XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение:

В настоящее время в авиастроении стоит вопрос, о облегчении конструкции летательных аппаратов. А если брать в расчет то, что металлы являются невосполнимыми полезными ископаемыми, вопрос о органических материалах и сплавов набирает популярность не только в России но и за рубежом.

Сегодня доля России в мировом производстве и потреблении КМ крайне незначительна и колеблется на уровне 0,5%. В части «передовых композитов» положение еще хуже. Так потребление углеродных волокон составляет 0,2% от мирового.

В нынешнее время нет летательного аппарата, в конструкции которого не использовались бы ПКМ: в отдельных планерах современных самолетов их суммарная доля от общего объема применяемых материалов составляет 60%, а в беспилотниках – еще больше.

Например: в самолете АН-124 «Руслан», в котором использовано 5,5 тонн КМ. Также в самолета АН-70 было использовано 2900 кг углепластика и 1500 кг органопластика.

Сегодня основной объём потребления КМ в авиастроении приходится на изделия Ил-76МД-90А, Ту-214, Ту160М2, Ил-22ПП, МиГ-35, Ми-26, Ансат (У), БПЛА «Альтаир» Вертолеты: Ка-52 – 3100 кг, Ми-28Н – 500 кг, Ми-26 – 3000 кг, Ми-35М– 500 кг, Ка-226 – 212,4 кг.

Вертолеты: Ка-52 – 3100 кг, Ми-28Н – 500 кг (пять лопастей несущего винта каждая по 100 кг),  Ми-26 – 3000 кг( 8 лопастей несущего винта по 375 кг), Ми-35М– 500 кг (пять лопастей по 100 кг), Ка-226 – 212,4 кг (6 лопастей по 35,4 кг), Ка-32 и Ка-27 – 480 кг (6 лопастей по 80 кг), Ми-8 – 56 кг (4 лопасти рулевого винта по 14 кг).

2. Композиты и Интерматаллиды

2.1 Композитный материа́л (КМ), компози́т — многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов с существенно различными физическими и химическими свойствами, которые, в сочетании, приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик отдельных компонентов и не являющимися простой их суперпозицией.

При этом отдельные компоненты остаются таковыми в структуре композитов, отличая их от смесей и твёрдых растворов. В составе композита принято выделять матрицу и наполнитель. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств

2.2 Интерметаллиды – это соединения двух или нескольких сплавов металлов в единый элемент.
Интерметаллидыотличаются не совсем обычными химическими связями. Дело в том, что в зависимости от состава и характеристик каждого из первоначальных составляющих, складывается жесткость и прочность их кристаллических решеток. Обратим внимание, что характеристика этих сплавов заметно отличается от состава первичных металлов, которые послужили основой. Фактически образуется не одно, а несколько соединений в одном «флаконе».

Конструкционный органопластик ВКО-19Л

А вот и один из некоторых КМ применяемый в авиастроении, созданный для улучшения характеристик конструкции – ВКО-19Л.

Герметичность – одно из основных требований, предъявляемых к обшивкам вертолетов Ка-50, Ка-62, Ми-28Н и др. При отсутствии герметичности возможно накопление воды в деталях, их весовой дисбаланс и другие отрицательные последствия.

В качестве связующего в составе герметичного органопластика ВКО-19Л использовали пленочный эпоксиполисульфановый клей ВК-36РТ, поскольку применение типовых растворных связующих не позволяет обеспечить герметичность тонких обшивок (0,4-0,5 мм) из-за пористости, возникающей в процессе формирования при удалении остатков растворителя.

Применение органопластика ВКО-19Л для изготовления тонкослойных обшивок взамен Органита 11ТЛ, а также взамен органопластиков на основе растворных связующих позволит увеличить эксплуатационную надежность трехслойных сотовых панелей лопастей несущего винта, фюзеляжа и других конструктивных элементов вертолетов и самолетов при эксплуатации в жестких климатических условиях.

Сердце МС-21, двигатель ПД-14

Проект по созданию авиационного двигателя пятого поколения ПД-14, является важной частью развития авиастроения. Его инновационность заключается в том, что при разработке ПД-14 удалось получить качественное изменение основных параметров рабочего режима двигателя, в том числе увеличение степени двух-контурности (в два раза), температуры газа перед турбиной (на 100 К), суммарной степени сжатия в компрессоре (на 20%). Все это удалось обеспечить благодаря применению 20 материалов нового поколения, разработанных в ВИАМ, и более 50 доработанных серийных марок материалов.

Среди них: никелевые жаропрочные сплавы для турбины высокого давления – монокристаллический сплавы на основе рения, с присадками, в виде тугоплавких металлов (Mo,W, Ta, Hf), а также микролегирование B, Ze, Y и редкоземельными элементами (РЗМ) (La, Ce и др), для сопловых лопаток с высоко-ресурсными жаростойкими и комплексными теплозащитными покрытиями;

А чего стоит новый трещинно-стойкий керамический конструкционный материал ВМК‑11, выдерживающий температуру до 1500^о С без охлаждения, имеющий высокий показатель предела прочности при изгибе до 310МПа и массу в три раза меньшую, чем у металлического прототипа. ВМК-11 предназначен для изготовления элементов камеры сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) перспективных летательных аппаратов.

ПД-14, материалы в нём:

Один из новейших сплавов, упомянутый ранее мы рассмотрели, но это же не всё, теперь перейдем к новым стеклопластику ВПС‑48/7781 и углепластикам ВКУ-39, ВКУ-29 и ВКУ‑25 применяемых при изготовлении узлов реверсивного устройства, воздухозаборника и других деталей мотогондолы нового отечественного двигателя ПД-14.

Также не малую важную роль в конструкции двигателя играет сплавы из металлических волокон с тонкопленочным жаростойким покрытием на основе керамо-образующих полимеров, состоящие из дискретных металлических волокон систем: Ni-Cr-Al, Ni-Cr-Al-Y, Fe(ni)-Cr-Al-Y.

Их отличительные свойства – высокая жаростойкость, термостойкость, эрозионная стойкость и малая плотность. Благодаря этому жаростойкому покрытию рабочие температуры материала возрастают на 200^оС, а ресурс эксплуатации увеличивается в 1,5–2 раза. Применяя этот материал в проточной части компрессора и турбины ГТД, можно существенно снизить износ дорогостоящих лопаток и получить экономию топлива, в том числе и в условиях тропического климата.

Для сварных конструкций ГТД осваиваются сплавы с уникальными характеристиками, например, высокопрочный ВЖ172, по кратковременной и длительной прочности превосходящий на 15–20% серийные материалы. В качестве материала сварного ротора опробован высокожаростойкий сплав ВЖ171 для жаровых труб и других высокотемпературных деталей ГТД, работающих до 1250^оС. ВЖ171 превосходит ранее применяемые аналоги по жаропрочности в 2–3 раза.

Интерметаллиды в Пд-14
К жаропрочным сплавам нового поколения относятся созданные титановые сплавы на интерметаллидной основе, в частности так называемые ортосплавы. Они обладают не только низкой плотностью и высокой прочностью на уровне стали, но и высокой жаропрочностью (650–700 о С). Серия деформируемых сплавов ВТИ-4, ВИТ-1 и ВИТ‑5, например, предназначена для изготовления крупногабаритных кольцевых и дисковых заготовок для нового газотурбинного двигателя ПД-14, благодаря чему его весовая эффективность увеличится на 15–20%.

Сплав	Система	Состав, ат%
		Al	Nb	Zr	V	Mo	Si
ВТИ-1	Ti-Al-Nb-(Zr,Mo)	25	11	0,75	-	0,75	-
ВТИ-2	Ti-Al-Nb-(Zr,Mo)-V-Si	19,35	11,77	0,87	1,46	0,52	0,53
ВТИ-4	Ti-Al-Nb-(Zr,Mo)-Si	22	26	0,5	-	0,4	-

Разработана также серия интерметаллидных сплавов ВКНА/ВИН для отливок деталей горячего тракта ГТД с равноосной и монокристаллической структурой, в том числе лопаток, створок и проставок сопла на уровне мировых аналогов по соотношению жаропрочности и плотности, работоспособных до 1200^оС по материалу. Для дисков турбин внедряется жаропрочный сплав ВЖ175, превосходящий российские и зарубежные аналоги по комплексу характеристик длительной прочности и сопротивлению малоцикловой усталости.

Заключение
На сегодняшний день мы видим, что происходит с нашим авиастроением, оно развивается и развивается очень даже хорошо. Великолепные, по своим характеристикам, материалы нового поколения, из которых получаются изделия, конструкции, комплектующие к этим конструкциям. Чего стоят только самолет МС-21 и двигатель (ПД-14), расположенный на его крыле. Да малыми, но весьма уверенными шагами наши ученые строят будущей для нашего авиастроения.

Подводя итог, небольшого количества исследуемых материалов, могу сказать, что разработка и применение перспективных материалов возможна, но для этого необходимо: объединить усилия научных специалистов ВИАМ и ОДК, которые, как мне кажется, смогут осуществить прорывные для нашего двигателестроительного производства проекты, реализация которых ведется на базе принципа единства: материал-технология-конструкция. Это существенно повысить конкурентоспособность выпускаемой отечественной продукции на внутреннем и зарубежном рынках. Хотелось бы закончить такими словами «там, где кончается понимание одного явления, начинается постижение другого».

Список используемых источников:

Бабкин В.И. «Роль и место науки в инновационном развитии авиационного двигателестроения»

Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

Буланов И.М. Воробей В.В. «Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов»

Гуняев Г.М. Кривонос В.В. Румянцев А.Ф. Железина Г.Ф. «Полимерные композиционные материалы в конструкции ЛА»

Ефимов В.С. «Влияние оборонно-​промышленного комплекса на развитие реального сектора экономики в условиях экономических санкций»

(http://avia-simply.ru/dvigatel-ps-90a/

http://newsruss.ru/doc/index.php/Комплектующие_и_материалы_Т50#.D0.9A.D0.BE.D0.BC.D0.BF.D0.BE.D0.B7.D0.B8.D1.82.D1.8B

https://prompriem.ru/splavyi/intermetallidy.html

http://www.airwar.ru/enc/engines/ps90.html

http://www.airwar.ru/enc/fighter/su35bm.htm

Код для цитирования: Скопировать