ВИАМ добавит материалам интеллекта
Разработка новых материалов и освоение аддитивных технологий позволили совершить прорыв в отечественном авиационном двигателестроении. На очереди — создание интеллектуальных материалов, меняющих свои свойства в зависимости от условий и среды эксплуатации
Взятый российской промышленностью курс на импортозамещение должен быть подкреплен созданием материалов, имеющих особые свойства, которые способны обеспечить новые качества и характеристики готовым изделиям. И здесь ведущую роль играет Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ) НИЦ «Курчатовский институт», где к настоящему времени в кооперации с отраслевыми институтами и конструкторскими бюро было создано более 3200 марок конструкционных и функциональных материалов.
Генеральный директор ВИАМ Евгений Каблов рассказал «Эксперту» о том, как разработки института дали старт созданию авиадвигателя ПД-14 и какие новые материалы разрабатывает институт сейчас.
Евгений Николаевич Каблов, генеральный директор НИЦ «Курчатовский институт» — ВИАМ.
Родился 14 февраля 1952 года.
В 1974 году с отличием окончил МАТИ им. К. Э. Циолковского.
Трудовую деятельность начал в ВИАМ в должности инженера.
С 1996 года — генеральный директор ВИАМ.
Академик РАН, доктор технических наук, профессор Евгений Каблов — известный российский ученый в области наук о материалах, один из основателей школы современного материаловедения, автор научных разработок конструкционных и функциональных материалов нового поколения, которые нашли практическое применение в эксплуатируемых и перспективных летательных аппаратах, газотурбинных авиационных двигателях, ракетной, космической и специальной технике.
Евгений Каблов — лауреат Государственной премии СССР в области моторостроения (1987), лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники (1999), лауреат премии Правительства РФ за разработку и создание новой техники (2002), лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники (2010), лауреат Государственной премии РФ в области науки и технологий (2014).
За свою научно-организаторскую деятельность отмечен государственными наградами: орденами «За заслуги перед Отечеством» III и IV степени, орденом Почета, орденом Александра Невского, медалями, Почетной грамотой Президента Российской Федерации.
— Евгений Николаевич, можно ли говорить, что в настоящее время мы наблюдаем своего рода ренессанс в авиастроении? И если это действительно так, то с чем это связано, на ваш взгляд?
— Согласен, есть определенное движение к новым результатам. И здесь я бы в первую очередь отметил двигателестроение, точнее, создание первого за тридцать пять лет российского газотурбинного двигателя ПД-14.
Появление авиационного двигателя пятого поколения стало возможным благодаря поддержке Владимира Владимировича Путина, который в июне 2008 года во время посещения нашего института поддержал инициативу создания семейства газотурбинных двигателей гражданской авиации на базе унифицированного газогенератора. На тот момент с распада Советского Союза в стране не было создано ни одного авиадвигателя. Я тогда доложил ему, что в ВИАМ разработаны уникальные сплавы для турбин высокого и низкого давления, для камеры сгорания, превосходящие по своим характеристикам зарубежные аналоги. Министру промышленности и торговли Христенко было дано поручение подготовить предложения по постановке ОКР и их финансированию. В течение двух недель соответствующие предложения были подготовлены и доложены Владимиру Путину, который был тогда председателем правительства РФ. Итогом стало решение о выделении 12,8 миллиарда рублей на разработку первого в постсоветской России авиационного двигателя.
Головным разработчиком ПД-14 стало пермское конструкторское бюро «ОДК-Авиадвигатель» во главе с Александром Александровичем Иноземцевым. Благодаря его поддержке ВИАМ на базе имеющегося научно-технического задела разработал 20 новых высокотемпературных ресурсных материалов, а также технологии их получения.
Хочу отметить, что наши материалы традиционно (а мы можем с полным правом говорить о традициях — в этом году ВИАМ исполняется 90 лет) выходят на производство только после комплексной оценки на соответствие требованиям конструктора. Именно поэтому применение в конструкции двигателя ПД-14 инновационной продукции материаловедов ВИАМ обеспечило не только надежность, но и высокие эксплуатационные характеристики ПД-14, и сделало его конкурентоспособным на мировом рынке.
При изготовлении тонкостенных деталей камеры сгорания из деформируемых материалов мы вышли на аддитивные технологии, и в 2014 году впервые в Российской Федерации в ВИАМ была создана инфраструктура для аддитивного производства замкнутого цикла. Это позволило достаточно быстро сделать опытные партии, провести их паспортизацию, специальную квалификацию и предоставить конструктору.
Далее мы совместно с генеральным конструктором провели определенную работу для того, чтобы заводы могли выпускать разработанные в ВИАМ новые материалы. У нас уже были паспорта, технические условия, технологические рекомендации. Все это дало возможность уже в 2014 году сделать газогенератор.
Инновационность ПД-14 состоит в том, что при его разработке удалось получить качественное изменение основных параметров рабочего режима двигателя. Мы добились увеличения степени двухконтурности в два раза, температуры газа перед турбиной — на 100 позиций по шкале Кельвина, суммарной степени сжатия в компрессоре — на 20 процентов.
Для этого двигателя ВИАМ разработал принципиально новые конструкционные высокотемпературные металлические, интерметаллидные, композиционные, керамические, функциональные материалы и технологии изготовления крупногабаритных полуфабрикатов и деталей. Важнейшей составляющей этого проекта являются технологии создания широкохордной лопатки вентилятора из полимерных композиционных материалов, легких лопаток из интерметаллидных титановых сплавов, лопаток турбины высокого давления с монокристаллической структурой.
И, самое главное, впервые в России с применением аддитивной технологии была изготовлена деталь — завихритель фронтового устройства камеры сгорания ПД-14. При традиционном изготовлении методом точного литья с последующей механической обработкой такая деталь изготовлялась бы 60 дней, и выход годного при этом составил бы не более 40 процентов. А по аддитивной технологии срок изготовления — шесть дней, выход годного — 100 процентов. При этом мы получили колоссальный выигрыш в производительности труда — она возросла в десять раз. Но главное — это решение позволило добиться существенного снижения эмиссии NOx, СOx.
Кроме того, под руководством Иноземцева мы сделали мотогондолу, которая практически на 70 процентов состоит из полимерных композиционных материалов. Это первый опыт в российской практике — до этого мотогондолы у нас были металлические, а за рубежом для их изготовления уже давно применялись полимерные композиционные материалы.
— Эти материалы тоже разработал ВИАМ?
— Да, все материалы были разработаны нашими специалистами. По запросу конструктора мы использовали волокна с прочностными характеристиками на уровне волокна Т-800 — по международной классификации. Уровень Т-800 обеспечивает предел прочности волокна на разрыв 5,5 ГПа и другие свойства. Кроме того, мы разработали специальные связующие, которые обеспечивают очень хорошее выполнение характеристик по расслоениям, потому что это многослойная конструкция. По технологии волокна пропитывают связующими, и получается предварительно готовый материал в виде ленты, который затем укладывается под разными углами и формуется в автоклаве.
— Евгений Николаевич, композиционный материал для мотогондолы изготовлен полностью из российского сырья? Мы же помним историю с крылом для МС-21, когда нам было отказано в поставке определенных материалов, необходимых для его изготовления. И хорошо, что у нас они уже были разработаны в инициативном порядке. Здесь такой опасности нет?
— Для данного проекта по мотогондоле мы покупали волокна из КНР, так как пока отечественного ПАН-волокна на уровне Т-800 нет. В ноябре прошлого года в Елабуге был открыт завод по производству ПАН-прекурсора. Для начала надо достичь прочностных характеристик уровня Т-700 (предел прочности волокна на разрыв — 4,9 ГПа), а потом и Т-800. Достижение прочности углеродного волокна на уровне Т-800, а затем Т-1000 — это задача национального масштаба.
— Каковы, на ваш взгляд, перспективы освоения этого производства «Росатомом»?
— Вопрос очень непростой. Это крайне важное инновационное направление, необходимо точное соответствие требованиям по чистоте используемых компонентов. Для начала нужно сделать полиакрилонитрил, потом перевести его в предельный раствор, а из предельного раствора сформировать и по определенной технологии получить ПАН-прекурсор. Далее из ПАН-прекурсора получить само углеродное волокно. ПАНпрекурсор — это 80 процентов успеха по физико-механическим характеристикам. Но и с волокном не все просто. Для получения высокочистых компонентов необходимо развитие в стране такого направления, как специальная высокочистая химия. Мы не можем быть в постоянной зависимости от поставок из-за рубежа. А между тем в США, Японии, КНР эти производства и технологии уже очень сильно развиты.
В огне не горит
— Вернемся к двигателю ПД-14. Как говорят, нет предела совершенству. Планируется ли в процессе серийного производства двигателя заменить какие-то детали на новые, изготовленные из новых материалов или по новым технологиям, например аддитивным, для улучшения его характеристик?
— По этому двигателю все отработано, его характеристики соответствуют мировым стандартам. Его надо просто выпускать в требуемом количестве. А вот его газогенератор — это основа создания уже следующей линейки двигателей.
Вы знаете, что для самолета «Сухой Суперджет» используется французский двигатель SaM146, с которым возникают определенные проблемы. Поэтому принято решение, и президент дал соответствующую команду, делать для «Сухой Суперджет» двигатель ПД-8. Естественно, при его создании будут использованы разработки по ПД-14.
А перспектива дальнейшего развития двигателестроения с использованием опыта по проекту ПД-14 — это двигатель ПД-35 с тягой 35 тонн. Работа уже началась. Дополнительно к тем 20 материалам, которые были разработаны к ПД-14, мы совместно с ОДК и Иноземцевым создали еще 14 новых материалов. Это новые углепластики, новое связующее для рабочей лопатки вентилятора, клей ВК102А для приклеивания титановой защиты на входную кромку композиционной лопатки вентилятора.
Далее — подшипники, которые по праву считаются основой машиностроения. С производством подшипников у нас в стране существует серьезная проблема. Для ПД-35, а это большой двигатель, нужны подшипники больших габаритов, и, конечно же, для этого нужен надежный материал. В Советском Союзе такие материалы производились на Украине. Наш институт ранее не занимался подшипниковыми материалами, но специально для двигателя ПД-35 специалисты ВИАМ разработали ВКС17 — теплостойкую подшипниковую сталь.
Кроме того, мы создали уникальный материал — гамматитан алюминий, он почти на 50 процентов легче, чем традиционные сплавы на основе никеля или железа с никелем. Были проблемы с изготовлением из него лопатки турбины — этот материал обладает склонностью к горячим трещинам. Но сейчас все вопросы решены, и первая партия лопаток уже изготовлена.
Отмечу также, что порядка 50 деталей камеры сгорания двигателя ПД-35 изготавливаются по аддитивным технологиям.
— В ПД-14 по аддитивной технологии была сделана только одна делать — завихритель, а в ПД-35 их будет уже 50?
— Да, это необходимо для того, чтобы выдержать параметры двигателя. ПД-35 имеет вентилятор диаметром 3,1 метра. Степень двухконтурности — 1,7, это очень большой коэффициент. Сухая масса — 7550 килограммов, степень сжатия — 53, снижение эмиссии вредных выбросов — до 50–60 процентов.
— Ранее в интервью нашему журналу вы говорили, что сейчас перед мировыми производителями авиационных двигателей стоит задача создать двигатель с соотношением его массы к тяге 1 к 20. То есть двигатель должен быть в 20 раз легче, чем тяга, которую он создает. Мы приближаемся с ПД-35 к этому показателю?
— Да, и с ПД-14, и с ПД-35. Все зависит от того, какие материалы используются в структуре двигателя. Если интерметаллидов, полимерных металлических композитов, больше, то мы получаем снижение массы в два раза. Кроме того, 17 сборочных единиц в ПД-14 сделано из полимерных композиционных материалов, что, безусловно, способствует снижению массы конструкции.
— Для ПД-35 лопатки будут отливаться или выращиваться?
— Часть будет отливаться, а часть — выращиваться методом аддитивных технологий. Для ПД-35 нужен материал, который будет работать на температуре 1350 градусов Цельсия — это необходимо, чтобы убрать охлаждение лопаток турбины. Лопатка турбины работает при температуре, на 400–500 градусов превышающей температуру плавления, в силу того что она эффективно охлаждается. И надо создавать либо очень сложную систему охлаждения, либо материал, который в силу своего химического состава и структуры будет работать без охлаждения.
И конечно, можно использовать различные металлические, керамические композиционные материалы, которые обеспечивают работоспособность деталей, конструкции при высоких температурах.
— Можно ли говорить, что материалы, которые смогут выдерживать высокую температуру и, соответственно, позволят изменить конструкцию двигателя, — это материалы будущего?
— Безусловно. Но самая главная задача — интеллектуальные материалы, которые могут менять свои свойства в зависимости от условий и среды эксплуатации. Эта задача обозначена в разработанных в ВИАМ Стратегических направлениях развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года.
— Если сравнить наши разработки с разработками наших зарубежных коллег и конкурентов в части материалов — как можно оценить нашу позицию? Догоняем, вровень или перегнали?
— Сейчас обмен информацией очень ограничен. По имеющимся в доступе публикациям можно сказать, что весь необходимый объем современных материалов для ПД-14, которые отказались поставлять зарубежные производители, мы разработали и организовали производство. Подчеркну: благодаря тому, что работа по созданию соответствующего научно-технического задела была заранее профинансирована.
Отмечу, что у нас существует еще одна проблема, а именно оторванность фундаментальных исследований от прикладных. Это вызвано тем, что Российская академия наук не занимается научными исследованиями и без своих научно-исследовательских институтов, которые перешли из подчинения ФАНО в Минобрнауки, не может выступать в качестве высшей научной экспертной организации, как это было в СССР. Это необходимо исправить. Когда я баллотировался в президенты Академии, я говорил, что РАН необходимо вернуть право быть высшим научным учреждением, чтобы академия могла проводить исследования в своих научных организациях.
Надо добавить свое
— Созданное в ВИАМ аддитивное производство доказало преимущество использования этого метода. Но эта технология пока не получила массового распространения в стране. Почему?
— Да, на сегодняшний день в нашем институте действует единственное в Российской Федерации аддитивное производство полного цикла. В 2021 году ВИАМ произвел более 25 тонн различных металлопорошковых композиций. И под задачи крупных компаний — «Ростех», «Росатом», «Вертолеты России», «Роскосмос» — мы делаем только детали третьего уровня.
Поясню. Есть детали первого, второго и третьего уровней. Первый уровень — это вспомогательное производство, изготовление литейных форм, второй — прототипирование, третий, самый высокий, — ресурсные детали, которые полностью соответствуют конструкторской документации и могут ставиться на готовое изделие. И сейчас весь мир бьется за то, чтобы довести количество деталей третьего уровня до 80 процентов в общем объеме деталей аддитивного производства. У ВИАМ в 2021 году отгрузка деталей третьего уровня выросла почти в шесть раз — мы передали заказчикам пять тысяч деталей 300 типоразмеров и различных конфигураций. Очень радует, что среди заказчиков есть и производители энергетических силовых установок.
Наиболее впечатляющие результаты мы наблюдаем в области двигателестроения для вертолетов. Надо отдать должное Александру Ивановичу Ватагину, исполнительному директору АО «ОДК-Климов», и его сотрудникам — разработчикам вертолетного двигателя ВК-650В. Удалось сократить время изготовления газогенератора до четырех месяцев вместо 16 только благодаря аддитивным технологиям, уменьшить количество деталей на 30 процентов, сократить в два раза сроки подготовки производства. В итоге по этой новой технологии были проведены стендовые испытания газогенератора и изготовлены три двигателя. И все синтезированные материалы, которые разработаны ВИАМ совместно с КБ Климова, включены в спецификацию на материалы.
Для газотурбинных энергетических установок ГТЭ-65 и ГТЭ-170 мы делаем сложные детали — горелки, завихрители. Мы начали внедрять аддитивные технологии в 2014 году и уже вышли на такие объемы.
Проблема развития отрасли аддитивных технологий в нашей стране еще и в том, что многие организации заявляют, что сумеют организовать аддитивное производство, надеясь получить государственное финансирование. Решить эту проблему в одиночку очень сложно. Здесь требуется системное решение очень сложных наукоемких задач, ведь речь идет не просто о новых материалах — мы говорим о материалах нового поколения. Нужна неразрывность связи «материал — технология — конструкция», нужны цифровые технологии на полный жизненный цикл. Когда процесс будет выстроен именно таким образом — получим четыре месяца вместо 16, неделю против четырех месяцев.
Необходима разработка отечественного программного обеспечения, оборудования и методов неразрушающего контроля изделий аддитивного производства.
Задача развития аддитивного производства должна решаться системно. Мы разработали график движения от этапа к этапу, а также комплексную программу развития и внедрения аддитивных технологий в Российской Федерации. Надо отдать должное научному совету Совета безопасности РФ, который активно поддерживает это направление. Но необходимо решение на правительственном уровне в части развития аддитивных технологий в РФ.
— То есть в настоящее время можно говорить о довольно серьезной зависимости от иностранных поставщиков оборудования и программного обеспечения?
— Да, и иностранные производители вводят ограничения на технологические процессы, кроме того, продают не все порошковые материалы. Поэтому я не устану повторять, что аддитивные технологии — это основа промышленной революции двадцать первого века, и Российская Федерация должна очень активно развивать это направление, чтобы ликвидировать уже имеющееся отставание.
Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» — ВИАМ) — ведущий материаловедческий центр Российской Федерации.
Институт был создан в 1932 году.
ВИАМ выполняет полный инновационный цикл — от фундаментальных и прикладных исследований до создания высокотехнологичных наукоемких производств по выпуску материалов нового поколения, полуфабрикатов и уникального технологического оборудования.
Разрабатывает и поставляет широкую номенклатуру металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов и средств защиты от коррозионных поражений и биоповреждений. Институт предлагает свои разработки для решения задач в авиа- и машиностроении, космической отрасли, энергетике, строительстве, медицине и других сферах.
В составе ВИАМ организовано 25 высокотехнологичных научно-производственных комплексов, оснащенных современным оборудованием и выпускающих более 250 наименований материалов.
За большой вклад в разработку материалов нового поколения и технологий их переработки для авиационно-космического и оборонно-промышленного комплексов институту четырежды объявлялась Благодарность Президента Российской Федерации (2002, 2007, 2012, 2017).
Фото: Олег Сердечников, предоставлено пресс-службой ВИАМ
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl