Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0010

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0010
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Создание технологии высокоскоростного изготовления деталей и компонентов авиационных двигателей методами гетерофазной порошковой металлургии
Докладчик
Туричин Глеб Андреевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной задачей проекта является создание научно-технических основ для промышленного освоения технологии прямого лазерного выращивания рабочих узлов и элементов современных и перспективных авиационных двигателей с повышенными эксплуатационными характеристиками и рабочим ресурсом. Разрабатываемые технические и технологические решения должны обеспечить эффективность процесса изготовления деталей и компонентов авиационных двигателей, в том числе за счет снижения материалоёмкости и значительного увеличения производительности технологического процесса.

Целью реализуемого проекта является исследование гетерофазных металлургических процессов, протекающих при прямом лазерном выращивании изделий из порошковых металлических материалов, и разработка на основе результатов исследований технологии прямого лазерного выращивания изделий из порошковых металлических материалов и оборудования для её реализации, позволяющих многократно повысить скорость изготовления изделий из жаропрочных сплавов.
Актуальность и новизна исследования
Возможности разрабатываемых технологий и оборудования позволят применять новые подходы к конструированию компонентов авиационных двигателей.
Развитие и активное внедрение технологий выращивания обеспечит ускорение темпов перехода производства на качественно новый уровень технического оснащения, соответствующий шестому технологическому укладу и позволяющий значительно снизить энергоёмкость и материалоёмкость производства, а также получать изделия с заранее заданными эксплуатационными характеристиками.
Практическое использование запланированных результатов проекта будет способствовать повышению уровня импортозамещения при технологическом перевооружении промышленных предприятий.
Внедрение разрабатываемых технологий и оборудования лазерного выращивания позволит снизить длительность производственного цикла и себестоимость изделий за счет снижения трудоемкости и значительного увеличения коэффициента использования материала. Технологии прямого лазерного выращивания обеспечат возможность создания принципиально новых деталей с градиентными эксплуатационными характеристиками, совмещающих в себе свойства двух и более сплавов. Например, деталей с внутренними силовыми элементами и внешними износо- или жаростойкими
покрытиями, которые могут быть получены за один технологический цикл производства.
Описание исследования

В рамках проекта совместно решаются задачи, направленные на разработку технологий и на создание технологического оборудования. Исследования и разработки технологий выращивания проводятся комплексно, экспериментальным исследованиям предшествовали теоретические исследования и математическое моделирование, а их результаты проверялись экспериментально. При выполнении ПНИЭР используются современные теоретические и экспериментальные методы и оборудование, позволяющие получать результаты, соответствующие мировому уровню исследований и разработок в области лазерных технологий выращивания. Выбор направлений теоретических и экспериментальных исследований, а также перспективных подходов к конструированию технологического оборудования осуществлялся на основе результатов патентного поиска и анализа научных и информационных источников. На основе результатов математического моделирования разрабатывалась программа экспериментальных исследований процесса прямого лазерного выращивания разработке, а также основные принципы контроля технологического процесса. На основе анализа номенклатуры, геометрических особенностей и требований к эксплуатационным характеристикам предложенных Индустриальным партнером компонентов авиационных двигателей были сформулированы исходные технические требования к порошковым материалам, а также к составным частям технологического оборудования. Особое внимание было уделено исследованиям формирования газопорошковых струй в соплах различной конфигурации и проработке конструктивных решений при создании технологической головки. На основе результатов исследований были определены необходимые рабочие характеристики технологического оборудования и разработана лабораторная технологическая установка лазерного выращивания изделий из порошковых материалов. Для повышения производительности процесса выращивания используются более мощные источники лазерного излучения (до 5 кВт) по сравнению с существующими аналогами. Также рассмотрена возможность получения деталей комбинированным методом, при котором основа, выполняющая роль несущей конструкции, будет изготавливаться методом литья, а сложные конструктивные элементы, обеспечивающие требуемые гидро- и газодинамические характеристики, изготавливаются методом прямого лазерного выращивания. Для обеспечения качества поверхности изделия планируется отработаны алгоритмы выращивания, основанные на управлении уровнем мощности лазерного излучения и расходом порошка при наплавке различных зон детали. При разработке систем подач порошка предусмотрено использование разных порошков в одном технологическом процессе, что позволяет получать изделия с градиентными характеристиками. Также отработаны технологии выращивания заданных Индустриальным партнером компонентов авиационных двигателей. Система автоматического управления разрабатывается совместно с Индустриальным партнёром с учетом используемых на предприятии подходов к информационной поддержке процессов жизненного цикла изделий, CAD/CAM систем и систем ЧПУ. Заложенные в основу проекта технические и технологические решения позволят добиться повышения производительности процесса лазерного выращивания крупногабаритных изделий более чем 3 раза по сравнению с существующими технологиями. Внедрение разрабатываемых технологий и оборудования в производственный цикл изготовления компонентов авиационных двигателей также позволит повысить конкурентоспособность российской авиационной техники за счёт снижения себестоимости и повышения эксплуатационных характеристик. 

Результаты исследования

Проведены теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, протекающих при прямом лазерном
выращивании. Разработана и изготовлена лабораторная технологическая установка лазерного выращивания (УТЛВ).
Разработан лабораторный технологический регламент лазерного выращивания экспериментальных образцов деталей
газотурбинных двигателей. Разработаны методы контроля технологического процесса прямого лазерного выращивания.
Разработано программное обеспечение для управления УТЛВ и создания управляющих программ. Методом прямого лазерного
выращивания изготовлен экспериментальный образец кольца наружного 4-й ступени газотурбинного двигателя НК-36СТ.

Разработанная технология предназначена для изготовления крупногабаритных высокоточных заготовок деталей авиационных
двигателей из металлических порошков сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Максимальная производительность
технологии составляет более 50 куб. мм/с. Технология позволяет менять подаваемый в зону лазерного воздействия порошок в
процессе роста изделия, обеспечивая формирование градиентных структур. Механические характеристики выращенного
материала превосходят показатели литья и находятся на уровне металлопроката.
Технологическая установка лазерного выращивания имеет рабочую зону размером 2000х2000х800 (мм). Процесс лазерного
выращивания протекает в контролируемой атмосфере аргона. В качестве манипулятора технологической головки и изделия
используется высокоточный 6-ти-осевой промышленный робот с 2-х-координатным позиционером.
Полученные результаты определяют мировой уровень исследований и разработок в области высокоскоростного изготовления крупногабаритных деталей с помощью аддитивных технологий.

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые технология и оборудование предназначены для применения в производстве изделий, эксплуатируемых при температурах до 650 С, на предприятиях двигателестроительной отрасли. Запланированные результаты характеризуются межотраслевой направленностью и обладают потенциалом мультипликативного технологического влияния на развитие нескольких отраслей экономики. Кроме предприятий двигателестроения потребителями разрабатываемой продукции могут быть предприятия ракетно-космической отрасли, транспортного, судового и энергетического машиностроения, а также медицина. Результаты проекта также могут быть использованы при разработке и модернизации родственных технологий инженерии поверхности, в частности, технологий лазерной порошковой наплавки функциональных поверхностных слоёв, актуальных для атомной, нефтегазовой, нефтехимической, химической отраслей промышленности.
Использование результатов данного проекта позволит получить следующие социально-экономические эффекты:
- улучшение потребительских свойств выпускаемой продукции;
- совершенствование технологических процессов с точки зрения снижения издержек производства, повышения производственной безопасности (включая экологическую);
- повышение уровня автоматизации производства;
- обеспечение гибкости производств, сокращение производственного цикла.