2. Современное состояние технологии производства гтд и перспективы развития

Реализация многих новых конструкторских решений и разработок возможна лишь на основе достигнутого уровня развития технологии, который во многом определяет конструкцию изделия. Отсюда очевидна тенденция решения техно­логических задач на стадии создания двигателя — при проектировании и опыт­ном производстве по прогрессивным и высокоэффективным технологиям.

Надежность и ресурс авиационных двигателей также в значительной степе­ни зависит от технологии производства. Например, за последние восемь лет дос­рочное снятие с эксплуатации одного из типов двигателей в связи с отказами и неисправностями деталей ротора турбины в 25 % случаев произошло из-за не­правильной эксплуатации, в 20 % случаев — конструктивных недостатков и в 55 % случаев — технологических дефектов.

В производстве ГТД в последние годы происходят революционные измене­ния, связанные с созданием и применением новых технологий, способных ко­ренным образом улучшить качественные показатели выпускаемых изделий, всю структуру и условия производства в направлении повышения его эффективно­сти. Их называют приоритетными, ключевыми или критическими технологиями. К ним, в частности, относят:

• информационные технологии, решающие широкий круг задач на всех эта­пах жизненного цикла изделия, объединенные в концепцию CALS;

• технологии получения новых материалов (керамики, композиционных материалов с полимерной керамической и металлической матрицами, интерметаллидных сплавов, нанопорошковых, функционально-градиентных мате­риалов, жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой) и деталей из них;

• многоканальное и многокоординатное программное управление техноло­гическими процессами и оборудованием;

• технологии нанесения защитных и функциональных покрытий (жаростой­ких, термобарьерных, уплотнительных);

• технологии формообразования изделий сложной формы (моноколес — блисков, лопаток компрессоров и турбин);

• технологии изготовления легких многослойных звукопоглощающих кон­струкций;

• технологии заготовительного производства, такие как литье по выплав­ляемым моделям и спрейное литье, горячее изостатическое прессование в газостатах, лазерная, струйно-абразивная и плазменная резка и др.;

• технологии получения неразъемных соединений (диффузионная, трением, электронно-лучевая и лазерная сварка);

• технологии механической, электрофизической и электрохимической об­работки, включая глубинное и высокоскоростное шлифование, вихревое точе­ние, обработку глубоких отверстий и отверстий малого диаметра, получение высококачественных изделий электроэрозионной и электрохимической обработкой;

• технологии непосредственного получения трехмерных объектов (деталей и моделей) на основе математической модели изделия (лазерная стереолитография, LOM-процесс, объемная печать);

• технологии контроля (координатно-измерительные машины, машины техни­ческого зрения, лазерная интерферометрия системы неразрушающего контроля).

Даже это краткое перечисление говорит о широком развитии в современном авиадвигателестроении инновационных процессов.

Основой совершенствования технологии изготовления ГТД является приме­нение прогрессивных технологических процессов на всех этапах производства двигателей, а также при ремонте.

Современное производство авиационных двигателей невозможно без ис­пользования информационных технологий на всех этапах жизненного цикла из­делия. Для согласованной работы всех предприятий, участвующих в проектиро­вании, подготовке производства, производстве и реализации, эксплуатации и утилизации изделия, используют соответствующую информационную поддерж­ку, которая получила название CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Sup­port), что в переводе означает как компьютерное сопровождение и поддержка жизненного цикла изделия.

Важную роль в обеспечении эффективности работы предприятия играет комплексная автоматизация производства, необходимая для обеспечения гибко­сти производства как при подготовке к выпуску новых, так и модернизации вы­пускаемых изделий. Отдельные этапы производственного цикла выполняют с помощью автоматизированных систем, обеспечивающих движение и преобразо­вание информационных потоков, причем системы, выполняющие разные функ­ции, должны находиться в информационном взаимодействии. Одной из главных задач комплексной автоматизации производственного цикла изделия является сокращение его длительности.

В процессах проектирования и производства все шире применяют интегри­рованные автоматизированные системы, например типа CAE/CAD/CAM, для решения ряда производственных задач — от моделирования изделия до получе­ния конструкторской документации, последующей разработки оснастки и управляющих программ для станков с ЧПУ.

Технологические процессы заготовительного производства должны обеспе­чивать минимальные припуски на механическую обработку, требуемую струк­туру и физико-механические свойства заготовок, предотвращать появление по­тенциальных очагов разрушения.

В литейном производстве прогрессивными считают технологические процессы литья в оболочковые формы и по выплавляемым моделям. Заливка расплава в этом случае производится в условиях вакуума, что предотвращает окисление металла.

Разработаны роботизированные комплексы, предназначенные для выпуска керамических форм с использованием водных связующих. Для удаления из ке­рамических форм модельных составов используют специальные установки — бойлерклавы.

В настоящее время при производстве рабочих лопаток ГТД широкое приме­нение получил метод направленной кристаллизации, позволяющий значительно повысить прочностные свойства получаемых отливок за счет устранения попе­речных границ зерен. Дальнейшим развитием этого метода стало получение ло­паток с монокристаллической структурой.

Одним из направлений улучшения механических свойств литых заготовок является их обработка в специальных устройствах — газостатах — при высоких давлениях и температурах. Такая обработка обеспечивает практически стопро­центное залечивание внутренних несплошностей вследствие вязкопластичного затекания металла в полости дефектов (пор, рыхлот, ликвации) и диффузионных процессов. При этом обеспечивается высокий уровень и стабильность механиче­ских свойств. Например, высокотемпературная газостатическая обработка тита­новых отливок увеличивает длительную прочность на 15 % и повышает выход годных отливок на 20.. .30 %.

В кузнечно-штамповочном производстве растет использование технологи­ческих процессов изотермического деформирования в условиях, приближенных к сверхпластичности. По сравнению с традиционными процессами они обеспе­чивают комплекс существенных технологических, экономических и качествен­ных преимуществ: 5-10-кратное снижение удельных усилий деформации и по­требной мощности прессового оборудования, возможность обработки новых малопластичных и труднодеформируемых сплавов, сокращение числа переходов (штамповочные операции), повышение коэффициента использования материала и снижение трудоемкости последующей механической обработки.

Изотермическое деформирование обеспечивает высокую степень однород­ности деформации и получение равномерной структуры требуемой дисперсности, в результате чего повышается уровень механических свойств материала за­готовок и их стабильность.

В изотермических условиях выполняют штамповку лопаток компрессора, вальцевание пера лопаток, раскатку валов, дисков и кольцевых деталей, ротаци­онную вытяжку и пр. Другими перспективными и эффективными процессами кузнечно-штамповочного производства являются высокоскоростная штамповка точных заготовок, штамповка взрывом крупногабаритных деталей из листового материала.

Расширяется применение технологий порошковой металлургии, позволяю­щих получать сплавы с высоким уровнем легирования и механических свойств, однородные по химическому составу и структуре. Изделия сложной формы из­готавливают прямым горячим изостатическим прессованием в капсулах специ­альной конструкции.

Методы порошковой металлургии позволяют получать изделия с законо­мерно изменяющимся по глубине химическим составом или имеющие в базовом материале порошков (гранул) элементы из других материалов, изготовленных литьем, давлением или иными способами.

Технологические процессы механической обработки обеспечивают требуе­мую точность деталей и состояние рабочих поверхностей.

Следует отметить, что трудоемкость механической обработки составляет около 50 % общей трудоемкости изготовления двигателя, поэтому повышение производи­тельности процессов резания является одной из актуальных проблем современного двигателестроения. Кроме того, применяемые для изготовления деталей ГТД высо­копрочные и жаропрочные стали, сплавы на никелевой и титановой основах, кера­мики и керамокомпозиты имеют низкую обрабатываемость резанием.

В авиадвигателестроении для резания труднообрабатываемых материалов применяют инструменты специальной конструкции с многослойными износо­стойкими покрытиями, с режущей частью из синтетических сверхтвердых мате­риалов — алмаза и кубического нитрида бора, а также минералокерамики, что в ряде случаев позволяет увеличить скорость резания в 5-20 раз. Для абразивной обработки (шлифования, хонингования, суперфиниша) используют материалы и инструменты, обеспечивающие многократное увеличение производительности при высоком качестве состояния поверхностного слоя.

В производстве широко используется оборудование с ЧПУ, в том числе ориентированное на обработку отдельных групп деталей (лопаток, моноколес, крыльчаток) и комбинированную (токарно-фрезерно-сверлильную, фрезерно-шлифовальную и т. д.).

Для повышения производительности, точности и качества обработки разра­ботаны специальные технологии высокоскоростного резания, вихревого точе­ния, вибрационного сверления, глубинного и высокоскоростного шлифования, струйно-абразивной резки и пр.

Технологические процессы физико-химической обработки применяют для изготовления деталей с поверхностями сложной формы из труднообрабатываемых материалов, тонкостенных нежестких деталей, отверстий малого диаметра, узких пазов и щелей, раскроя листового материала и других целей.

Электроэрозионная и электрохимическая обработки широко используются в основном и инструментальном производствах для деталей сложной формы, в частности поверхностей пера лопаток из жаропрочных и титановых сплавов, межлопаточных каналов моноколес и крыльчаток, гравюр штампов.

Электронно-лучевую, лазерную, электроэрозионную и электрохимическую обработки применяют для перфорации лопаток, обшивок звукопоглощающих конструкций и других деталей двигателей, получения каналов окон и отверстий различной формы.

Лучом лазера и плазменной струей на оборудовании с программным управ­лением выполняют раскрой листовых материалов.

Технологические процессы поверхностного упрочнения, нанесения покры­тий и физико-химического модифицирования направлены на повышение качест­ва поверхностного слоя для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств деталей и узлов (усталостной прочности, износостойкости, сопротивления кор­розии, эрозионной стойкости, жаростойкости).

Для повышения усталостной прочности широко используют процессы по­верхностного пластического деформирования, в частности виброгалтовку, дро­беструйную обработку, обработку микрошариками, алмазное выглаживание, обкатку роликами и шариками и ионную имплантацию. Увеличения твердости поверхностного слоя, износостойкости, контактной усталостной прочности, со­противления коррозии и жаростойкости достигают химико-термической обра­боткой и нанесением защитных покрытий. Например, для защиты лопаток турбины от газовой коррозии используют химико-термическую обработку (алитирование, хромоалитирование) и многокомпонентные покрытия, наносимые методом ва­куумного осаждения, а для защиты лопаток компрессора от эрозии и коррозии — специальные эмали и покрытия, получаемые методами осаждения в вакууме.

Технологические процессы сварки и пайки деталей должны обеспечивать в соединении свойства, близкие к свойствам основного материала, геометриче­скую точность и герметичность. Этим требованиям отвечают автоматическая аргонодуговая сварка, в том числе в обитаемой камере, электронно-лучевая, ла­зерная, с охлаждением шва, диффузионная сварка и пайка.

Электронно-лучевая сварка, благодаря высокой плотности энергии в зоне на­грева и проведению процесса в вакууме, позволяет получить соединения боль­шой толщины, имеющие малые размеры сварных швов и незначительные зоны термического влияния, при минимальном короблении деталей. Прочность шва при электронно-лучевой сварке близка к прочности основного материала. Элек­тронно-лучевая сварка, в частности, применяется при изготовлении монолитных колес компрессора, корпусных узлов, гибких валов, соединении дисков в роторы.

Пайка позволяет соединять разнородные, металлургически несовместимые материалы (коррозионно-стойкие стали, жаропрочные титановые и никелевые сплавы, металлы с керамикой и графитом). Пайкой соединяют элементы направляющих аппаратов компрессора, сопловых аппаратов турбины, форсунок, сото­вых уплотнений, трубопроводов. Кроме того, пайка применяется для крепления износостойких пластин на контактной поверхности бандажных полок лопаток турбин, а также для залечивания дефектов (поры, раковины). В подобных случа­ях пайку выполняют в вакууме индукционным нагревом или методом дугового разряда с полым катодом.

Технологические процессы сборки имеют собственные технологические приемы, обеспечивающие точность, низкий уровень монтажных напряжений, герметичность, техническую чистоту систем (модульные сборка и балансировка, сборка резьбовых соединений с нормированным моментом затяжки, специаль­ные технологии промывки и очистки).

Системы контроля и испытаний должны обеспечивать получение объек­тивной информации о качестве продукции, функционировании узлов и изделия в целом.

Современные ГТД являются сложными в конструктивном отношении изде­лиями, элементы и узлы которых подвержены высоким температурным и вибра­ционным нагрузкам. Поэтому в процессе стендовых испытаний двигателя необ­ходимо иметь полную, объективную и достоверную информацию от большого числа датчиков, расположенных в разных частях двигателя и предназначенных для измерения температуры, давления, вибрации, усилий, крутящего момента и др.

Инженер-технолог, разрабатывающий технологические процессы изготов­ления деталей и узлов новейших ГТД, должен обладать знаниями технологиче­ских возможностей, технических характеристик и особенностей всех процессов обработки, входящих в разрабатываемый им маршрут, начиная от заготовитель­ных операций и заканчивая финишными и контрольными.