Создание технологии высокоскоростного изготовления деталей и компонентов авиационных двигателей методами гетерофазной порошковой металлургии

Проект выполняется в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы».

Уникальный идентификатор ПНИЭР - RFMEFI58114X0010

Руководитель проекта: Туричин Глеб Андреевич

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.

К выполнению работ привлекаются организации-соисполнители (участники консорциума):

• Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»).
• Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ).
• Индустриальный партнер: ОАО «КУЗНЕЦОВ»

Основные планируемые результаты проекта

Основными запланированными результатами проекта являются:

• Технология прямого лазерного выращивания, в ходе которой изделие формируется из металлического порошка, подаваемого сжатой газопорошковой струей непосредственно в зону лазерного воздействия;
• Лабораторная технологическая установка лазерного выращивания.

Возможность подачи смеси порошков и контролируемого изменения состава подаваемых порошков в ходе процесса выращивания, обеспечит высокоскоростное формирование изделий с градиентными свойствами за счет процессов гетерофазной порошковой металлургии.

Основные характеристики технологии:

• Производительность процесса прямого лазерного выращивания не менее 45куб. мм/с;
• Максимальная температура эксплуатации выращенных изделий не менее 500 С.

Основные характеристики установки:

• Размер рабочей зоны технологической установки не менее (мм) – 2000х2000х800;
• Количество координат не менее – 5;
• Контролируемая рабочая атмосфера.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции

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.

Конкурентными преимуществами разработки являются:

• Высокая производительность процесса прямого лазерного выращивания (не менее 45 мм3/с).
• Возможность получения изделий с градиентным составом, структурой и свойствами;
• Возможность выращивания крупногабаритных изделий из жаропрочных и труднообрабатываемых сплавов;
• Возможность получения мелкодисперсной структуры и управления формированием микроструктуры;
• Минимальная пористость;
• Механические свойства на уровне деформируемых и термообработанных сплавов

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.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта

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.

Промышленное освоение результатов проекта запланировано на 2019 г. путем создания на ОАО «КУЗНЕЦОВ» участка прямого лазерного выращивания компонентов двигателей.

Текущие результаты проекта

Разработана и изготовлена лабораторная технологическая установка лазерного выращивания. Проведены технологические исследования процесса лазерного выращивания образцов из порошковых сплавов на основе железа, кобальта и никеля. Результаты металлографических исследований и механических испытаний выращенных экспериментальных образцов подтвердили их бездефектность и высокие эксплуатационные характеристики.

Разработаны базовые технологии лазерного выращивания компонентов газотурбинных двигателей и генераторов.

Изготовлены полноразмерные образцы-демонстраторы компонентов газотурбинных двигателей и генераторов (жаровые трубы, корпуса камер сгорания).

Публикации по проекту:

Технологические основы высокоскоростного прямого лазерного выращивания изделий методом гетерофазной порошковой металлургии. Г.Туричин, О.Климова, Е.Земляков, К.Бабкин, В.Сомонов, Ф.Шамрай, А.Травянов, П.Петровский

Quality Management of Metal Products Prepared by HigTh-Speed Direct Laser Deposition echnology. Vladimir Glukhov, Gleb Turichin, Olga Klimova-Korsmik, Evgeniy Zemlyakov, Konstantin Babkin