Введение

Ключевыми проблемами создания перспективной авиационной техники являются разработка и внедрение новых газотурбинных двигателей (ГТД), обладающих высоким уровнем тяги, весовым и эксплуатационным совершенством, уменьшенной номенклатурой деталей при обеспечении более высокого ресурса, надежности и экономичности [1–8], а также совершенствование летно-тактических характеристик самолетов и снижение их радиолокационной заметности [9–11].

Разработка и создание легких, высокопрочных и высокомодульных волокнистых металлических композиционных материалов (МКМ) – эффективный путь решения поставленных задач.

Металлические композиционные материалы

на основе алюминиевых сплавов

Обладающие высокими удельными характеристиками прочности и жесткости МКМ на основе легких матриц, в первую очередь алюминиевых, считаются наиболее перспективным классом конструкционных материалов для использования в двигателях гражданских самолетов, космических системах, различных видах вооружения и другой техники нового поколения. Их создание является одним из важнейших достижений в области материаловедения последних трех десятилетий. Благодаря применению МКМ на основе алюминиевого сплава удалось обеспечить снижение массы деталей и элементов конструкций на 15–50%, в 1,5–2 раза повысить их жесткость и усталостные характеристики по сравнению с металлическими прототипами, при этом повышается эффективность и конструкционная надежность, а при сопоставлении с полимерными композиционными материалами – существенно снижается стоимость эксплуатации [12–16].

Одним из первых волокнистых композиционных материалов, который создавался с этапа научно-исследовательской работы до практического применения, является МКМ на основе алюминиевого сплава, армированный керновыми волокнами бора. Из данного МКМ были изготовлены и прошли успешные стендовые испытания лопатки вентилятора двигателя 7T8D фирмы Pratt&Whitney. Эти лопатки при одинаковых размерах на 40% легче титановых [17].

В 1975 г. разрабатывались боралюминиевые лопатки для двигателя F-100 [18, 19]. В том же году на авиационной базе ВВС США в Райт-Петерсон проводились успешные полеты самолета F-11D, на котором были установлены два двигателя TF-30C фирмы Pratt&Whitney с лопатками 3-й ступени вентилятора из боралюминия, имеющих массу на 40% легче титановых. Лопатки из боралюминия имели титановую оболочку и титановые накладки, образующие замковую часть, на входную кромку которых было нанесено никель-кобальтовое эррозионностойкое покрытие [20]. Завершенные в 1978 г. летные испытания этого двигателя  показали экономию массы компрессора и двигателя в целом на 30–40%.

Впервые в большом количестве МКМ на алюминиевой матрице применены в конструкции возвращаемого космического аппарата «Спейсшатл» [21, 22], центральная часть фюзеляжа которого имела ферменную конструкцию, состоящую из более чем 300 труб, изготовленных из боралюминия с осевым армированием, с титановыми фитингами диаметром от 25 до 67 мм и длиной от 600 до 1900 мм. Применение боралюминия позволило снизить массу ферменной конструкции на 44% по сравнению с первоначальной конструкцией из алюминиевого сплава [23–25].

Советскими специалистами для самолетов Антонова из боралюминиевого МКМ разработаны и широко используются трубчатые раскосы в конструкции шасси самолета «Руслан», а изготовленные сварные балки самолета Ан-70 прошли успешные испытания (рис. 1) [26].

Рисунок 1. Трубчатые раскосы в конструкции шасси самолета «Руслан» (а)

и сварные балки самолета Ан-70 (б) [26]

Для целей гражданской авиации российскими специалистами проведен комплекс научно-исследовательских работ по разработке технологии изготовления широкохордной пустотелой лопатки вентилятора, усиленной несущими нагрузку стержнями из боралюминиевого МКМ для двигателей ближне-среднемагистральных самолетов (рис. 2).

Рисунок 2. Конструкция полой лопатки с несущими нагрузку стержнями из металлического композиционного материала Al–B:

1 – несущие стержни из композиционного материала; 2 – титановая оболочка; 3 – места соединения

Проведен также комплекс мероприятий по коррозионной и эррозионной защите лопаток вентилятора. Изготовленные с применением боралюминиевого МКМ широкохордные лопатки вентилятора прошли успешные стендовые испытания. Свойства боралюминиевого МКМ марки ВКА-2 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства боралюминиевого МКМ марки ВКА-2

* Предел выносливости при чистом изгибе на базе 2·10⁷ циклов на образцах с надрезом (50%-ная несущая способность).

** Предел выносливости при консольном изгибе на базе 1·10⁷ циклов (падение резонансной частоты – на 5%).

*** Малоцикловая усталость при осевой нагрузке на базе 1·10⁴ циклов.

Перспективные металлические композиционные материалы на основе
титановых сплавов, в том числе интерметаллида титана

Поскольку термической границей использования боралюминиевого композиционного материала (КМ) является температура 350–400°С, обусловленная тепловой работоспособностью матричных алюминиевых сплавов и предельным температурным значением длительной эксплуатации МКМ без химического взаимодействия волокна с матрицей, при разработке перспективных газотурбинных двигателей на рабочие температуры до 500–700°С необходимость разработки МКМ на основе титановых сплавов приобретает особую значимость. Использование МКМ на титановых, в том числе интерметаллидной, матрицах, обладающих низкой плотностью и высокими удельными характеристиками прочности и жесткости, в лопатках компрессора низкого и высокого давления позволяет снизить массу лопаток на 30% по сравнению с лопатками из неупрочненных титановых сплавов (табл. 2) и никелевых суперсплавов (рис. 3, табл. 3) [27–30].

Таблица 2

Сравнительные характеристики титановых сплавов и МКМ на их основе

  * Титановая матрица системы Ti–6Al–4V+волокна SiC марки SCS-6 (объемное содержание волокон в матрице 35%).

** То же с объемным содержанием волокон в матрице 28–38%.

Рисунок 3. Преимущества МКМ на титановой матрице по сравнению с титановыми сплавами и никелевыми суперсплавами [27]

Таблица 3

Сравнительные характеристики МКМ на титановой и интерметаллидной матрицах и никелевого суперсплава [28, 29]

В настоящее время зарубежными фирмами в качестве матричного сплава при изготовлении МКМ на титановой и интерметаллидной матрицах, армированных непрерывными волокнами карбида кремния, а также изделий из них широко используют (α+β)- и β-титановые сплавы и титаново-алюминидные сплавы (табл. 4) [29].

Таблица 4

Основные матричные сплавы для МКМ на титановой и интерметаллидной матрицах

и их свойства [29, 30]

Рисунок 4. Диск компрессора типа «bling» (фирма Rolls-Royce, Великобритания) [31]

Металлический композиционный материал на основе титана широко используется для дисков компрессора. Многие компании, такие как Rolls-Royce, Snecma, MTU, Aeroengines, GmBH и т. д., осуществили переход от конструкции диска компрессора типа «blisk» к конструкции типа «bling» (рис. 4), что позволяет снизить массу конструкции на 40% при увеличении динамических характеристик [31].

Следует отметить, что, несмотря на очевидные преимущества перед традиционными материалами, рост применения МКМ на основе титановых сплавов сдерживается их ценой. Однако развитие этих материалов для создания новых газотурбинных двигателей является наиболее перспективным направлением. Например, по заказу ВВС США компания FMW Composite Systems Inc., являющаяся одной из ведущих компаний США в области создания композиционных материалов на основе титановых сплавов, армированных волокнами карбида кремния, а также изготовления изделий из них, производит поршни приводного механизма для двигателя PWF119 самолета F-22A (рис. 5, а) и серийно – тяги управления створками для двигателя GEF110 самолета F-16 (см. рис. 5, б) [31].

Рисунок 5. Поршень приводного механизма сопла ГТД PWF119 (а)

и тяга управления створками сопла ГТД GEF110 (б) [30]

Большинство зарубежных двигателе- и авиастроительных фирм к настоящему времени практически имеют в своем распоряжении достаточно эффективные промышленные технологии изготовления наиболее типичных и ответственных деталей и конструкций из МКМ на основе титановых сплавов. Так, фирма Rolls-Royce (Великобритания) выполнила программу разработки и оценки титановых МКМ, армированных непрерывными волокнами карбида кремния, применительно к деталям для нового поколения ГТД. Проведенными испытаниями подтверждена возможность снижения массы лопаток компрессора низкого и высокого давления на 30% по сравнению с лопатками из неупрочненных титановых сплавов.

Одновременно фирма Rolls-Royce оценивает возможность использования MКM на основе титановых сплавов для изготовления лопастей вентилятора, что позволит увеличить их размер без увеличения массы, скорость вращения и, в конечном итоге, мощность ступени. Снижение относительной массы лопастей приведет к дальнейшему облегчению дисков, кожухов и опорной конструкции [31].

Голландская компания SP Aerospace, входящая в группу Stork Fokker, в 2003 г. провела успешные работы по замене деталей основного шасси истребителя F-16 Королевских ВВС Нидерландов на детали из МКМ на титановой матрице [32].

Поскольку температурные возможности титановых и никелевых сплавов, по всей вероятности, достигли максимума, разработчики сконцентрировали внимание на разработке МКМ на основе интерметаллидов титана, армированных разнообразными высокопрочными наполнителями, среди которых наиболее часто встречаются непрерывные керновые волокна карбида кремния.

В течение последних лет растет интерес к МКМ на основе интерметаллидов титана, таких как TiAl или Ti₃Al, благодаря сочетанию низкой плотности и высоких прочностных характеристик при повышенных температурах (˃600°С), хорошей стойкости к окислению и ползучести [33].

Основную заинтересованность в таких разработках проявляют космические и военные ведомства. В частности, у NASA отмечен ряд документов, в которых содержатся результаты исследований g-алюминидов титана в качестве основы для изготовления компонентов двигателей [34].

Заключение

Проведенный анализ состояния внедрения зарубежными фирмами высокопрочных и высокомодульных МКМ авиационного и космического назначения показывает широкое применение металлических композиционных материалов на алюминиевой и титановой матрицах, в том числе интерметаллидов титана, упрочненных высокопрочными волокнами тугоплавких соединений, обладающих улучшенной прочностью на единицу массы.

Использующиеся в двигателях военных и гражданских самолетов, а также космических системах МКМ на алюминиевой и титановой матрицах обеспечивают повышение эксплуатационных характеристик, а также снижение массы деталей и элементов конструкций.