Изготовление пористоволокнистого материала сверхнизкой плотности для звукопоглощающих конструкций авиационных двигателей

УДК 678.6

Д.П. Фарафонов, В.П. Мигуное

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИОРИСТОВОЛОКИИСТОГО МАТЕРИАЛА СВЕРХНИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ ДЛЯ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ*

Представлен опыт изготовления пористоволокнистого материала из металлических волокон с использованием технологии получения волокон из расплава методом экстракции висящей капли (ЭВКР). Полученный материал характеризуется низкой плотностью, высокой акустической эффективностью и эксплуатационными свойствами, необходимыми для его применения в качестве наполнителя звукопоглощающих конструкций (ЗПК) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

Ключевые слова: пористоволокнистый металлический материал, звукопоглощающие конструкции, газотурбинный двигатель.

In article experience of manufacturing ofporous fibrous material from metal fibers with use technology of receiving fibers by method of extraction of hanging drop of melt (EHDM) is provided. The received material is characterized by the low specific weight, high acoustic effectiveness and the service properties necessary for its application as filler of sound absorbing structures (SAS) of aviation gas turbine engines (GTE).

Key words: porous-fibrous metal material, sound absorbing structures, gas turbine engine.

* В работе принимал участие М.Л. Деговец.

Пористые металлические материалы давно получили широкое применение в энергомашиностроении, авиационной, химической, нефтяной, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. Благодаря своим поглощающим свойствам из-за проницаемой структуры они активно используются в качестве глушителей шума. Однако для снижения шума, распространяющегося по каналам авиационного двигателя, в основном применяются звукопоглощающие конструкции (ЗПК), включающие перфорированный лист и воздушную полость за ним с сотовым заполнителем [1, 2]. Такие конструкции относятся к резонансному типу глушителей шума. Обычно они имеют высокую акустическую эффективность в довольно узком диапазоне частот, не превышающем одной октавы, в отличие от пористых гомогенных материалов - объемных поглотителей. Конструкции на основе гомогенного материала могут обладать максимально широкополосной характеристикой коэффициента звукопоглощения. Кроме того, поглощающие свойства гомогенной конструкции не зависят или слабо зависят от уровня звукового давления.

В силу привлекательности гомогенных материалов по звукопоглощающим свойствам делались неоднократные попытки их внедрения в систему шумоглушения авиационного двигателя. Практическое их применение, однако, наталкивается на сложности с обеспечением требуемых эксплуатационных характеристик - температуры эксплуатации, прочности, коррозионной стойкости, пожаробезопасности и т. д. [2, 3]. Кроме того, большое значение имеет масса ЗПК авиационного двигателя, это также накладывает определенные

требования при выборе звукопоглощающего материала.

Решение проблемы создания гомогенного глушителя шума, способного эффективно работать в ЗПК авиационного двигателя, заключается в выборе исходных материалов и разработке технологий получения из них пористого материала.

Во ФГУП «ВИАМ» совместно с ФГНУ «Научный центр порошкового материаловедения» (г. Пермь) и ФГБОУ ВПО «МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского» проведены работы по созданию пористо-волокнистых металлических материалов (ПВММ) для эффективного поглощения шума в высокотемпературной зоне ГТД. По сравнению с другими пористыми материалами (из металлических порошков, керамики, минеральной ваты, полимерной и металлической пены и пр.) пористоволокнистые металлические материалы обладают оптимальным сочетанием свойств, требующихся для гомогенного глушителя шума ЗПК авиационного двигателя [4]. Помимо высокой акустической эффективности они характеризуются высокой прочностью, сочетающейся с пластичностью, высокой пористостью (до 98%), низкой плотностью. Благодаря использованию волокон из жаростойких и коррозионностойких сплавов ПВММ могут длительно использоваться при температурах до 700°С и выше [5].

В своих исследованиях авторы исходили из того, что волокна для получения высокопористого ПВММ для высокотемпературных ЗПК авиационных двигателей должны изготовляться из жаростойких сплавов и обладать определенной величиной как по толщине, так и по длине [6].

Для получения материала с необходимой

прочностью, жаростойкостью, высокой пористостью и низкой плотностью средняя длина волокон должна быть не менее 100 мм, а оптимальная толщина: 15-50 мкм.

Способы получения металлических волокон можно разделить на четыре группы: механический способ (разрезка проволок, точение, шабрение, шевингование и др.); способ получения волокон из расплавов (фонтанирование, распыление, вытягивание из расплава и др.); химический способ (восстановление галоидных соединений или травление металлов); способ осаждения из паров или электролитическое осаждение.

Наибольший прогресс в производстве неорганических волокон достигнут при использовании способов непосредственного их получения из расплава. К этим способам относятся перспективные высокопроизводительные методы безфильер-ной разливки металла на охлаждаемую поверхность, их разновидностью является метод экстракции висящей капли расплава (ЭВКР), осуществляемый во ФГБОУ ВПО «МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского». Сущность метода заключается в плавлении торца вертикально расположенного стержня с образованием висящей капли расплава. С каплей контактирует рабочая кромка вращающегося охлаждаемого диска-тепло-приемника. В зоне контакта происходит затвердевание расплава. Вследствие вращения диска затвердевший материал выносится из расплава в виде волокна и под действием центробежных сил сбрасывается с диска [7].

Волокна из нержавеющей стали и нихрома толщиной 20-40 мкм и длиной 20-500 мм, полученные методом ЭВКР, были использованы при изготовлении ПВММ толщиной до 10 мм с пористостью от 70 до 90%. Технология изготовления этого материала включала:

- изготовление металлического волокна;

- формирование заготовок в пресс-формах;

- спекание заготовок в вакуумных печах;

- резка заготовок.

Для получения ПВММ из волокон нихрома с максимальной заданной пористостью до 95%, с более равномерным распределением волокон в объеме материала и с более высокими механическими свойствами, совместно с ФГНУ «Научный центр порошкового материаловедения» разработана технология получения панелей с использованием методов расчесывания, иглопробивания волокнистой массы и последующего спекания.

Предложенная технология позволяет получать проницаемые материалы с заданной пористостью и параметрами поровой структуры, исключив процесс прессования, а использование иглопробивания, осуществляемого на иглопробивном устройстве, обеспечивает высокую механическую прочность готового материала благодаря дополнительному скреплению ПВММ отдельными составляющими его волокнами, а также позволяет

осуществлять крепление одного холста к другому, тем самым увеличивая толщину конечного листа, и послойно изменять его плотность.

Технологическая схема получения панелей ПВММ из волокон сплава Х20Н80 с использованием этих методов представлена на рис. 1. Полученный по этой технологии материал может подвергаться механической обработке и калибровке на прессе под необходимые размеры при сохранении равномерной структуры, а также крепиться к металлическим листам с помощью пайки.

Проведены всесторонние исследования физических и акустических свойств образцов такого материала с пористостью от 85 до 95%, в том числе с градиентной пористостью и в сочетании с металлическими сотами (рис. 2). На основе результатов испытаний различных типов конструкционных образцов на жаростойкость, твердость, плотность, пористость и коэффициент звукопоглощения был сделан вывод, что оптимальными свойствами обладают образцы на основе гомогенных однослойных ПВММ, которые имеют наиболее высокий коэффициент звукопоглощения, наибольшую жаростойкость, самую низкую плотность и максимальную пористость (95%).

На рис. 3 представлены частотные зависимости звукопоглощения конструкционных образцов ЗПК трех типов на основе ПВММ из волокон нихрома. Коэффициент звукопоглощения а конструкционных образцов определяли на интерферометре при расположении образца по отношению к жесткой стенке без воздушного зазора.

Следует отметить, что из волокон нихрома удалось получить материал с пористостью 95%. Это технически очень высокий результат и был получен впервые, что является большой удачей, так как позволяет сэкономить материал и снизить массу ЗПК. К тому же, как показали результаты проведенных стендовых испытаний, материал с пористостью 95% обладает наибольшей акустической эффективностью [6].

По весовым характеристикам ПВММ из волокон нихрома соответствует металлическому сотовому заполнителю (масса 1 м2 такого материала с пористостью 95% при толщине 10 мм составляет 4 кг), превосходя его по акустической эффективности.

Однако, как показали дальнейшие исследования, с использованием технологии получения волокон методом ЭВКР возможно создание пори-стоволокнистого металлического материала из волокон жаростойких сплавов с еще меньшей плотностью и с необходимыми для применения его в качестве наполнителя высокотемпературных ЗПК авиационных двигателей свойствами.

Метод ЭВКР позволяет получать непрерывное волокно, из которого возможно формирование холста непосредственно после его отрыва от рабочей поверхности диска теплоприемника. При этом формирующийся на принимающей поверх-

Рис. 1. Технологическая схема получения панелей из ПВММ

Тип 1

1 - перфорированный металлический лист толщиной 0,3 мм;

2 - слой ПВММ толщиной 3 мм с пористостью 85; 90 или 95%;

3 - шестигранный сотовый заполнитель высотой 20 мм;

4 - непроницаемое основание

1 - перфорированный металлический лист толщиной 0,3 мм;

2 - слой ПВММ толщиной 3 мм с пористостью 85; 90 или 95%;

3 - непроницаемое основание

Тип 3

1 - перфорированный металлический лист толщиной 0,3 мм;

2 - три слоя ПВММ толщиной 10 мм с пористостью 85; 90 или 95%;

3 - непроницаемое основание

Рис. 2. Схемы конструкций образцов звукопоглощающих конструкций

3

0,8

0,6

0,4

0,2

0,5

л

\

\з Ч

3,5

6,5 /, кГц

Рис. 3. Коэффициент звукопоглощения а образцов ЗПК на основе ПВММ:

1 - толщина 22 мм (пористость 90%); 2 - толщина 3 мм (пористость 85%) + сотовый заполнитель (40 мм); 3 - градиентный толщиной 26 мм с пористостью по слоям 85; 90 и 95%

1

2

а

2

5

От

Рис. 4. Мат из ПВММ с пористостью более 95%

Изготовление холстов ПВММ методом ЭВКР

О

Укладка

Механическая обработка

О

о

Прокатка

О

Контроль качества матов

Рис. 5. Технологическая схема получения матов из ПВММ

ности холст (при оптимально подобранных параметрах процесса) имеет равномерную волокнистую структуру при средней плотности -0,05 г/см3 и достаточную для его дальнейшей обработки механическую прочность, которая обеспечивается благодаря механическому сцеплению волокон вследствие их перегибов, а также образованию очагов припекания волокон из-за наличия на их поверхности расплава [8].

Для получения из холстов ПВММ наполнителя ЗПК сверхнизкой плотности в виде матов заданной толщины использовалась технология прокатки заготовок, собранных из нескольких волокнистых холстов. Прокатка ПВММ на двухвалковом каландре позволила получить маты толщиной до 20 мм с плотностью 0,2-0,3 г/см3 и пористостью >95% с высокими звукопоглощающими свойствами (рис. 4). Технология получения матов представлена на схеме (рис. 5).

Такой материал при малой плотности имеет достаточную прочность и упругость для применения его в качестве наполнителя высокотемпературных ЗПК авиационного двигателя. Материал легко обрабатывается, а его высокая пластичность и упругость обеспечивают возможность заполнения рабочего пространства ЗПК любой конфигурации и радиуса и исключение необходимости припаивания или крепления наполнителя к металлической основе. При толщине 20 мм маты из ПВММ с плотностью 0,2-0,4 г/см3 имеют максимальное значение коэффициента звукопоглоще-

ния ор0,5-0,7 в основном в области высоких частот 7^3-5 кГц. При необходимости возможно достижение более высокого звукопоглощения в расширенном диапазоне частот путем использования при изготовлении матов сверхнизкой плотности дополнительных элементов в виде перфорированных пластин или металлических сеток, увеличения толщины поглощающего слоя, уменьшения толщины волокон или с использованием материала с переменной пористостью [9].

Таким образом, проведенными исследованиями показано, что создание эффективного гомогенного глушителя шума для авиационных ЗПК, превосходящего применяемые глушители из сотового заполнителя не только по акустической эффективности, но и по весовым характеристикам, возможно с использованием технологии получения металлических волокон методом ЭВКР и простых технологических приемов, таких как холодная прокатка и механическая обработка с использованием обыкновенных ножниц по металлу или другого инструмента.

За рубежом ПВММ постепенно становится незаменимым при создании ЗПК, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях. Например, материал из волокон нержавеющей стали был применен фирмой «Боинг» в качестве шумоглушителя в выхлопной системе вспомогательной силовой установки и звукопоглощающей облицовки основных авиадвигателей. Металлический пористоволокнистый материал начали применять

для шумоглушения в автомобилях Ауди. Кроме того, звукопоглощающие материалы из алюминиевых волокон успешно применяются при строительстве шоссе, метро, туннелей, в концертных и выставочных залах [10].

Отечественные конструкторы, разрабатывающие новые самолеты и двигатели, также заинтересованы в эффективных и легких звукопоглощающих материалах. В ближайшие годы отечественный рынок гражданской авиационной техники имеет большие перспективы развития, но без новых материалов невозможно создание конкурен-

тоспособной авиационной техники с улучшенными летно-техническими характеристиками и эко-логичностью [11, 12].

Обеспечить конкуренцию импортным материалам такого класса могли бы ПВММ сверхнизкой плотности, изготовляемые по разработанной в ВИАМ технологии. Метод ЭВКР достаточно производительный, и создание производственного участка с одной установкой могло бы обеспечить получение матов сверхнизкой плотности для авиационных ЗПК в количестве, необходимом для оснащения около 100 самолетов в год.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соболев А.Ф. Полуэмпирическая теория однослойных сотовых звукопоглощающих конструкций с лицевой перфорированной панелью //Акустический журнал. 2007. Т. 53. №6. С. 861-872.

2. Соболев А.Ф., Ушаков В.Г., Филиппова Р.Д. Звукопоглощающие конструкции гомогенного типа для каналов авиационных двигателей //Акустический журнал. 2009. Т. 55. №6. С. 749-759.

3. Халецкий Ю.Д Эффективность комбинированных глушителей шума авиационных двигателей //Акустический журнал. 2012. Т. 58. №4. С. 556-562.

4. Sun F.G., Chen H.L., Wu J.H., Feng K. Sound absorbing characteristics of fibrous metal materials at high temperatures //Appl. Acoust. 2010. V. 711. P. 221-235.

5. Мигунов В.П., Фарафонов Д.П. Исследование основных эксплуатационных свойств нового класса уплотнительных материалов для проточного тракта ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 15-20.

6. Мигунов В.П., Ломберг Б.С. Пористоволокнистые металлические материалы для звукопоглощающих и уплотнительных конструкций /В сб.: 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 270-275.

7. Серов М.М., Борисов Б.В. Получение металлических волокон и пористых материалов из них методом экстракции висящей капли расплава //Технология легких сплавов. 2007. №3. С. 62-65.

8. Борисов Б.В. Разработка технологии получения волокон и пористых материалов из жаростойких сплавов методом экстракции висящей капли расплава: Авто-реф. дис. к.т.н. М.: МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского. 2011. 19 с.

9. Мигунов В.П., Фарафонов Д.П., Деговец М.Л. Пори-стоволокнистый материал сверхнизкой плотности на основе металлических волокон //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 38-41.

10. Zhengping X., Jilei Z., Huiping T., Qingbo A., Hao Z., Jianyong W., Cheng L. Progress of application researches of porous fiber metals //Materials. 2011. №4. P. 816-824.

11. Антипов B.B. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 157-167.

12. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.