Российские ученые нашли способ повысить надежность лопаток авиационных двигателей, используя ионы галлия и ксенона для точного измерения остаточных напряжений в титановом сплаве ВТ6, который применяется для создания компрессорных лопаток.
Ирина Медведева
Изображение 1. Общий вид изогнутого образца с указанием зон контакта с роликами и области интереса (ROI) (участок, выбранный для анализа EDS и EBSD), а также фазовой картой большой площади, картами Эйлера, обратной полюсной диаграммы (IPF) и средней дезориентации ядра (KAM). Источник: исследование авторов.
Важность определения остаточных напряжений
Исследователи из России установили, что ионы галлия и ксенона позволяют с высокой точностью оценивать остаточные напряжения в аэрокосмическом титановом сплаве ВТ6, используемом в производстве лопаток компрессоров авиадвигателей. Это открытие способно повысить надежность этих деталей, о чем сообщила пресс-служба «Сколтеха», входящего в группу ВЭБ.РФ.
«Остаточные напряжения, возникающие после обработки или эксплуатации, напрямую сказываются на усталостной прочности и надежности конструкций. Однако их экспериментальное определение остается сложной задачей: традиционные макроскопические методы работают на уровне миллиметров, а современные микроскопические подходы с использованием ионного травления ограничены единицами микрометров», — отмечается в сообщении.
Открытие российских ученых имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение, которое трудно переоценить. Компрессорные лопатки авиационных двигателей работают в экстремальных условиях: они испытывают циклические нагрузки, высокие температуры и воздействие агрессивных сред. Именно остаточные напряжения, возникающие на этапах механической обработки и последующей эксплуатации, часто становятся причиной образования микротрещин и внезапного разрушения.
Умение точно определить их распределение на масштабах от 0,05 до 0,5 миллиметра закрывает критический пробел в понимании поведения материала. Ранее инженеры были вынуждены либо довольствоваться грубой макроскопической картиной, либо изучать свойства в слишком узком локальном объеме, что не позволяло корректно прогнозировать усталостный ресурс детали. Теперь же, благодаря методу двойного ионного зондирования, появляется возможность заглянуть в ту самую «слепую зону», где зарождается усталостное повреждение.
Как применяется метод
Для преодоления этой проблемы группа исследователей из «Сколтеха» под руководством профессора Александра Корсунского разработала метод, который позволяет использовать ионы двух различных элементов для определения остаточных напряжений в конструкциях из аэрокосмического титанового сплава в широком диапазоне масштабов — от 0,05 мм до 0,5 мм. Этот диапазон, по словам ученых, долгое время оставался недоступным для изучения, находясь в так называемой слепой зоне.
Изображение 2. Многомасштабный анализ остаточных напряжений (ОН) методом МКИТ (FIB-DIC). (a) СЭМ: расположение колец, фрезерованных Ga⁺ (микро-, в центре) и Xe⁺ (мезо-, вокруг). (b–f) Участок с Xe⁺ до/после Ga⁺-FIB-DIC (b, c), границы зёрен, кривые деформации (e, f) и график оценки плотности распределения (ОПР/KDE) напряжений (пунктир — значение согласно МКИТ Xe⁺). (g) Схема: черный круг — зона исследования (диаметр ~100 мкм); красный круг — МКИТ Xe⁺ (диаметр ~50 мкм); синий круг — МКИТ Ga⁺ (диаметр ~15 мкм). Источник: исследование авторов.
Принцип, использованный группой Александра Корсунского, элегантен в своей простоте. Ионы галлия, обладая меньшей проникающей способностью, позволяют исследовать тонкий приповерхностный слой и фиксировать напряжения, связанные с микроструктурой сплава — формой и ориентацией зерен, а также дефектами кристаллической решетки.
Ионы ксенона, напротив, действуют на большей глубине, усредняя эти локальные флуктуации и показывая общий, макроскопический уровень напряжений в материале. Создавая на поверхности образца своеобразную «матрешку» из кольцевых углублений, обработанных разными ионными пучками, ученые получают многослойную картину напряженного состояния. Это не просто измерение — это своего рода томография остаточных напряжений, позволяющая увидеть, как внутренние силы распределены по глубине и площади детали.
Российские исследователи обнаружили, что необходимые данные можно получить с помощью пучков двух типов ионов — галлия и ксенона — и техники микро-кольцевого ионного травления с цифровой корреляцией изображений. В рамках этого метода исследователи обрабатывают поверхность детали сфокусированным кольцеобразным ионным пучком, что приводит к удалению части материала и его последующей релаксации, позволяя оценивать остаточные напряжения.
Ранее для получения подобной информации использовались только ионы галлия, но специалисты «Сколтеха» доказали, что создание на поверхности сплава «матрешки» из нескольких вложенных друг в друга кольцеобразных углублений, выточенных ионами разных элементов, дает более полные данные о свойствах материала.
«Этот подход позволил напрямую подтвердить иерархическую природу остаточных напряжений: крупный зонд из ионов ксенона усредняет мелкомасштабные колебания, тогда как малый зонд из ионов галлия выявляет локальные изменения, связанные с формой зерен и дислокационной структурой. Мы показали, что можем осознанно выбирать масштаб зондирования в зависимости от конкретных научных и инженерных задач», — подвел итог Корсунский, чьи слова приводит ТАСС.
Практическая ценность работы
Практическая ценность разработки заключается в возможности создания более совершенных производственных процессов. Зная точную картину остаточных напряжений, инженеры могут целенаправленно корректировать режимы финишной обработки лопаток — шлифовки, полировки или упрочнения — чтобы минимизировать нежелательные растягивающие напряжения и, наоборот, создать благоприятный профиль сжимающих напряжений.
Последние, как известно, существенно замедляют рост трещин и повышают усталостную долговечность деталей. Фактически, предложенный метод дает инструмент для тонкой настройки технологических режимов, превращая производство из эмпирического поиска в наукоемкий, управляемый процесс с предсказуемым результатом.
Кроме того, исследование открывает перспективы для контроля состояния лопаток, уже находящихся в эксплуатации. Периодическое тестирование с использованием ионных пучков, пусть и на выборочных образцах или в наиболее критичных зонах, позволит оценивать накопление повреждений и своевременно выводить деталь из эксплуатации до наступления катастрофического отказа.
Сейчас авиационные регламенты в значительной степени опираются на расчетные модели и статистику наработки, однако прямой инструментальный контроль остаточных напряжений мог бы сделать эти прогнозы гораздо более точными. В конечном счете, работа ученых Сколтеха — это шаг к авиационным двигателям нового поколения, где высокая надежность гарантируется не только запасом прочности, но и глубоким пониманием физики происходящих в материале процессов.
Кстати, новейший авиационный двигатель ПД-8, созданный специалистами Объединенной двигателестроительной корпорации (входит в состав Госкорпорации Ростех), успешно выдержал сертификационные испытания, в ходе которых проверялась его работа при попадании в зону интенсивного града, сообщил отдел внешних коммуникаций АО «ОДК».