Центральный институт авиационного
моторостроения имени П.И. Баранова
Rus

Композиционные материалы

Заставка блок.jpg


Одним из определяющих направлений совершенствования авиационных двигателей является использование композиционных материалов (КМ) во всех узлах авиационных двигателей различного назначения. Мировой опыт свидетельствует, что авиадвигатели все в большей степени становятся «неметаллическими».

Композиционные материалы создаются из полуфабрикатов совместно с конструкцией, т.е. композиционный материал с требуемыми в изделии свойствами и само изделие технологически формируются одновременно при изготовлении. Поэтому при создании конструкций из КМ вопросы проектирования (в традиционном смысле), рационального армирования и разработки технологического процесса являются тремя сторонами единой проблемы и не могут рассматриваться изолированно, что допускается при создании конструкций из металлов.

Указанная особенность композиционных материалов, а также анизотропия свойств и неоднородность их структуры являются факторами, заставляющими искать новые подходы в работе с КМ. В сравнении с традиционными «металлическими» технологиями одно лишь число испытаний для определения свойств КМ возрастает более чем в 25 раз, требуя применения нестандартных методик и специализированного оборудования.

Исследованиями в этой области в ЦИАМ занимается сформированный в 1967 г. отдел конструкционной прочности деталей и узлов авиационных двигателей из композиционных и керамических материалов. Выполняемые в отделе работы охватывают чрезвычайно широкий круг вопросов: от фундаментальных исследований механики неоднородных сплошных сред до оказания непосредственной помощи ОКБ и заводам в создании деталей из композиционных и керамических материалов, в том числе интерметаллидов, стекло- и углепластиков, углеалюминия, бороалюминия, углерод-углеродного КМ (УУКМ), стеклокерамики, реакционно-связанных, спеченных, горячепрессованных, дискретно-армированных керамических материалов и др. 

Направления работ

Теоретические исследования в области механики многокомпонентных сред.

Создание математических моделей и методов расчета различного иерархического уровня для оценки напряженно-деформированного состояния и прочности изделий из КМ с учетом внутреннего строения композиционного материала, а также окружающих условий (температура, влажность и т.д.).

Конструктивные и технологические разработки деталей и узлов авиационных двигателей из КМ. Примерами выполненных разработок конструкций и технологий изготовления являются двухперьевые лопатки турбины из УУКМ, рабочие колеса турбины из УУКМ как цельной конструкции, так и составные, в том числе с двухперьевыми лопатками из УУКМ, рабочее колесо центробежного компрессора для малоразмерных ГТД, сепараторы подшипников из УУКМ, жаровая труба из керамического КМ, сопловой аппарат из дисперсно-упрочненного КМ, широкохордные лопатки из углепластика для вентиляторов двигателей ПС-12, ПД-14, лопатки для модели биротативного вентилятора и т.д.

Квалификация материалов. В рамках аккредитованной Испытательной лаборатории конструкционной прочности композиционных материалов и деталей авиационных двигателей и воздушного судна (ИЛ КПКМД АД ВС) проводятся квалификационные испытания композиционных материалов мотогондолы, двигателя ПД-14. Разработан проект нормативной документации по общей и специальной квалификации как композиционного материала лопатки вентилятора, так и самой лопатки.

Экспериментальные исследования деталей и узлов из КМ и керамики, включая разработку оборудования и методов экспериментальных исследований, в том числе:

– исследования механических характеристик полимерных КМ при нормальных, повышенных и пониженных температурах (от -70 до 1500 ˚С) на таком оборудовании, как электромеханические установки УТС-1100, Instron 5985, АИМА 5–1 и др; 

– исследование характеристик длительной прочности КМ, в том числе испытания на малоцикловую усталость полноразмерной углепластиковой лопатки вентилятора с использованием сервогидравлической установки Instron 8805. В исследованиях применяется оптическая система измерения деформаций Vic-3D;
  
– исследование эксплуатационных характеристик КМ (например, эрозионной стойкости КМ и антиокислительных покрытий из них);

– исследование многоцикловой усталости изделий из КМ с использованием такого оборудования, как вибростенд LDS V875-440B (испытания на усталость и вибропрочность образцов материала, деталей и узлов общей массой до 600 кг при возбуждающей силе до 35,6 кН в диапазоне частот от 5 до 3000 Гц) и вибростенд УВЭ-10/5000 (испытания образцов, деталей и узлов массой до 10 кг при вибрационных ускорениях до 45 g в диапазоне частот от 5 до 5000 Гц);

– исследования статической и длительной прочности рабочих лопаток вентиляторов на разгонных стендах Т14-01, Т14-21Б;

– исследования стойкости к удару рабочих лопаток вентиляторов (в том числе удары моделями птицы), корпусов и их моделей, образцов, материалов с использованием пневмопушек ПУН 40/100 и ПУН 80/50;

– исследования процесса образования и развития трещин, стойкости к повреждениям, в том числе возникающих при забросе во входное устройство двигателя посторонних предметов (птицы, лед);
  
– исследования конструктивно-подобных элементов, в том числе образцов-свидетелей, вырезанных непосредственно из изделия;

– неразрушающий контроль изделий из КМ с использованием таких методов, как ИК-термография (ИК-термограф «Иртис-2000»), лазерно-ультразвуковая дефектоскопия (УДЛ-4), виброметрия.