Евгений Каблов
Генеральный директор ГП-ГНЦ РФ ВИАМ, член-корреспондент РАН, профессор

    Современное авиационное материаловедение при всем разнообразии его конкретных научных направлений призвано в конечном итоге решать две важнейших практических задачи: создание комплекса материалов для планера летательных аппаратов (ЛА) и для газотурбинных двигателей (ГТД). При проектировании этих изделий в первую очередь добиваются снижения массы конструкций, их габаритов, обеспечения работоспособности деталей в условиях силового, температурного, коррозионного и других воздействий, определяемых конкретными тактико-техническими параметрами.
    Анализ основных тенденций развития современной авиатехники, проведенный ВИАМ совместно с ведущими институтами отрасли – ЦАГИ и ЦИАМ, показал, что важнейшими задачами в ближайшие 10 – 15 лет являются повышение весовой эффективности использования материалов в планере самолетов и вертолетов на 25 %, увеличение ресурса работы изделий в 1,5 – 2 раза при повышении надежности конструкций, увеличение пассажировместимости, снижение уровня шума, повышение топливной эффективности до 13 – 15 кг на одного пассажира на 1 км полета при увеличении отношения создаваемой двигателем тяги к его весу не менее чем до 20 кг.
    Для решения этих сложнейших задач необходимо использовать те фундаментальные теоретические и практические заделы, которыми располагает ВИАМ, а также активизировать развитие новых направлений в различных отраслях авиационного материаловедения. По нашему мнению, в ближайшей перспективе сохранят свою научно-практическую актуальность работы в области легких сплавов (алюминиевых и титановых), в первую очередь с использованием нетрадиционных принципов структурного и интерметаллидного упрочнения. При этом алюминиевые сплавы повышенной прочности по-прежнему будут занимать доминирующее положение (около 50 %) в структуре материалов для изготовления планера ЛА. Существенно – до 25 % – должны возрасти объемы использования в его конструкции полимерных и металлополимерных композиций. Расширится использование материалов на основе бериллия. И, разумеется, современную боевую машину нельзя представить без такого универсального материала, как жаропрочная сталь (см. рисунок 1).
    Как правило, комплексный эффект теоретических и лабораторных исследований достигается только при создании соответствующих экономичных технологий. В этой связи разработка учеными ВИАМ промышленной технологии и оборудования для высокоградиентного литья монокристаллических лопаток с проникающим (транспирационным) охлаждением и их защиты от высокотемпературной газовой коррозии может быть отнесена к выдающимся достижениям современной техники.
    Алюминиевые сплавы. При их создании для снижения массы конструкции при повышенной эксплуатационной надежности реализуются задачи увеличения прочности или уменьшения плотности (без снижения прочностных свойств).
    Требованиям повышенной эксплуатационной надежности отвечает созданный ВИАМ сплав 1163 системы Al-Cu-Mg, который применяется для обшивки фюзеляжа и нижней части крыла. Он отличается высокой чистотой по примесям, низким количеством избыточной фазы и вследствие этого высокой вязкостью разрушения. Освоено производство различных полуфабрикатов, в том числе длинномерных плит до 25 м. Для верхней части крыла самолетов нового поколения разработан особопрочный сплав В96Ц-3 системы Al-Zn-Mg-Cu, содержащий цирконий. В настоящее время освоено производство полуфабрикатов – плит, панелей, профилей. Ковочный сплав 1933, обладающий уникальным сочетанием прочности и вязкости разрушения, превосходит по этим показателям американские сплавы 7175 и 7050. Крупногабаритные детали из сплава 1933 (шпангоуты, фитинги, балки) применены в конструкторских бюро Антонова и Яковлева. Планируется использовать сложные по форме фитинги длиной до 6 м на аэробусах А320, А3ХХ. Технология изготовления деталей освоена Самарским металлургическим заводом совместно с ВИАМ.
    Другой путь – снижение плотности – достигается разработкой алюминиевых сплавов, легированных литьем. Создана целая серия их – средней (1420, 1421, 1441) и высокой прочности (1460). Свариваемый сплав 1460 предназначен для эксплуатации в широком интервале температур – от +175 до -253 ^оС и обеспечивает снижение массы конструкций. Его применение в космических конструкциях вместо сплавов типа АМг6 существенно повышает сохранность прочностных свойств (до 0,94 вместо 0,65) сварных конструкций при температуре -253 ^оС (вместо -196 ^оС), что позволяет снизить вес конструкции до 35 % и резко повысить ресурс и надежность.

    Аналогичный эффект обеспечивает применение сложных металлокомпозитов. Материал типа СИАЛ, разработанный ВИАМ, состоит из тонких листов алюминиевого сплава и прослоек клеевого препрега, армированного стекловолокном. СИАЛы отличаются высокой трещиностойкостью и вязкостью разрушения и пониженной (на 10 – 15 %) плотностью по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами Д16, В95. Эти металлокомпозиты перспективны как материал обшивки фюзеляжа.
    Титановые сплавы. К наиболее перспективным титановым сплавам следует отнести высокопрочные ВТ-22, ВТ-23 и жаропрочные ВТ18Х, ВТ25У, ВТ-36. Предпосылками увеличения объема применения титановых сплавов (в планере гражданских самолетов до 20 %, военных – до 50 %, в космических системах до 60 %) являются высокий уровень удельной прочности, надежности, коррозионной стойкости, хорошая свариваемость, немагнитность, высокая технологичность и широкий ассортимент полуфабрикатов.
    Так, конструкционный сплав ВТ-23 путем комплексного легирования и -твердых растворов и многофазовой структуры эффективно упрочняется до уровня 1100 – 1300 МПа. При этом за счет уменьшения концентрации дорогостоящих молибдена и ванадия и отсутствия дефицитных олова и циркония (по сравнению со сплавами Trans206, Trans134) сплав имеет меньшую стоимость. Он применяется для силовых деталей и сварных узлов аэрокосмической техники. В настоящее время изготавливаются серийно все виды полуфабрикатов: фольга (0,08 – 0,1 мм), лента (0,15 – 1 мм), листы (0,8 – 10,5 мм), плиты (11 – 160 мм), прессованные профили и трубы, горячекатаные и холоднокатаные трубы, прутки, поковки, штамповки массой до 3,5 т.
    Сочетание широкого ассортимента полуфабрикатов и высокой технологичности позволяет сделать из сплава ВТ-23 практически все силовые конструкции космической техники. Эффект применения: снижается на 20 – 30 % масса конструкции, уменьшается стоимость и трудоемкость изготовления, повышается надежность.
    Среди жаропрочных листовых титановых сплавов следует отметить ВТ-18У с предельным легированием -твердого раствора, регламентированным упрочнением интерметаллидом алюминия и силицидами. Из этого сплава серийно изготавливают жаропрочные тонкие листы толщиной 0,8 – 1,2 мм. Они обладают более высокой – на 10 % – длительной прочностью за 100 ч при 500 ^оС (600 МПа), при 600 ^оС (200 МПа) и более высоким – на 20 % – пределом ползучести, чем листы из аналогичного сплава Т-6242 (США).
    Жаропрочные сплавы на основе b-твердых растворов с интерметаллидным типом упрочнения являются новым направлением разработок, отличающихся повышенной жаропрочностью при температурах 600 – 700 ^оС с удовлетворительными значениями пластичности, что достигается путем дисперсионного твердения и создания структур типа естественных композитов. Освоение сплавов такого типа позволит повысить прочность и жаропрочность на 25 – 30 %.
    Бериллий и его сплавы. Эффективность применения этих материалов в ракетно-космической и авиационной технике обусловлена сочетанием высокой теплостойкости, теплопроводности, малой плотности, исключительно высокой жесткости, размерной стабильности, высокого сопротивления при низкочастотном нагружении. Так, тормозные диски из бериллия (в качестве силового каркаса) с углеродными накладками для БТС "Буран" позволили снизить массу тормозов в 2,5 раза по сравнению со стальными, обеспечить благодаря лучшему охлаждению более плавную их работу, а также увеличить срок службы гидравлических систем. Это стало возможным после разработки уникальной системы защиты, позволившей исключить вредные выбросы аэрозолей бериллия при 760 ^оС, обеспечить надежную защиту от высокотемпературной газовой и контактной коррозии.
    Более широкое применение бериллия в сложно нагруженных конструкциях сдерживается его высокой чувствительностью к концентраторам напряжений. В этом случае выгодно использовать легкие высокомодульные деформируемые свариваемые сплавы, алюминиево-бериллиевые сплавы типа АБМ.
    По своему строению и закономерностям изменений свойств алюминиево-бериллиевые сплавы в определенной степени аналогичны композиционным материалам с пластичной матрицей, армированной твердыми и прочными частицами или прерывистыми волокнами. Эти сплавы имеют неоспоримые преимущества перед промышленными алюминиевыми, превосходя их по удельной жесткости и прочности, и являются весьма перспективными.
    Для изготовления конструкций из высокомодульных сплавов могут быть использованы листы, прессованные изделия, штамповки, сварочная проволока и другие полуфабрикаты. Наибольший эффект обычно дает использование тонколистового материала, позволяющего получать очень легкие и жесткие конструкции.
    Высокопрочные стали. Основное назначение сталей в авиастроении – использование в конструкциях, требующих высоких значений жесткости, удельной прочности, усталостной долговечности, теплопрочности, коррозионной стойкости и ряда других параметров. Кроме того, как при производстве полуфабрикатов, так и при изготовлении сложных, в том числе сварных, конструкций, для которых сварка должна являться финишной операцией, применение сталей возможно благодаря их технологичности. В некоторых самолетах, например сверхзвуковых истребителях, стали являются профилирующим материалом.
    До недавних пор наиболее распространенной в самолетостроении являлась сталь 30ХГСН2А с уровнем прочности 1600 – 1850 МПа. Благодаря новым разработкам удалось повысить его до 1950 МПа при сохранении высоких значений пластичности. В последнее время созданы новые экономнолегированные высокопрочные конструкционные свариваемые стали ВКС-8 (1800 – 2000 МПа) и ВКС-9 (1950 – 2150 МПа), которые по значениям трещиностойкости не уступают, а в ряде случаев превосходят сталь 30ХГСН2А. Особо следует отметить такую область применения высокопрочных коррозионностойких сталей, как криогенная техника.
    Создание перспективных криопланов (самолетов с двигателем на водородном топливе) вызывает необходимость проведения исследований по получению безуглеродистых коррозионностойких сталей, работоспособных в среде жидкого и газообразного водорода.
    В настоящее время в ВИАМ создана серия сталей для космических изделий. Эти металлы обладают высокой прочностью и не склонны к охрупчиванию при воздействии низких температур и водородной среды.
    Жаропрочные материалы и прогрессивные технологии литья для деталей нового поколения газотурбинных, а также прямоточных воздушно-реактивных и тепловых двигателей относятся к числу приоритетных направлений авиационного материаловедения. В двигателе шестого поколения необходимо обеспечить в перспективе соотношение тяга/масса, равное 20:1 (в 1970 – 1975 гг. оно составляло 8:1, а в 2000 году – 10:1). При этом необходимо повысить температуру газа на 300 – 400 К, а ресурс – в 2 – 3 раза. Эти задачи решаются на основе новых принципов легирования высокотемпературных материалов, таких, как интерметаллидные сплавы типа Ni3Al. Получат дальнейшее развитие металлокомпозиты.
    Высокоградиентная технология получения монокристаллических лопаток. Наибольший прорыв в области повышения жаропрочности турбинных лопаток, являющихся ответственными деталями ГТД, температурная и силовая нагрузка на которые весьма высока, достигнут благодаря впервые разработанной ВИАМ технологии получения монокристаллических лопаток при градиенте температур на фронте кристаллизации в 4 – 5 раз больше, чем у применяемых ныне. Это обеспечивает получение монокристаллических лопаток с объемной долей микропористости 0,09 % (вместо 0,25 % для технологии, применяемой в США), что позволяет увеличить ресурс работы до 34 – 36 тыс. ч вместо 17 – 19 тыс. ч.
    Впервые в отечественной и мировой практике создана оригинальная промышленная установка литья крупногабаритных монокристаллических лопаток для силовой энергетической установки и технологии получения монокристальных (до 450 мм) лопаток для нового поколения стационарных газотурбинных энергетических установок мощностью 350 МВт.
    Из новейших научно-практических исследований ВИАМ можно отметить ренийсодержащие никелевые сплавы, обладающие существенно большим уровнем работоспособности и характеристиками длительной прочности (см. таблицу 1).
    Для опытного сплава с содержанием Re более 7 % достигнуто рекордное значение длительной прочности, что обеспечивает создание для двигателей шестого поколения монокристаллических лопаток с проникающим охлаждением.
    Интерметаллидные сплавы обеспечивают дальнейшее повышение рабочих температур и ресурса деталей ГТД. Жаропрочность материалов на основе Ni3Al регулируется легированием, структурой отливок, определяемой технологией литья. Интерметаллидные сплавы содержат существенно меньшее количество дефицитных дорогостоящих тугоплавких элементов, таких, как ванадий, молибден, ниобий, тантал и др. Их применение эффективно для изготовления охлаждаемых и неохлаждаемых сопловых лопаток, деталей жаровых труб и реактивного сопла, работающих в интервале температур 900 – 1150 ^оС.
    Защитные антиокислительные покрытия повышают долговечность работы деталей из жаропрочных сплавов. В первую очередь это относится к турбинным лопаткам. Новым шагом в разработке защитных покрытий явилось создание и промышленное внедрение метода нанесения слоев из многокомпонентных материалов – вакуумной плазменной технологии высоких энергий. При этом методе воздействие ускоренных плазменных потоков на поверхность жаропрочного сплава обеспечивает целенаправленное управление составом, структурой, микрогеометрией, физическими и химическими свойствами обрабатываемой поверхности. Виды получаемых покрытий: диффузионные, конденсированные, конденсационно-диффузионные.
    Надежность и безопасность авиационной техники в дальнейшем будут обеспечиваться внедрением в практику новых средств неразрушающего контроля качества материалов и конструкций из них. Получит развитие система управления качеством авиационных материалов, включающая их сертификацию с использованием более ста видов испытаний.

    Успехи в создании научного материаловедческого задела достигнуты, несмотря на кризисные тенденции в экономике России. Однако возможности дальнейшего развития разработок по приоритетным направлениям, особенно в реализации научного задела и обеспечения материалами как гражданского сектора, так и оборонного заказа, нельзя считать удовлетворительными. По нашему мнению, требуется вмешательство государства во всех аспектах управления – финансовых, юридических, организационных и др.

    Прежде всего необходимо восстановить разрушенную систему формирования и поддержания запасов стратегически важных для оборонных отраслей материалов, сырья, компонентов и обеспечения ими производства. Это – следствие не всегда обоснованного акционирования предприятий, ухода от государственного регулирования, от проведения продуманной стратегической технической политики. Именно поэтому происходит перепрофилирование, а во многих случаях и закрытие производства сырья, исходных компонентов и материалов. Государство не только утрачивает право собственности на важнейшие предприятия или технологические производства, но и право на управление их деятельностью.
    Так, одна из наиболее острых проблем, касающихся металлургии жаропрочных сплавов, – освоение российского месторождения рениевого сырья на о. Итуруп (Южные Курилы). В связи с тем, что Россия утратила прежние запасы этих руд, принадлежащих теперь Казахстану, Таджикистану и Узбекистану, разработка и использование в промышленности ренийсодержащих жаропрочных сплавов уже существенно отстают от зарубежных стран. А ведь с наличием этих сплавов напрямую связана проблема создания ГТД для военной авиации, а также высокоэффективных энергетических газоперекачивающих установок.
    Потребность авиационно-космического комплекса в титановых полуфабрикатах в 2001 – 2002 годах – 3000 т, других отраслей – 4000 т. Для обеспечения первичным сырьем – ильменитом – необходимо реализовать программу "Руда", где предусмотрена разработка таких месторождений в Тюменской, Омской, Тамбовской областях и в Республике Коми.
    Нельзя не отметить ставшее в последние годы хроническим недофинансирование работ, выполняемых по отдельным, в том числе и федеральным, программам, определяющим приоритеты по основным направлениям создания перспективных материалов и технологий двойного назначения. Это приводит к утрате накопленного научного потенциала и передовых позиций отечественной науки.
    На наш взгляд, необходимо целенаправленное изменение или хотя бы корректировка налогового законодательства:
    – сохранение льгот по НДС на НИОКР, выполняемых за счет бюджета, внебюджетных фондов, а также хозяйственных договоров;
    – освобождение от налогообложения на землю и имущество для научных организаций, имеющих свидетельство о государственной аккредитации, и для ГНЦ.
    Названные проблемы отражают лишь часть негативных процессов, происходящих в сфере научных разработок. Их решение требует целенаправленной государственной помощи.