Межотраслевой инжиниринговый центр «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана создал собственную, не имеющую прямых аналогов в мире технологию изготовления объемно-армированных преформ элементов газотурбинного двигателя с применением направленной укладки волокна. Важно отметить, что в ней используются отечественные материалы и автоматизированная производственная система собственной разработки.
Слабым местом многих традиционных композиционных материалов является межслоевая прочность. Как правило, композит изготавливается из армирующей ткани и пропитывается связующим веществом. Такие композиты обладают высокой удельной прочностью в сравнении с металлами, за исключением такой характеристики, как межслоевой сдвиг. Сами по себе армирующие волокна очень прочны, но между слоями ткани нагрузку несет лишь связующее вещество, которое обладает куда меньшей прочностью. Особенно обостряется эта проблема в изделиях сложной формы со сложной схемой нагружения. Таких, как лопатка центробежного компрессора турбореактивного двигателя. Кроме того, для такого изделия выкладка преформы, то есть заготовки из сухого армирующего материала, составляет отдельную проблему, качество решения которой может сильно зависеть от квалификации персонала.
Эти проблемы помогают решить композиты с пространственным армированием, в которых слои ткани или ровинга скрепляют поперечной прошивкой. Такие материалы можно получать, например, с помощью трехмерного плетения или ткачества. Однако эти технологии требуют дорогостоящего оборудования, и опять же возникают проблемы при создании изделий сложной формы с высокими требованиями к точности геометрии.
«Технология позволила оптимизировать технологический процесс, обеспечить получение точной геометрии изделия без смещения слоев преформы и равномерную укладку ровинга с разным углом при выкладке каждого слоя преформы, улучшить прочностные характеристики (в первую очередь, уменьшить до 15% межслоевой сдвиг), а также и снизить их себестоимость, – рассказывает директор МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана Владимир Нелюб. – Новизна состоит в том, что преформы лопаток получены автоматизированной нашивкой углеродных волокон на водорастворимую подложку на основе поливинилацетата. При этом подобраны оптимальные технологические параметры нашивки для достижения наилучших упруго-прочностных характеристик готовых изделий. Данные отличительные признаки не реализуются ни в одном из существующих технических решений».
На данную технологию был получен патент на изобретение.
Еще одна ключевая особенность процесса состоит в том, что участие оператора ограничивается загрузкой управляющей программы в вышивальную машину с ЧПУ, запуском и остановкой операции, а также контролем ее хода.
«У такой технологии масса преимуществ: возможность изготовления серий изделий с идентичными геометрическими, весовыми и прочностными характеристиками, отсутствие влияния человеческого фактора, экономичность и безотходность производства, – рассказывает Владимир Нелюб. – Не говоря уже об оптимальных для эксплуатации физико-механических показателях! Новая технология предназначена для изготовления конструкционных изделий, которые работают при повышенных нагрузках. Это, например, изделия ракетно-космической, авиационной, морской и транспортной отраслей».
Лопатки компрессора на основе преформ, созданных по технологии МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана, были использованы для изготовления рабочего колеса центробежного компрессора малого газотурбинного двигателя (РКЦК МГТД) на ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова» и успешно прошли разгонные испытания. Исследование напряженного состояния РКЦК в поле центробежных сил производили на разгонном стенде РС-1Д при нормальной и повышенной температуре применительно к условиям эксплуатации компрессора МГТД в интервале температур от 20 до 350°C.
«На действующих производствах данная технология пока не внедрена, но мы движемся в этом направлении, – говорит Владимир Нелюб. – Проводятся отработка технологии и испытания изделий в лабораторных условиях, а также их опытная эксплуатация. Изучение композитов с трехмерной структурой и технологий их получения в нашей стране находится еще в самом начале пути. В ближайшей перспективе ждут прорывных результатов, которые будут способствовать развитию науки и техники в композитной отрасли. От результатов работ по этой тематике основным преимуществом будет развитие внутреннего рынка отечественных деталей, в том числе в рамках реализации программы импортозамещения».
В настоящее время в России нет своего производства серийных малоразмерных ГТД для легких вертолетов, самолетов и БПЛА. Этот сегмент отечественного рынка занят зарубежными производителями и вопрос импортозамещения в нем является одним из приоритетных направлений для решения стратегических задач развития базовых отраслей экономики РФ. Аддитивные технологии, к которым относится данная разработка, являются одним из главных направлений развитие отечественного двигателестроения.
Подготовлено пресс-центром проекта «Инжиниринг и инновации».
Слабым местом многих традиционных композиционных материалов является межслоевая прочность. Как правило, композит изготавливается из армирующей ткани и пропитывается связующим веществом. Такие композиты обладают высокой удельной прочностью в сравнении с металлами, за исключением такой характеристики, как межслоевой сдвиг. Сами по себе армирующие волокна очень прочны, но между слоями ткани нагрузку несет лишь связующее вещество, которое обладает куда меньшей прочностью. Особенно обостряется эта проблема в изделиях сложной формы со сложной схемой нагружения. Таких, как лопатка центробежного компрессора турбореактивного двигателя. Кроме того, для такого изделия выкладка преформы, то есть заготовки из сухого армирующего материала, составляет отдельную проблему, качество решения которой может сильно зависеть от квалификации персонала.
Эти проблемы помогают решить композиты с пространственным армированием, в которых слои ткани или ровинга скрепляют поперечной прошивкой. Такие материалы можно получать, например, с помощью трехмерного плетения или ткачества. Однако эти технологии требуют дорогостоящего оборудования, и опять же возникают проблемы при создании изделий сложной формы с высокими требованиями к точности геометрии.
«Технология позволила оптимизировать технологический процесс, обеспечить получение точной геометрии изделия без смещения слоев преформы и равномерную укладку ровинга с разным углом при выкладке каждого слоя преформы, улучшить прочностные характеристики (в первую очередь, уменьшить до 15% межслоевой сдвиг), а также и снизить их себестоимость, – рассказывает директор МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана Владимир Нелюб. – Новизна состоит в том, что преформы лопаток получены автоматизированной нашивкой углеродных волокон на водорастворимую подложку на основе поливинилацетата. При этом подобраны оптимальные технологические параметры нашивки для достижения наилучших упруго-прочностных характеристик готовых изделий. Данные отличительные признаки не реализуются ни в одном из существующих технических решений».
На данную технологию был получен патент на изобретение.
Еще одна ключевая особенность процесса состоит в том, что участие оператора ограничивается загрузкой управляющей программы в вышивальную машину с ЧПУ, запуском и остановкой операции, а также контролем ее хода.
«У такой технологии масса преимуществ: возможность изготовления серий изделий с идентичными геометрическими, весовыми и прочностными характеристиками, отсутствие влияния человеческого фактора, экономичность и безотходность производства, – рассказывает Владимир Нелюб. – Не говоря уже об оптимальных для эксплуатации физико-механических показателях! Новая технология предназначена для изготовления конструкционных изделий, которые работают при повышенных нагрузках. Это, например, изделия ракетно-космической, авиационной, морской и транспортной отраслей».
Лопатки компрессора на основе преформ, созданных по технологии МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана, были использованы для изготовления рабочего колеса центробежного компрессора малого газотурбинного двигателя (РКЦК МГТД) на ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова» и успешно прошли разгонные испытания. Исследование напряженного состояния РКЦК в поле центробежных сил производили на разгонном стенде РС-1Д при нормальной и повышенной температуре применительно к условиям эксплуатации компрессора МГТД в интервале температур от 20 до 350°C.
«На действующих производствах данная технология пока не внедрена, но мы движемся в этом направлении, – говорит Владимир Нелюб. – Проводятся отработка технологии и испытания изделий в лабораторных условиях, а также их опытная эксплуатация. Изучение композитов с трехмерной структурой и технологий их получения в нашей стране находится еще в самом начале пути. В ближайшей перспективе ждут прорывных результатов, которые будут способствовать развитию науки и техники в композитной отрасли. От результатов работ по этой тематике основным преимуществом будет развитие внутреннего рынка отечественных деталей, в том числе в рамках реализации программы импортозамещения».
В настоящее время в России нет своего производства серийных малоразмерных ГТД для легких вертолетов, самолетов и БПЛА. Этот сегмент отечественного рынка занят зарубежными производителями и вопрос импортозамещения в нем является одним из приоритетных направлений для решения стратегических задач развития базовых отраслей экономики РФ. Аддитивные технологии, к которым относится данная разработка, являются одним из главных направлений развитие отечественного двигателестроения.
Подготовлено пресс-центром проекта «Инжиниринг и инновации».