Актуальность работы.
Нарушение традиционных производственных связей авиаремонтных заводов (АРЗ) с предприятиями авиапромышленности, отказ ряда организаций от заключения договоров на поставки запасных частей, расходных материалов, технологического оборудования, а также другие веские причины ставят перед АРЗ повышенные требования к их выживаемости, способности маневрировать резервами, расширению технико-экономических и конструкторско-технологических возможностей, т. е. вынуждают идти по пути диверсификации.
В этих жестких условиях одним из направлений преодоления дисбаланса функционирования АРЗ может и должно стать введение статуса материалов-заменителей. Этот резерв расширения оперативных возможностей АРЗ может объективно опираться на поддержку со стороны всего потенциала науки РФ.
Материал-заменитель, в интерпретации автора работы, является родственным заменяемому по химическому составу сплаву и обладает равновеликим с ним комплексом эксплуатационных свойств, либо превышающим его, либо несколько ниже базового уровня, но находящимся в допустимых пределах в соответствии с условиями контролируемого применения.
Статус материалов-заменителей в историческом плане не является новым понятием. Впервые в крупных масштабах он был реализован в ВВС СССР в ходе Великой Отечественной войны, причем первый этап (1941 — 1942 гг.) был по существу стихийным, второй этап (1943 — 1945 гг.) планомерно организованным.
Очевидно, что статус материала-заменителя должен оцениваться количественно по комплексным критериям, в состав которых входят несколько частных свойств сплавов, измеряющихся во всем диапазоне эксплуатационных температур. В их числе могут быть механические, теплофизические, химические, технологические свойства, а также фактор удельной массы сплава. Расчет значений критериев должен быть ориентирован на типовые формы поставки материалов (листы, прутки, трубы, плиты, отливки, штамповки, профили прессованные и др.) и виды термообработки (отжиг, закалка, старение и др.). С этой целью в данной работе главное внимание было обращено на выбор и обоснование целесообразности комплексных критериев при оценке эксплуатационной эффективности титановых сплавов, учитывающих показатели прочности, жесткости, пластичности (ползучести), износостойкости. В качестве таковых выбраны критерии Орлова A.B., Боброва С. Н. и Губера М.Т.
Ясно, что эти критерии в проблеме выбора материалов-заменителей не могли применяться ранее, т. е. ни в ходе Великой Отечественной войны, ни в послевоенное время из-за их отсутствия в специальной литературе, хотя сведения о сплавах-заменителях широко публиковались до средины 70-х годов 20-го века.
Об актуальности темы, кроме упомянутого, свидетельствует тот факт, что в последние 3−5 лет в продажу поступило многотомное издание под названием «Международный транслятор современных сталей и сплавов» (7 томов), содержащий химсостав и отдельные частные свойства нескольких тысяч сплавов ряда промышленных стран, с перечислением шифров национальных стандартов для этих сплавов. Никаких комплексных критериев для сравнения Российских и иностранных сплавов авторами там не дается.
Значение работы автора для НАС АРЗ и АТБ заключается также в том, что в ней даются рекомендации по восстановлению (с использованием сплавов-заменителей) авиатехники в аварийных ситуациях при посадке на «чужие» аэродромы, куда вызываются подвижные бригады АРЗ или АТБ с необходимым запасом расходуемых материалов, запасных частей и оборудованием. Инструкций о применении материалов-заменителей для этих условии никто не писал.
Важным аспектом существа данной работы является ее направленность на перспективы применения новых титановых сплавов, как конструкционных авиаматериалов 21-го века. Предлагаемые комплексные критерии уже теперь, на раннем этапе, могут содействовать модернизации устаревающей эксплуатируемой авиатехники путем доработок ее с целью замены старых марок сплавов на новые и сплавы ближайшего будущего.
Цель и задачи исследования
.
Анализ научно-технической литературы показывает, что современный АРЗ является социально-экономической системой, функционирующей в условиях непрерывного роста научно-технического потенциала, усложнения своей структуры и решаемых задач.
Одной из проблем АРЗ, порожденной как геополитическими, экономическими, так и экологическими причинами, является нехватка запасных частей, которая может быть решена только на основе широкого применения современных восстановительных технологий, основными из которых являются технологические процессы горячей обработки сплавов (пайка, сварка, наплавка и т. д.). Существующая тенденция непрерывного совершенствования таких процессов свидетельствует об их высокой технической и экономической эффективности.
Сложность решения практических задач АРЗ определяется также:
• Разнообразием типоразмеров и назначений деталей;
• Множеством марок материалов, поставляемых огромным сортаментом размеров и форм, а также необходимостью учета их многочисленных физико-химических, механических, технологических и эксплуатационных свойств;
• Потребностью в совместимости конструкционных, технологических и вспомогательных материалов между собой и с другими элементами процесса восстановления;
• Высоким уровнем требований к надежности восстановленных деталей;
• Необходимостью достижения высокой экономической и экологической эффективности производственного процесса.
Характерной чертой современного этапа научно-технического прогресса, учитываемой в диссертации, является глобальный процесс информатизации всех сторон человеческой деятельности, в том числе ИАС АРЗ и АТБ. САПР, являясь одним из механизмов интенсификации инженерного труда, начинает всё шире использоваться в производстве. Поэтому описание в виде математических моделей технологических процессов и свойств конструкционных материалов охватывает все более широкой круг применяемых технологий, гарантирующих лётную годность авиатехники в заданных условиях ее эксплуатации. Это позволяет, на базе изложенных в работе математических моделей, осуществлять не только управление текущим производством и капитальным ремонтом авиатехники, но и вести научно — техническую и технологическую подготовку на основе стратегии ТО и Р по состоянию.
Научная новизна работы.
В работе достаточно полно показана динамика роста объемов применения титановых сплавов в конструкциях эксплуатируемых и вновь создаваемых ЛА и АД. Появляются новые марки сплавов этого класса, призванные повысить эксплуатационные качества и весовую отдачу авиатехники, в связи с чем автором проводиться идея внедрения их, взамен ю старых марок 50-х годов, в блоки, узлы и агрегаты воздушных судов, подвергающихся ремонту и доработкам на АРЗ ГА и заводах промышленности. Впервые сформулировано понятие конструкционных материалов-заменителей и обоснована целесообразность восстановления юридического статуса в условиях рыночной экономики.
Путем сравнительного анализа выбраны и научно обоснованы три упомянутых комплексных критерия оценки эксплуатационной эффективности различных титановых сплавов. Численная оценка значений данных критериев впервые рассматривается во всем диапазоне возможных температур эксплуатации Т (0 < Т < Тшт) для материалов — заменителей.
При данной постановке исследований достоинств конструкционных материалов автором впервые рассчитаны и представлены сведения о Тпл титановых сплавов. Предложены также математические модели для т т т т* расчетов ряда механических свойств сплавов (<7 В,<�у02,Е, /л).
Развивая на перспективу возможность широкого применения материалов-заменителей в области производства и ремонта авиатехники, автором даны понятия о каталогах материалов-заменителей и каталогах технологий-аналогов для их обработки. Сформулированы требования к содержанию каталогов.
Достоверность результатов исследований подтверждается: * удовлетворительным согласованием расчетных данных о механических свойствах титановых сплавов по математическим моделям, предложенным автором, с опубликованными дискретными значениями тех же свойств по стандартным испытаниямсовпадением сравнительных оценок эксплуатационных качеств ряда сплавов по выбранным критериям с данными о практике применения сплавов — аналогов в авиатехнике России и за рубежом.
Практическая ценность и реализация результатов работы,.
В целях установления творческих и деловых контактов с руководящим инженерным составом ОАО ВАРЗ-400 по реализации материалов диссертации в авиаремонтном производстве опубликован совместный научный труд.
Доклад автора по данному направлению на международной НТК отмечен дипломом ЮНЕСКО, а доклад в Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (24 мая 2002 г. в гор. Белгороде), как лучший из заслушанных, отмечен специальной грамотой от имени Заместителя министра Минобразования РФ.
Предложенные автором научно-технические решения по обоснованию и выбору конструкционных материалов-заменителей на основе критериев проф. д.т.н. Орлова A.B., Боброва С. Н и польского ученого Губера М. Т. уже в течение около 3-х лет реализуются в дипломных проектах студентов МФ по кафедре РЛА и АД.
Результаты исследований автора включены в рукопись кафедры PJIA и АД «Методические указания к практическому занятию «Расчетно-графический анализ эксплуатационной эффективности конструкционных материалов изделий авиакосмической техники» для подготовки бакалавров в магистратуре по направлению 552 005 «Ремонт авиационной и космической техники. Восстановление их объектов».
На защиту выносятся следующие основные результаты: концепция об особой роли массированного внедрения в практику производства и ремонта ЛА и АД новых титановых сплавов, как конструкционных материалов 21-го веканаучно-обоснованный выбор трех комплексных критериев математической оценки эксплуатационных свойств титановых сплавов, учитывающих высокотемпературную прочность, износостойкость и сопротивляемость ползучести элементов конструкции ЛА и АДматематические модели для расчета важнейших эксплуатационных свойств титановых сплавов в широком диапазоне возможных температур (пределов прочности и текучести, модуля упругости, коэффициента Пуассона) — приемлемая для инженерной практики в сфере производства и ремонта ЛА и АД методика расчета температур плавления титановых сплавов, как предела ограничения при оценке допустимого нагрева деталей в эксплуатациивпервые сформулированное понятие конструкционных материалов-заменителей в интересах расширения технико-экономических, конструкторско-технологических и оперативных возможностей в области производства, эксплуатации и ремонта авиатехникиустановленная количественная зависимость коэффициента Пуассона металлов от их кристаллической структуры и уровня гомологической температурыобоснование требований к содержанию каталогов материалов-заменителей и каталогов технологий-аналогов в качестве информационной поддержки деятельности АРЗитоги обследования облика ремонтируемых в ОАО ВАРЗ-400 авиадвигателей Д-ЗОКУ и Д-ЗОКУ-2 в части объема применения в их конструкции титановых сплавов.
Апробация работы.
По содержанию диссертационной работы сделаны доклады:
1. на МНТК «Современные научно-технические проблемы Гражданской Авиации». Учебный стенд «Рабочий процесс ступени осевого компрессора» в г. Москве в МГТУ ГА в 1996 г.;
2. на научных чтениях посвященных памяти профессора Н. Е. Жуковского «Численная оценка эксплуатационных свойств титановых сплавов по критерию износостойкости» в ВАТУ в г. Москве в 1998 г.;
3. на научных чтениях посвященных памяти профессора Н. Е. Жуковского «Комплексные критерии оценки эксплуатационных свойств металлических сплавов как основа методики выбора материалов-заменителей» в ВАТУ в г. Москве в 2000 г.;
4. на Международной научно-технической конференции «Пайка-2000» «К вопросу взаимозаменяемости титановых сплавов ВТ5−1 и ВТ6» в г. Тольятти в Тольяттинском политехническом институте в 2000 г.;
5. на НТК «Роль критериев эффективности конструкционных сплавов в поиске материалов — заменителей» в ГНИИ МО РФ в г. Люберцы в 2000 г;
6. на Международной НТК стран СНГ «Перспективы создания и применения новых титановых сплавов» в МВТУ им Баумана в г. Москве в 2001 г;
7. на НТК «Организационные и технологические проблемы заводского ремонта образцов ВВТ» в ГНИИ ЭРАТ МО РФ на тему: «О расширении технико-экономических и конструкторско-технологических возможностей АРЗ на основе введения статуса материалов-заменителей» в г. Люберцы в 2001 г;
8. на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука — XXI веку» «Метод расчета и температуры плавления промышленных титановых сплавов» в г. Иваново в 2001 г;
9. на НТК «ПАЙКА. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, МАТЕРИАЛЫ, КОНСТРУКЦИИ» «Современное состояние и перспективы развития пайки» в ЦРДЗ в г. Москве в 2001 г;
10. на Международной НТК «Молодые ученые — промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения» «Перспективы создания и применения новых титановых сплавов». Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры, в г. Москве в 2001 г;
11.на научных чтениях, посвященных памяти профессора Н. Е, Жуковского «Об основах разработки каталогов конструкционных сплавов-заменителей для ремонта авиатехники ГА и ВВС» в ВАТУ в г. Москве в 2002 г.;
12. в Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» «Применение титановых сплавов-заменителей в конструкциях летательных аппаратов и авиадвигателей» в гор. Белгороде в 2002 г.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 работ в открытых научно-технических сборниках.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии и приложений. Основная часть работы изложена на 167 страницах машинописного текста, список литературы на 7 страницах, включающих 64 наименования. Общий объем работы — 181 страницы.
Общие выводы и результаты работы.
В результате выполненной работы решены все поставленные задачи иеследования,.
1. На основе проведенного в работе анализа темпов роста за последние 50 лет эксплуатационных свойств конструкционных авиаматериалов следует, что титановые сплавы претендуют на ведущую роль, в том числе и по объемам применения в ЛА и АД, как конструкционные материалы двадцать первого века.
2. Впервые сформулировано понятие конструкционных материалов-заменителей в интересах расширения технико-экономических, конструкторско-технологических и оперативных возможностей в сферах производства, эксплуатации и ремонта ЛА и АД. Обоснована целесообразность восстановления юридического статуса материалов заменителей как Российского, так и иностранного производства.
3. Путем сравнительного анализа вы ораны и научно обоснованы три комплексных критерия оценки эксплуатационных свойств титановых сплавов, получившие в литературе наименования критериев Орлова A.B., Губера М. Т. и Боброва С. Н. Численная оценка значений этих критериев впервые рассматривается во всем диапазоне теоретически возможных температур эксплуатации Т (в шкале Кельвина) от абсолютного нуля до температуры плавления материалов — заменителей и представляет собой основу разработанной методики выбора материалов согласно их новому статусу,.
4. При данной постановке исследований достоинств конструкционных материалов автором впервые рассчитаны и представлены сведения о температуре плавления (т.е. точек солидуса и ликвидуса) 25 марок широко применяемых титановых сплавов производства РФ.
5. Предложены приемлемые в инженерной практике математические модели для расчетов ряда механических свойств титановых сплавов: предела прочности, предела текучести0,2. модуля нормальной упругости Ет, коэффициента Пуассона И ' ¦ Созданные математические модели существенно увеличивают базу знаний и банки данных об эксплуатационных свойствах титановых сплавов на фоне крайне ограниченных экспериментальных сведений об этих сплавах в официальных справочниках, применительно к потребному диапазону температур, характерных для ГТД.
6. Впервые установлена количественная зависимость значений коэффициента Пуассона чистых металлов от их кристаллической структуры и уровня гомологической температуры. Во всем диапазоне эксплуатационных температур коэффициент Пуассона металлов с кубической гранеценггрированной структурой заметно выше таковых значений для металлов с гексагональной кристаллической структурой, при этом величина коэффициента в том и другом вариантах возрастает с ростом уровня гомологической температуры.
7. В целях развития на перспективу возможности широкого применения материалов-заменителей в области производства, эксплуатации и ремонта авиатехники, в работе обосновано понятие о каталогах материалов-заменителей и каталогах технологий-аналогов для современных многочисленных методов их горячей и холодной обработки. Сформулированы требования к содержанию каталогов.
8. В качестве примеров сравнения эксплуатационных достоинств титановых сплавов ВТ5−1 и ВТо в работе показано, что сплав ВТ6 является полноценным аналогом-заменителем сплава ВТ5−1, а сплав ВТ5−1 — заменителем сплава ОТ4. Они оба являются хорошо свариваемыми и паяемыми деформируемыми сплавами средней прочности. Однако сплав ВТ5−1 применяется в изделиях с длительным нагревом до 450 С, тогда как сплав В’Тб может длительно работать при л.
500 — 550 'С. В целом явное преимущество сплава ВТ6 над сплавами ВТ5−1 и 0Т4 устойчиво сохраняется во всем исследованном диапазоне температур от 77 до 1073 Кельвинов.
9. Об актуальности и практической значимости созданной «Методики», кроме выше указанного, свидетельствует том факт, что в последние 3−5 лет в продажу поступило многотомное издание под названием «Международный транслятор современных сталей и сплавов» (7 томов), содержащий химсостав и отдельные частные свойства тысяч марок сплавов ряда промышленных стран мира, в том числе и России, с перечислением шифров национальных стандартов для этих сплавов. Однако никаких комплексных критериев для сравнения Российских и иностранных сплавов авторами этих томов не дается.
10. В перечень конструкционных материалов для деталей авиадвигателей Д-ЗОКУ, Д-ЗОКУ-2, Д-30КП, Д-ЗОКУ-154, изготовленных из титановых сплавов, целесообразно включить сплав ВТ6 как материал-заменитель сплавов ВТ5−1, ОТ4, а также ОТ4−1 и ОТ4−0. Это мероприятие расширит конструкционно-технологические возможности авиаремонтных заводов ГА и повысит эксплуатационные данные указанных типов двигателей (снижение массы ГТД, увеличение топливной эффективности и срока службы).
Так, например, сравнение легирующих элементов в сплавах ВТ6 и ВТ5−1 оказывается не в пользу последнего из-за наличия в нем оловавесьма дефицитного, дорогого и более тяжелого металла, чем ванадий и алюминий в сплаве ВТ6. Не случайно, видимо, сплав ВТ6, как оказавшийся перспективным, подвергся дополнительному обследованию с целью оптимизации химсостава, в результате чего его новая модификация ВТ6С содержит иное количество легирующих элементов: 3,5% ванадия и 4,5% алюминия. В итоге его жаропрочность еще более возросла.
11. В соответствии с темой диссертации автором, совместно с руководящими работниками ОАО ВАРЗ-400, проведено обследование.
159 облика ремонтируемых авиадвигателей Д-ЗОКУ и Д-ЗОКУ-2 по объему применения в их конструкции титановых сплавов. Установлено, что весьма большое число деталей (свыше 500 наименований общей массой 747 кг или 30% веса ГТД) выполнено из титановых сплавов 15 различных марок, в основном малой и средней прочности, созданных в 50-е годы.
Обновление конструкции этих ГТД за счет внедрения титановых сплавов нового поколения, с существенно боле высокими эксплуатационными свойствами, обеспечило бы им превосходство на мировом уровне.
12. Созданная «Методика» реализуется в дипломных проектах студентов МФ по кафедре ремонта ЛА и АД.
Материалы публикаций автора включены в рукопись кафедры РЛА и АД «Методические указания к практическому занятию «Расчетно-графический анализ эксплуатационной эффективности конструкционных материалов изделий авиакосмической техники» для подготовки бакалавров в магистратуре по направлению 552 005 «Ремонт авиационной и космической техники. Восстановление их объектов».
