Углерод-углеродные композиционные материалы в современном двигателестроении

Электротермические вакуумные печи (ЭВП) используются как при литье турбинных лопаток с последующей направленной кристаллизацией в расплаве алюминия (ряд установок УВПП, ВИП-НК разработки ПАО «Электромеханика»), так и для последующей термовакуумной обработки (ТВО) для нормализации внутренней структуры материала - на заводах ОДК (Объединенной Двигателестроительной Корпорации) с этой целью пока в основном эксплуатируются электровакуумные печи ряда иностранных фирм (SЕСО/WARWICK, ULVAC, ALD и т.д.).

В большинстве электротермических вакуумных печей, как в литьевых, так и в печах термовакуумной обработки, в качестве нагревательных элементов используются сборные стержневые или пластинчатые конструкции из синтети­ческого графита или углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), а в качестве теплоизоляции - плиты или цилиндры из низкоплотного УУКМ на ос­нове углеродного войлока. Для защиты теплоизоляции от воздействия паров ме­талла применяются экраны из УУКМ или графита.

Еще один очень важный элемент, используемый в процессах термовакуум­ной обработки - загрузочные устройства, на которых размещаются турбинные ло­патки и другие изделия из жаропрочных сплавов. В зарубежной практике уже дав­но используются загрузочные устройства, так называемые загрузочные решетки, изготовленные из УУКМ. И хотя современные зарубежные печи, поступающие на российские предприятия авиационной промышленности, укомплектовывают­ся загрузочными решетками из УУКМ, в технологии многих отечественных пред­приятий по-прежнему используются за­грузочные решетки из жаропрочных спла­вов.

Решетки из жаропрочных сплавов подвергаются деформации при высоких температурах, что зачастую приводит к возникновению брака турбинных лопа­ток, кроме того, такие решетки тяжелые, дорогие и нетехнологичные, что в целом не отвечает требованиям современно­го производства. Всех этих недостатков лишены загрузочные решетки из УУКМ с вставками из вакуум-плотной алюмоке­рамики. К сожалению, нормативная до­кументация 60-х годов прошлого века не всегда позволяет использовать в техно­логических процессах авиационной про­мышленности современные загрузочные решетки из УУКМ, поэтому их внедрение на российских заводах происходит очень медленно.

Углеродные материалы, используе­мые в термических процессах производс­тва турбинных лопаток, должны обладать определенным комплексом свойств при вы­соких температурах (до 1700°С), таких как:

• механическая прочность;
• отсутствие газовыделения;
• стойкость к воздействию паров ме­талла;
• для нагревательных элементов ма­териал также должен быть электро­проводным и иметь определенное электрическое сопротивление.

Всеми вышеперечисленными свойс­твами обладают углеродные материалы, производимые компанией «Карбосил» по уникальной технологии на собственной производственной базе.

УУКМ, производимые нашей компа­нией, были разработаны в 1990-2016 гг. и до сей поры успешно применяются в процессах производства полупровод­никовых и оптических материалов, где к углеродной оснастке предъявляются жесточайшие требования по чистоте и термостабильности. Поэтому ничего удивительного нет и в том, что при даль­нейшем внедрении этих материалов в авиационном двигателестроении были достигнуты прекрасные результаты.

Разработанная нами технология производства углерод-углеродных ком­позиционных материалов основана на уплотнении углеродной матрицы пироли­тическим углеродом из газовой фазы до получения требуемых свойств готового изделия. В качестве углеродной матрицы используются углеродные материалы на основе вискозы с предварительной тем­пературой обработки не менее 2200°С. К таким материалам относятся нити, жгуты, ткани, войлок, которые формуются в раз­мер изготавливаемых изделий. Также в качестве матрицы применяются изделия из различных экструзионных марок гра­фита.

Технология реализована на обору­довании собственной разработки, и по сравнению с существующими аналогами позволяет существенно сократить сроки и стоимость изготовления изделий из уг­лерод-углеродных композиционных ма­териалов, а также позволяет выпускать конструкционные силовые элементы из УУКМ самой различной конфигурации (например, швеллер). При этом обеспе­чиваются достаточные для применения в различных отраслях эксплуатационные характеристики конечных деталей.

Изделия, производимые нашим предприятием, широко применяются как в качестве теплоизоляционной оснастки вакуумных печей (марка «УКМТ»), так и в качестве конструкционных деталей, не­сущих силовую нагрузку с возможностью эксплуатации в агрессивных средах и при температурах до 2200°С (марка «УКМК»).
В зависимости от эксплуатационных требований наша технология позволяет выпускать углерод-углеродные компози­ционные материалы с заданными свойс­твами, такими как:

• удельное электрическое сопротив­ление;
• теплопроводность;
• прочность;
• плотность.

УУКМ нашего производства в 2013 году прошли испытания в ВИАМ и показа­ли прекрасные эксплуатационные свойс­тва, о чем имеется соответственное офи­циальное заключение.

Изделия из материалов УКМК и УКМТ успешно применяются на ведущих российских предприятиях:

• ПАО «Электромеханика»;
• АО «ОДК-Пермские моторы»;
• НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ;
• АО «ММП им. В.В. Чернышева»;
• АО «ОДК-Авиадвигатель»;
• АО «Наро-Фоминский Машинострои­тельный завод».

Как пример, можно привести сов­местный проект ООО «Карбосил» и ПАО «Электромеханика» по разработке теп­лового узла печи подогрева форм (ППФ) для установки УВПП-120. Установка с теп­ловым узлом практически полностью со­стоящим из материалов производства ООО «Карбосил» отлично себя показала при тестовых испытаниях и была принята заказчиком в этом году.