Ю.Е. Решетников

Известные преимущества титановых сплавов перед сталью, в частности по весовым и коррозионностойким характеристикам, привели к их широкому использованию в авиационном двигателестроении. На нашем предприятии применение титановых сплавов в конструкции проектируемых двигателей началось в 1964 г. с турбореактивного двухконтурного двигателя Д-30, вот уже 27 лет находящегося в серийном производстве и эксплуатации на самолете Ту-134.

Возможность снижения веса в 1,7 раза при замене стальных деталей на титановые, с сохранением показателей прочности и долговечности, а также изготовление деталей из прутков, сварных листовых заготовок, штамповок и отливок позволили деталям из титановых сплавов прочно утвердиться в составе узлов так называемой холодной части газотурбинного двигателя. Высоко оценили конструкторы и технологи свойство титановых деталей удовлетворять требованиям всеклиматических условий эксплуатации без нанесения каких-либо покрытий или покраски.

Во всех следующих за Д-30 двигателях, разработанных АО "Авиадвигатель" (Д-30 второй серии, Д-30 третьей серии, Д-30КУ, Д-30КП, Д-30Ф6 и ПС-90А), титановые сплавы находили все более широкое применение. Так, например, если на двигателе Д-30 титановые детали составляли 5% от общего количества деталей, то на Д-30Ф6 уже 9, а на ПС-90А - 10%. Наглядно объем использования титановых сплавов в конструкции двигателя ПС-90А показан на рис. 1, из которого видно, что из этих сплавов изготовлены детали самых разных узлов двигателя, но основная их доля приходится на компрессоры низкого и высокого давления. При этом используют как деформируемые сплавы средней прочности, высокой прочности и жаропрочные, так и литейные. Благодаря более высокой удельной жаропрочности титановых сплавов по сравнению со сталями нам удалось снизить вес компрессоров на 30-35%.

Рис.1 Использование титановых сплавов в конструкции двигателя ПС-90А

Для производства таких ответственных и нагруженных деталей, как диски, рабочие и направляющие лопатки, промежуточные кольца компрессоров, применяли деформируемые двухфазные (α+β) – сплавы ВТ3-1, ВТ8, α-сплав ВТ18У. Корпусные и другие детали на наших двигателях изготовлены из низколегированного сплава с повышенной пластичностью ОТ4-1, псевдо-α-сплавов средней прочности ОТ4, ВТ20, (α+β)-сплава ВТ6, обладающих удовлетворительной технологической пластичностью Для фасонного литья с целью повышения КИМ и снижения использовали α-сплав ВТ5Л. Более подробная информация об использовании титановых сплавов на двигателе ПС-90А представлена в таблице.

Таблица 1. Титановые сплавы, используемые в конструкции ПС-90А

Марка сплава или тип сплава	Полуфабрикат	Требования к полуфабрикатам по ТУ (σ, МПа)	Назначение сплава (узлы, детали)	Рабочие температуры, °С
ВТ8, ВТ8М d=4,48 g/cm3 (α+β)-сплав	Штамповки по ТУ1-807-312-90	960 - 1000	Диски I-VI ст.КВД (ВТ8)	до 350
	Штамповки по ОСТ-1.90002-86	980 - 1180	Рабочие лопатки вентилятора (ВТ8М)	90
	Штамповки по ОСТ-1.90197-89	960 - 1160	Диски привода подпорных ступеней, диск вентилятора (ВТ8), диски VII-VIII ст.КВД	до 120 до 450
	Цельнокатанные кольца по ОСТ-1.92131-92	≥ 960	Кольца промежуточные I-X ст. КВД (ВТ8)	150
	Прутки по ТУ1-805-178-90	≥ 961	Лопатки I-VIII ст. КВД, лопатки подпорных ступеней (ВТ8М), лопатки направляющие I-II ст. КВД	до 440
ВТ20 d=4,45 g/cm3 псевдо α-сплав	Цельнокатанные кольца по ОСТ-1.92039-75	≥ 932	Фланцы, смеситель, сопло
	Сварные кольца по ОСТ-1.90105-73	930 - 1180	Корпус КВД, кольца НА, кольца рабочие средних ступеней КВД, фланцы	до 500
	Листы по ОСТ-1.90218-76	930 - 1180	Нагруженные листовые детали
	Прутки по ОСТ-1.90107-73, ОСТ-1.90173-75	930 - 1180	Фланцы, кольца
ВТ5Л d=4,4 g/cm3 α-сплав	Литые электроды по ОСТ-1.90031-77 Отливки по ОСТ-1.90060-79	686 - 980	Литые детали различной сложности (фланцы, кронштейны, цилиндры и др.)	до 400
ВТ6 d=4,43 g/cm3 (α+β)-сплав	Кольца сварные по ОСТ-1.90100-73	930 - 1080	Кольца, фланцы, обечайки, корпуса и др.	до 350
	Кольца цельнокатанные по ОСТ-1.92039-75	≥ 883
	Прутки по ОСТ-1.90173-75	900 - 1050
	Прутки по ОСТ-1.90266-86	900 - 1050	Детали арматуры, переходники, фланцы, кольца, втулки и др.	350 - 400
ВТ3-1 d=4,5 g/cm3 (α+β)-сплав	Прутки по ОСТ-1.90173-75	980 - 1225	Детали крепежа	до 350
ВТ18У d=4,49 g/cm3 α-сплав	Штамповки по ТУ1-92-32-80	≥ 883	Диски IX-XI ст. КВД	до 580
OT4 d=4,55 g/cm3 сплав с преобладанием α-раствора с небольшим количеством β-фазы	Цельнокатанные кольца по ОСТ-1.92039-75	≥ 675	Кольца ВНА внутренние, опора шарикоподшипника, фланцы, кольца	до 350
	Сварные кольца по ОСТ-1.90102-73	686 - 883	Кольца ВНА наружные, кольца НА, корпуса НА, кольца рабочие I-III ст. КВД фланцы реверсивного устройства	до 350
	Листы по ОСТ-1.90218-76	686 - 883	Штампуемые сварные детали (обечайки, манжеты, накладки и др.)	до 350

Достаточные прочность и надежность большого количества деталей, полученных из сплавов (см. таблицу), подтверждены многолетней эксплуатацией многотысячного парка двигателей семейства Д-30 на самолетах гражданской (ТУ-134, ТУ-134А, ИЛ-62М, ИЛ-76, ТУ-154М) и военной (МиГ-31) авиации. Эти двигатели имеют сегодня ресурс 18000-19000 ч, а суммарная наработка двигателя Д-30 в настоящее время превысила 23 млн. ч.

Надежность, ресурс, качество и снижение трудоемкости деталей из титановых сплавов обеспечивались разработкой новых и совершенствованием традиционных технологий производства, направленных на исключение или существенное уменьшение влияния известных недостатков титановых сплавов. Обладая высокой коррозионной стойкостью во всеклиматических условиях, эти сплавы характеризуются в то же время низкими антифрикционными свойствами и высокой химической активностью. При трении они склонны к схватыванию и задиранию. Для повышения износостойкости и исключения фретинг-коррозии такие соединения, как замки лопаток компрессоров, покрыты серебром, что позволило обеспечить надежную работу самой массовой детали двигателей.

Долговечность ряда ответственных деталей была повышена благодаря применению специальных технологических операций. С помощью методов упрочения (поверхностно-пластического деформирования и термомеханической обработки) удалось улучшить сопротивление многоцикловой усталости лопаток из сплавов ВТ3-1 и ВТ8М на 15-30%.

При определенных сочетаниях концентрации и давления кислорода, а также температуры при наличии свежего излома, т. е. незащищенной окисной пленкой поверхности, возможно загорание титана на воздухе. Опасность возникновения титанового пожара на авиационном двигателе потребовала самого ответственного отношения к этой проблеме. В результате многолетних исследований и большого объема расчетно-экспериментальных работ был определен правильный выбор величин радиальных зазоров, специальных покрытий, допускающих задевание о них вращающихся титановых деталей без угрозы возгорания, подбор пар титан-сталь вместо титан-титан и др. Все эти решения подтверждены специальными испытаниями с искусственно созданными пожароопасными условиями в газовоздушном тракте компрессора. Успешно прошел специальные испытания на пожаробезопасность и двигатель ПС-90А.

Наряду с опытным производством АО "Авиадвигатель" значительная работа по освоению и совершенствованию техпроцессов изготовления литых титановых деталей была выполнена в серийном производстве АО "Пермские моторы", где только для двигателя Д-30Ф6 освоено 165 наименований литых деталей. В номенклатуре литых титановых деталей много сложнофасонных тонкостенных отливок с толщиной стенок 2,5-4 мм. Основной задачей для получения отливок заданной геометрии была стабилизация усадки форм, которая решена с помощью технологии на основе графитовых порошков со связующей фенольной смолой, катализатором-контактом, двухступенчатой прокалкой форм и вакуумно-дуговой плавкой с центробежной заливкой отливок. Для особо сложных крупногабаритных и тонкостенных отливок разработана технология получения керамических форм с последующей пропиткой формы пироуглеродом из газовой фазы. Еще один пример из серийного производства – для более полной утилизации титанового возврата создана и внедрена установка электронно-лучевого переплава титановых литников с последующим использованием их в качестве слитков свежего сплава.

Применение титановых сплавов как в опытном, так и в серийном производстве потребовало существенного повышения уровня культуры производства, начиная от заготовительных и заканчивая финишными операциями при изготовлении деталей, поскольку даже незначительные, на первый взгляд, отклонения от установленных режимов штамповки, термообработки, механической обработки, наличие малозаметных рисок от шлифования на поверхности лопаток компрессора порой приводили к поломкам деталей при испытаниях.

Кроме литых титановых деталей в конструкции двигателей, разработанных АО "Авиадвигатель", широко используют детали, полученные из кованых заготовок, сварные конструкции. Так, например, на двигателе ПС-90А около 40 сварных узлов с соединениями выполнены электронно-лучевой сваркой. На установках ЭЛУ-5, ЭЛУ-9, ЭЛУ-10 и ЭЛУ-25 свариваются соединения из сплавов ОТ4, ОТ4-1, ВТ5Л, ВТ6, ВТ8, В120 с толщинами стыков от 1,25 до 20 мм. Свариваемые детали – корпуса, кольца, фланцы, штоки, направляющие и др.

Соответствующее оборудование и технология сварки обеспечивают прочность сварного соединения не менее 80% прочности соединяемых материалов.

Сварку крупногабаритных узлов со швами сложного пространственного расположения осуществляют в большой камере с контролируемой атмосферой.

Для изготовления рабочих лопаток вентилятора, лопаток ВНА, НА и СА применяют заготовки, полученные методом объемной штамповки или штамповки по методу ТМО. Спрямляющую лопатку вентилятора изготавливают из листа сплава ОТ4 с последующей трехкратной горячей вальцовкой и термофиксацией. Наше предприятие – одно из потребителей штампованных заготовок для дисков (см. табл.), получаемых ВСМПО (Верхнесалдинским металлургическим производственным обьединением) и кольцевых заготовок, изготавливаемых КМЗ (Кулебакским металлургическим заводом).

Более широкое внедрение титановых сплавов в разработки нашего конструкторского бюро сдерживается по нескольким причинам. Сплавы на основе титана имеют недостаточную износостойкость и эрозионностойкость. Ограничивают их применение невозможность получения деталей со стенкой до 0,8 мм при габаритах около 300 мм методом литья, отсутствие технических решений по термообработке сварных конструкций типа барабан ротора КВД из сплава ВТ8 и др. Решение этих проблем обеспечило бы значительное снижение веса изделий и повышение их ресурса. По некоторым из этих задач ведутся работы силами специалистов АО "Авиадвигатель". В частности, осваивается технология нанесения эрозионностойких покрытий, организовано отделение хромирования деталей, образующих пары трения.

Создание следующих поколений двигателей требует дальнейшего совершенствования имеющихся и разработки новых титановых сплавов и титановых технологий.