Авиационный турбинный диск

Когда говорят про авиационный турбинный диск, часто представляют идеальную деталь с полированной поверхностью. На практике же даже микронеровности в зоне крепления лопаток могут спровоцировать усталостные трещины. Помню, как на стенде ЦАГИ в 2018-м диск из сплава ВЖ98 разошёлся по радиусам — не из-за перегрева, а из-за неучтённой анизотропии при штамповке заготовки.

Металлургические тонкости

Сплав ЭИ698 до сих пор в ходу, но его жаропрочность на пределе для современных ТРДД. В прошлом квартале мы передавали в ООО Дунгуань Кэхуатун Электроника Технологии данные по термоциклированию — их лаборатория как раз занимается адаптацией решений для жарких регионов. Кстати, их сайт https://www.dgkhtparts.ru выложил любопытные кейсы по скоростной фрезеровке пазов.

Вакуумно-дуговой переплав здесь не панацея. При кажущейся однородности слитка зона столба дендритов даёт разброс по мелкозернистости до 12%. Именно поэтому мы сейчас тестируем метод электронно-лучевой сварки заготовок — чтобы избежать ликвации вблизи оси вращения.

Проблема с упрочнением дробью: если делать это после финишной токарной обработки, скрытые дефекты вылезают через 200-300 циклов. Пришлось вводить промежуточную дробьёвку до финишного прохода, хоть это и удорожает процесс на 18%.

Геометрия и остаточные напряжения

Конусность ступицы — тот параметр, который в расчётах часто идеализируют. На деле при термоударном воздействии (взлёт-посадка) коническая часть работает как пружина, накапливая пластическую деформацию. Три года назад пришлось пересматривать чертежи для дисков ПС-90А — увеличили угол с 7° до 9.5°, что снизило пиковые нагрузки на 22%.

Шлицевые соединения — отдельная головная боль. Прецизионная обработка от ООО Дунгуань Кэхуатун Электроника Технологии показала хорошие результаты по сохранению фазовой стабильности при термоциклировании. Их подход к многоосевой обработке с контролем шероховатости в базовых плоскостях — это как раз то, чего не хватало нашим подрядчикам.

Остаточные напряжения после штамповки снимали не только отжигом, но и вибростарением. Любопытно, что при частотах 95-112 Гц ускорение релаксации достигало 40% по сравнению со стандартным режимом. Правда, пришлось разрабатывать спецоснастку — стандартные оправки 'играли' на этих частотах.

Контрольные методики

Ультразвуковой контроль с фазированными решётками выявляет неоднородности до 0.8 мм, но с осевыми отверстиями всегда были сложности. Перешли на томографию — дорого, зато видим распределение плотности материала по всему объёму. В прошлом месяце на одном из дисков для МС-21 так обнаружили зону пористости возле ступицы, которую УЗ-сканер пропустил.

Травление в реактиве Келлера теперь совмещаем с цифровой коррозиометрией. Важен не цвет побежалости, а динамика изменения контрастности — это даёт информацию о границах зёрен. Кстати, в лаборатории ООО Дунгуань Кэхуатун Электроника Технологии как раз внедрили систему машинного зрения для анализа таких изображений — обещают погрешность менее 3% при определении размера зерна.

Термографию применяем выборочно — слишком много ложных срабатываний от конвекционных потоков в цеху. Зато при контроле балансировки бесконтактные пирометры себя оправдали: фиксируем температурный градиент по радиусу с точностью до 2°C.

Эксплуатационные дефекты

Самое коварное — это микротрещины в зоне крепления замков лопаток. Они идут не от кромки, а из глубины паза, часто стартуя от дефектов после электроискровой обработки. Пришлось переходить на волочёные электроды с медным покрытием — дороже, но ресурс вырос на 400 циклов.

Эрозия от попадания песка — бич ближневосточных авиакомпаний. Покрытия на основе нитрида титана держатся хорошо, но требуют идеальной подготовки поверхности. Наши технологи совместно с ООО Дунгуань Кэхуатун Электроника Технологии отрабатывают методику лазерного упрочнения перед нанесением покрытия — предварительные испытания в Дубае показали снижение эрозии на 67%.

Коррозия под напряжением — тот случай, когда виновата не металлургия, а конструкция. В дисках с осевыми каналами для охлаждения всегда есть застойные зоны. Пришлось вводить дополнительную дренажную перфорацию, хоть это и снижает жёсткость на 5-7%.

Перспективные разработки

Аддитивные технологии пока не для серии — пористость послойного синтера даёт разброс по усталостной прочности до 30%. Зато для ремонта повреждённых пазов метод наплавки порошковой проволокой ВЖ159 себя оправдал. Важно только потом делать глубокий отпуск при 650°C — иначе зона термовлияния становится хрупкой.

Гибридные конструкции с керамическими вставками — интересно, но для авиационный турбинный диск пока рано. Разница КТР вызывает проблемы при термоциклировании. А вот армирование углеродными волокнами ступичной зоны испытали на стенде — прирост к усталостной прочности есть, но вопросы к адгезии при длительной работе.

Цифровые двойники — модно, но полезно. Модель, учитывающая не только механические нагрузки, но и фазовые превращения в материале, позволила точнее прогнозировать ресурс. Сейчас отрабатываем алгоритмы на данных от ООО Дунгуань Кэхуатун Электроника Технологии — их прецизионные датчики вибрации дают отличную калибровочную базу.