ВИАМ добавит материалам интеллекта

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, можно ли говорить о том, 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 35 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 по созданию 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 доложил президенту, 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 В.Б. Христенко было дано поручение подготовить предложения по постановке ОКР и ее финансированию. В течение двух недель соответствующие предложения были подготовлены и доложены Председателю Правительства РФ. Итогом стало решение о выделении 12,8 млрд 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 технологий изготовления крупногабаритных полуфабрикатов и деталей. Важнейшей составляющей этого проекта являются технологии создания широкохордной лопатки вентилятора из ПКМ, 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, и 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 А.А. 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. ПАН-прекурсор – 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.

– 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 в 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 – гамма-титан 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 изготавливается 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 килограмм, 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 создания двигателя 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, в ПД-14 - 17 сборочных единиц 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 °С – 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 о том, 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, говорил о том, что РАН необходимо вернуть право быть высшим научным учреждением, чтобы академия могла проводить исследования в своих научных организациях.

– 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 уровня. 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 выступают также 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 газогенератор 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 по развитию и внедрению 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 XXI века, и Российская Федерация должна очень активно развивать это направление, чтобы ликвидировать уже имеющееся отставание.

Журнал "Эксперт" №7 (1420), 14 февраля 2022