Материалы и химические технологии для авиационной
advertisement
ВИАМ/2012-205984 Материалы и химические технологии для авиационной техники Е.Н. Каблов академик РАН Январь 2012 Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира. В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный. За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов. Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов. Статья подготовлена для опубликования в журнале «Вестник Российской академии наук», т. 82, № 6, 2012 г. Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public Материалы и химические технологии для авиационной техники Е.Н. Каблов Всероссийский институт авиационных материалов Сто с лишним лет назад благодаря научному и конструкторскотехнологическому прорыву появились самолеты. В их создании большую роль сыграли новые материалы и химические технологии, без которых невозможно было пройти путь от первых летательных аппаратов до огромных лайнеров. Без новых материалов создать новую технику с требуемой весовой эффективностью невозможно. Для конструирования нужны знания и понимание особенностей поведения того или иного материала, понимание того, как различные технологические приемы влияют на структуру и свойства материалов. Недаром Н.Е. Жуковский, которому во многом обязана своим становлением мировая авиация, сказал: «...Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума». Моноплан, созданный в конце XIX в. А.Ф. Можайским, имел одно крыло, сделанное из подсобных материалов – досок, обтянутых материей. Но он не смог взлететь, т.к. крыло сломалось, материал не был рассчитан на те нагрузки, которые возникли при разбеге самолета. Тогда же Н.Е. Жуковский сформулировал теорию подъемной силы летательного аппарата и роли крыла. В создание эффективных конструкций значительный вклад внес немецкий инженер О. Лилиенталь. Анализируя полеты птиц, он понял, что определяющей является площадь крыла. Для увеличения площади крыла он создал биплан, на котором совершил более 1000 полетов. Это дало ему возможность понять и выстроить систему управления планирующего полета. 17 декабря 1903 г. братья Уилбер и Орвилл Райт сумели поднять в воздух аэроплан «Flyer» собственной конструкции, который продержался в воздухе 59 с. После этого стали формулироваться требования к материалу, который должен использоваться в авиационной конструкции. Встала задача создания специальных материалов с высокими удельными характеристиками для достижения требуемой весовой эффективности. Иными словами, нужны были очень прочные, легкие материалы с высоким модулем упругости. До 1911 г. основным материалом для постройки самолетов служила древесина, из нее делали лонжероны, нервюры, крылья, шпангоуты. Но было понятно, что необходим более высокопрочный материал. Немецкие инженеры опередили всех и построили первый самолет из стали, его создателем стал известный немецкий авиаконструктор Хуго Юнкерс. Оказалось, что самолет очень тяжелый и плохо управляемый, поэтому специалисты занялись поиском тех материалов, которые позволили бы создать легкую конструкцию, и тогда вспомнили про алюминий, который был открыт в 1825 г. датским ученым К. Эрстедом. Однако чистый алюминий не обладал достаточной прочностью. В 1908 г. немецкий химик А. Вильм открыл эффект старения алюминиевых сплавов, сплавив алюминий с медью, магнием и марганцем. В течение нескольких дней после закалки прочность сплава повысилась до 350–400 МПа вместо 70–80 МПа у чистого алюминия, что позволяло делать очень прочные и жесткие конструкции. Открытие А. Вильма было запатентовано и внедрено в производство на заводе «Durener Metallwerke Aktiengesellschaft» (Германия). В 1909 г. выпустили первые партии дуралюмина, который активно использовался при строительстве дирижаблей. Уже в 1917 г. на аэродроме «Адлершоф» поднялся в воздух истребитель J-7, целиком собранный из дуралюмина. В том же году начался серийный выпуск военных самолетов J-1, заказанных оборонным ведомством Германии для участия в кампаниях Первой мировой войны. Таких цельнометаллических самолетов было выпущено примерно 300 штук. В России материалов. также Все осознавали выдающиеся необходимость конструкторы и применения ученые, новых особенно А.Н. Туполев, А.А. Архангельский, В.П. Ветчинкин и С.А. Чаплыгин, понимали, что материал для самолетов должен быть очень легким и прочным, чтобы затрачивалось меньше энергии для его подъема, поскольку необходимо поднять еще и полезную нагрузку. А.Н. Туполев был одним из самых активных сторонников производства металлических самолетов. Русским авиастроителям помогло то, что после Первой мировой войны Германии было запрещено создавать и производить военную технику, в том числе самолеты. Фирма «Юнкерс» в рамках концессионного договора построила в Москве самолетный завод, но технологию производства алюминиевого сплава фирма «Дюренер» передавать отказалась. Тогда, в соответствии с решением ВСНХ, была создана комиссия, которая должна была заняться разработкой и организацией производства в СССР алюминиевого сплава типа дуралюмина. В 1922 г. началось проектирование первого самолета смешанной конструкции, а в 1923 г. – первого цельнометаллического самолета из алюминиевого сплава. Сплав, изготовленный на заводе в г. Кольчугино, получил название «кольчугалюминий». Эти работы были выполнены коллективом, возглавляемым А.Н. Туполевым. Важную роль в создании технологии производства алюминиевых сплавов сыграли Г.В. Акимов и И.И. Сидорин – профессора, выпускники Высшего технического училища (ныне – МГТУ им. Н.Э. Баумана). Г.В. Акимов и И.И. Сидорин понимали, что для разработки авиационных материалов нужен специализированный научный институт. И они фактически в 1932 г. создали Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ), который стал отвечать за разработку и применение всех материалов, используемых в авиационной технике. Поначалу основным и самым мощным отделом в институте был отдел авиалеса. В этом отделе знали, где, в каком районе Сибири и Дальнего Востока можно было заготавливать подходящие породы древесины, как их обрабатывать и каким образом, из каких частей ствола древесины делать те или иные детали. Однако для строительства самолетов нужны другие решения – комбинация металла и древесины. Перед Великой Отечественной войной в ВИАМ был создан новый материал – первый композиционный материал дельтадревесина: прочный материал на основе фанеры карельской березы и специального лака. Алюминия в стране не хватало, и дельта-древесина дала возможность Советскому Союзу обеспечить выпуск большого количества авиационной техники, особенно истребителей. Самое главное – дельтадревесина обладала минимальной горючестью и высокой жизнестойкостью. Разработчик этого материала профессор Я.Д. Аврасин получил Сталинскую премию I степени. На практике от древесины в пользу металлических материалов стали отказываться уже после Великой Отечественной войны. В послевоенное время основной проблемой всех металлических самолетов из алюминиевых сплавов стало наличие колоссального количества заклепок. Для того чтобы добиться высокой весовой эффективности, необходимо было создать такой сплав, который образует очень прочные сварные соединения, чтобы можно было отказаться от заклепок. Решение было найдено благодаря работам сотрудника ВИАМ, известного ученого академика И.Н. Фридляндера, который открыл явление повышения прочности и жесткости с одновременным понижением плотности сплавов системы Al–Mg–Li. Он обнаружил уникальное влияние лития на характеристики сплава Al–Mg. Введение небольшого количества лития приводило к снижению плотности, но самое главное – этот материал можно было сваривать. Для разработки необходимых режимов деформации и термической обработки были проведены глубокие фундаментальные исследования совместно с Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова. Была построена диаграмма состояния различных систем на базе Аl–Li сплава, легированного Mg, Сu, Sc, позволившая определить возможные фазовые превращения и обосновать выбор оптимальных режимов термической обработки. На основе Аl–Li сплавов выдающийся конструктор академик Р.А. Беляков в конце 1980-х годов создал самолет, который по тактикотехническим характеристикам опередил все лучшие зарубежные образцы, – МиГ-29М, в котором топливный бак и сварная кабина пилота были сделаны из сплава 1420. Выигрыш в массе составил 25%, что дало возможность взять на борт дополнительное вооружение и оборудование. Сплавы Аl–Li имеют большие перспективы в создании авиационной и космической техники, поэтому ученым-материаловедам и химикам необходимо более глубоко изучить механизмы установления связей между атомами Al и Li для разработки новых, более совершенных сплавов. В ВИАМ получен другой материал, который в настоящее время широко применяется в гражданской авиационной технике, – слоистый металлополимерный композитный материал с чередующимися металлическими листами из алюминийлитиевого сплава и стеклопластика. Для его создания необходимо было подобрать и создать систему грунтовок для поверхности тонких алюминиевых листов (анодирование + грунтовка), разработать специальные клеевые препреги на термореактивном связующем и в итоге сформировать слоистый алюмостеклопластик – СИАЛ – с высокими адгезионной прочностью на границе раздела и температурой эксплуатации. Подобные материалы позволяют создавать безопасно повреждаемые конструкции. В слоистых металлополимерных композиционных материалах скорость развития усталостных трещин в 10 раз меньше по сравнению с монолитными алюминиевыми листами. Эта разработка ВИАМ вызвала большой интерес у специалистов европейской компании «Аэрбас» и ученых технического университета «Дельф» в Голландии. Совместные исследования показали перспективность и высокие параметры полученных образцов. Дальнейшее направление исследований – создание коррозионностойких волокнистых металлических слоистых материалов с использованием углепластиков, которые имеют большие прочность и модуль упругости. Если удастся разработать систему защиты от коррозии, то появится уникальный материал для конструкторов. Получение новых материалов дает конструктору возможность реализовать свои идеи. Яркий пример – газотурбинный двигатель, идея создания которого возникла давно. Еще в конце XIX в. над ней работали норвежский инженер Э. Эллинг, англичанин Ф. Уиттл, а также профессор В.В. Уваров из МВТУ. Двухконтурный газотурбинный двигатель предложил будущий академик А.М. Люлька. Но никто не понимал, как и из какого материала сделать лопатку, диск турбины, потому что для достижения эффективного КПД необходимо получить температуру газа перед турбиной не менее 1000°С, а материалов, которые могут работать при такой температуре, не было. Помогла случайность. В 1941 г. известный ученый из Великобритании, работавший в металлургической компании (в настоящее время это компания «Special Metals Corporation»), У. Гриффитс изучал никель-хромовые сплавы при производстве нагревателя электрических печей. Ему случайно попались образцы сплава никель-хром с небольшим содержанием алюминия и титана. Он проанализировал их свойства, обнаружил у образцов высокую жаропрочность и использовал этот эффект при создании сплава Nimonic-80, который оказался первым сплавом, подходящим для создания газотурбинных двигателей. Сплав Nimonic-80 стал основным для производства деталей горячего тракта английских двигателей. В Советском Союзе выдающаяся заслуга создания школы и организации производства жаропрочных сплавов на основе никеля принадлежит академику С.Т. Кишкину – ученому, работавшему в ВИАМ. После Второй мировой войны Советский Союз приобрел у своих союзников англичан лицензию на выпуск английских газотурбинных двигателей, но без технологии производства материала. Академик С.Т. Кишкин первым в мире понял, в чем заключается механизм повышения жаропрочности никелевых сплавов. На Западе считали, что надо вводить как можно больше тугоплавких металлов, тем самым повышать рабочую температуру материала. Однако это существенно увеличивало плотность сплава. С.Т. Кишкин совместно с профессором Н.Ф. Лашко показали, что основной упрочняющей фазой, которая обеспечивает длительную работу никелевого сплава при таких высоких температурах, является когерентно связанная с γ-матрицей сплава γ'-фаза, которая состоит из интерметаллидного соединения никеля с титаном и алюминием – Ni3(TiAl). С.Т. Кишкин сформулировал теорию, по которой упрочнение жаропрочных сплавов в первую очередь достигается при определенном объеме γ'-фазы, которая когерентно связана, т.е. имеет размерное и кристаллографическое соответствие непосредственно с фазой твердого раствора: чем больше этой упрочняющей фазы, тем более высокой жаропрочностью может обладать сплав. Наиболее существенный фактор повышения жаропрочности – размерное несоответствие периодов отрицательное значение решеток которого γ- и γ'-фаз, определяет положительное морфологию или выделения упрочняющей γ'-фазы. Если ∆а (мисфит – несоответствие параметров) больше +0,4, то получают однородную фазу в виде кубических выделений. Если ∆а меньше 0,1, то получают округлое выделение фазы, что приводит к катастрофическому снижению свойств. Эволюция микроструктуры жаропрочных никелевых сплавов на основе механизма гетерофазного упрочнения показывает, что самый первый сплав, который имел в своем объеме всего 9% γ'-фазы, – это Ni 3(AlTi) с выделением боридов по границам зерен. Уже следующий сплав, наиболее широко применявшийся в советском моторостроении, – сплав ЖС6У. Необходимо отметить, что в середине 1950-х годов перешли с открытой выплавки сплавов на вакуумную, чтобы исключить влияние кислорода и азота на образование металлических включений, которые в значительной степени загрязняли границы раздела фаз и зерен, что приводило к снижению ресурса и падению характеристик. Сплав ЖС6У имеет 55% γ'-фазы в общем объеме и, соответственно, карбид типа МеС – по границам зерен, а также первичную эвтектику γ+γ', которую с помощью специальной термической обработки переводят в γ'-фазу. Современный сплав ЖС32 имеет в своем объеме 62% γ'-фазы. Сплавы, предназначенные для получения лопаток с монокристаллической структурой (формирование лопатки в процессе литья в виде одного кристалла), содержат 70% γ'-фазы. Одним из перспективных направлений, разрабатываемых в ВИАМ, является создание так называемых естественных композитов. Так, сплав BКЛC-20 содержит 60% упрочняющей γ'-фазы, но самое важное – еще 3–4% идеальных нитевидных кристаллов – карбид ниобия или карбид тантала. Однако материал не нашел широкого применения, т.к. процесс формирования структуры сплава очень продолжителен: обычный сплав на основе никеля кристаллизуется со скоростью 1 мм/мин, а эвтектический – 1 мм/ч. Если оценить динамику повышения температуры газа перед турбиной (рис. 1), то видно, что с 1956 по 1980 г. для равноосной кристаллизации используются сплавы с рабочей температурой 1050°С – для двигателей второго поколения. Для двигателей пятого и шестого поколений рабочая температура должна доходить до 1150°С. Понятно, что магистральным направлением развития является получение жаропрочных сплавов, содержащих рений и рутений. В перспективе необходим переход на сплавы ниобия с кремнием. Рисунок 1. Развитие технологий охлаждаемых лопаток авиационных газотурбинных двигателей. Зависимость температуры газа перед турбиной от конструкции и материала лопатки В настоящее время лопатки двигателей работают при температуре на 500°С выше температуры плавления материала. Этот парадокс связан со сложной системой охлаждения литой лопатки. Лопатки для первых английских, немецких и советских двигателей были сделаны из деформированных материалов. Академик С.Т. Кишкин предложил делать лопатки литыми. Первая такая лопатка была изготовлена с радиальноканальным охлаждением. Из графиков на рис. 1 видно, какое влияние конструкция и материалы лопатки оказывают на возможность повышения температуры газа перед турбиной: на 70% эффективность работы лопатки зависит от конструкции, а на 30% – от материала и технологии. Таким образом, конструкция не может создаваться без материалов. В лопатке с радиально-канальным охлаждением в качестве охладителей использовались стержни – трубки из плавленого кварца (SiO2 ), которые удалялись из отливки лопатки концентрированной кислотой (HF). Изготавливается керамическая форма, в которой размещаются стержни, непосредственно входящие в тело лопатки, затем заливается металл, лопатка отрезается и потом удаляются стержни. Точность такой конструкции по толщине стенки составляет ±1 мм, а для повышения температуры охлаждения, т.е. КПД лопатки, точность, с которой выполняются стенки и каналы, является определяющей. Затем сконструировали лопатку с дефлекторным охлаждением на температуру газа 1250–1300°С, точность изготовления которой составляет ±0,5 мм, со стержнями «шоу» холодного отверждения. Состав стержней: пылевидный кварц (SiO 2 ) и гидролизованный тетраэтоксисилан с щелочным огеливанием. Следующая лопатка для двигателей четвертого поколения АЛ-31Ф и РД-33, стоящих на самолетах Су-27, МиГ-29, – это лопатка с конвективно-пленочным охлаждением, с точностью изготовления ±0,1 мм, в которой стрежни на основе электрокорунда получены с помощью высокотемпературного спекания с полиалюмосилоксановым связующим (лак КО-086 и микропорошок SiC). Рабочая температура таких лопаток составляет 1500–1650°С. Современные двигатели пятого поколения имеют лопатки с транспирационной системой охлаждения и точностью по толщине стенок ±0,03 мм. Если бы химики, технологи и материаловеды не разработали такие процессы, конструкторы никогда бы не смогли создать подобные конструкции. Результат совместных работ, которые выполняют ученые и сотрудники ВИАМ, ЦИАМ, ИНЭОС и институтов Академии наук, – создание лопаток с конвективно-пленочным охлаждением, т.е. дополнительной системой охлаждения в стенке лопатки. Это стало возможным тогда, когда удалось создать гибкую керамику и получить высокую степень охлаждения лопатки: 0,8–0,85 вместо 0,6–0,65. Степень охлаждения – это разность между температурой газа и температурой металла, отнесенная к разности между температурами газа и воздуха. θ= Т газа − Т металла . Т газа − Т воздуха Подобная конструкция лопатки позволяет создать двигатель с рабочей температурой 2100–2200 К – приблизиться к стехиометрической температуре горения топлива. Это стало возможным благодаря синтезу блок-сополимеров типа «Блоксил» – кремнийорганических соединений, которые позволяют сохранить геометрию и обеспечить необходимую размерную стабильность материалов в процессе термической обработки. Важнейшим направлением развития монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов является дальнейшее повышение жаропрочности, но при этом основная задача, которую необходимо решать, – снижение плотности, т.к. чем выше плотность, тем больше объем легирования тугоплавкими металлами, что повышает плотность с 8,2 до 9,7 г/см3. В ВИАМ создан сплав ВЖЛ-20, который обладает плотностью 8,4 г/см3, но дает характеристики жаропрочности, аналогичные характеристикам для сплавов с плотностью 8,7 г/см3. Чтобы понять, каким образом влияют легирующие элементы на свойства жаропрочных сплавов, нужно оценить диффузионные процессы, которые протекают в материале при нагреве, особенно при легировании сплавов рением и рутением. Рений позволил открыть новую страницу в истории никелевых жаропрочных сплавов, потому что эффекты, полученные при его введении, дали возможность работать с этими материалами. Вопрос о переходе на керамику был отложен, т.к. при ее использовании возникает очень много проблем, в первую очередь снижение ударной прочности. Легирование рением существенно тормозит процессы диффузии в материале, которые во многом определяют скорость ползучести. Рений обладает высокой ликвационной неоднородностью. При введении большого количества легирующих элементов (более 15) всегда возможно такое их сочетание, которое может при добавлении рения привести к образованию ТПУ фаз. ТПУ фазы – это интерметаллидные соединения, которые выделяются в твердом состоянии и имеют игольчато-пластинчатую форму, что приводит к существенному падению всех характеристик. Установлено, что совместное легирование рением и рутением уменьшает вероятность появления ТПУ фаз и дает возможность создать сплав, который по своим характеристикам превосходит самые лучшие зарубежные аналоги. Другой важный момент – разработка технологии получения лопатки. Историческое развитие технологии литья лопаток начиналось с равноосного литья, при котором получался поликристалл. Разрушение поликристаллического материала при высоких температурах идет, как правило, по границам зерна, поэтому была высказана идея о том, что границы зерна надо развернуть, чтобы они были параллельны основным растягивающим усилиям, которые возникают при вращении лопатки. Тогда появилась направленная кристаллизация, но никто не делал специальных сплавов под технологию. Если убрать границы и сделать лопатку из одного кристалла, то необходимо вывести из состава сплава элементы, которые упрочняют границы зерен. Поэтому с помощью компьютерного проектирования и конструирования материала стали создавать сплавы, предназначенные для получения монокристаллической структуры лопатки. На основе конкретной модели строятся соответствующие зависимости, которые обеспечивают получение оптимальных значений по базовым параметрам, таким как термодинамические, физико-химические и фазовоструктурные значения. В СССР технология получения литых лопаток развивалась независимо от достижений ученых США или Англии. Действовал «железный занавес». Ученые ВИАМ опередили западных специалистов и создали технологию с использованием жидкометаллического охладителя. Кристаллизация лопатки идет непосредственно путем погружения керамической формы в расплав жидкометаллического охладителя, благодаря которому осуществляется интенсивный отвод тепла, обеспечивающий направленный рост структуры в противоположную сторону. На Западе используется другой метод, когда керамическая форма устанавливается на охлаждаемый медный твердый кристаллизатор. Но только в ВИАМ независимо от высоты детали в каждом сечении лопатки обеспечиваются одинаковые условия кристаллизации – в отличие от американо-английской технологии. От скорости изменения температурного градиента на фронте кристаллизации зависит размер дендритной ячейки и, соответственно, качество структуры. Ученые ВИАМ смогли доработать и создать высокоградиентную технологию литья лопаток с монокристаллической структурой. Для этого потребовалось обеспечить очень высокую температуру расплава и керамическую форму с тонкой стенкой. Сейчас промышленная форма имеет толщину стенки 10 мм, а надо – 4 мм. Необходима форма, материал которой выдерживал бы температуру 1800°С, а сейчас форма работает при температуре максимум 1600°С. Важно также полностью исключить боковые теплопотери, но, не имея соответствующих экранов, это было невозможно сделать. В ВИАМ в начале 2000-х годов создали установку с температурным градиентом G=200°С/см и новую керамическую форму, которая не имела в своем составе SiO2. Оксид кремния, взаимодействуя с оксидом алюминия, образует муллит, который в качестве связки обеспечивает прочность соединения зерен электрокорунда. Благодаря совместным работам специалистов ВИАМ с учеными институтов Академии наук была решена задача обеспечения регулируемого окисления металлического алюминия в закрытых объемах, для того чтобы получить активную форму оксида алюминия и с ее помощью соединить микрочастицы оксида корунда. Когда американские коллеги из компании «General Electric» оценили образцы, которые отлили в ВИАМ по высокоградиентной технологии, они официально признали, что созданная в России технология высокоградиентной направленной кристаллизации (ВНК) обеспечивает в 30 раз более эффективную систему управления по влиянию на структуру лопатки. Другим очень важным вопросом повышения ресурса материалов является более широкое применение редкоземельных металлов (РЗМ) для технологии производства жаропрочных сплавов. По данным международной организации, которая отслеживает мировое потребление РЗМ, сейчас их использование составляет 70–75% от общего производства. С 2010 г. произошло перераспределение соотношения применения РЗМ по отраслям: существенно возросла доля при изготовлении магнитов, но в 2 раза снизилось потребление для люминофоров и в 2 раза выросло – для полировки стекла и керамики, увеличилось потребление в металлургии. Россия имеет уникальные запасы РЗМ – одно месторождение на Кольском полуострове дает возможность нашей стране выходить в число основных поставщиков РЗМ. Но доминирующее положение по использованию РЗМ в микроэлектронике, металлургии и других отраслях занимает Китай. Работы ВИАМ совместно с Кольским научным центром РАН, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН позволили создать технологию микролегирования сплавов РЗМ, обеспечивающую минимальное содержание по примесям (по серийной технологии 20–40 частей на миллион по основным элементам: кислороду, азоту и сере; по новой технологии – порядка 6–7 частей на миллион). Технология дала возможность получить новые сплавы с особыми свойствами, а у традиционных сплавов – существенно увеличить ресурс (на 20–30%) и имеющиеся свойства. Это достигается путем повышения степени рафинирования сплавов от примесей газов в 4–5 раз по сравнению с серийной технологией на металлургических предприятиях, которые находятся в Ступино и Челябинске. В процессе выплавки предусматривается экспресс-анализ и корректировка химического состава перед разливкой, что обеспечивает высокую термическую стабильность, исключает возможность образования ТПУ фаз, позволяет повысить долговечность, жаропрочность и жаростойкость новых сплавов в 2–3 раза. Продукция, которую выпускает сейчас ВИАМ (малотоннажное производство объемом 200 т в год), в полной мере соответствует мировым требованиям. Необходимо решить задачу расширения объемов исследований в области микролегирования сплавов с РЗМ, где ключевая роль отведена Кольскому научному центру РАН. Дальнейшее развитие космической и авиационной техники идет по пути выхода на гиперзвуковые параметры полета, которые можно достичь только с помощью теплозащитных материалов. Советские ученые и специалисты различных институтов, в том числе ВИАМ и институтов Академии наук, получили колоссальный опыт и достигли уникальных результатов при создании орбитального комплекса «Буран». Были созданы не имеющие аналогов теплозащитные элементы в виде кварцевой плитки из особо чистых кварцевых волокон, аморфных волокон, спеченных между собой в жесткий пространственный каркас с помощью кремнийорганического связующего (рис. 2). Разработаны внешние эрозионные влагозащитные покрытия, включающие химическое соединение SiB 4 , повышающие коэффициент черноты, и эрозионное влагостойкое защитное белое покрытие, а также демпфирующая подложка – иглопробивной материал на основе арамидных волокон, лаковое и гидрофобизирующее покрытия, клей-герметик. Такая плитка работала при температуре 1150°С. Но главное заключается в том, что удалось создать объемно-жесткий каркас, чтобы плитка на 95% состояла из воздуха и на 5% из волокон. Рисунок 2. Теплозащитный элемент для орбитального комплекса «Буран»: а – орбитальный комплекс «Буран»; б – конструкция элемента: 1 – внешнее эрозионное влагозащитное покрытие ЭВЧ (черное – включает химическое соединение SiB 4 , повышающее коэффициентом черноты) и ЭВС (белое), 2 – лаковое и гидрофобизирующее покрытия, 3 – кварцевая плитка (особо чистые кварцевые аморфные волокна, спеченные между собой в жесткий пространственный каркас с помощью кремнийорганического связующего), 4 – демпфирующая подложка (иглопробивной материал на основе арамидных волокон), 5 – клей-герметик; в – структура материала В настоящее время перед учеными стоит задача синтеза новых соединений для материалов с повышенной термостойкостью, которые смогут работать при гиперзвуковых скоростях полета. Всем заинтересованным предприятиям необходимо формировать совместную программу по созданию новых материалов. Остановлюсь на некоторых достижениях по взаимодействию ВИАМ с Институтом общей и неорганической химии (ИОНХ) им. Н.С. Курнакова РАН и Российским химико-технологическим университетом (РХТУ) им. технология наносборки Д.И. Менделеева. Создана высокотемпературных комплексная керамических композиционных материалов системы SiC–SiC. В мировой практике применяется технология получения композита на основе системы SiC–SiC, в которой используется непрерывное волокно. В аналогичном отечественном материале волокно отсутствует, т.к. создать производство волокон карбида кремния в России на данный момент проблематично – существует жесткий запрет на поставку этого волокна в нашу страну. Поэтому при разработке высокотемпературного керамического композиционного материала системы SiC–SiC без армирующих волокон карбида кремния сначала получали каркас карбида кремния, который имел заданный объем пор (50 мкм каждая пора), а затем с помощью золь-гель технологии эти поры заполняли прекурсорраствором, из которого выращивали нитевидные кристаллы карбида кремния. Получился материал с уникальными характеристиками по работоспособности при температуре 1500–1600°С. При циклических испытаниях в газодинамическом потоке продуктов сгорания топлива по режиму 800–1500°С (1 цикл – нагрев и охлаждение в течение 1 мин) материал проработал более 10000 ч и не разрушился. Принято решение провести испытания при более высокой температуре и довести материал до разрушения. Фактически создан керамический конструкционный материал. На базе ВИАМ, который располагает самым современным оборудованием, может быть организован центр коллективного пользования для институтов РАН и вузов, с которыми ВИАМ работает по программе, открывающей уникальные возможности получения любых керамических композиций. Для разработки новых материалов типа углерод-углерод или карбид-углерод нужно создать систему активной защиты от окисления по аналогии с активной броней, которая не просто воспринимает удар, но гасит его и защищает конструкцию от дальнейшего проникновения снарядов. Поэтому стоит задача выбора компонентов различных соединений оксидов и других материалов, которые позволили бы перехватывать кислород по принципу химического захвата, когда кислород от внешней поверхности начинает диффундировать к самой конструкции. Образование с участием золь-гель прекурсоров барьерных слоев сложных бескислородных и кислородсодержащих соединений позволяет снизить скорость диффузии кислорода, препятствуя углеродсодержащего композита. термоокислительной Так можно сформировать деструкции основной механизм создания системы защиты. Поэтому стоит задача синтеза новых сверхтугоплавких систем для материалов и покрытий, которые могли бы работать при температуре 2500°С. За эти разработки молодые ученые Д.В. Гращенков, Н.Е. Уварова, Е.П. Симоненко получили премию Президента РФ в области науки и инноваций за 2010 г. Одним из основных направлений является применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) не только в авиации, но и в других отраслях экономики. Полимерные композиционные материалы по объемам использования в мире существенно опередили многие материалы. В СССР же с 1980 по 2000 г. никакие работы в области ПКМ не проводились, ранее было разработано более 700 марок ПКМ, в том числе более 300 – в ВИАМ. В ВИАМ впервые в СССР в 1970 г. начались работы по применению ПКМ непосредственно в конструкциях. С инициативой широкого использования композитов выступал директор ВИАМ, генерал-майор, член-корреспондент АН СССР А.Т. Туманов. В то время было проведено заседание Военнопромышленной комиссии при Совете министров СССР, на котором рассматривалась возможность использования ПКМ для создания образцов военной, специальной и гражданской техники. Конечно, не все сразу поняли и оценили перспективность этого направления. Такие выдающиеся конструкторы, как А.Н. Туполев и С.В. Ильюшин, говорили, что они из тряпок делать самолеты не будут. В отличие от них другой выдающийся конструктор – O.К. Антонов стал очень активно использовать разработки ВИАМ в своих конструкциях. В области создания соответствующих видов связующих, добавок ключевую роль сыграл академик В.А. Каргин, который активно сотрудничал с учеными ВИАМ. В 1975 г. объем применения ПКМ в конструкциях не превышал 7%, но генеральный конструктор O.К. Антонов уже к середине 1980-х годов со своей машиной Ан-124 опередил все известные отечественные и зарубежные компании – объем применения ПКМ был доведен до 30%. Такое же количество сейчас применено для строительства самолета А-380. Фирма «Боинг» ставит задачу выйти на уровень 60% ПКМ в материалах для самолета «Боинг-787». Применение ПКМ (угле- и стеклопластиков) открывает уникальные возможности для повышения весовой эффективности. Одним из важных аспектов рассматриваемой проблемы является использование высокотемпературных кремнийорганических связующих. В 1955–1957 гг. сотрудник ВИАМ профессор Н.С. Лезнов открыл безводный метод получения кремнийорганических соединений, которые являются связующими для изготовления обтекателей различных ракет. Этот метод до сих пор эффективен и используется при получении различных блоксополимеров, смол и олигомеров для производства известных ракетных комплексов «Искандер», противокорабельных ракет «Москит» и других изделий. Основные преимущества метода Н.С. Лезнова следующие: получение более узкого массово-молекулярного распределения полимера; лучшая растворимость; регулирование соотношения звеньев; высокая термостойкость. Эти разработки дали возможность повысить ресурс стеклопластиков и клеев до 1000 ч при температуре 300°С и обеспечить высокую надежность конструкции. В настоящее время стоит задача совместно с химическими и материаловедческими институтами разработать синтез новых органических соединений для материалов с повышенной термостойкостью. Важно еще в момент создания ПКМ представлять состояние поверхности раздела «волокно–связующее». Адгезионная прочность между наполнителем и связующим во многом зависит от того, какие используются аппреты. По этой проблеме ВИАМ ведет совместные работы с Институтом химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. Сегодня применяется большое количество различных основ для получения связующих: эпоксидные, полиолефиновые, цианэфирные, полиамидные, полиимидные, фенолформальдегидные, полиэфирные, полисульфоновые. Необходимо подобрать такой аппрет, который обеспечил бы максимально высокую адгезию между волокном и связующим. Для подобных разработок нужны исследования поверхности взаимодействия наполнителей, аппретов, связующих; нужна разработка эффективных аппретирующих систем, способов повышения адгезионной прочности между наполнителем и связующим. Академией наук и ВИАМ была сформулирована платформа «Новые полимерные композиционные материалы». Те рубежи, которые были потеряны за 20 лет, достичь очень сложно, хотя в 1990-е годы мы имели паритет с США и Японией. Перед отечественными разработчиками стоит задача создать новые материалы, которые либо сопоставимы, либо превосходят то, что есть на Западе, например, такие как связующие с высокой деформационной способностью. На данный момент все агрегаты из ПКМ обладают очень низкой ударной стойкостью, т.е. если после удара попытаться сжать конструкцию, то она разрушится. Важно сделать так, чтобы связующее после полимеризации обладало способностью передавать пластическую деформацию. Такое связующее уже удалось создать в ВИАМ совместно с институтами РАН. Необходимо также добиться уменьшения коэффициента разброса свойств, который сейчас составляет (по тем технологиям, которые имеются) до 25%: при прочности пластика условно 100 кг/мм2 прочность конструкции – всего 30 кг/мм2, т.к. конструктор вынужден закладывать определенный запас прочности. В ВИАМ сейчас научились делать препреги, используя новые связующие и технологии их нанесения с заданным процентным соотношением и точностью, для которых коэффициент вариации снижен до 7%, что существенно повышает весовую эффективность. Так, на препреге шириной 1200 мм отклонение от технологических режимов ±1%, точность наноса 0,5–1,5%, толщина по зазору 1 мкм, что обеспечивает высокую стабильность свойств. Современные условия изготовления деталей из ПКМ требуют наличия «чистого помещения», что обеспечивает 80% успеха для обеспечения высокого уровня свойств и качества детали. Впервые в России в ВИАМ организовано «чистое помещение», где в отличие от многих предприятий со специальными помещениями выкладка пакета (слои армирующих волокон со связующим – препрег) производится при контролируемых влажности, температуре и концентрации примесей в воздухе. Далее при изготовлении ПКМ в ВИАМ применяются новые автоматизированные автоклавы, при использовании которых полностью исключается участие человека. В комплексе это дает возможность получить высокие значения свойств пластиков. С учетом вышесказанного видно, что материалы всегда были основой для создания тех или иных конструктивных технических инженерных решений. В указ Президента РФ о модернизации экономики России вошли такие направления, как энергоэффективность, ядерные технологии, космос, медицинские технологии, стратегические компьютерные технологии, но не вошло направление модернизации «Материалы и глубокая переработка сырья». Это не совсем правильно, т.к. Россия, имея колоссальные сырьевые запасы, должна добиться более высокой эффективности переработки сырья и создавать на этой основе новые материалы. Поэтому необходимо внести предложение о том, чтобы на Общем собрании РАН было поддержано решение Менделеевского съезда, который прошел в этом году в Волгограде, и обратиться в комиссию по модернизации о необходимости включения дополнительного, пятого направления «Материалы и глубокая переработка сырья» как приоритета модернизации экономики РФ. Понимая, что невозможно делать научно-технологический прогноз развития экономики без анализа достижений науки и технологий, в ВИАМ была инициирована разработка стратегических направлений развития материалов и технологий на период до 2030 г. на базе всех стратегий, которые утверждены в РФ (транспорт, энергетика, авиация, космос и т.п.), и анализа перспектив зарубежных исследований. На Западе приняты следующие стратегические направления разработок новых материалов: – интеллектуальные материалы (intelligent materials); – метаматериалы (metamaterials); – интерметаллиды (intermetallics); – нанокристаллические и аморфные структурированные металлы (nanocrystalline & amorphous structural metals); – полимерные и полиматричные композиты (polymer and mixed matrix composites); – высокотемпературные металлические материалы (high-temperature metallics); – сплавы с памятью формы (shape memory alloys); – молекулярный дизайн (molecular manufacturing); – самодиагностика материалов, наносенсоры (self-monitoring, nanosensors); – долговечная керамика (durable ceramics); – слоистые материалы (fiber metal laminates); – компьютерные методы прогнозирования электрических/механических/ /физических свойств и конструирования (physics-based computational methods to predict electrical/mechanical/physical properties and design allowables); – наноструктурированные и гибридные материалы и покрытия (nanostructured and hybrid (inorganic/organic) materials and coatings). Для России, с учетом обсуждения этого вопроса на трех расширенных совещаниях с участием более 80 организаций и 150 экспертов, а также рассмотрения этого вопроса на научно-техническом совете Военнопромышленной комиссии с участием всех заинтересованных интегрированных структур, органов федеральной исполнительной власти, были сформулированы следующие 18 стратегических направлений развития материалов и технологий (71 комплексная проблема, 10 инновационных концептов): – «умные» конструкции; – фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов, неразрушающий контроль; – компьютерные методы моделирования структуры и свойств материалов при их создании и работе в конструкции; – интеллектуальные, адаптивные материалы и покрытия; – материалы с эффектом памяти формы; – слоистые металлополимерные, биметаллические и гибридные материалы; – интерметаллидные материалы; – легкие высокопрочные коррозионностойкие свариваемые сплавы и стали, в том числе с высокой вязкостью разрушения; – монокристаллические, высокожаропрочные суперсплавы, естественные композиты; – энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии получения деталей, полуфабрикатов и конструкций; – магнитные материалы; – металломатричные и полиматричные композиционные материалы; – полимерные композиционные материалы; – высокотемпературные керамические, теплозащитные и керамоподобные материалы; – наноструктурированные, аморфные материалы и покрытия; – сверхлегкие пеноматериалы; – комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия; – климатические испытания для обеспечения безопасности и защиты от коррозии, старения и биоповреждений материалов, конструкций и сложных технических систем в природных средах. Далее представлены инновационные концепты, реализация которых возможна при достижении целей по соответствующим стратегическим направлениям: – «умные» конструкции – использование адаптирующихся и самовосстанавливающихся материалов, в том числе сплавов и полимеров с памятью формы для создания интеллектуальных систем; – аэроупругость – использование потенциальных возможностей материалов на уровне системы путем объединения методов и технологий, гарантирующих отсутствие «катастрофической» нестабильности летательных аппаратов; – легкие конструкции – развитие технологической готовности материалов с низкой плотностью и стабильными прогнозируемыми характеристиками для сверхлегких конструкций в различных отраслях промышленности; – гиперзвук – технологии вхождения, снижения и посадки, включающие теплозащитные системы, сверхзвуковые тормозные двигательные установки; – перспективный двигатель – создание двигательной установки с соотношением тяги к массе 20:1, в том числе благодаря применению новой генерации супержаропрочных материалов и покрытий; – интегрированные системы – технологии создания интегральных конструкций новых транспортных систем путем соединения материалов, в том числе прогрессивными методами сварки в твердой фазе; – системы молниезащиты – технологии создания молниезащиты нового типа для конструкций летательных аппаратов из полимерных композиционных материалов (ПКМ); – интеллектуальная защита – повышение защищенности боевой техники с использованием нового поколения броневой, динамической защиты, комплексов активной защиты, огнезащитных покрытий, деформирующего окрашивания и радиопоглощающих материалов; – безопасность полета пассажирских самолетов – увеличение птицестойкости и влагостойкости самолетных конструкций, в том числе из ПКМ. Сформулированы основные принципы создания современных материалов и сложных технических систем в рамках реализации стратегических направлений развития материалов и технологий до 2030 г.: – фундаментальные и фундаментально-ориентированные исследования для создания опережающего научно-технического задела совместно с институтами РАН; – «зеленые» технологии при создании материалов и комплексных систем защиты; – реализация IT-технологий: полного создание жизненного материала, цикла эксплуатация с использованием в конструкции, диагностика, ремонт, продление ресурса, утилизация; – неразрывность материалов, технологий и конструкций (невозможно создавать конструкцию без учета особенностей технологий и материалов). Одна из совместных задач ВИАМ и Академии наук – это создание сети центров климатических испытаний. Необходимо восстановить ведущую роль Российской академии наук по осуществлению и проведению экспериментов для оценки влияния климатических факторов на материалы, конструкции и технологии. Существует соответствующее обращение президента РАН и научной общественности непосредственно к Правительству РФ, а также поручение С.Б. Иванова о необходимости рассмотрения вопроса создания национальной сети климатических станций. Необходимо убедить Правительство РФ и добиться решения этого вопроса. Здесь существенную роль играют технологические платформы. ВИАМ совместно с институтами РАН и другими инициаторами предложил три платформы, две из которых были утверждены Решением Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям (Протокол №4 от 01.04.2011). Первая платформа – «Материалы и технологии металлургии», вторая – «Новые полимерные композиционные материалы и технологии», которые предложили Академия наук, ВИАМ и ряд научных организаций. Их создание поддержали многие республики РФ. Третья – «Национальная сеть центров климатических испытаний» не была утверждена как платформа, ее предложено включить в качестве подраздела в Федеральную целевую программу, для чего были проведены совещания, подготовлены документы и направлены в Военнопромышленную комиссию при Правительстве РФ. В разработке этих платформ активное участие принимают национальные исследовательские университеты, ведущие вузы – им отводится важнейшая роль в плане подготовки кадров и выполнения исследовательских работ. Ключевой задачей является подготовка на базе этих платформ Государственной программы по материалам, которая включала бы в себя не только вопросы восстановления производства и обеспечения материалами, но и проведение перспективных исследований, – фактически координация всех работ в области материалов в рамках одной Государственной целевой программы. ВИАМ традиционно взаимодействует с институтами РАН для использования колоссального опыта, знаний, результатов фундаментальных исследований, имеющихся в институтах Российской академии наук. Поэтому ВИАМ реализует совместные научно-исследовательские программы более чем с 30 организациями РАН. Наиболее крупные проекты представлены на рис. 3. Рисунок 3. Сотрудничество ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ с научными организациями РАН В рамках совместных научно-исследовательских работ ВИАМ формирует задачи для фундаментально-ориентированных исследований, которые необходимы при решении конкретных прикладных задач. Наука – важнейшая отрасль экономики, поэтому без учета опыта, традиций, школ, результатов, которые имеются в институтах Академии наук, трудно обеспечить хорошую перспективу развития и вернуть РАН то положение в инновационном процессе, которое декларируется руководством страны: осуществление фундаментальных, фундаментально-ориентированных исследований; научно-технологический прогноз и формирование стратегий развития науки и техники, экспертиза национальных проектов и государственных программ на научную обоснованность и технологическую реализуемость; подготовка научных кадров.
