Значение новых материалов для перехода России к новому технологическому укладу
«При этом особое внимание необходимо уделять «зеленым технологиям», вопросам утилизации и минимальному воздействию на окружающую среду, вопросам расширения рынка интеллектуальной собственности», – заявил Евгений Каблов. «Такой подход особенно важен с учетом вхождения России во Всемирную торговую организацию», – подчеркнул он.
По словам Генерального директора ВИАМ, создание новых материалов, технологий и конструкций должно быть полностью взаимоувязано. «Для комплексного решения материаловедческих задач ВИАМ провел анализ стратегий развития государственных корпораций и интегрированных структур на ближайшие 15−20 лет», – сообщил Евгений Каблов. На основе этого анализа, приоритетных направлений и критических технологий развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, приоритетов государственной политики в промышленной сфере и тенденций развития материалов в мире институт разработал «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». «В этом документе определены тенденции развития материаловедения во взаимосвязи с задачами авиации, авиационно-космических систем, ракетного вооружения, двигателестроения, электроэнергетики, железнодорожного транспорта, строительной индустрии», – констатировал он.
По словам Евгения Каблова, сегодня ВИАМ готов предложить отечественному авиапрому и космической отрасли ряд перспективных разработок, которые могут существенно улучшить защиту и технические характеристики летательных аппаратов, повысить безопасность полетов, а также снизить себестоимость продукции.
Отвечая на вопросы представителей СМИ, Евгений Каблов рассказал о комплексном решении материаловедческих задач, современных тенденциях развития материалов и технологий, специфике малотоннажного производства, о вопросах кадровой политики института, а также об участии ВИАМ в проекте по созданию МКС «Энергия−Буран».
На вопрос о сертификации новых материалов Генеральный директор ВИАМ ответил, что «наличие сертификации, предоставление всей доказательной базы – ключевое условие допуска любого продукта или системы к эксплуатации. А с учетом вступления России в ВТО вводятся дополнительные ограничения». «Не следует забывать об опыте прошлых лет − в Советском Союзе была разработана уникальная система управления качеством продукции, которая фактически исключала вероятность катастрофы по вине разработчиков материала, − сообщил Евгений Каблов в этой связи. – Существовала жесткая система стандартов, и все технические условия были обязательны к исполнению».
Говоря о развитии российской науки, Евгений Каблов отметил, что для перехода к новому, шестому технологическому укладу необходимо широкое использование информационных технологий. «Недостаточно просто передавать информацию с помощью различных гаджетов, нужно иметь свои технологии и программное обеспечение и реализовать их в процессе полного жизненного цикла – от проектирования до реализации, − подчеркнул он. – Пока у нас нет хороших программных продуктов». Именно поэтому необходимо интенсивно заниматься наукой, которая является основой любого государства и любой цивилизации. «Все затраты СССР на космические исследования окупились сторицей теми результатами, которые были получены благодаря созданию соответствующих систем спутниковой аэрофотосъемки, предсказаний стихийных бедствий и другим разработкам», − сообщил Евгений Каблов. «Только помня о выдающихся достижениях нашей науки и промышленности, опираясь на богатую историю и бесценный опыт, Россия сможет создать и реализовать новые масштабные инновационные проекты», − отметил он.
Как подчеркнул Генеральный директор ВИАМ, «основным материалом, используемым сегодня в ракетно-космической технике, традиционно является металл». Однако, по его мнению, перспективным направлением для развития отрасли является увеличение применения полимерных композиционных, керамических и металлокерамических материалов. «Будущее также за материалами с памятью формы и интеллектуальными материалами, работа над которыми активно ведется учеными ВИАМ», – отметил Евгений Каблов.
\Металлические материалы для космической техники
Для изделий космической техники широко применяются разработанные в ВИАМ высокопрочные и коррозионностойкие стали, такие как 30ХГСН2А, ВКС-170, ВКС-210, 07Х16Н6, ВНС-2, ВНС-16, ВНС-5, ВНС-25 и др. Ряд высокопрочных коррозионностойких сталей нашел свое применение для изготовления узлов и деталей двигателей РД-170.
Кроме того, ВИАМ разработал ряд деформируемых жаропрочных сталей и сплавов на железо-никелевой и никелевой основах. Так, для МКС «Энергия−Буран» потребовались стяжные болты и силовые тяги, обладающие высокой прочностью и надежной работоспособностью при температурах 550−750°С .
Большое значение в создании космических аппаратов играют титановые сплавы ввиду их низкой плотности, высокой коррозионной стойкости и удельной прочности, превышающей прочность алюминиевых и магниевых сплавов. Применение титановых сплавов позволяет снизить вес при обеспечении высокого уровня прочностных характеристик и повысить надежность конструкции.
Титановые сплавы широко использовались при создании многоразовой транспортной космической системы «Энергия− Буран», космических спускаемых аппаратов «Луна», «Марс» и «Венера», международного космического проекта «Вега».
Наиболее широкое распространение в ракетно-космической отрасли получил разработанный в ВИАМ высокопрочный титановый сплав ВТ23.
Одними из основных материалов конструкций изделий космической техники являются алюминиевые сплавы. Они обладают высокими эксплуатационными характеристиками и пониженной плотностью по сравнению с титаном и сталями.
Так, на протяжении многих лет в конструкциях как отечественных, так и зарубежных изделий космической техники успешно применяются полуфабрикаты из свариваемого алюминиевого криогенного сплава 1201 системы Al−Cu−Mn. Сплав 1201 нашел широкое применение в конструкциях сварного топливного бака ракет «Протон-М» и сварной кабины пилотов корабля «Буран».
В настоящее время специалисты ВИАМ разработали высокопрочный, коррозионностойкий, свариваемый сплав пониженной плотности В-1461 на базе системы Al−Li−Cu, который является улучшенной модификацией сплава 1460 и превосходит его по характеристикам пластичности, трещиностойкости, технологичности при холодной пластической деформации. Сплав В-1461 рекомендуется для применения в сварных конструкциях, работающих до +160°С, и может обеспечить снижение массы конструкции на 8−15%.
Неметаллические материалы для космоса
Для тепловой и эрозионной защиты поверхностей ракетно-космической техники от аэродинамического, газодинамического нагрева институтом разработаны напыляемые и пенотеплозащитные материалы, а также теплозащитные материалы на основе волокнистых наполнителей различной природы. Для обеспечения надежной антикоррозионной защиты разработана система адгезионно-защитных покрытий на основе грунтовки ЭП-0214, которая успешно была применена для космического корабля «Буран».
Для защиты космического корабля «Буран» были созданы высокотемпературные жесткие теплозащитные материалы на основе кварцевых волокон типа ТЗМК-10, ТЗМК-25 и гибкие теплоизоляционные материалы серии АТМ.
Сегодня в ВИАМ разработаны углепластики, которые могут быть использованы для производства космической техники в качестве основных конструкционных материалов.
Суперсплавы нового поколения
«Одной из важнейших задач, стоящих сегодня перед авиационной отраслью, является повышение весовой эффективности техники, ее прочности и ресурса. Она может быть решена благодаря разработке и внедрению сверхлегких высокопрочных материалов», – заявил Евгений Каблов.
«В первую очередь речь идет об алюминий-литиевых сплавах, которые в совокупности с внедрением перспективных технологий соединения, включая сварку в твердой фазе, позволят снизить на 20−30% массу конструкций и, следовательно, расход топлива», – сказал Генеральный директор ВИАМ. «В России имеется уникальный центр по выпуску этих материалов – Каменск-Уральский металлургический завод (КУМЗ)», – сообщил он.
С целью снижения массы планера за счет замены клепаного варианта конструкции на сварной, ВИАМ совместно с другими предприятиями отрасли проводит широкие исследования в области разработки новых технологий сварки алюминий-литиевых сплавов, лазерной и гибридной сварки, сварки трением с перемешиванием. Эти работы обеспечат снижение массы до 25%. Имеется положительный опыт работ ВИАМ и «Airbus» − была изготовлена сварная ребристая панель фюзеляжа из алюминий-литиевого сплава 1424, которая выдержала 75 тысяч циклов без разрушения.
Для повышения весовой эффективности алюминий-литиевые сплавы пониженной плотности внедряются в изделия авиационной техники. Листы сплава 1441 применены в обшивке гидросамолетов ТАНТК им. Г.М. Бериева.
С целью повышения ресурса эксплуатации авиационной техники разработан высокопрочный ковочный сплав 1933 с повышенными характеристиками вязкости разрушения, который заменил сплав АК6 практически во всех современных изделиях авиационной техники (Ан-148, SSJ-100, изделия военного назначения).
Сегодня работы ВИАМ в области алюминиевых сплавов направлены на разработку новых составов, легированных РЗМ, и технологий изготовления полуфабрикатов, а также на создание гибридных конструкций с использованием слоистых алюмостеклопластиков.
Еще одним важным направлением для авиационной отрасли Евгений Каблов считает создание жаропрочных сплавов нового поколения, позволяющих повысить надежность и ресурс газотурбинных двигателей. «Важным шагом является применение ВИАМ собственных ресурсосберегающих технологий при производстве данных сплавов», – сообщил он.
С целью снижения массы конструкций газотурбинных двигателей ВИАМ ведет работы по созданию жаропрочных материалов на основе интерметаллидов титана, никеля, ниобия для деталей ротора и статора компрессора высокого и низкого давления.
Новые интерметаллидные сплавы на основе никеля и титана ВКНА-4У, ВКНУ-4УР, ВКНА-1В, ВИН3, ВИН4, разработанные институтом, обладают рядом серьезных преимуществ перед традиционными. В частности, это касается их повышенной жаростойкости, более низкой плотности, экономного легирования и удешевления производства. Их применение позволит увеличить надежность, уменьшить массу, повысить ресурс и снизить себестоимость лопаток турбины.
Для повышения жаропрочности и коррозионной стойкости лопаток газотурбинных, силовых и энергетических установок разработаны новые сплавы ЖСКС-1 и ЖСКС-2, которые обладают лучшими характеристиками и свойствами по сравнению с применяемыми в настоящее время сплавами ЖС-32, ЦНК-8Н, ЗМИ-3У и ЖС-26. При этом изготовление вышеупомянутых новых сплавов существенно дешевле, они прочнее и легче, содержат меньше вредных примесей и обладают повышенной коррозионной стойкостью даже по сравнению с коррозионностойким сплавом ЗМИ-3У. Кроме того, они обладают высокой технологичностью при изготовлении лопаток газотурбинных установок, ресурс которых с использованием новинок может составлять свыше 100 тысяч часов, что позволит обеспечить их высокую конкурентоспособность на российском и мировом рынках.
В ВИАМ успешно решена задача комплексной переработки всех отходов, образующихся при производстве сплавов в металлургическом и литейном производствах. Разработана серийная ресурсосберегающая технология переплава отходов в вакууме, которая позволяет из 100% литейных отходов получать шихтовые заготовки, которые по химическому составу, чистоте и свойствам полностью соответствуют требованиям действующих ТУ на поставку. Для обеспечения производства малоразмерных и вертолетных газотурбинных двигателей высококачественными заготовками дисков из высокожаропрочных никелевых и высокопрочных титановых сплавов в институте разработан принципиально новый экономичный способ их термомеханической обработки – изотермическая штамповка на воздухе (во всем мире эта процедура проводится в вакууме, что существенно удорожает изделие и снижает производительность). Это стало возможным благодаря использованию разработанных в ВИАМ высокоресурсных жаропрочных сплавов для штампов и специального защитного антиокислительного покрытия, являющегося одновременно высокотемпературной смазкой штампового инструмента при деформации.
Покрытия повышают стойкость штамповой оснастки в 2–3 раза. Реализация разработанных технологий изготовления штамповок обеспечивает увеличение коэффициента использования металла в 2–3 раза за счет уменьшения технологических припусков в процессе штамповки и механической обработки и снижение трудоемкости производства в 3–5 раз за счет сокращения операций при штамповке и окончательной механической обработке деталей, а также снижение стоимости штамповок в 1,5–2 раза.
В ВИАМ создано специализированное производство для получения порошковых никелевых и титановых припоев способом газоструйного распыления расплава, оснащенное современным технологическим и испытательным оборудованием. Разработана и внедрена ресурсосберегающая технология производства ультрадисперсных порошков для селективного лазерного спекания, лазерной LMD-наплавки, а также припоев и сплавов-наполнителей для высокотемпературной вакуумной пайки с высокой однородностью гранулометрического состава порошков (свыше 80% выход годного для фракции 40–100 мкм и 50% для ультрадисперсных порошков 15–20 мкм).
Композиционные материалы нового поколения − будущее авиационно-космической техники
Как заявил Евгений Каблов, «полимерные композиционные материалы: угле-, стекло-, органопластики и гибридные материалы на их основе, прочно заняли одно из основных мест среди конструкционных и специальных материалов в самолето-, вертолетостроении и космической технике». «В настоящее время в России нет ни одного современного летательного аппарата, в конструкции которого не были бы использованы разработанные в ВИАМ композиты», – сообщил он.
По его словам, объем применения угле-, стекло- и органопластиков достиг 50% от массы авиационного планера, обеспечивая ее снижение на 20–25%, при этом широкая номенклатура ПКМ востребована различными предприятиями авиационной, космической отраслей и оборонно-промышленного комплекса. «Данные материалы широко применяются не только для производства самолетов, ракетной техники, но и изделий гражданского и двойного назначения», – подчеркнул Генеральный директор ВИАМ.
«Проведенные в нашем институте исследования позволили разработать российские связующие, обеспечивающие работоспособность при температурах до 350°С, и композиционные материалы на их основе, по уровню свойств идентичные зарубежным аналогам», – сказал Евгений Каблов. Он добавил, что «дальнейшие работы в этом направлении будут направлены на создание нового поколения связующих, термостойких и термопластичных матриц и наполнителей для угле-, стекло- и органопластиков с целью повышения стойкости ПКМ к ударным нагрузкам». По словам Евгения Каблова, «актуальным направлением работы ВИАМ является дальнейшая работа над созданием интеллектуальных материалов с функциями самодиагностики, которые впоследствии позволят создавать "умные" конструкции, адаптирующиеся к внешним нагрузкам». «Чтобы показать значимость этого направления, скажу: авиационные власти США приняли решение, что с 2017 года в стране не будет эксплуатироваться ни один самолет, не имеющий в конструкции крыла систему мониторинга состояния в виде оптоволоконных датчиков», – подчеркнул он.
«Связующие, созданные ВИАМ для основных силовых элементов конструкций крыла, фюзеляжа и хвостового оперения, обладают уникальными прочностью, стойкостью к ударам, деформативностью и не уступают продуктам мировых лидеров в области композиционных материалов авиационного назначения», – сообщил Евгений Каблов. «При этом они созданы с учетом требований конструкции и энергоэффективности технологических процессов, экономичности материалов», – констатировал он.
Специалистами ВИАМ осуществляются работы по изготовлению и поставке следующих материалов: препреги угле-, стекло- и органопластиков, пенопластов, а также конструкций из полимерных композиционных материалов.
На основе высокопрочных и термостойких клеев созданы новые композиционные материалы – долгоживущие клеевые препреги марок КМКС (на стеклонаполнителях) и КМКУ (на угленаполнителях). Отличительной особенностью этих материалов является то, что они позволяют реализовывать высокоэффективную технологию сборки клееных высоконагруженных сотовых (слоистых) и интегральных конструкций из неметаллических материалов одинарной и сложной кривизны, когда формование обшивок и приклеивание их к сотовому заполнителю происходит за один цикл. Эти материалы обладают высокой прочностью и стойкостью к усталостным нагрузкам, обеспечивают снижение массы, повышение трещиностойкости, предела выносливости и длительной прочности, герметичности монолитных и сотовых клееных конструкций.
Защита материалов от воздействия климатических факторов
«Различные климатические факторы: солнце, воздух, вода, песок, пыль, микроорганизмы и перепады температур зачастую становятся главными врагами различных сооружений, конструкций и технических систем, создаваемых человеком», – заявил Евгений Каблов. В качестве примера он привел тот факт, что «ежегодные мировые потери от коррозии оцениваются в 2,2 трлн долларов, и в таких странах, как США, Великобритания, Германия, достигают 3% ВВП». «При этом по крайней мере четверти всех потерь можно было бы избежать, если использовать научно обоснованные методы защиты материалов от коррозии и других климатических факторов», – констатировал он.
«Особую опасность климатические факторы представляют для крылатых машин», – подчеркнул Генеральный директор ВИАМ. По его словам, чтобы оценить ресурс и надежность сложных технических систем, а также для их успешной защиты необходимо понимать, какое воздействие на материалы оказывают климатические факторы. «С этой целью ВИАМ выдвигает идею создания единой сети климатических испытательных центров, так как институтом накоплен богатый опыт в этой области», – сообщил Евгений Каблов.
В процессе эксплуатации авиационной техники в различных климатических зонах, особенно в условиях теплого влажного тропического климата, наблюдается микробиологическое поражение различных материалов. Особенно сильному поражению подвергаются герметики.
Специалистам ВИАМ удалось решить задачу по подбору биозащитных добавок, введение которых в состав герметиков не оказывает существенного влияния на технологические свойства (вязкость герметизирующей пасты, жизнеспособность герметика) и не вызывает снижения физико-механических и эксплуатационных показателей. Разработаны два топливостойких герметика ВИТЭФ-1Б и ВГФ-2М, обладающих повышенной грибостойкостью.
Кроме того, в ВИАМ созданы эрозионностойкие, атмосферостойкие, антикоррозионные, влагозащитные покрытия, технологии их изготовления и нанесения, что позволяет обеспечивать эксплуатацию российской техники в различных климатических зонах.
Для защиты лопастей винтов самолетов и вертолетов разработана полиуретановая эмаль марки ВЭ-62, которая обладает высокими адгезией, физико-механическими свойствами, превосходит применяющуюся в настоящее время эмаль ЭП-140 по атмосферостойкости в 6 раз, по эрозионной стойкости − в 5 раз. Эмаль ВЭ-62 применена для окраски несущих лопастей винтов вертолетов и винтовентиляторных двигателей.
Для надежной антикоррозионной защиты внутренней полости нахлеста сварного соединения, выполненного точечной электросваркой, разработаны сварочные составы ПСП-2М с термостойкостью 150°С и КСП-2АК с термостойкостью до 300°С, которые превосходят применяющиеся грунтовки типа ФЛ-023 по термостойкости в 2 раза, по защитным свойствам − более чем в 10 раз. Они экологически безопасны, позволяют проводить сварку в течение 24 ч после нанесения, а также гальванообработку сварных деталей.
Решение кадрового вопроса
Как сообщил Евгений Каблов, «в ВИАМ решена острейшая для ОПК России проблема кадрового потенциала». «Так, в середине 90-х средний возраст сотрудников превышал 61 год, а сейчас этот показатель – около 44 лет, причем кадровый состав был обновлен примерно на 80 процентов. Это стало возможным благодаря тому, что успешно претворяется в жизнь политика преемственности и передачи опыта, обновляется производственный и исследовательский парк, созданы условия для научного и кадрового роста, обеспечивается высокий уровень социальной защищенности и заработной платы», – заявил он. По словам Евгения Каблова, в ВИАМ успешно действует схема «школа – вуз – аспирантура – защита кандидатской диссертации – защита докторской диссертации», активно работает Совет молодых ученых и специалистов, осуществляются различные схемы социальной поддержки молодежи. «Главным достижением я считаю то, что каждый молодой специалист, ученый, опытный сотрудник ВИАМ понимает, что его труд нужен институту, отечественной промышленности и государству в целом», – заключил он.
Материалы для «Бурана»
Успешный пуск МКС «Энергия−Буран» и первая в мире автоматическая посадка многоразового орбитального корабля убедительно продемонстрировали высокий уровень научного, технологического и производственного потенциала ракетно-космической отрасли нашей страны, ее возможности в реализации самых сложных научно-технических решений. К работе над проектом были привлечены все головные институты ВПК, в том числе Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов. «Мы базировались на результатах, которые уже были достигнуты в сфере создания космических аппаратов, − сообщил Евгений Каблов. – Однако необходимы были и принципиально новые материалы и технологии. Главная задача, которая перед нами стояла, − разработка теплозащитных покрытий для обеспечения жизнедеятельности корабля и экипажа. Именно для этого в ВИАМ были созданы материалы, работающие при диапазоне температур от -130 до +1650°С». В интересах реализации программы МКС «Энергия-Буран» ВИАМ разработал 39 принципиально новых материалов и 230 технологий. Более 60 уже существующих материалов и технологий были усовершенствованы в рамках данного проекта. Большинство разработок, сделанных в ВИАМ для «Бурана», находят применение и в наши дни.
Пресс-служба ВИАМ
