Рассказываем об уникальной технологии «выращивания» деталей методом направленной кристаллизации. С помощью этой технологии на предприятиях ОДК изготавливают монокристаллические лопатки для турбин отечественных авиационных двигателей пятого поколения ПД-14 и ПД-8 для пассажирских самолетов.
Чтобы понять важность разработки этого способа создания лопаток, заглянем в историю развития двигателестроения. Лопатки турбин реактивных авиадвигателей первых поколений в 1950-е годы и ранее изготавливали методом штамповки. Эти лопатки могли работать при температуре газа перед турбиной не более 900-1000 кельвинов.
С появлением более мощных двигателей температура газа перед турбиной увеличивалась. В сплавы лопаток стали добавлять элементы, повышающие жаростойкость и прочность металла. Эти сплавы уже не поддавались штамповке, поэтому лопатки начали производить методом литья.
Поэтому новым словом в двигателестроении стали литые турбинные лопатки. Они работали при более высоких температурах и имели больший ресурс. Однако при таком методе в структуре отливки образуются множественные равноосные зерна. По границам этих зерен, расположенным перпендикулярно оси действующих центробежных нагрузок, могут появиться усталостные разрушения, которые приводят к поломке лопатки.
Двигателестроители решили этот вопрос и создали технологию направленной кристаллизации отливок. Технология позволила «убирать» из структуры металла поперечные границы зерен и изготавливать отливки со столбчатыми зернами, которые вытянуты вдоль действия основных силовых нагрузок. Такие лопатки более стойкие к появлению усталостных разрушений.
Следующий шаг в двигателестроении – изготовление отливки, состоящей из одного зерна. Это и есть основа лопатки с монокристаллической структурой.
Монокристаллические турбинные лопатки на сегодняшний день являются самыми прочными, обладают наибольшим рабочим ресурсом. Они выдерживают воздействие экстремальных температур — выше 2000 кельвинов.
Процесс изготовления монокристаллических лопаток называют «выращиванием», хотя он не имеет отношения к аддитивным технологиям. Направленную структуру лопатки получают в специальных плавильных установках путем медленного вертикального перемещения литейной формы с залитым металлом из горячей зоны печи в холодную. При этом происходит кристаллизация и затвердевание металла.
Для получения монокристаллической структуры в основание литейной формы устанавливают металлическую монокристаллическую затравку. На ее поверхности при контакте с залитым в форму металлом происходит формирование монокристаллической структуры.
Далее в процессе медленного перемещения литейной формы в холодную зону печи происходит передача монокристаллической структуры в тело отливки и ее рост по высоте лопатки, то есть «выращивание».
На предприятии ОДК-Сатурн используют метод высокоскоростной направленной кристаллизации. Литейная форма с расплавленным металлом перемещается из горячей зоны печи и одновременно погружается в ванну с жидким охлаждающим металлом – алюминием. Так можно эффективнее управлять процессом кристаллизации металла в литейной форме и формирования монокристаллической структуры турбинной лопатки.
Именно с помощью этой технологии на предприятиях ОДК изготавливают монокристаллические лопатки турбин авиадвигателей пятого поколения – серийного ПД-14 для среднемагистральных самолетов МС-21-310 и новейшего ПД-8 для ближнемагистральных «Суперджетов».