Применение аддитивных технологий в авиационном двигателестроении

Аддитивные технологии (АТ) играют ключевую роль в современном авиационном двигателестроении, позволяя создавать сложные детали с уникальными характеристиками, которые невозможно изготовить традиционными методами. Они способствуют снижению веса двигателей, упрощению конструкций, сокращению времени разработки и повышению топливной эффективности.

Преимущества аддитивных технологий

Изготовление сложнопрофильных и уникальных деталей с минимальным использованием дорогостоящей оснастки и механообработки. Например, с помощью АТ можно создавать лопатки турбин со сложными системами охлаждения, включая дефлекторные типы с эффективной структурой охлаждающих каналов.

Снижение веса деталей за счёт оптимизации топологии (уменьшение толщины стенок, создание сотовых и ячеистых структур, бионический дизайн). Это ведёт к экономии топлива и снижению вредных выбросов.

Возможность создания интегрированных деталей за один технологический цикл, что уменьшает количество элементов в конструкции двигателя.

Управление физико-механическими свойствами изделий путём создания градиентных конструкций из разных материалов (например, из металлических порошков с разным химическим составом или структурой).

Применение в ремонте путём заполнения повреждённых частей конструкций (торцы и гребешки бандажных полок рабочих лопаток турбин, профили лопаток компрессоров и др.).

Перспективные технологии

К аддитивным технологиям, имеющим наибольшие перспективы в авиационной отрасли, относятся:

1. Селективное сплавление металлических порошков (SLM – Selective Laser Melting). Позволяет получать детали непосредственно из порошка, минуя или минимизируя промежуточные операции.
2. Лазерная порошковая наплавка (LMD – Laser Metal Deposition). Связана с наплавлением порошка, подаваемого роботизированным дозировщиком. Может использоваться для создания градиентных материалов или деталей с внутренними силовыми элементами и внешними износостойкими покрытиями.
3. Спекание высокотемпературных пластиковых материалов и изготовление деталей из керамических порошков.

Примеры применения:

1. Топливные форсунки двигателей LEAP (General Electric). Вес такой форсунки на 25% меньше, а долговечность в 5 раз больше по сравнению с традиционными аналогами.
2. Крупногабаритный титановый корпус передней опоры двигателя Trent XWB (Rolls-Royce). Компания провела лётные испытания такого двигателя.
3. Лопатки вертолётного двигателя ТВ7-117В, напечатанные на промышленном 3D-принтере.
4. Полая рабочая лопатка турбины низкого давления, спроектированная с помощью методов топологической оптимизации в ЦИАМ. Такую лопатку невозможно изготовить литьём, её можно только «напечатать».
5. Полая лопатка ТНД с бандажной полкой, спроектированная методом топологической оптимизации, напечатанная методом селективного лаз
6. В российском двигателе пятого поколения ПД-14 утверждено девять деталей, которые будут изготавливаться аддитивным способом.

«Центр аддитивных технологий» (входит в «Ростех») производит сопловые и рабочие лопатки, топливные форсунки, корпуса компрессоров и другие элементы авиационных двигателей.

Проблемы и вызовы

Сертификация. Процесс сертификации технологического процесса и получаемых изделий требует значительных временных и финансовых затрат.

Качество порошков. К порошкам для аддитивных технологий предъявляются строгие требования: сферичность, определённый гранулометрический состав, пониженное содержание газовых примесей (кислорода и азота). В России серийного производства порошковых материалов для этих технологий нет, предприятия авиационной отрасли закупают порошки зарубежного производства.

Исследование механических свойств. Отсутствие данных о механических свойствах синтезированных изделий (например, пределах выносливости) ограничивает применение АТ в конструкции самолётов и вертолётов с точки зрения действующих норм лётной годности.

Дефекты при производстве. В SLM-технологии, как и в литейных процессах, возникают коробление и остаточные напряжения. Требуется предварительная натурная отработка технологии, выбор расположения детали в установке, проектирование системы дополнительных поддержек и подбор технологического режима для минимизации дефектов.

Перспективы

Аддитивные технологии открывают возможности для разработки новых материалов и технологий для перспективных двигателей военной и гражданской авиации. Они позволяют ускорить процесс разработки, сократить затраты на производство и повысить надёжность газотурбинных двигателей. В России ведутся работы по организации сквозного цикла аддитивного производства, включая производство порошков из отечественных сплавов и разработку технологий селективного лазерного спекания деталей с последующей газостатической обработкой.

Таким образом, аддитивные технологии становятся ключевым фактором модернизации авиационного двигателестроения, хотя их широкое внедрение требует решения ряда технических, технологических и регуляторных задач.