Внедрение технологий аддитивного производства для изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей газотурбинных двигателей перспективного двигателя ПД-14 для самолета МС-21.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
ФГУП
«
ВИАМ
»

ГНЦ РФ

105005
, ул. Радио,
1
7
,

E
-
mail:
[email protected]

www.viam.ru

Федеральное государственное унитарное предприятие
«Всероссийский научно
-
исследовательский институт
авиационных материалов»

Разработка и применение отечественных
металлических порошков жаропрочных сплавов
на никелевой основе для селективного лазерного
сплавления

С.В. Неруш

Начальник сектора «Аддитивного
производства»

25 марта 2015 г.

г. Рыбинск

«Исследования и разработка экспериментальных аддитивных технологий для изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей
газотурбинных двигателей (ГТД) с использованием металлических порошков жаропрочного сплава на основе никеля»

Индустриальный партнер:

ОАО «Авиадвигатель»

Консорциум:

ФГУП «ВИАМ», ФГАОУ ВО НИУ «
СПбГПУ
», ИПЛИТ РАН


Внедрение

технологий

аддитивного

производства

для

изготовления

и

ремонта

сложнопрофильных

деталей

газотурбинных

двигателей

перспективного

двигателя

ПД
-
14

для

самолета

МС
-
21







Разработка

технологий

изготовления

порошков,

синтезированных

деталей

высокой

плотности

с

применением

горячего

изостатического

прессования




Моделирование

физических

процессов

при

синтезе

из

металлических

порошков

в

процессе

селективного

лазерного

сплавления

и

наплавки,

разработка

CAD

моделей,

разработка

технологии

лазерной

наплавки
;




Исследование

влияния

параметров

процесса

послойного

лазерного

сплавления

и

гранулометрического

состава

порошков

применительно

к

получения

крупногабаритных

сложнопрофильных

деталей

Разработанные технологии:

-
Позволят

осуществить

трансформацию

традиционных

технологий

изготовления

и

ремонта

сложнопрофильных

деталей

ГТД

в

технологии

нового

поколения

(шестого

уклада)

-

изготовление

и

ремонт

сложнопрофильных

деталей

ГТД

за

один

технологический

процесс

(снижение

трудоемкости

изготовления

в

10
-
30

раз)
;

Сроки выполнения проекта:

2014
-
2016 гг.

V

Разработаны электронные модели сложнопрофильных деталей ГТД для изготовления методом
послойного лазерного сплавления МПЖСН:

-

Для

изготовления

сложнопрофильных

деталей

«газосборник»

и

«завихритель»

выбран

сплав

марки

ВЖ
159
;

-

Для

изготовления

сложнопрофильных

деталей

«лопатка

сопловая

2
-
й

ступени

ТВД»

и

«панель

теплозащитная»

выбран

жаропрочный

сплав

марки

ВКНА
-
1
ВР
;

-

Для

изготовления

сложнопрофильной

детали

«сопловой

блок

2
-
й

ступени

ТНД»

выбран

жаропрочный

сплав

марки

ЖС
6
К
;

-

Для

изготовления

сложнопрофильных

деталей

«рабочая

лопатка

6
-
й

ступени

ТНД»

выбран

сплав

марки

ВЖЛ
12
У
.

•газосборник

•лопатка сопловая

•панель теплозащитная

•сопловой блок

•рабочая лопатка

Объект исследования (разработки)

•завихритель

Требования к металлическом порошкам для аддитивных технологий

V

Выбраны

основные

требования

к

металлическим

порошкам

для

аддитивных

технологий

:



Требования

по

морфологии

(сферичность,

допускаемое

количество

дефектов)
;


Требования

по

гранулометрическому

составу

(верхняя

и

нижняя

граница

диапазона

применяемых

частиц)
;


Требования

по

фракционному

составу

(соотношение

фракций

внутри

выбранного

диапазона)
;


Требования

по

технологическим

свойствам

(текучесть,

плотность)


Требования

по

химическому

составу

и

газовым

примесям

(для

конкретных

металло
-
порошковых

композиций)
.

Оборудование и исходные шихтовые заготовки для получения
порошков

Схема процесса атомизации

Тигель с донным сливом

Плавильная камера

Шихтовая заготовка
сплава ВЖЛ12У и
керамическая форма

Шихтовая заготовка сплава
ВКНА1ВР

Разъемный кокиль

Выбор диапазонов значений основных технологических режимов
процесса атомизации для получения порошков



плавки

Сплав

Расход

газа

на

форсунке,

кг/мин


Расход

металла,

кг/мин

Температура

расплава,


С

14
-
149
АН

ВКНА
1
ВР

3,5

3,02

1650

14
-
151АН

7,5

2,33

1650

14
-
152АН

4,5

2,09

1650

14
-
146АН

ЖС
6
К

3,5

3,56

1620

14
-
153АН

7,5

1,9

1630

14
-
154АН

4,5

1,84

1630

14
-
148АН

ВЖ
159

3,5

3,25

1650

14
-
157АН

7,5

1,87

1650

14
-
160АН

4,5

2,24

1650

14
-
147АН

ВЖЛ
12

4,5

2,89

1600

14
-
155 АН

7,5

3,54

1620

14
-
156АН

3,5

3,19

1620

металл

Газ (аргон)

Исследование гранулометрического состава полученных порошков

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
%

размер частиц, мкм

Грануляция ЖС6К

-

14
-
146 АН (3,5 кг/мин):

10
-
50 мкм
-
34,2%; 40
-
80 мкм
-
26,3%

-

14
-
153 АН (7,5 кг/мин):

10
-
50 мкм
-
41,2%; 40
-
80 мкм
-
37,0%

-

14
-
154 АН (4,5 кг/мин);


10
-
50 мкм
-
36,5%; 40
-
80 мкм
-
36,0%


0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
%

размер частиц, мкм

Грануляция ВЖЛ12У

-

14
-
147 АН (3,5 кг/мин)

10
-
50 мкм
-
23,8%; 40
-
80 мкм
-
22,6%


-

14
-
156 АН (4,5 кг/мин)


10
-
50 мкм
-
21,4%; 40
-
80 мкм
-
18,7%



-

14
-
155 АН (7,5 кг/мин)

10
-
50 мкм
-
35,8%; 40
-
80 мкм
-
36,2%


0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
%

размер частиц, мкм

Грануляция ВЖ159

-

14
-
149АН (3,5 кг/мин)

10
-
50 мкм
-
27,1%; 40
-
80 мкм
-
20,7%


-

14
-
151АН (7,5 кг/мин)

10
-
50 мкм
-
28,8%; 40
-
80 мкм
-
23,5%


-

14
-
152АН (4,5 кг/мин)

10
-
50 мкм
-
28,6%; 40
-
80 мкм
-
23,2%



0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
%

размер частиц, мкм

Грануляция ВКНА
-
1ВР

Исследование гранулометрического состава полученных порошков

-

14
-
148АН (3,5 кг/мин)

10
-
50 мкм
-
20,9%; 40
-
80 мкм
-
24,5%


-

14
-
157АН (7,5 кг/мин)

10
-
50 мкм
-
52,7%; 40
-
80 мкм
-
32,2%


-

14
-
160АН (4,5 кг/мин)

10
-
50 мкм
-
41,0%; 40
-
80 мкм
-
30,8%



ВКНА
-
1ВР

ЖС6К

ВЖЛ12У

ВЖ159

10
-
20
мкм

10
-
20
мкм

10
-
20
мкм

10
-
20
мкм

63
-
8
0
мкм

63
-
8
0
мкм

63
-
8
0
мкм

63
-
8
0
мкм

Исследование морфологии частиц

Наименование сплава

Фракция

Текучесть, с/50

г

ВКНА
-
1ВР
-
ВИ

-

40

+

25


мкм

17

-

80

+

40


мкм

15,5

ВЖЛ12У
-
ВИ

-

40

+

25


мкм

не течет

-

80

+

40


мкм

16

ЖС6К
-
ВИ

-

40

+

25


мкм

не течет

ВЖ159

-

40

+

25


мкм

16

Исследование технологических свойств полученных порошков СПбПУ

Наименование сплава

Фракция

Пикнометрическая
плотность, г/см
3

ВКНА
-
1ВР
-
ВИ

-

40

+

25


мкм

7,804

-

80

+

40


мкм

7,761

ВЖЛ12У
-
ВИ

-

40

+

25


мкм

7,915

-

80

+

40


мкм

7,922

ЖС6К
-
ВИ

-

40

+

25


мкм

8,000

ВЖ159

-

40

+

25


мкм

8,192

Определение текучести

Определение пикнометрической плотности

Исследование технологических свойств полученных порошков.

Пористость.

63
-
8
0
мкм

63
-
8
0
мкм

63
-
8
0
мкм

63
-
8
0
мкм

40
-
63мкм

40
-
63мкм

40
-
63мкм

40
-
63мкм

ВКНА
-
1ВР

ЖС6К

ВЖЛ12У

ВЖ159

Исследование
c
содержания газовых примесей в металлических
порошках жаропрочных сплавов на никелевой основе

ЖС6К
-
ВИ

14
-
154 АН


-
80 +
63 мкм


-
63 +
40 мкм

-
40 +
25 мкм

-
25 +
10 мкм

-
10 мкм

О
2
, %


0,0071


0,0078


0,012


0,013


0,026

N
2
, %


0,0005


0,0006


0,0004


0,0005


0,0006

ВЖЛ12У
-
ВИ

14
-
155 АН


-
80 +
63 мкм


-
63 +
40 мкм

-
40 +
25 мкм

-
25 +
10 мкм

-
10 мкм

О
2
, %


0,008


0,0095


0,0110


0,0150


0,032

N
2
, %


0,0007


0,0007


0,0007


0,0007


0,0008

ВКНА
-
1ВР

14
-
149АН


-
80 +
63 мкм


-
63 +
40 мкм

-
40 +
25 мкм

-
25 +
10 мкм

-
10 мкм

N
2
, %

0,0006

0,0004

0,0002

0,0002

0,0002

О
2
, %

0,0092

0,0080

0,0120

0,0140

0,02

ВЖ159

14
-
157 АН


-
80 +
63 мкм


-
63 +
40 мкм

-
40 +
25 мкм

-
25 +
10 мкм

-
10 мкм

О
2
, %


0,009


0,010


0,012


0,015


0,035

N2, %


0,0029


0,0028


0,0030


0,0023


0,0031

Исследование
c
содержания газовых примесей от гранулометрического
состава

-
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
-10
-25 +10
-40 +25
-63 +40
-80 +63
ЖС6К
-
ВИ

ВЖЛ12У
-
ВИ

ВКНА
-
1ВР

ВЖ159

О
2
,
%

фракция,


мкм

Применение металлического жаропрочного сплава ЭП648 при
изготовлении деталей методом послойного лазерного сплавления

Структура гранул, полученных методом атомизации

Фракционный состав порошка ЭП648,
использованного для синтеза СЛС
-
образцов

(95% фракции 10
-
40мкм)

Установка

Concept

Laser M2
Cusing

Лазер

Оптоволоконный
Yb:YAG

Мощность макс., Вт

400

Длина волны,
нм

1069

Зона построения, мм

250х250х280

Разгрузочная
(шахматная)
штриховка


«меандры»

Применяемые стратегии штриховки

Простая
линейчатая
(сплошная
однонаправленная
штриховка)

Дискретная,
сонаправленная
(штриховка
отдельными
областями,
направление треков
одинаковое)

Применение металлического жаропрочного сплава ЭП648 при
изготовлении деталей методом послойного лазерного сплавления

х100

х500

Структура СЛС
-
образца в поперечном
направлении

Пора, х6000

Трещина, х10000

Дефекты в образце,
синтезированном методом
СЛС

Структура и возможные дефекты

Синтез образцов

Продольный
разрез

Структура синтезированных образцов в сравнении с литым металлом
после закалки и старения

Структура литого металла

СЛС+ГИП х5000

СЛС + ПТО х2500

Размер зерна после СЛС+ПТО в 4
-
5 раз меньше по сравнению с литым
материалом (с ПТО)

х500

СЛС+ГИП+старение х5000

Исследование пористости заготовок в сыром состоянии и после ГИП

Параметр

СЛС

СЛС
+
ГИП

Общая

концентрация,

%

0,0688

0,0216

Общее

количество

объектов,

шт/мм
2

50,2971

65,4653

Минимальная

концентрация,

%

0,0296

0,0069

Максимальная

концентрация,

%

0,1220

0,0660

Минимальное

количество

объектов,

шт/мм
2

23,6913

14,9027

Максимальное

количество

объектов,

шт/мм
2

85,0350

112,4087

Состояние

SLM

SLM+
ГИП

Объемная доля

пор, %

≤0,1

≤0,02

Пористость в синтезированном металле

Состояние

Т исп.,

С

s
в
, МПа

s
0,2
, МПа

d
5
, %


,%

SLM

(
N
2
)

20

840

695

10
,4

7

SLM

(
N
2
)+ПТО

20

965

665

7,0

8

SLM

(
N
2
)+ГИП

20

1000

545

35

32

SLM (
Ar
)

20

870

605

27

27

SLM (
Ar
)+ПТО

20

1090

655

24

22

SLM (
Ar
)+ГИП

20

940

520

40

38

SLM
(
Ar
)+
ГИП+старение

20

1205

770

22

25

Литой+ТО
*

20

785
-
880

585
-
690

4,0
-
7,0

4,0
-
7,0

*
-

паспортные

характеристики

Механические свойства синтезированных образцов

Сравнение свойств синтезированного материала в различных
состояниях с литым материалом

Для ОАО «Авиадвигатель» изготовлена партия
завихрителей

(53 шт.) для испытаний в составе летающей
лаборатории (двигатель ПД
-
14).

Время изготовления (2 цикла): 4 рабочих дня +3 рабочих
дня ГИП и старение

Синтез партии радиальных завихрителей для ОАО
«Авиадвигатель»

Завихрители на
платформе построения

Извлечение
синтезированных
деталей

синтез

ГИП

старение

Отделение
поддержек

Виброгал
-
товка

внешней
поверхности

Сглаживание
«ступенек» на
«лопатках»
(кварцевый песок,
200 мкм)

Контроль
(рентгенов
-
ская

томография)

Стендовые
испытания

Основные этапы изготовления завихрителя
фронтового устройства КС после синтеза


Цикл изготовления деталей методом селективного лазерного сплавления в среднем
в 10 раз меньше чем по технологии литья по выплавляемым моделям)


Стенд для
испытаний
радиального
завихрителя

Испытание синтезированных завихрителей
фронтового устройства КС в условиях
ОАО «Авиадвигатель»

Результаты испытаний:


-
Коэффициент расхода воздуха: 0,20
-

середина расчетного диапазона
(0,190


0,210).

-
Состояние поверхности и коэффициент расхода воздуха
изготовленного
завихрителя

соответствуют требованиям КД.

-
Синтезированный материал по механическим характеристикам и
плотности пригоден для изготовления
завихрителя
.

Стендовые испытания завихрителя
фронтового устройства КС

В условиях ОАО «Авиадвигатель» проведены:


Стендовые испытания
завихрителей

фронтового
устройства КС, синтезированных методом СЛС .


Испытания
завихрителей

фронтового устройства
КС, синтезированных методом СЛС на
газогенераторе и двигателе ПД
-
14
(№№ 100
-
05, 100
-
06).

Завихритель

В ходе выполнения работ разработана нормативная техническая и
конструкторская документация:

ФГУП «ВИАМ»


ТУ
1
-
595
-
16
-
1260
-
2011

«Порошковые

композиции

из

сплава

ЭП
648
-
ВИ»



Временная

ТИ

«Изготовление

«
завихрителей
»

по

геометрической

модели

Э
-
100
-
03
-
708

методом

селективного

лазерного

спекания

из

материала

ЭП
648
-
ВИ

по

ТУ
1
-
595
-
16
-
1260
-
2011

на

установке

Concept

Laser
»

(технологические

параметры

синтеза,

термической

и

газостатической

обработки)
.


Итоги выполнения работ по разработке технологии
изготовления завихрителя фронтового устройства

Оформлено Решение № РШ
-
0285
-
2014

По вопросу: постановки
завихрителей

Э
-
100
-
03
-
708,

изготовленных методом селективного лазерного спекания,

на двигатель 100
-
07. Двигатель ПД
-
14.

ФГУП «ВИАМ» подготовлен договор на изготовление
завихрителей

фронтового устройства для ОАО
«Авиадвигатель» в количестве 53 штук для испытаний в
составе двигателя ПД
-
14 № 100
-
07
(на летающей лаборатории).

ОАО «Авиадвигатель»


Технические условия ТУ08.289 «Заготовки, получаемые
методом селективного лазерного спекания»


КД на «завихритель» 100
-
03
-
272 (изготовление методом
послойного лазерного спекания).

Деталь «распылитель»
для ПД
-
14

Деталь «стабилизатор»
для ПД
-
14

Перспективные работы по синтезу деталей горячего тракта ГТД

Изготовление сложнопрофильной детали «завихритель» двигателя НК38
-
СТ
методом селективного лазерного сплавления

из сплава ЭП648

В рамках совместных работ с ОАО «КМПО» достигнута
договоренности об изготовлении детали «завихритель»
для двигателя НК38
-
СТ из жаропрочного никелевого
сплава ЭП
-
648
-
ВИ методом SLM.

В настоящее время от ОАО «КМПО» получен заказ на
изготовление «завихрителей» в количестве 32 штук.

Получен от ОАО
«Авиадвигатель» заказ на
отработку технологии
изготовления деталей
«распылитель» и
«Стабилизатор» для двигателя
ПД
-
14 из жаропрочного
никелевого сплава ЭП
-
648
-
ВИ
методом SLM.

БЛАГОДАРИМ

за внимание

ФГУП ВИАМ ГНЦ РФ

105005, Москва, ул. Радио, 17

Тел.: +7(499)261
-
8677,

Факс: +7(499) 267
-
8609

Е
-
mail:
а
[email protected]

www.viam.ru


Приложенные файлы

  • pdf 4368025
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий