Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследования и разработка экспериментальных аддитивных технологий для изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей газотурбинных двигателей с использованием металлических порошков жаропрочных сплавов на основе никеля

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
аддитивные технологии, послойное лазерное сплавление, лазерная газопорошковая наплавка, атомизация, дефектные гранулы, горячее изостатическое прессование, моделирование cad-моделей, бионический дизайн, порошок жаропрочного сплава, гранулометрический состав, мощность лазерного излучения, толщина порошкового слоя, тип стратегии штриховки, скорость лазерного сплавления, кинетика формирования структуры

Цель проекта:
1. Реализация проекта направлена на решение проблемы внедрения в современном двигателестроении аддитивного производства - современных технологий изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей ГТД из металлических порошков жаропрочных сплавов на никелевой основе. 2. Целями реализуемого проекта являются: - Разработка комплекса высокоэффективных экспериментальных аддитивных технологий синтеза высококачественных металлических порошков жаропрочных сплавов нового поколения, изготовления и ремонта из них сложнопрофильных деталей ГТД для транспортных и космических систем. - Формирование научно-технического задела для промышленного освоения Индустриальным партнером разработанных экспериментальных технологий с целью создания современного импортозамещающего аддитивного производства и ремонта деталей авиационных ГТД.

Основные планируемые результаты проекта:
Разрабатываемая технология изготовления сложнопрофильных деталей ГТД методом послойного лазерного сплавления и технология горячего изостатического прессования обеспечит получение деталей ГТД с максимальной плотностью – не более 1 % пористости, с максимальной точностью – не менее 100 мкм.
Разрабатываемая технология ремонта сложнопрофильных деталей ГТД методом лазерной газопорошковой наплавки металличесикх порошков обеспечит наплавку без образования трещин и других дефектов наплавленного материала, получение наплавленного материала с пористостью не более 2 %, а также точность наплавления материала не менее 5%.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. По разрабатываемой технологии послойного лазерного сплавления порошков собственного производства отечественных сплавов будут изготовлены прототипы сложнопрофильных деталей горячего тракта газотурбинного двигателя: деталей камеры сгорания, сопловых и рабочих лопаток турбин высокого и низкого давления и теплозащитной панели.
2. Впервые в отечественной практике осуществляется разработка инженерного и материаловедческого решения полного цикла, направленного на обеспечение имеющегося оборудования для металлической 3D-печати отечественными материалами. Разработка охватывает все стадии, включая выплавку шихтовой расходуемой заготовки, получение порошков, разработку параметров селективного лазерного синтеза и последующей термической и газостатической обработки. В работе впервые отрабатываются режимы синтеза для несвариваемых, склонных к образованию трещин, сплавов без применения внешних дополнительных нагревов, только за счет тонкой оптимизации параметров послойного лазерного сплавления.
3. Полученные по окончании работы результаты будут соответствовать самым последним разработкам таких ведущих компаний в области 3D-синтеза, как EOS, SLM Solutions, которые только в последние 1,5-2 года начали включать в линейку материалов для лазерного синтеза ограниченно свариваемые сплавы (Hastalloy X и др.). Три из четырех материалов, разрабатываемых в настоящей работе материалов являются несвариваемыми литейными сплавами. В особенности, интерес представляет литейный сплав на основе интерметаллида Ni3Al, имеющий наиболее высокую из всех сплавов на никелевой основе (1200оС с кратковременными забросами до 1250оС) рабочую температуру и не имеющий аналогов ни у одного зарубежного производителя.
4. При разработке технологии послойного лазерного сплавления будут проведены комплексные исследования влияния основных технологических параметров синтеза на структуру, пористость, механические свойства синтезированных материалов; будут проведены исследования влияния горячего изостатического прессования деталей, полученных методом ПЛС, исследованы физико-механические свойства.
При разработке технологии ремонта сложнопрофильных деталей ГТД будут проведены комплексные исследования по установлению влияния частотно-энергетических параметров лазерной газопорошковой наплавки и массового расхода металлических порошков на кинетику формирования структуры, состава и свойств наплавленного материала.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Внедренные в производство аддитивные технологии позволят занять новые рыночные ниши на рынке авиационного двигателестроения, а также окажут влияние на развитие отечественного машиностроения в целом, в частности, разрабатываемые аддитивные технологии изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей ГТД с использованием металлических порошков жаропрочных сплавов на основе никеля найдут применение при изготовлении перспективного газотурбинного двигателя ПД-14 для магистрального самолета МС-21 на ОАО «Авиадвигатель».
2. Внедрение разрабатываемых аддитивных технологий в авиационную промышленность позволит осуществить трансформацию традиционных технологий изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей ГТД в технологии нового поколения – изготовление и ремонт сложнопрофильных деталей ГТД за один технологический процесс.
3. Внедрение разработанных аддитивных технологий в авиационную промышленность позволит:
- снизить вес конструкций ГТД на 20-30% за счет изготовления деталей с применением бионического дизайна (уменьшение толщины стенок, элементов, создания сотовых и иных структур) методом послойного лазерного сплавления металлических порошков;
- увеличить коэффициент использования материала при изготовлении и ремонте сложнопрофильных деталей ГТД до уровня 0,8 за счет использования аддитивных технологий, не требующих использования литейного оборудования, проектирования и изготовления дорогостоящей литейной оснастки;
- снизить время проектирования и отработки технологий изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей ГТД в 5-10 раз;
- снизить в 3 раза время изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей ГТД за счет уменьшения сборочных единиц, а также исключить из технологического процесса изготовления и ремонта трудоемкие операции сварки и термической обработки;
- снизить до минимального значения количество брака изготавливаемых сложнопрофильных деталей ГТД за счет снижения влияния «человеческого фактора» при изготовлении и ремонте деталей (построение деталей методом послойного лазерного сплавления и ремонт методом лазерной газопорошковой наплавки проводятся в автоматическом режиме);
- осуществить трансформацию традиционных технологий изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей ГТД в технологии нового поколения (шестого уклада) - изготовление и ремонт сложнопрофильных деталей ГТД за один технологический процесс (снижение трудоемкости изготовления в 10-30 раз).
4. Внедрение планируемых результатов проекта позволит расширить номенклатуру применяемых материалов для технологии лазерного 3D-синтеза, возможности технологии за счет применения принципиально новых, несвариваемых материалов, ускорить освоение технологий за счет вывода на рынок отечественных металлопорошковых композиций сплавов, по своим характеристикам не имеющих прямых зарубежных аналогов.

Текущие результаты проекта:
Проведены экспериментальные исследования влияния технологических параметров процесса атомизации на свойства металлических порошков. Разработана технология изготовления высококачественных металлических порошков жаропрочных сплавов на основе никеля методом атомизации, обеспечивающая изготовление порошков с высокой химической однородностью, пониженным содержанием вредных газовых примесей и увеличенным выходом годного порошков заданного гранулометрического состава. Выпущена технологическая инструкция, содержащая секрет производства (ноу-хау) «Технологический процесс получения порошков сплавов ВКНА-1ВР-ВИ, ВЖЛ12У-ВИ, ЖС6К-ВИ, ВЖ159 методом атомизации».
На основании проведенных исследований состава и технологических свойств лабораторных партий металлических порошков выпущены технические условия на металлические порошки жаропрочных сплавов на никелевой основе, содержащие все необходимые требования к порошкам, применяемым для аддитивных технологий.
На основании проведенных сравнительных исследований состава и технологических свойств экспериментальных партий порошков и импортного порошка промышленной серии сделан вывод, что разработанная технология получения металлических порошков жаропрочных сплавов на основе никеля имеет преимущества по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами.
Проведены исследования влияния основных технологических параметров процесса послойного лазерного сплавления (ПЛС) на качество синтезированных образцов. На лабораторных образцах, изготовленных по выбранным значениям параметров процесса ПЛС, исследованы механические свойства синтезированных материалов. Для свариваемого жаропрочного сплава ВЖ159 результаты кратковременной прочности в синтезированном состоянии после проведения газостатической и термической обработок превышают паспортные данные на сплав на 30 %.
По отработанным режимам процесса послойного лазерного сплавления из металлического порошка свариваемого жаропрочного сплава марки ВЖ159 изготовлен завихритель камеры сгорания, из порошка сплава ВЖЛ12У изготовлена рабочая лопатка 6 ступени турбины низкого давления, из порошков интерметаллидного сплава ВКНА-1ВР изготовлена теплозащитная панель.