Rus
Eng
RusКомпозиционные материалы
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.
