КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 17-73-10328
НазваниеТеоретическое моделирование и экспериментальное исследование особенностей фазообразования и дисперсионного твердения гетерогенной системы Al-Zn-Mg-Cu – SiC для формирования заданной структуры и физико-механических свойств
Руководитель Курбаткина Елена Игоревна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" , г Москва
Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые слова Металлокерамический композиционный материал, математическое моделирование, высокоэнергетическое перемешивание, дисперсное упрочнение, дисперсионное твердение, распад твердых растворов, гетерогенная система, математическое моделирование, градиентная теория.
Код ГРНТИ53.49.15, 53.49.05, 53.01.77
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время, в конструкциях авиационных двигателей в большинстве случаев изготавливают статорные лопатки вентилятора из титановых сплавов. Недостатками таких лопаток является большой вес и достаточно высокая стоимость изготовления. С развитием полимерных композиционных материалов и технологий изготовления изделий из них, вместо титановых сплавов стали использовать углепластик, что обеспечило снижение веса детали. Однако, лопатки из углепластика обладают низкими баллистическими характеристиками, чувствительностью к эрозии от попадания частиц и дождевых капель в процессе полета, что в конечном итоге приводит к снижению уровня безопасности полетов. Для улучшения эрозионной стойкости, поверх ведущей кромки пера лопатки стали применять титановую фольгу, что в итоге приводит к увеличению стоимости конечного изделия [1-5].
Одним из актуальных и эффективных путей решения снижения стоимости, является переход от применения титановых сплавов и полимерных композиционных материалов на металлокерамические композиционные материалы. По заявлениям фирм-производителей Pratt&Whitney и DWA Aluminum Composites, благодаря применению металлокерамического дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе алюминиевого сплава, обеспечивается снижение скорости эрозии лопаток в 7 раз, в значительной степени повышается эрозионная стойкость от попадания посторонних предметов и баллистические характеристики [6-9], кроме того, увеличивается срок службы лопаток в 3 раза по сравнению с лопатками из углепластика. В настоящее время статорные лопатки из дисперсно-упрочненных металлокерамических композиционных материалов применяют в двигателях 4ххх серии производства фирмы Pratt&Whitney.
В России отсутствует технология получения дисперсно-упрочненных композиционных материалов для полых статорных лопаток вентилятора ГТД, однако в настоящее время ведутся работы в этом направлении. Наиболее перспективными являются дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, армированные частицами карбида кремния.
Не смотря на большое количество исследований, проведенных в области алюминиевых композиционных материалов, армированных частицами SiC, они сосредоточены на тех системах, которые используются для изготовления высоконагруженных деталей силового набора, обладающих высокой жесткостью. Система Al-Zn-Mg-Cu – SiC исследуется в основном за рубежом и нет доступных сведений о влиянии высокоэнергетического перемешивания на структуру композиционного материала, также не проводилось исследований особенностей дисперсионного твердения данных композиционных материалов, что сильно затрудняет создание материала для статорных лопаток. В связи с этим, одной и важнейших фундаментальных проблем является изучение режимов высокоэнергетического перемешивания, которые позволяют получить монолитные композиционные гранулы без пор и слоистой структуры, а также изучение особенностей фазовых превращений и дисперсионного твердения в системе Al-Zn-Mg-Cu – SiC, поскольку термическая обработка композиционного материала по режиму матричного сплава не обеспечивает максимальную прочность. В ряде публикации имеются данные о том, что высокоэнергетическое перемешивание может вызывать в композиционном материале смещение оптимальных режимов термообработки в температурно-временном интервале, в частности ускорять старение [10-14].
Для решения фундаментальной задачи создания для нового поколения полых статорных лопаток вентилятора ГТД будет разработан металлический композиционный материал Al-Zn-Mg-Cu – SiC со следующими характеристиками: модуль упругости - не менее 100 ГПа, прочность при растяжении - не менее 680 МПа, предел текучести - не менее 630 МПа и относительное удлинение - не менее 2 %. В рамках проекта будет проведена разработка расчетных моделей композиционного материала, теоретически определено изменение структуры в процессе нагружения, в том числе при воздействии температуры, проведено прогнозирование и расчет физико-механических характеристик с учетом разработанных моделей, проведены исследования особенностей высокоэнергетического смешивания и влияния армирующего тугоплавкого компонента на дисперсионное твердение матричного сплава, а также определение физико-механических характеристик и сопоставление их с теоретическими расчетами, позволяющие получить достоверную информацию о свойствах разрабатываемого материала. Экспериментальные исследования будут осуществлены с помощью сертифицированных методик и современного оборудования, имеющегося во ФГУП «ВИАМ». В дальнейшем полученные результаты будут использованы при создании металлокерамических композиционных материалов для нового поколения полых статорных лопаток вентилятора ГТД.
1. Metal Matrix Composites / Chawla N., Chawla K.K. –NY: Springer, 2006- 402 c.
2. Miracle D.B. Metal matrix composites – From science to technological significance / Composites Science and Technology. 2005. Vol. 65. P. 2526-2540.
3. McCarthy R.F.J., Haines G.H., Newley R.А. Polymer composite applications to aerospace equipment / Composites Manufacturing. 1994. Vol. 5, № 2. P. 83-93.
4. Dai G., Mishnaevsky Jr. L., Carbon nanotube reinforced hybrid composites: Computational modeling of environmental fatigue and usability for wind blades / Composites Part B: Engineering. 2015. Vol. 78. P. 349–360.
5. Tual N., Carrere N., Davies P., Bonnemains T., Lolive E. Characterization of sea water ageing effects on mechanical properties of carbon/epoxy composites for tidal turbine blades / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2015
6. Патент США № 5873699 (23.02.1999, United Technologies Corporation) «Направляющая лопатка вентилятора ГТД из дискретно0армированного МКМ»
7. Патент США № 5927130 (27.07.1999, United Technologies Corporation) «Направляющая лопатка вентилятора ГТД»
8. Miracle D.B. Metal matrix composites for space systems: current uses and future opportunities. Affordable metal matrix composites for high performance applications. Warrendale: TMS; 2001. P.1-21.
9. Rawal S. ASM handbook. Composites. Vol. 21. Materials Park: ASM, International; 2001. P. 1033-1042.
10. Аксенов А.А. Оптимизация состава и структуры композиционных материалов на алюминиевой и медной основе, получаемых жидкофазными методами и механическим легированием: Дис. докт. техн. наук: 05.02.01 – М., 2007-387 с.
11. Lewandowski J. Fracture and fatigue of particulate MMCs. Comprehensive Composite Materials, 2000. Р. 151-187.
12. Majumdar B., Pandey A., Miracle D. Deformation and fracture of a particle-reinforced aluminum alloy composite: Part I. Experiments. Metallurgical and Materials Transactions A. 2000, Vol. 31. P. 921-936.
13. Nagarajan R., Dutta I. A novel approach for optimizing the fracture toughness of precipitation-hardenable Al-SiCp composites” Metallurgical and Materials Transactions A. 2001, Vol. 32. P. 433-436.
14. Miserez A., Stucklin S., Rossoll A., San Marchi C., Mortensen A. Influence of heat treatment and particle shape on mechanical properties of infiltrated Al2O3 particle reinforced Al-2 wt. % Cu. Material Science and Technology. 2002. Vol. 18. P. 1461-1470.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ