Ученые ПНИПУ узнали, как продлить жизнь авиационным деталям из титана

Способ делать прочнее авиационные конструкции из титана, напечатанные аддитивным методом 3D-печати, нашли исследователи Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 22 мая сообщила пресс-служба вуза. В настоящее время 3D-печать металлами активно применяется для создания и ремонта сложных изделий, например таких, как завихрители камеры сгорания авиационных двигателей. Технология аддитивного наплавления ускоряет процесс создания сложной детали, снижает затраты, количество отходов и риск возникновения брака, делая производство новых деталей дешевле и удобнее, чем традиционные методы. Такое производство распространено в авиации, автомобилестроении и энергетике. Там особенно широко в 3D-печати используют титановый сплав ВТ6, изготавливая из него лопатки турбин, элементы двигателей, облегченные кронштейны и элементы крепления, детали фюзеляжей и шасси, компоненты выхлопных систем, теплообменники и др. Однако эта технология не исключает появления дефектов внутренней структуры изделия. Из-за постоянных нагрузок возникает усталость и постепенное разрушение материала, и напечатанные металлом детали выходят из строя. Поиском решения проблемы занялись ученые Пермского Политеха. Младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ Александр Паньков пояснил: «При такой методике изготовления есть свои недостатки: в изделиях могут быть дефекты (поры, неравномерная структура), из-за чего материал становится менее прочным. В результате такие детали часто выходят из строя из-за усталости металла. Особенно уязвимы места с концентраторами напряжений — например вырезы или отверстия в местах крепежей для болтов, клепок и так далее». Срок службы авиационных и космических конструкций значительно сокращается в случае даже небольших дефектов на их поверхности. Поэтому существует необходимость в получении данных, как эти слабые места влияют на конечное состояние важных деталей. Чтобы получить такие данные, ученые Пермского Политеха провели серию экспериментов с образцами титанового сплава ВТ6, напечатанными на 3D-принтере. Из изготовленных ими на 3D-принтере заготовок они вырезали образцы в трех направлениях относительно слоев печати: вдоль, поперек и под углом 45°. После чего испытали их на прочность, имитируя реальные нагрузки на детали в авиации и космонавтике. Исследователи сравнили эти показатели у полированных и необработанных образцов, а также варианты с односторонними и двусторонними вырезами, в которых «скапливаются» напряжения. Оказалось, что высокие нагрузки порядка 750 МПа оказывали практически одинаковое воздействие на полированные и шероховатые образцы. Разрушение у них начиналось у выреза в образце независимо от полирования. Однако при низких, около 250 МПа, нагрузках обработанные образцы выдерживали в 2–3 раза больше циклов. «Для промышленности всё это означает, что полировка оправдана не всегда — если деталь работает под высокой нагрузкой и проходит регулярные проверки, можно сэкономить на обработке», — отметил старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ кандидат технических наук Артем Ильиных. Также эксперименты показали, что образцы, вырезанные вертикально относительно слоев печати, оказались прочнее, чем поперечно и под углом 45°. Что указывает на необходимость проектировать детали с отверстиями/переходами с учетом направления печати. Так, например, авиационная конструкция с охлаждающими каналами (двухсторонними отверстиями) будет менее долговечной, чем цельная, без вырезов, но компенсировать это можно за счет ориентации, напечатав эту деталь в вертикальном направлении. Результаты проведенного учеными Пермского Политеха численно-экспериментального исследования циклической долговечности титанового сплава, полученного методом аддитивной печати, были представлены в статье «Малоцикловая усталость аддитивного титанового сплава в условиях концентрации напряжений», опубликованной в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» № 80 за 2025 год. Полученные исследователями данные помогут проектировщикам повысить прочность 3D-печатных титановых деталей для авиадвигателей, предотвратив тем самым частые поломки в ответственных узлах, подвергающихся многократным нагрузкам. Это значительно сократит затраты на прототипирование и изготовление новых деталей, а также снизит в ряде случаев производственные затраты на полировку. Ученые ПНИПУ планируют проведение дальнейших испытаний предложенного метода уже на реальных деталях аэрокосмической техники. glavno.smi.today