Розчин азоту в титані
Саме таким способом удалося підвищити надійність моторів літальних апаратів.
Вертолітні двигуни ТВ3-117, які випускаються в запорізькому ТОВ «Мотор Січ», справедливо вважаються гордістю вітчизняної промисловості. Однак їхня експлуатація показала, що в турбін є слабке місце — лопаті компресора. Вони швидко стають крихкими, на них з’являються ознаки ерозії та тріщини. Часом через поломки лопатей доводилося знімати двигуни з вертольотів. Проблему зміцнення цих важливих деталей фахівці заводу вирішили самотужки.
Свої дослідження інженер Володимир Бень, який наразі працює в Національному космічному агентстві України, виконав безпосередньо на базі виробництва та лабораторій заводу «Мотор Січ». Розробки були впроваджені у виробництво й виправдали себе під час експлуатації в різних умовах, дозволивши збільшити термін служби двигунів і одержати річну економію в розмірі 230 тис. грн. Про свою роботу лауреат Премії Президента для молодих учених докладно розповів кореспондентові «УТГ».
— Після закінчення Київського інституту військово-повітряних сил за розподілом я потрапив у Запоріжжя, на «Мотор Січ», де обійняв посаду помічника провідного інженера військового представництва, — говорить Володимир Бень. — Ми контролювали якість продукції, яка виготовлялася на заводі. Проводячи обстеження нових виробів і тих, що вже експлуатувалися, помітили, що лопаті роторів газотурбінних вертолітних двигунів ТВ3-117 піддані сильному ерозійному зношуванню. Почали аналізувати причини цього явища, і ось що з’ясувалося. Ринок збуту продукції заводу — переважно Північна Африка, Азія, де повітря насичене піском, іншими абразивними частинками. Та й сам вертоліт піднімає в повітря пісок. Тверді частинки буквально стирають, з’їдають титанові лопаті турбін усередині двигуна, що призводить до їхніх поломок. Я почав шукати спосіб протидії цій ерозії. Зі своїми пропозиціями звернувся до генерального директора ТОВ «Мотор Січ» В’ячеслава Олександровича Богуслаєва. Він у мене повірив і надав можливість для експериментів.
Роторні лопаті — вироби тонкі, зі складною геометрією, що працюють зі швидкістю 10 тисяч обертів на хвилину. Ми провели аналіз умов, за яких виникають їхні поломки, склали математичну модель, опрацювали варіанти. Як надати лопатям двигуна, зробленим із титанових сплавів ВТ8М и ВТ8, додаткової стійкості до постійної піщаної «атаки»? Насамперед звернули увагу на покриття, які могли б зробити виріб міцнішим. Виявилося, що нанесення на поверхню лопатей таких відомих зміцнювальних покриттів, як нітриди титану, бориди, у принципі можливе. Однак цей метод нас не зовсім улаштовував, бо за такого твердого покриття меншала пластичність самих виробів, збільшувалася їхня крихкість. Нам же, навпаки, треба було домогтися зміцнення поверхневого шару лопатей, але без зміни пластичності матеріалу.
Ми досліджували різні способи обробки деталей і оптимальною визнали двоступінчасту технологію. Спочатку лопаті піддавали іонно-плазмовому азотуванню, потім (другий етап) механічному зміцненню. Іонно-плазмове азотування — процес, що відбувається за високої температури, за якого поверхня титану, його кристалічна гексагональна структура насичуються іонами азоту. Ми поміщали лопать у аргон і в плазмі тліючого розряду насичували іонами азоту поверхневий шар. Відбувалося проникнення іонів азоту в кристалічні ґрати титану. Виходив твердий «розчин» азоту в титані. Така технологічна операція збільшує твердість титану, робить лопаті менш сприйнятливими до зовнішніх упливів.
Але при цьому виникають і негативні чинники — розтягувальні напруги у зовнішньому шарі, які можуть призвести до поломок. Тому необхідно забезпечити створення стискальних напруг. Це робиться за допомогою дрібних ударів — наклепки. Є декілька методів такої операції. Ми дослідним шляхом дійшли висновку, що оптимальна технологія тут — пневмо-дробоструминне зміцнення. За такої процедури спеціальні мікрокульки за допомогою повітряної гармати спрямовуються на лопаті під певним кутом і з великою швидкістю. Відбувається процес клепання, що надає поверхневому шару більшої міцності. При цьому серцевина деталі залишається м’якою, її пластичні характеристики не порушуються.
Усі наші випробування проводилися на реальних лопатях, тих, які ставляться в турбіни. Ми розрахували, а потім експериментально підтвердили найкращі параметри й режими зміцнення, їхню послідовність. У результаті одержали зносостійкі лопаті для роторів усіх модифікацій авіаційних двигунів ТВ3-117. Їх можна використовувати на вертольотах Мі-24, Мі-26, Ка-50, Ка-52, а також на літаках Ан-140. Цей метод може бути також використаний скрізь, де треба підвищити міцність титанових сплавів.
