Как лазер продлит срок службы авиадвигателей

Российские ученые создали новую для отечественной промышленности технологию лазерной ударной обработки деталей из титановых и жаропрочных сплавов. Она позволит изготавливать более прочные и устойчивые к коррозии детали и производить авиадвигатели нового поколения.

— В основе лежит метод лазерного ударного упрочнения, при котором поверхность детали обрабатывают мощными лазерными импульсами через слой воды, вызывая микровзрывы, которые деформируют поверхность, не нагревая ее. За счет этого в поверхностном слое формируются сжимающие напряжения, которые останавливают трещины, — рассказал «Известиям» участник проекта, доцент кафедры «Технология производства двигателей летательных аппаратов» МАИ Даниил Королев.

Сейчас на отечественных предприятиях применяют дробеударную обработку — воздействие на материал потоком мелких шариков, которые оставляют микровмятины. Металл вокруг них сжимается, формируя упрочненный слой на глубину до 0,3 мм. Новая технология предлагает вместо шариков использовать лазерные импульсы, пояснил специалист. Это дает возможность усилить защитный слой металла на глубину до 1,5 мм, что увеличивает ресурс изделий.

— Чтобы разрушить деталь, трещина должна пройти этот барьер в 1,5 мм. Это значит, к примеру, компрессорная лопатка, которая уже получила микронадрыв от пыли или камня, может безопасно отработать еще тысячи циклов, — пояснил «Известиям» профессор кафедры лазерных и аддитивных технологий Казанского национального исследовательского технологического университета — КАИ им. А.Н. Туполева Андрей Горбунов.

Разработку выполнили инженеры из Московского авиационного института совместно со специалистами Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Научно-исследовательского института технологии и организации производства двигателей (входит в ОДК), Опытно-конструкторского бюро им. А.М. Люльки и «ОДК-Авиадвигатель».

Где будет востребована лазерная ударная обработка

В качестве примера применения разработки можно привести обработку рабочих лопаток авиадвигателей, сообщил Даниил Королев. Эти детали испытывают экстремальные нагрузки из-за вращения, вибраций и перепадов температур, что неизбежно приводит к усталости металла и образованию микротрещин. Кроме того, при взлете и посадке в тракт двигателя могут попадать пыль, песок, камни и даже птицы, что повреждает кромки лопаток. Новая технология позволит значительно замедлить рост усталостных трещин в металле и предотвратить развитие негативных сценариев.

— Метод применим для широкого круга изделий — дисков, валов, шестерен, шасси, силовых элементов конструкции планера, деталей после ремонта — по сути, для всего, что сегодня упрочняют дробью, — уточнил руководитель проекта, и. о. начальника научно-исследовательского отдела кафедры «Технология производства двигателей летательных аппаратов» МАИ Максим Ляховецкий.

По его словам, детали, обработанные по новой технологии, в ходе стендовых испытаний продемонстрировали заметный прирост усталостной прочности и долговечности по сравнению с изделиями, изготовленными серийными способами. Разработка уже легла в основу первого в стране технологического комплекса лазерной ударной обработки материалов: в настоящее время ведется сборка его первого серийного образца, ввод в эксплуатацию запланирован на 2027 год.

Как отметил Андрей Горбунов, метод может применяться во всех случаях, где критична усталость металла, а также при производстве деталей сложной геометрии. Однако технология имеет ограничения: она не подходит для конвейерного производства, поскольку каждый лазерный «удар» требует точного позиционирования и предварительной подготовки поверхности. Кроме того, для стабильного результата необходимо точно подбирать параметры обработки для каждого конкретного сплава — мощность воздействия и характеристики лазера. Пока этих данных нет, результат зависит от мастерства конкретного специалиста.

— При лазерной ударной обработке трещинам в металле приходится преодолевать сжатый защитный слой, который примерно в пять раз толще, чем при традиционных методах. Это подавляет развитие повреждений уже на начальной стадии. Вместе с тем технология — не панацея, а, скорее, «хирургический скальпель», применимый для наиболее нагруженных участков», — отметил эксперт Национальной технологической инициативы по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский.

По его словам, разработка может найти применение при изготовлении любых деталей, работающих под нагрузкой, — в том числе вращающихся узлов, элементов, испытывающих контактные напряжения или подверженных абразивному износу.

В качестве примера он привел крупногабаритные газовые турбины: их лопатки и замковые соединения сталкиваются с теми же проблемами, что и в авиадвигателях, хотя и в ином масштабе. В автомобилестроении валы и зубчатые колеса (в редукторах карьерных самосвалов или буровых установках) получат увеличение ресурса. В железнодорожной сфере применение метода для колесных пар способно продлить межремонтный пробег и снизить частоту обточки, добавил специалист.

— К недостаткам технологии относится локальность и длительность обработки. В отличие от дроби, которая потоком покрывает поверхность детали, лазер работает пятном. Поэтому его производительность в разы ниже, — добавил Евгений Вишневский.

Кроме того, при мощном импульсе возникает риск «отстрелить» металл на острых кромках. Также при сертификации деталей, обработанных по предложенной технологии, потребуется оборудование неразрушающего контроля с глубиной анализа до 1,5 мм. Оно на порядок удорожит технологию, что приемлемо в производстве авиадвигателей, но не подойдет для массового автопрома.