Как российские технологии изменят производство деталей для авиадвигателей — инновации, которые удивляют

Специалисты Национального исследовательского технологического университета "МИСиС" совместно с ПАО "ОДК-Кузнецов" представили уникальный подход к изготовлению литейных форм для деталей авиадвигателей и энергетических установок. Их инновация сочетает технологии 3D-печати и высокотемпературного спекания, что позволило решить важнейшую проблему современных методов — выделение газов при литье жаропрочных сплавов. Такой прорыв особенно актуален для производства сложных по геометрии и высокотемпературных компонентов, где традиционные технологии либо не дают необходимой точности, либо сопровождаются большим браком.

Учёные пояснили, что стандартные способы послойного изготовления литейных форм с использованием сыпучих огнеупорных материалов и синтетических связующих оказываются непригодными для вакуумного литья высокотемпературных сплавов. При нагреве эти органические связующие разлагаются, выделяя значительные объёмы газов, что ухудшает качество отливок. Другие технологии, например фотополимерная керамическая печать, хоть и решают часть этих проблем, всё же страдают высокой стоимостью и потерей точности после спекания.

Вместо этого российские учёные разработали комбинированную технологию, в основе которой лежит использование преимуществ 3D-печати для создания сложных форм с последующим укреплением за счёт пропитки коллоидным кремнеземом. В составе материала они применили не только традиционный диоксид кремния, но и инновационные огнеупорные компоненты — пропант, состоящий из гранулированного оксида алюминия, а также полые керамические микросферы, известные как ценосферы. Эти добавки придают формам нужные технологические и теплофизические свойства.

Процесс изготовления форм проходит через несколько этапов. Сначала заготовка создаётся методом струйной печати с использованием фуранового связующего, после чего заготовка многократно пропитывается коллоидным кремнеземом, что позволяет заполнить поры и значительно укрепить структуру. Заключительный этап — высокотемпературное спекание при примерно 1200 градусах Цельсия, в ходе которого органика полностью удаляется, а в материале формируются прочные керамические связи. После этого форма готова к заливке металлом в вакууме.

Эксперименты показали, что новая технология обеспечивает высокую прочность форм при минимальной усадке, которая составляет всего 0,5-1,8%. Этот показатель значительно лучше, чем у традиционных аддитивных методов изготовления керамических литейных форм. В рамках работы уже получены экспериментальные отливки из жаропрочного никелевого сплава, которые по основным характеристикам полностью соответствуют промышленным требованиям.

Учёные отмечают, что несмотря на необходимость дальнейшей доработки и оптимизации, особенно в части улучшения качества поверхности отливок, технология обладает огромным потенциалом для авиационной и энергетической отраслей. В частности, речь идёт о производстве турбинных лопаток и других критически важных деталей авиадвигателей, где требования к жаропрочности и точности крайне высоки. Сейчас команда активно занимается совершенствованием процесса, чтобы вывести технологию на промышленный уровень.

Детали исследований опубликованы в авторитетном Journal of Manufacturing and Materials Processing. Работа выполнена в рамках масштабного проекта по созданию современного производства крупногабаритных литых деталей из жаропрочных сплавов, что может стать важным этапом в развитии отечественной промышленности газотурбинных двигателей и других индустриальных установок.