закритому приміщенні працівник в скафандрі з шлангом для подачі повітря. Технологія незручна, небезпечна і шкідлива.
Щоб виключити цю операцію, в ВІАМ почали робити стрижні з оксиду алюмінію з добавкою 10-15% оксиду кремнію, який розчиняється в луги. Матеріал лопаток з лугом не реагує, а залишки оксиду алюмінію видаляють сильним струменем води. Наша лабораторія займалася виготовленням стрижнів, а сам я почав вивчати технологію лиття, матеріали для керамічних форм, сплави і захисні покриття готових виробів і тепер очолюю цей напрям досліджень.
У повсякденному житті ми звикли вважати литі вироби дуже грубими і шорсткими. Але нам вдалося підібрати такі керамічні склади, що форма з них виходить абсолютно гладкою і виливок механічної обробки майже не потрібно. Це набагато спрощує роботу: лопатки мають дуже складну форму, і обробляти їх нелегко.
Нові матеріали зажадали нових технологій. Якими б зручними не були добавки оксиду кремнію в матеріал стрижнів, від нього довелося відмовитися. Температура плавлення оксиду алюмінію Al2O3 - 2050 оС, а оксиду кремнію SiO2 - тільки близько 1700 оС, і нові жароміцні сплави руйнували стрижні вже в процесі заливки.
Щоб форма з оксиду алюмінію зберігала міцність, її обпалюють при температурі вищій, ніж температура рідкого металу, який в неї заливають. Крім того, внутрішня геометрія форми при заливці не повинна змінюватися: стінки лопаток дуже тонкі, і розміри повинні точно відповідати розрахунковим. Тому допустима величина усадки форми не повинна перевищувати 1%.
ЧОМУ ВІДМОВИЛИСЯ ВІД штампувати ЛОПАТОК
Як вже говорилося, після штампування лопатку доводилося обробляти на верстатах. При цьому 90% металу йшло в стружку. Було поставлено завдання: створити таку технологію точного лиття, щоб відразу виходив заданий профіль лопатки, а готовий виріб залишалося б тільки відполірувати і нанести на нього теплозащитное покриття. Не менш важлива і конструкція, яка утворюється в тілі лопатки і виконує завдання її охолодження.
Таким чином, досить важливо зробити лопатку, яка ефективно охолоджується, не знижуючи температуру робочого газу, і має високу довготривалу міцність. Це завдання вдалося вирішити, скомпонувавши канали в тілі лопатки і вихідні отвори з неї так, щоб навколо лопатки виникала тонка повітряна плівка. При цьому разом вбивають двох зайців: розпечені гази з матеріалом лопатки не стикаються, а отже, і не нагрівають її і самі не охолоджуються.
Тут виникає деяка аналогія з тепловим захистом космічної ракети. Коли ракета на великій швидкості входить в щільні шари атмосфери, починає випаровуватися і згоряти так зване жертовне покриття, що закриває головну частину. Воно бере на себе основний тепловий потік, а продукти його згоряння утворюють свого роду захисну подушку. У конструкції турбінної лопатки закладений такий же принцип, тільки замість жертовного покриття використовується повітря. Правда, лопатки потрібно захищати ще й від ерозії і від корозії. Але про це докладніше див. Стор. 54.
Порядок виготовлення лопатки такий. Спочатку створюється нікелевий сплав з заданими параметрами по механічної міцності і жароміцності, для чого в нікель вводяться легуючі добавки: 6% алюмінію, 6-10% вольфраму, танталу, ренію і трохи рутенію. Вони дозволяють домогтися максимальних високотемпературних характеристик для литих сплавів на основі нікелю (є спокуса ще підвищити їх, використовуючи більше ренію, але він шалено доріг). Перспективним напрямком вважається використання силіциду ніобію, але це - справа далекого майбутнього.
Але ось сплав залитий в форму при температурі 1450 оС і разом з нею охолоджується. Остигає метал кристалізується, утворюючи окремі рівноосні, тобто приблизно однакового розміру в усіх напрямках, зерна. Самі ж зерна можуть виходити і великими і дрібними. Зчіплюються вони ненадійно, і працюють лопатки руйнувалися по межах зерен і розліталися на друзки. Жодна лопатка не могла опрацювати довше 50 годин. Тоді ми запропонували ввести в матеріал форми для лиття модифікатор - кристалики алюмината кобальту. Вони служать центрами, зародками кристалізації, які прискорюють процес утворення зерен. Зерна виходять однорідними і дрібними. Нові лопатки стали працювати по 500 годин. Ця технологія, яку розробив Е. Н. Каблов, працює до цих пір, і працює добре. А ми в ВІАМ напрацьовуємо алюмінат кобальту тоннами і поставляємо його на заводи.
Потужність реактивних двигунів росла, температура і тиск газового струменя підвищувалися. І стало ясно, що многозеренная структура металу лопатки в нових умовах працювати не зможе. Потрібні були інші ідеї. Вони знайшлися, були доведені до стадії технологічної розробки і стали називатися спрямованою кристалізацією. Це означає, що метал, застигаючи, утворюючи ет НЕ рівноосні зерна, а довгі стовпчасті кристали, витягнуті строго уздовж осі лопатки. Лопатка з такою структурою стане дуже добре чинити опір зламу. Відразу пригадується стара притча про віник, який переламати не вдається, хоча все його прутики окремо ламаються без праці.
ЯК ВИРОБЛЯЮТЬ спрямованої кристалізації
Щоб кристали, що утворюють лопатку, росли належним чином, форму з розплавленим металом повільно виймають із зони нагріву. При цьому форма з рідким металом стоїть на масивному мідному диску, охлаждаемом водою. Зростання кристалів починається знизу і йде вгору зі швидкістю, що практично дорівнює швидкості виходу форми з нагрівача. Створюючи технологію спрямованої кристалізації, довелося виміряти і розрахувати безліч параметрів - швидкість кристалізації, температуру нагрівача, градієнт температури між нагрівачем і холодильником і ін. Було потрібно підібрати таку швидкість руху форми, щоб стовпчасті кристали проростали на всю довжину лопатки. При дотриманні всіх цих умов виростають 5-7 довгих стовпчастих кристалів на кожен квадратний сантиметр перетину лопатки. Ця технологія дозволила створити нове покоління авіаційних двигунів. Але ми пішли ще далі.
Вивчивши рентгенографічними методами вирощені стовпчасті кристали, ми зрозуміли, що всю лопатку цілком можна зробити з одного кристала, який не матиме межзеренное кордонів - найбільш слабких елементів структури, за якими починається руйнування. Для цього зробили приманку, яка дозволяла тільки одному кристалу рости в заданому напрямку (кристалографічна формула такої затравки 0-0-1; це означає, що в напрямку осі Z кристал росте, а в напрямку X - Y - немає). Затравки поставили в нижню частину форми і залили метал, інтенсивно охолоджуючи його знизу. Виростає монокристал набував форму лопатки. До речі, перша публікація про цю технологію з'явилася в журналі "Наука і життя" ще в 1971 році, в № 1.
Американські інженери застосовували для охолодження мідний водоохолоджуваний кристаллизатор. А ми після кількох експериментів замінили його ванній з розплавленим оловом при температурі 600-700 К. Це дозволило точніше підбирати необхідний градієнт температури і отримувати вироби високої якості. У ВІАМ побудували установки з ваннами для вирощування монокрісталлічес ких лопаток - дуже досконалі машини з комп'ютерним управлінням.
У 1990-х роках, коли розпався СРСР, на території Східної Німеччини залишилися радянські літаки, в основному винищувачі МіГ. У них в двигунах стояли лопатки нашого виробництва. Метал лопаток досліджували американці, після чого досить скоро їх фахівці приїхали в ВІАМ і попросили показати, хто і як його створив. Виявилося, що їм була поставлена задача зробити монокристалічні лопатки метрової довжини, яку вони вирішити не могли. Ми ж сконструювали установку для високоградієнтним лиття великогабаритних лопаток для енергетичних турбін і спробували запропонувати свою технологію Газпрому і РАО "ЄЕС Росії", але вони інтересу не проявили. Проте у нас вже практично готова промислова установка для лиття метрових лопаток, і ми постараємося переконати керівництво цих компаній в необхідності її впровадження.
До речі, турбіни для енергетики - це ще одна цікава задача, якові вірішував ВІАМ. Літакові двигуни, що виробили ресурс, стали використовувати на компресорних станціях газопроводів і в електростанціях, що живлять насоси нафтопроводів (див. "Наука і життя" № 2, 1999 г. ). Зараз стала актуальною задача створити для цих потреб спеціальні двигуни, які працювали б при набагато менших температурах і тиску робочого газу, але набагато довше. Якщо ресурс авіаційного двигуна близько 500 годин, то турбіни на об'єктах нафтової повинні працювати 20-50 тис. Годин. Одним з перших ними почало займатися Самари конструкторське бюро під керівництвом Миколи Дмитровича Казнецова.
жароміцних сплавів
Монокристалічна лопатка виростає не суцільний - всередині у неї є порожнина складної форми для охолодження. Спільно з ЦИАМ ми розробили конфігурацію порожнини, яка забезпечує коефіцієнт ефективності охолодження (відношення температур металу лопатки і робочого газу), що дорівнює 0,8, майже в півтора рази вище, ніж у серійних виробів.
Ось ці лопатки ми і пропонуємо для двигунів нового покоління. Зараз температура газу перед турбіною ледь дотягує до 1950 К, а в нових двигунах вона дійде до 2000-2200 К. Для них ми вже розробили високожаропрочние сплави, що містять до п'ятнадцяти елементів таблиці Менделєєва, в тому числі реній і рутеній, і теплозахисні покриття, в які входять нікель, хром, алюміній і ітрій, а в перспективі - керамічні з оксиду цирконію, стабілізованого оксидом ітрію.
У сплавах першого покоління було присутнє невелике кількість вуглецю у вигляді карбідів титану або танталу. Карбіди розташовуються по межах кристалів і знижують міцність сплаву. Від карбіду ми позбулися і замінили ренієм, підвищивши його концентрацію від 3% в перших зразках до 12% в останніх. Запасів ренію у нас в країні мало; є родовища в Казахстані, але після розвалу Радянського Союзу його повністю скупили американці; залишається острів Ітуруп, на який претендують японці. Зате рутенію у нас багато, і в нових сплавах ми успішно замінили їм реній.
Унікальність ВІАМ полягає в тому, що ми вміємо розробляти і сплави, і технологію їх отримання, і методику виливки готового виробу. У всі лопатки вкладений величезна праця і знання всіх працівників ВІАМ.
Див. У номері на ту ж тему
Е. Кабл - ВІАМ - національне надбання.
А. ЖИРНОВ - Крилаті метали и сплави.
М. Бронфін - Віпробувачі - досліднікі и контролери.
Академікі дають Дозвіл на безпосадочні переліт Н. С. Хрущова в Нью-Йорк на наддалекі літаку ТУ-114.
І. ФРІДЛЯНДЕР - Старіння - НЕ всегда погано.
Б. ЩЕТАНОВ - Тепловий захист "Бурана" Почаїв з листа кальки.
С. МУБОЯДЖЯН - Плазма проти пара: перемога за явною перевага.
БЮРО НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ.
Е. КОНДРАШОВ - Без неметалевих деталей літаки не літають.
І. КОВАЛЬОВ - В науку - зі шкільної лави.
С. КАРІМОВА - Корозія - головний ворог авіацііc.
А. ПЕТРОВА - посадити на клей.
Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун?Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун?
Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун?
Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун?
Конструктори-мотористи обурилися: по-перше, після лиття лопатку все одно доведеться обробляти на верстатах, а головне - як можна литу лопатку ставити в двигун?
