Новые материалы и технологии – определяющий фактор

ВИАМ/1998-202651
Новые материалы и технологии – определяющий
фактор развития авиационной техники
Е.Н. Каблов
Август 1998
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
журнале «Технологические системы», № 1, 1999 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
в
Новые материалы и технологии – определяющий фактор
развития авиационной техники
Е.Н. Каблов
Всероссийский институт авиационных материалов
The tendencies toward the development of materials and technologies, their
application are presented for the production of advanced aeronautical engineering
of the XXIst century. The property level of structural and heat-resistant materials is
also given in the present paper.
Авиакосмическая
промышленность
–
наиболее
динамично
развивающаяся отрасль народного хозяйства, успехи и достижения которой в
значительной мере определяются развитием материаловедческой науки,
объемом использования передовых высоких технологий.
Постановка новых задач в области создания летательных аппаратов с
улучшенными
принципиально
тактико-техническими
новых
изделий
характеристиками,
инициируют
разработка
усовершенствование
имеющихся и разработку новых материалов, создание средств и методов
контроля,
удешевление
технологии
изготовления,
развитие
системы
управления качеством.
Именно новые материалы все в большей степени обеспечивают
надежность и безопасность эксплуатации, долговечность, снижение вредного
экологического влияния на окружающую среду, весовую эффективность и, в
итоге, конкурентоспособность изделий авиационной техники.
Развитие материаловедения требует все большей концентрации научных
сил, объединение усилий специалистов разных отраслей, организационной и
финансовой поддержки государством научных организаций и предприятий,
выпускающих и эксплуатирующих авиационную технику. Важную роль
приобретает международная кооперация при проектировании и изготовлении
новых изделий, о чем свидетельствует опыт зарубежных авиационных фирм.
Анализ тенденций развития самолето- и двигателестроения, проведенный
совместно с головными институтами отрасли ЦАГИ и ЦИАМ, позволил
определить главные направления работ по созданию конструкционных и
функциональных материалов, технологий их производства.
Прогноз структуры применения основных конструкционных материалов
в планере самолетов (рис. 1) показывает, что доминирующее положение в
начале грядущего века сохранят алюминиевые сплавы.
Рисунок 1. Использование основных конструкционных материалов
Будут созданы новые конструкционные легкие сплавы на основе
алюминия
и
структурного
титана
и
с
использованием
интерметаллидного
нетрадиционных
упрочнения,
принципов
обеспечивающих
повышение прочности для алюминиевых сплавов σ в не менее 600–650 МПа,
для титановых сплавов σ в до 1400 МПа и удельной прочностью при 800°С не
менее 7,5 км.
Заметно возрастет до 25% объем применения в планере полимерных
(особенно в аэробусах типа А3ХХ) и металлополимерных композиционных
материалов (рис. 2). В конструкциях самолетов будут применены новые
высокомодульные углепластики типа КМУ-180/20000 с повышенными
показателями жесткости (модуль упругости 196 ГПа); термостойкие
углепластики с уровнем рабочих температур до 400°С (вместо 200°С);
широкая гамма сверхлегких органопластиков с высокими показателями
удельной прочности и жесткости σ в /d=240 км; E/d=17,5×103 км.
Рисунок 2. Объем применения КМ в летательных аппаратах, %
Металлокомпозиты (типа СИАЛ) перспективны как материалы обшивки
фюзеляжа, стопперы трещин (при ремонтных работах). Они отличаются от
традиционных сплавов В95, Д16 повышенной трещиностойкостью, прочностью
(в 1,5–2 раза), вязкостью разрушения, пониженной (на 10–15%) плотностью.
Освоение перечисленных новых материалов, а также новых типов сталей,
клеевых препрегов, клеев и других материалов, их применение в самолетах
Ан-140, Ан-70, Ту-204, Ту-334, Ил-96 всех модификаций, Ил-114, а также в
изделиях Европейского консорциума типа А3ХХ обеспечит увеличение
ресурса в 1,5–2 раза, снижение массы планера до 20%, повышение
безопасности и надежности эксплуатации, снижение уровня шума, что
позволит создать конкурентоспособную авиационную технику.
Определяющую роль в решении проблемы создания нового поколения
газотурбинных двигателей играют жаропрочные материалы и новые
технологии (рис. 3). На основе реализации новых принципов легирования
высокотемпературных материалов будут разработаны высокожаропрочные
сплавы для монокристаллических лопаток с проникающим охлаждением, с
прочностью σ1000
>300 МПа, интерметаллидные сплавы на основе Ni 3 Al с
100

≥50–70 МПа, естественные композиты, получаемые по технологии
σ1200
100

направленной
кристаллизации
эвтектических
сплавов,
в
которых
упрочнителем является непрерывный взаимопроникающий каркас из
нитевидных кристаллов монокарбидов тугоплавких металлов (ТаС, NbC) с
прочностью σ1200
>70 МПа. Получат дальнейшее развитие металлокомпозиты
100

(МКМ)
с
плотностью
d≤7
г/см3
и
прочностью
≥100
σ1300
в

МПа
(интерметаллидная матрица Ni 3 Al), с плотностью d≤6,5 г/см3 и σ 800
≥300 МПа
в

(титановая матрица), d≤3 г/см3 и σ в400 ≥150 МПа (матрица из легких сплавов).

Рисунок 3. Прогноз структуры применения перспективных материалов
в газотурбинных двигателях
Применение перспективных материалов позволит увеличить температуру
газа на 300–400°С, что повысит ресурс ГТД в 2–3 раза и обеспечит
отношение тяги/вес=20/1.
Надежность и безопасность авиационной техники будет обеспечиваться
дальнейшим
внедрением
в
практику
новых
методов
и
средств
неразрушающего контроля качества материалов нового поколения и
конструкций из них, в том числе оценки остаточной прочности материалов в
высоконагруженных изделиях, а также встроенного контроля с обратной
связью конструкция–исполнитель. Получит дальнейшее развитие система
управления качеством авиационных материалов, включающая сертификацию
металлических
и
неметаллических
материалов
использованием более 100 видов испытаний.
и
полуфабрикатов
с