Всероссийский институт авиационных материалов(ВИАМ)

Институтом разработано более 2000 марок новых авиационных материалов. Созданы научные школы, получившие признание мировой научной общественности. Назовем важнейшие из них:

  • - физики металлов - академик АН СССР и РАН Кишкин С.Т.;- конструкционной прочности и работоспособности авиационных материалов - академик АН СССР и РАН Кишкин С.Т., д.т.н. Скляров Н.М.;
  • - коррозии и защиты - чл-кор. АН СССР Акимов В.Г., д.т.н. Батраков В.П.;
  • - высокопрочных и специальных алюминиевых сплавов - академик АН СССР и РАН Фридляндер И.Н.;
  • - литейных жаропрочных сплавов - академик АН СССР и РАН Кишкин С.Т.;
  • - высокоградиентного и монокристаллического литья - член-корреспондент РАН Каблов Е.Н., член корреспондент РАН   Шалин Р. Е.;
  • - титановых сплавов - д.т.н. Глазунов С.Г.;
  • - деформируемых жаропрочных сплавов - д.т.н. Химушин Ф.Ф., д.т.н. Ломберг Б.С.;
  • - полимерных и металлических композиционных материалов - член-корреспондент АН СССР Туманов А., член корреспондент РАН Шалин Р. Е., д.т.н. Портной К.И., д.т.н. Перов Б.В., д.т.н. Гуняев Г.М.;
  • - органического остекления - д.т.н. Перов Б.В., д.т.н. Гудимов М.М.

Главные направления деятельности   ВИАМа: исследование физико-химических взаимодействий компонентов в металлических и неметаллических материалах, разработка новых принципов и систем легирования высокотемпературных композиций, в частности принцип управления структурным и фазовым состоянием различных систем.    

 При разработке новых материалов ВИАМ делает упор на следующие параметры свойств:
  • - весовая эффективность (отношение прочности к удельному весу);
  • - надежность и ресурс, характеризующиеся, в первую очередь, показателями выносливости, сопротивлением малоцикловой усталости (МЦУ), статической и циклической трещиностойкостью;
  • - контролепригодность;
  • - технологичность;
  • - ремонтоспособность.

Все эти параметры составляют понятие "качество авиационных материалов".

От качества материалов, применяемых в летательных аппаратах (ЛА) зависит конкурентоспособность отечественной техники. Для военной техники важны прежде всего такие характеристики, как дальность, скорость, маневренность, точность, всепогодность. Для гражданской авиации - надежность, пожаробезопасность, комфортность, экологичность.

    Подавляющая часть материалов, разработанных по столь высоким стандартам, может быть использована в других отраслях промышленности: машиностроении и судостроении, атомной, химической и энергетической промышленности и т.д.

     Применение перспективных конструкционных материалов в изделиях авиационной отрасли (планер самолетов и вертолетов) должно обеспечить:
  • - повышение коммерческого срока эксплуатации с 20 до 25-30 тыс. часов;
  • - повышение ресурса с 15-20   до 40 тыс. часов;
  • - повышение межремонтного срока с 6-8   до 10-12 лет;
  • - снижение веса конструкций на 20-25%.
Алюминиевые  сплавы

    Материальный облик ЛА определяют более 120 конструкционных и функциональных материалов, внедренных в самолетах Ил-96М, Ту-204, Ил-114, Бе-200, последних модификаций Ту-154М, Ил-86 и др.

  Основными конструкционными материалами для планеров остаются алюминиевые сплавы. В 2000-2015 гг. их доля в структуре применения останется на уровне 50%.
  Задача повышения надежности, улучшения характеристик трещиностойкости, повышения усталостных свойств сплавов для фюзеляжа, крыла и силового набора решалась за счет значительного повышения чистоты сплавов от примесей кремния и железа, количества избыточных фаз, разработки новых режимов термообработки, улучшения качества полуфабрикатов. Сплав 1163АТ системы Al - Cu - Mg не уступает по свойствам американскому сплаву 2524.

  Высокопрочный сплав системы 1933, в виде ковочных и прессованных полуфабрикатов, обладающий уникальным сочетанием прочности ( s = 450-500 МПа) и вязкости разрушения, превосходит по этим показателям сплавы США (7175 и 7050). Сплав в виде крупногабаритных деталей (шпангоутов, фитингов, балок) применен в изделиях КБ "Антонов", КБ "Яковлев" и др. Планируется использовать сложные по форме фитинги длиной до 6 м на аэробусах А320, A 3 XX .

  Проведенные в последние годы исследования по оптимизации высоколегированной композиции системы Al - Zn - Mg - Cu с малой добавкой Zr (1965 - сплав В-96ц-3) позволили в новых состояниях Т12, Т2 обеспечить на 10-20% более высокую прочность (по сравнению со сплавом В95пч, оч). Сплав имеет благоприятное сочетание сверхвысокой прочности и повышенной коррозионной стойкости при хорошем уровне вязкости разрушения и технологической пластичности. Сплав В96ц-3 в виде длинномерных катанных и прессованных полуфабрикатов предназначен для элементов, работающих преимущественно на сжатие в полете (верхние обшивки крыла и др.).

Перспективный путь повышения весовой эффективности - совершенствование слоистых металлокомпозитов типа АЛОР и СИАЛ. По сравнению с алюминиевыми сплавами, СИАЛ обладает более высокой статической прочностью (в 1,5-2,0 раза), чрезвычайно низкой скоростью роста усталостной трещины (в 10-20 раз), пониженной на 10-17% плотностью и большим (в 1,5-2,0 раза) сопротивлением усталости.

  Еще один способ повышения весовой эффективности - уменьшение плотности алюминиевых сплавов, который реализуется путем создания рецептур сплавов, легированных литием. Создана серия сплавов средней (1420, 1424, 1441) и высокой (1460) прочности типа 1460. Высокопрочный свариваемый сплав 1460 предназначен для эксплуатации в широком интервале температур от +175°С до -253°С; его применение в космических конструкциях, взамен сплавов типа АМг6, существенно повышает сохранность прочностных свойств (до 0,94 вместо 0,65) сварных конструкций при температурах -253°С, что позволяет снизить вес конструкции до 35%.

  В области жаропрочных алюминиевых сплавов предстоят работы по уточнению рецептур (сплав 1143 системы Al - Cu - Mg - Fe - Ni ), в - частности содержания Fe , Ni в сплаве и влияния примесей при температурах испытания 150°С и 175°С не менее, чем за 1000 час; оптимизации интервала легирования, режимов термической обработки, исследованию коррозионной стойкости для сплава Д25   (системы Al - Cu - Mn ) для обеспечения длительной прочности s 1751000 = 270 МПа; изучения влияния состава сплава 1215 ( Al - Cu - Ge ) на кинетику процесса разупрочнения при температурах 150-200°С с выдержкой до 30000-60000 час.

  В группе к оррозионностойких высокотехнологичных сплавов системы Al - Mg - Si и Al - Zn - Mg - Cu , используемых на обшивке фюзеляжа гидросамолетов и палубной авиации в виде штамповок и прессованных полуфабрикатов   для самолетов морской авиации,   применение сплавов АД-37 и В91 позволит увеличить календарный срок службы изделий и их узлов, сократить в 2-3 раза количество ремонтов при эксплуатации морской авиации и снизить трудоемкость изготовления деталей на 10-20%.

Высокопрочные титановые сплавы

В области конструкционных, в том числе литейных, титановых сплавов, задача повышения ресурса и надежности   решается созданием нового поколения комплексно-легированных сплавов (типа ВТ-23)   с повышенными характеристиками предела выносливости на 30% и трещиностойкости   на 200%, при снижении стоимости сплава на 20-30% за счет полного перехода на отечественное сырье и недефицитные легирующие компоненты (отсутствие молибдена и ванадия).  

Конструкционные стали

     Стали стабильно применяются в современном самолетостроении и объем их применения находится на уровне 5-10%. В некоторых самолетах, например сверхзвуковых истребителях, стали являются профилирующим материалом. Основное предназначение сталей - использование их в конструкциях, требующих высоких значений жесткости, удельной прочности, усталостной долговечности, теплопрочности, коррозионной стойкости и ряда других параметров.

  Благодаря новым разработкам удалось повысить минимальный уровень прочности стали до 1950 МПа при сохранении значений величины К1с. В последнее время созданы новые экономнолегированные высокопрочные конструкционные свариваемые стали ВКС-8    ( s = 1800 -2000 МПа) и ВКС-9 ( s = 1950-2150 МПа), которые по значениям трещиностойкости не уступают, а в ряде случаев и превосходят сталь ЗОХГСН2А.

Высокопрочные коррозионностойкие стали эффективно используются в криогенной технике.

  Разработка и создание перспективных криопланов (самолетов с двигателем на водородном топливе) делают необходимым проведение исследований по получению безуглеродистых коррозионностойких сталей, работоспособных в среде жидкого и газообразного водорода.

 

Полимерные композиционные материалы (ПКМ)

Благодаря существенным преимуществам по удельной прочности и жесткости, исключительному сочетанию конструкционных, теплофизических, специальных свойств, ПКМ в большом объеме применяются в конструкциях ЛА.

Если в конструкции планера и в интерьере самолета Ту-204 объем применения ПКМ составил 14% от массы, то в перспективных пассажирских аэробусах (типа АЗХХ) он достигнет 25%.

  Применение ПКМ на основе углеволокна - одно из эффективных средств снижения массы конструкции. Совершенствование прочностных, деформационных, теплофизических характеристик углепластиков и повышение их теплостойкости (рис.1) даст возможность использовать их не только в слабо- и средне- нагруженных конструкциях пассажирских самолетов (интерьер, средства механизации крыльев, зализы и т.п.), но и, в перспективе, по аналогии с военными самолетами, в высоконагруженных деталях типа крыльев, вертикальных рулей и др.

  С целью создания теплостойких ПКМ, способных эксплуатироваться при температурах 300-400°С, разработаны научные основы получения полимерной матрицы методом изомеризационной полициклизации непосредственно на наполнителе предварительно полученного форполимера.
  Полученные таким образом полимерные матрицы с плотностью 1,44-1,50 г/см3 обладают физико-механическими показателями, не уступающими лучшим эпоксидным связующим, обладая одновременно термоокислительной устойчивостью вплоть до температур 500-520°С и температурой стеклования Тд > 400°С.

На основе разработанного связующего изготовлены опытные образцы угле-, стекло- и органопластиков.

  Объем применения в конструкциях вертолетов ПКМ (угле-, стекло- и органопластики) и гибридных материалов существенно выше, чем в самолетных конструкциях, и достигает в изделиях последних модификаций до 60% от массы.

  Их применение в конструкциях несущих винтов, лонжеронов, обшивки и нервюр хвостовых секций, обшивок сотовых панелей руля, киля, стабилизатора, топливных баков, антенных обтекателей обеспечивает снижение веса на 30%, увеличение ресурса в 2-4 раза, существенное повышение боевой живучести.

  Особенно эффективно применение ПКМ для изготовления лопастей вентиляторов для двигателей самолетов Ан-70, Ил-114, Ан-140, Ан-38.

    Благодаря снижению массы лопастей (по сравнению с алюминиевым сплавом на 66%) обеспечиваются: высокая тяга на старте, сокращение разбега при взлете и посадке, снижение в 2-3 раза шума и вибрации, расхода топлива на 25% и повышение КПД до 0,85-0,88.

Дальнейший прогресс в применении ПКМ для сильнонагруженных конструкций связывается с разработкой нового класса слоисто-волокнистых анизотропных полимерных материалов - адаптирующихся композиционных материалов (АКМ).

  АКМ типа углепластиков имеют анизотропию, созданную нетрадиционной укладкой монослоев. Ось анизотропии имеет некоторый угол с линией действия нагрузки в плоскости конструкций, например, обшивок, балок и т.п. Исследования показали, что при силовом воздействии на конструкцию и определенной структуре материала, характеризующегося разницей в углах между линией действия сил и главной осью анизотропии, происходит значительная деформация изделия из плоскости, т.е. изменение его формы, что приводит к изменению распределения действующих нагрузок, что, в конечном счете, выражается в снижении нагрузок, действующих на конструкцию в целом, и, как следствие, снижению ее массовых характеристик (рис. 2).

Следует отметить, что применение традиционных композиционных конструкций может принести определенный эффект, однако применение адаптирующихся КМ этот эффект значительно увеличивает. Например, согласно расчетам, применение обычных КМ в концевой части крыла самолета на одной трети размаха приводит к уменьшению массы конструкции планера на 150 кг, в то время как применение адаптирующихся КМ, деформирующих крыло в нужном направлении, при расчетных режимах позволит уменьшить массу крыла на 3200 кг (расчеты, выполненные для самолета большой пассажировместимости на 700 пассажиров при взлетной массе 600 тонн типа АЗХХ).

На практике реализована возможность достижения высоких массовых и аэродинамических характеристик при использовании адаптирующегося материала - углепластика AKM - ly в крыле обратной стреловидности истребителя С-37 "Беркут" АО "ОКБ Сухого".

В последние годы дальнейший прогресс в совершенствовании свойств полимерных материалов, в частности клеёв, композитов, компаундов и др., связывают с исследованиями в области наноструктурированных материалов и технологий.

Перспективы их использования оказались столь значительными, что ученые и инженеры многих специальностей увидели в этом феномене отчетливые признаки новой научно-технической революции.

Особые свойства материи на наномасштабном уровне проявляются в силу того, что размеры частицы (молекулы, кластера, зерна, домена) становятся сравнимы с масштабами таких физических величин, как средний пробег электронов в металлах, размеры доменов в ферромагнетиках, пробег фононов в кристаллах, эффективные размеры экситонов в полупроводниках. В основе функционирования наносистем лежат, таким образом, квантовые проявления материи. На основе этих представлений и уже наработанного эксперимента прогнозируется создание наноструктурированных углеродных и керамических материалов в десятки раз более прочных, чем сталь, полимерных материалов в 3 раза более прочных, чем существующие полимеры, для применения в самолетостроении.

     Исключительный, интерес вызывают углеродные наномодификаторы-фуллерены и нанотрубки Фуллерен С60 - устойчивая сфероидная кристаллическая молекула с радиусом 0,357 нм. Кроме нанофактора, она обладает уникальной совокупностью свойств: растворимостью (в бензоле 2,5 мг/мл); способностью к присоединению (до 26 групп -ОН); способностью проявлять свойства полупроводника и сверхпроводника, либо выдерживать большие напряжения, либо выборочно блокировать свет.

    В принципе, с помощью функциональных производных фуллеренов, можно организовать в полимерной матрице объемный армирующий каркас. Это позволило бы ослабить отрицательное влияние анизотропии - известного недостатка слоистых композитов. Вообще фуллерены следует рассматривать как особый универсальный объект для широкого круга прикладных разработок.

Конкурентоспособность будущих пассажирских самолетов в значительной мере зависит от обеспечения требуемых параметров по уровню шума на местности (АП-36) и в салоне самолета,а также пожаробезопасности декоративно-конструкционных и декоративно-отделочных материалов (АП-23 и АП-25).

     Для реализации этих требований стоят задачи по созданию комплекса звукопоглощающих, звукоизолирующих материалов, термопластичных декоративных пленок и сот на основе термопластов с допустимыми параметрами тепловыделения.

Разработанные материалы и конструкторско-технологические решения должны обеспечить снижение шума в салоне и на местности на 5-20Д6 и расширение диапазона частоты поглощаемых шумов до 12000 Гц.

     В настоящее время идет конструкторская, технологическая и материаловедческая проработка проблемы создания двигателя нового, шестого поколения. При этом задача по повышению работоспособности материалов в условиях жесткого комплексного воздействия высоких температур напряжений и агрессивной среды является одной из важнейших.

    В двигателе шестого поколения необходимо обеспечить отношение тяга/масса =20:1. Для сравнения, это отношение для двигателей четвертого поколения (1970-1975 гг.) равняется 8:1, а для современных двигателей пятого поколения (1985-2000 г. г.) - 10:1.

    Применение новых классов материалов и технологий должно обеспечить:
  • - рост рабочей температуры газа   двигателей   нового   поколения с   1300-1400°С до 1600-1800°С;
  • - снижение расхода топлива с 0,6 до 0,4 кг топлива/кг тяги час;
  • - рост тяги с 28000 до 40000 кгс;
  • - повышение надежности и ресурса дисков в 2-3 раза, температуры на   50-70°С, снижение веса дисков на 10-15%;
- снижение расхода дефицитных легирующих элементов (Со, W , Nb , Re и др.).

Для повышения ресурса и надежности жаропрочных титановых сплавов в первую очередь предстоит наиболее полно реализовать потенциальные возможности отечественных сплавов за счет усовершенствования технологических схем производства серийной продукции (сплавы ВТ8М1, ВТ8-1, ВТ25У, ВТ 18).

   Вместе с тем, потенциальных возможностей по дальнейшему повышению жаропрочности титановых сплавов при температурах > 620°С остается крайне мало, а возможности легирования практически исчерпаны. Основные перспективы в разработке и освоении нового поколения конструкционных жаропрочных титановых сплавов с повышенной плотностью, окисляемостью и горючестью связаны с разработкой интерметаллидных сплавов на основе    Ti 3 Al и Ti А l для работы при температурах 600-800°С.

    Важнейшей задачей при создании ГТД является повышение жаропрочности турбинных лопаток, испытывающих исключительно высокие температурные и силовые нагрузки.

   Основными факторами, определяющим технический прогресс в области создания перспективных ГТД авиационного и наземного назначения, являются разработка новых жаропрочных сплавов для рабочих и сопловых лопаток, разработка процессов и оборудования для производства монокристаллического литья, решение проблем эффективного охлаждения деталей, а также обеспечение выхода годной продукции по геометрическим и кристаллографическим параметрам и структурного совершенства получаемых отливок.

   Необходимость дальнейшего повышения рабочих температур и ресурса деталей ГТД вызвала потребность в изыскании новой, более термостабильной основы сплавов, чем твердый фазоупрочненный раствор на основе никеля.

    В качестве такой основы целесообразно использовать интерметаллические соединения типа Ni 3 Al , ковалентные связи в которых способствуют более эффективному решению проблем жаропрочности по сравнению с обычными металлическими связями твердого раствора. В зависимости от дополнительного легирования основы Ni 3 Al , а также от структуры отливок, определяемой технологией литья, можно регулировать уровень жаропрочности этих сплавов. При переходе от равноосной структуры к столбчатой и далее к монокристаллу жаропрочность сплава возрастает.

   Комплекс свойств интерметаллидного сплава с монокристаллической структурой ВКНА-1В МОНО представлен в таблице 1.

   Следует отметить, что при одинаковом уровне жаропрочности (температура 1100°С) интерметаллидные сплавы содержат существенно меньшее количество дефицитных дорогостоящих тугоплавких элементов, таких как W , Мо и др. Наиболее эффективно применение сплавов на интерметаллидной основе для изготовления охлаждаемых и неохлаждаемых сопловых лопаток, деталей жаровых труб и реактивного сопла, работающих в интервале температур 900-1150°С.

Новейшие разработки в этом направлении позволяют повысить жаропрочность сплавов до уровня s 1200 0 C 100 > 50-70 МПа.

   Дальнейший прорыв в области жаропрочных материалов (рабочие температуры до 1300°С и более) обеспечивают также металлические композиционные материалы (МКМ). В качестве матрицы используют различные материалы, такие как Al , Ti , интерметаллиды и др., а в качестве армирующих материалов - нитевидные кристаллы, дисперсные частицы тугоплавких соединений, в частности - карбида кремния, оксидные или вольфрамовые волокна и др.

    К особому классу композиционных материалов следует отнести так называемые естественные композиты, получаемые по технологии направленной кристаллизации эвтектических сплавов. В этих сплавах каждая из эвтектических фаз растет перпендикулярно фронту кристаллизации, что позволяет путем перемещения плоского фронта кристаллизации получить ориентированную структуру волокнистого строения.

   В части совершенствования технологических процессов литья монокристаллических лопаток с транспирационным охлаждением намечается разработать процесс, обеспечивающий получение в профильной стенке лопаток (толщина 2 мм) систему штырьков, продольных каналов (сечением 0,5 х 2,0 см) и отверстий, который может быть осуществлен без какой-либо крупной реорганизации серийных производств с использованием имеющегося на заводах оборудования.

   Особой задачей двигателестроения является создание сварных жаропрочных конструкций, таких как жаровые трубы, сварные корпуса камер сгорания и др. К ним предъявляется комплекс жестких технологических требований, в частности, хорошая свариваемость, высокая технологическая пластичность. Наиболее перспективными являются отечественные жаропрочные свариваемые сплавы, такие как ВЖ145, ВЖ155, ВЖ159.

Сплав ВЖ155 является наиболее высокотемпературным свариваемым материалом для жаровых труб камер сгорания. По температуре работы (1200-1250°С) этот сплав превосходит все отечественные и зарубежные материалы на Cr - Ni и Cr - Ni - Co основе.

Сплав ВЖ159 по основной характеристике материалов для жаровых труб - термостатичности - в несколько раз превосходит серийные отечественные материалы. Он обладает высокими прочностными характеристиками, что позволяет снизить вес сварных узлов и использовать его в качестве материала как жаровых труб, так и корпусов (таблица 2).

Применение свариваемых сплавов ВЖ145, ВЖ155, ВЖ159 позволило повысить рабочие температуры жаровых труб на 150-200°С, увеличить ресурс в 2-5 раза, а для сварных корпусов существенно повысить удельную прочность, снизить массу на 15% и уменьшить трудоемкость при изготовлении и ремонте на 15-30%.

   Целенаправленная разработка высокопрочных сталей, титановых сплавов, магнитных материалов, специальных клеёв, теплоаккумулирующих материалов и т.п. позволила значительно повысить "весовую культуру" агрегатов и приборов, надежность и ресурс их работы, улучшить помехонечувствительность и многие другие важные специфические характеристики.
   Новые высокопрочные стали ВКС-9 и ВКС-12 для деталей шасси и силовых конструкций планера наряду с высокими значениями прочности сохраняют высокие характеристики надежности, малоцикловой усталости, которые достигаются за счет комплекса мероприятий по технологии выплавки, деформации и оптимального легирования. В указанных сталях отмечается низкое содержание вредных примесей и газов.

  За счет разработки композиций элинварных сплавов, обладающих мало изменяющимися с температурой упругими свойствами, повышена точность срабатывания (в 5 раз) датчиков приборов измерения физических параметров (давление, плотность, скорость), обеспечено снижение веса и габаритов приборов.    Широкое применение в самолетах, вертолетах и двигателях нового поколения материалов и технологий, наряду с внедрением прогрессивных методов неразрушающего контроля, развития системы управления качеством, обеспечат создание и эксплуатацию конкурентоспособной отечественной авиационной техники XXI века.
на основе термопластов