Пермяки рассказали, как продлить жизнь титановым авиационным деталям

Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника». Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ.

Аддитивное производство новых деталей дешевле и удобнее, чем традиционные методы. Оно распространено в авиации, автомобилестроении и энергетике. Особенно широкое применение в 3D-печати находит титановый сплав ВТ6. Из него изготавливают лопатки турбин, элементы двигателей, облегченные кронштейны и крепления, детали фюзеляжей и шасси, компоненты выхлопных систем, станков, теплообменники и многое другое.

– При такой методике изготовления есть свои недостатки: в изделиях могут быть дефекты (поры, неравномерная структура), из-за чего материал становится менее прочным. В результате такие детали часто выходят из строя из-за усталости металла. Особенно уязвимы места с концентраторами напряжений — например вырезы или отверстия в местах крепежей для болтов, клепок и т.д., – комментирует Александр Паньков, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.

Даже небольшие дефекты поверхности сокращают срок службы авиационных и космических конструкций, поэтому необходимо тщательно изучать, как эти слабые места влияют на их конечное состояние. Чтобы это выяснить, ученые Пермского Политеха провели серию экспериментов с образцами титанового сплава ВТ6, напечатанными на 3D-принтере.

– Для проверки прочности мы изготовили образцы и вырезали их в трех направлениях: вдоль, поперек и под углом 45°C к слоям печати. Затем провели испытания, имитируя реальные нагрузки в авиации и космонавтике. Сравнили полированные и необработанные образцы, а также модели с односторонними и двусторонними вырезами, в которых «скапливаются» напряжения. При высоких нагрузках порядка 750 МПа разница между полированными и шероховатыми образцами была минимальна — разрушение начиналось у выреза независимо от полирования.

При низких, около 250 МПа, обработанные объекты выдерживали в 2-3 раза больше циклов. Для промышленности все это означает, что полировка оправдана не всегда — если деталь работает под высокой нагрузкой и проходит регулярные проверки, можно сэкономить на обработке, – комментирует Артем Ильиных, кандидат технических наук, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение», старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики.

Политехники также выяснили, что вертикально наплавленные детали прочнее, чем поперечные и под углом 45°C. То есть, детали с отверстиями/переходами нужно проектировать с учетом направления печати. В пример можно привести авиационную конструкцию с охлаждающими каналами (двухсторонними отверстиями). Она будет менее долговечной, чем цельная, без вырезов, но это можно компенсировать это за счет ориентации, напечатав ее в вертикальном направлении.

Результаты исследования ученых ПНИПУ помогут улучшить проектирование 3D-печатных деталей для авиадвигателей, снизить затраты на полировку, предотвратить поломки в ответственных узлах, где важна устойчивость к многократным нагрузкам. В дальнейшем планируется испытание метода на реальных деталях аэрокосмической техники.