Раствор азота в титане
Именно таким способом удалось повысить надежность моторов летательных аппаратов.
Вертолетные двигатели ТВ3-117, выпускаемые запорожским ООО «Мотор Сич», по праву являются гордостью отечественной промышленности. Однако их эксплуатация показала, что у турбин есть слабое место – лопатки компрессора. Они быстро становятся хрупкими, на них появляются признаки эрозии и трещины. Порой из-за поломок лопаток приходилось снимать двигатели с вертолетов. Проблему упрочнения этих важных деталей специалисты завода решили самостоятельно.
Свои исследования инженер Владимир Бень, который в настоящее время работает в Национальном космическом агентстве Украины, выполнил непосредственно на базе производства и лабораторий завода «Мотор Сич». Разработки были внедрены в производство и оправдали себя при эксплуатации в самых разных условиях, позволив увеличить срок службы двигателей и получить годовую экономию в размере 230 тыс. грн. О своей работе лауреат Премии Президента для молодых ученых подробно рассказал корреспонденту «УТГ».
— После окончания Киевского института военно-воздушных сил по распределению я попал в Запорожье, на «Мотор Сич», где занял должность помощника ведущего инженера военного представительства, — говорит Владимир Бень. — Мы контролировали качество продукции, изготавливаемой на заводе. Проводя обследования новых изделий и побывавших в эксплуатации, заметили, что лопатки роторов газотурбинных вертолетных двигателей ТВ3-117 подвержены сильному эрозионному износу. Стали анализировать причины этого явления, и вот что выяснилось. Рынок сбыта продукции завода – в основном Северная Африка, Азия, где воздух насыщен песком, другими абразивными частицами. Да и сам вертолет поднимает в воздух песок. Твердые частицы буквально стирают, съедают титановые лопатки турбин внутри двигателя, что приводит к их поломкам. Я начал искать путь противодействия этой эрозии. Со своими предложениями обратился к генеральному директору ООО «Мотор Сич» Вячеславу Александровичу Богуслаеву. Он в меня поверил и предоставил возможность для экспериментов.
Роторные лопатки – изделия тонкие, со сложной геометрией, вращающиеся со скоростью 10 тысяч оборотов в минуту. Мы провели анализ условий, при которых возникают их поломки, составили математическую модель, просчитали варианты. Как придать лопаткам двигателя, сделанным из титановых сплавов ВТ8М и ВТ8, дополнительную устойчивость к постоянной песчаной «атаке»? В первую очередь обратили внимание на покрытия, которые могли бы сделать изделие более прочным. Оказалось, что нанесение на поверхность лопаток таких известных упрочняющих покрытий, как нитриды титана, бориды, в принципе возможно. Однако этот метод нас не совсем устраивал, потому что при таком жестком покрытии снижалась пластичность самих изделий, повышалась их хрупкость. Нам же, наоборот, надо было добиться упрочнения поверхностного слоя лопаток, но без снижения пластичности материала.
Мы исследовали разные способы обработки деталей и оптимальной признали двухступенчатую технологию. Вначале лопатки подвергали ионно-плазменному азотированию, затем (второй этап) механическому упрочнению. Ионно-плазменное азотирование – процесс, проходящий при высокой температуре, при котором поверхность титана, его кристаллическая гексагональная структура насыщаются ионами азота. Мы помещали лопатку в аргон и в плазме тлеющего разряда насыщали ионами азота поверхностный слой. Происходило проникновение ионов азота в кристаллическую решетку титана. Получался твердый «раствор» азота в титане. Такая технологическая операция увеличивает твердость титана, делает лопатки менее восприимчивыми к внешним воздействиям.
Но при этом возникают и негативные факторы — растягивающие напряжения во внешнем слое, которые могут привести к поломкам. Поэтому необходимо обеспечить создание сжимающих напряжений. Это делается при помощи мелких ударов – наклепки. Есть несколько методов подобной операции. Мы опытным путем пришли к выводу, что оптимальная технология здесь – пневмо-дробеструйное упрочнение. При такой процедуре специальные микрошарики с помощью воздушной пушки направляются на лопатки под определенным углом и с большой скоростью. Идет процесс клепания, что придает поверхностному слою большую прочность. При этом сердцевина детали остается мягкой, ее пластические характеристики не нарушаются.
Все наши испытания проводились на реальных лопатках, тех, которые ставятся в турбины. Мы рассчитали, а затем экспериментально подтвердили наилучшие параметры и режимы упрочнения, их последовательность. В результате получили износостойкие лопатки для роторов всех модификаций авиационных двигателей ТВ3-117. Их можно использовать на вертолетах Ми-24, Ми-26, Ка-50, Ка-52, а также на самолетах Ан-140. Данный метод может быть также использован везде, где требуется повысить прочность титановых сплавов.
