Эксπир
Регистрация / Вход

Сплав науки и технологий готов к холодным инвестициям

О преимуществах нового поколения сверхлегких жаропрочных сплавов в авиации

Сплав науки и технологий готов к холодным инвестициям

Сплав науки и технологий готов к холодным инвестициям

Летать быстрее и дальше, перевозить больше груза и при этом соответствовать международным экологическим нормам – чем не мечта для авиапрома любой страны? Но как добиться таких конкурентных преимуществ? Одно из перспективных решений использовать новое поколение сверхлегких жаропрочных сплавов при изготовлении лопаток авиационных турбин. Экспериментальные образцы таких материалов на интерметаллидной основе, способные выдержать температуры до 700-900° С, получены в ходе одного из проектов ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса на 20142020 годы». Подробнее о проекте рассказал его руководитель  к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник «Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» Андрей Картавых.

Расскажите о сути вашего проекта.

Полное название проекта – «Разработка подходов и способов создания материалов на основе легированных гамма-алюминидов титана с упорядоченной наноструктурой для применения в жаропрочных компонентах газотурбинных двигателей». Полученные в ходе его выполнения экспериментальные образцы легкого жаропрочного материала на интерметаллидной основе (гамма-алюминид титана с комплексным многокомпонентным легированием) предназначены для создания ответственных изделий в авиационной технике, работающих при высоких температурах. Чем хорош этот сплав? Он прочен и жаростоек, как современные никелевые спецсплавы (superalloys), но в два раза легче.

Такие материалы могут быть использованы для производства турбинных лопаток газотурбинных авиадвигателей. Весьма перспективны они и для широкого применения в конструкциях энергогенерирующих газосжигающих турбин передвижных тепловых электростанций. Удельный вес материала, полученного на основе гамма-TiAl с многокомпонентным легированием, мал (4-4.2 г/см3). В перспективе это позволит до 50% увеличить соотношение параметров такой важной характеристики авиадвигателей, как «подъемная сила / вес». Заметный выигрыш по сравнению с лучшими современными сплавами-аналогами, созданными на основе никеля, плотность которых 8-8.5 г/см3.

Использование нашей разработки может дать высокий экономический результат в разных областях. Принести социально-значимые и экологические выгоды. Например, согласно экспертной оценке ВИАМ, проведенной для отечественных авиатурбин, применение гамма-алюминидов титана только в стационарных деталях (с рабочими температурами менее 800°С) взамен некоторых сталей и сплавов способно снизить их вес до 25%. А также обеспечить дополнительную пожаробезопасность конструкции двигателя.

По оценкам экспертов Европейского космического агентства и корпорации Rolls-Royce, замена лопаток авиатурбины марки Trent, изготовленных из современного Ni-спецсплава на аналоги из TiAl-интерметаллических сплавов, при прочих равных условиях способна привести к сокращению количества выбросов SO2 в атмосферу на 25-30%, а CO2 – на 35-40%. Новый материал позволяет не только уменьшить массу двигателя, но и улучшить эффективность его работы.

К слову, сегодня двигателями Trent оснащены все современные пассажирские самолеты международного концерна Airbus. Создание турбин массового применения с более высоким КПД и лучшими технико-экономическими характеристиками поможет повысить уровень жизни и снизить объем загрязнений окружающей среды.

Кто-то из промышленников уже заинтересовался вашей разработкой? Готов использовать уникальные свойства нового материала на производстве?

Предполагалось, что гамма-TiAl с многокомпонентным легированием впервые будет использован для нового двигателя ПД-14 в рамках нацпроекта «Магистральный самолет XXI века» по созданию ближне-среднемагистрального пассажирского самолета Иркут МС-21. Но этого пока не произошло по ряду причин. Проект строительства семейства перспективных гражданских турбовентиляторных двигателей ПД (разработчик  пермский «Авиадвигатель», головной изготовитель  «Пермские моторные заводы») еще не завершен. Он должен стать прорывным для отечественного авиастроения. Но первые коммерческие полеты МС-21 начнет с импортными двигателями Pratt & Whitney в которых, кстати, использованы сплавы TiAl немецкого производства.

В 2003 году в США была начата разработка аналогичных спецсплавов для двигателя GEnx (General Electric Next-generation), предназначенного для дальнемагистральных самолетов Boeing 787 Dreamliner. С 2014 года GEnx поступил в открытую продажу на мировом рынке: по существующей информации 400 двигателей уже предоплачены. Зарубежным коллегам удалось пока заменить на основе нового сплава всего два турбинных диска – это примерно 200 турбинных лопаток. И это сразу облегчило двигатель на 180 кг. Простая арифметика: при четырех моторах самолет становится легче уже на 720 кг.  Кроме того, применение новых спецматериалов снижает объем вредных атмосферных выбросов, что тоже весьма актуально. В 2020 году на европейском рынке пассажирских авиаперевозок начнет действовать запрет на использование двигателей, выбросы СО2 которых не будут снижены на 38% по сравнению с 2000 годом. Это требование уже сейчас обострило конкуренцию в европейском небе.

Общая тенденция развития современных авиадвигателей такова: постепенная замена никелевого сплава новыми материалами позволит сначала снизить вес турбинных ступеней, работающих при 650°С. А потом провести замены большего числа дисков –  5-7  ближе к камере сгорания, где температура достигает 850-900°С.

Наш проект в рамках ФЦП ИР заканчивается в 2016 году. Сплав создан. Проведен ряд испытаний. На базе вуза мы контролируем 16 параметров и характеристик сплава. На промпредприятии это число можно (и необходимо) увеличить. Последний этап работ по проекту – сопоставление и оценка полученных результатов, выводы и формирование ТЗ на опытно-технологические работы.

Очень важно, чтобы полученный сплав был «патентно чистым», не копирующим зарубежные аналоги. Потому еще в прошлом году мы подали две патентные заявки – на состав сплава и на технологию его обработки. Их наличие позволит нам быть более активными при взаимодействии с промышленностью и рассматривать перспективы производства сплава. Силами университета невозможно масштабирование лабораторных технологий и создание пилотного участка производства.

Вакуум или, если угодно, та самая «долина смерти», возникающая по завершении поискового этапа, очень трудный момент. В больших корпорациях есть свои программы поддержки научных подразделений. Нам же требуются представители бизнес-сообщества или промышленности, чтобы подхватить разработку и повести ее. В нашей области затраты на начальный поисковый этап составляют 10% от общей суммы, а 90% затраты при доведении продукта до промышленного выпуска.

Вы не первый раз участвуете в проектах, выполняемых в рамках федеральных целевых программ. Что самое трудное на этом пути?

В статусе руководителя нынешний проект для меня уже второй. В ряде проектов участвовал как соисполнитель, начиная еще с ФЦП «Исследования и разработки» на 20072013 годы. В 20042009 годах работал в проекте IMPRESS по созданию TiAl-сплавов для корпорации Rolls-Royce. Имея опыт работы в европейском консорциуме, могу сказать, что ФЦП ИР на 20142020 годы выстроена грамотно, соответствует современному мировому уровню научно-технических программ, связанных с проведением поисковых работ. Ее финансирование позволяет довести проект до высокого уровня технологической готовности.

Есть проблемы с другой стороны. Дело в том, что по идее отечественная промышленность должна бороться за возможность реализовать ту или иную научную разработку. На деле же ученому самому приходится искать применения результатам своих исследований. Спрос на инновации у отечественной промышленности низкий. В вузы поступает очень мало заказов от крупных корпораций на выполнение тех или иных работ, в то время как для зарубежных университетов аутсорсинг – важнейшая из статей финансирования.

Важно, что в последние годы организаторы ФЦП ИР позаботились о создании общих площадок для встреч бизнесменов и тех, кто занимается прикладной наукой. Помогает в этом и работа акселератора ФЦП ИР, и сайт «Экспир».

- Что же мешает нашей промышленности увеличить спрос на инновации?

- В нашей хайтек-отрасли а это новые материалы, конструкторские разработки  и прочее  заводы, как правило, находятся в середине технологической цепочки. Большая их часть ведет лицензионное производство, а часто просто сборку изделий. Они не имеют права самостоятельно что-либо менять в этом процессе. Разве что кроме малых компетенций, на которые имеют полномочия. Если я придумаю что-то новое, способное повысить эффективность, и приду с этим на завод, меня пошлют… к держателю лицензии  на зарубежное головное предприятие. Кто-то едет, пытается заинтересовать их своими опытными образцами и разработками. Кстати, часто их там просто скупают на корню…

С моей точки зрения, в России отрасли, способные откликаться на серьезные инновации,  это те, где есть полный технологический цикл. Но пока их можно пересчитать по пальцам. Это монополисты вроде Роскосмоса или Росатома, еще сохранившие сеть собственных НИИ и научно-прикладных подразделений. Правда, оценить со стороны, насколько эти НИИ сегодня эффективны, трудно: структуры закрытые, конкурентов не жалуют. Конечно, есть еще ОПК… Но там свои особенности.

Что касается бизнеса, он большей частью встроен в конец технологической цепочки. Это дистрибьюторы: что-то купили и распространяют. С дистрибьюторами говорить про инновации смысла нет.

Может, стоит идти в разработках от требований промышленности, а не предлагать им то, что интересно самим исследователям? Тогда и внедрение окажется не столь тяжелым…

Последние годы в этой области наметился сдвиг. В частности благодаря и работе «Экспира» как экспертной площадки для ученых и предпринимателей. Например, можно узнать, какие решения ждут в НПО «Сатурн», на других производствах.

Проблема нашей разработки, сплава на основе гамма-TiAl его узконишевость. Но результаты большинства проектов ФЦП ИР могут быть востребованы в разных отраслях, в том числе для производства товаров народного потребления.

Свою роль в продвижении результатов работ могут сыграть индустриальные партнеры проектов. Говорят, что требования к ним будут ужесточаться, и это повысит их эффективность. Не думаю, что чисто административные меры здесь помогут. Одна из задач ФЦП ИР не просто заинтересовать индустриального партнера в совместной работе, а создать привлекательные условия для вложения в проект живых денег. Тогда результат будет значительным.

Система Orphus Если Вы заметили ошибку, выделите её и нажмите Ctrl + Enter.

Материал подготовлен редакцией «Экспира»

Автор текста: Нина Шаталова

Автор фото: id1974

Ctrl+Enter
Esc
?

Комментарии

Для того чтобы оставить комментарий, необходимо войти в систему или зарегистрироваться.