Кроме результатов SWOT -анализа по применению высоких технологий для повышения конкурентоспособности изделий рекомендуется использовать также данные анализа патентной информации, которые позволяют не только сформировать единые технологии на изделия нового поколения, выполнить собственные НИОКР и опытно-технологические работы, но также решить задачи трансферта наиболее эффективных зарубежных технологий. Рассмотрим эти методы системного анализа патентной информации более подробно.
К авиационному двигателю предъявляют весьма жесткие технические требования не только по тяге, но и по возможностям использования в альтернативных технологиях, например, в технологиях двойного назначения или в инновационных технологиях, для создания новых летательных аппаратов, тактико-технические характеристики которых должны превосходить показатели лучших зарубежных аналогов. По этой причине приоритетными техническими требованиями к рассматриваемым изделиям относят не только тягу, но и удельные параметры, ресурс, надежность. Для удовлетворения таких требований создать современный авиационный двигатель без применения методов науки, новейших конструкционных материалов и высоких (критических) технологий не представляется возможным[14].
В данном разделе проводится обзор патентных документов, а именно изобретений, полезных моделей и промышленных образцов, размещенных в базе данных Роспатента РФ для определения высоких и критических узловых технологий в области создания новейшей авиационной техники. Сбор материала проводится по каждому узлу газотурбинного двигателя, т. е. рассматриваются патентные документы по вентилятору, компрессору, камере сгорания, турбине, форсажной камере и реактивному соплу[15]. Акцент делается на параметры, улучшающие технические возможности реактивных двигателей - тягу (кг), степень сжатия компрессора, а также температуру газа перед турбиной (°К). По результатам обзора патентной информации можно построить базу данных по узловым технологиям для выполнения дальнейших работ по обеспечению технологической готовности к созданию авиационных двигателей нового поколения (рис.3.1).
Рис.3.1. Окно электронной базы данных по узловым технологиям авиационных двигателей в системе MS Access
«Кликнув» по кнопке, соответствующей какому-либо узлу авиационного двигателя, можно открыть окно, отражающее список патентных документов с их подробным описанием, иллюстрациями и таблицами.
На рис. 3.2 приведены примеры патентных документов по турбине авиационного двигателя – объекту дальнейших исследований данной работы по разработке предварительного проекта технологической документации и технического предложения по созданию конкурентоспособных ГТД.
Рис. 3.2. Окно базы данных по камере сгорания газотурбинного двигателя
Таким образом, с помощью разработанной электронной базы данных представляется возможным определить приоритетный перечень технических предложений на устройства и способы (технологии) для разработки высоких и критических технологии создания реактивных двигателей нового поколения по всем узлам (агрегатам, сборочным единицам, комплектам, комплексам).
В данной РГР в качестве примеров рассмотрены пути использования патентов для разработки технологии нанесения жаростойкого покрытия на детали типа «Сегмент» камеры сгорания ГТД и применения жаропрочных сплавов.
Патент №1
Изобретение относится к машиностроению и может быть применено при изготовлении жаростойких деталей, используемых, например, в устройствах для термического нанесения покрытий или в газовых турбинах.
Рабочую поверхность детали покрывают чередующимися слоями из жаростойкого и жаропрочного металлокерамического материала, представляющего собой слои тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла. Компенсационные слои выполняют из тех же металлов, окислы которых составляют основу тугоплавких металлокерамических слоев. Состав компонентов подбирается таким образом, чтобы коэффициент термического растяжения внутреннего слоя отличался от коэффициента термического растяжения покрываемого металла не более чем на 15%.
1. Жаростойкое металлокерамическое покрытие, состоящее из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, отличающееся тем, что компенсационные слои выполнены из тех же металлов, окислы которых составляют основу тугоплавких металлокерамических слоев.
2. Покрытие по п.1, в котором состав компонентов металлокерамики подбирают таким образом, что коэффициент термического растяжения внутреннего слоя окислов металлов отличается от коэффициента термического растяжения покрываемого металла не более чем на 15%.
Изобретение обеспечивает увеличение стойкости рабочей поверхности деталей, подверженных ударно-термическому воздействию струи газа.
Патент №2
ЖАРОПРОЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
Реферат:
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным литейным сплавам на основе никеля, используемым для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах свыше 1000°С, методами направленной кристаллизации и монокристаллического литья. Сплав содержит, мас.%: хром до 3,0, кобальт до 5,0, вольфрам 8,0-12,0, алюминий 4,3-5,6, тантал 9,0-13,0, рений 4,0-6,0, углерод 0,002-0,05, иттрий 0,003-0,1, лантан 0,001-0,2, церий 0,003-0,1, неодим до 0,01, скандий 0,05-0,1, кремний 0,05-1,0, магний 0,01-0,15, никель - остальное. Повышается высокотемпературная прочность и жаростойкость сплава. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, используемым для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах свыше 1000°С, методами направленной кристаллизации и монокристаллического литья.
Известен жаропрочный сплав для монокристаллического литья на основе никеля, содержащий следующие компоненты, мас.%: хром 2,1 - 3,3, кобальт 5,0 - 7,0, молибден 3,5 - 5,0, вольфрам 3,2 - 4,8, тантал 4,0 - 5,0, рений 5,6 - 7,0, рутений 2,0 - 6,0, алюминий 5,7 - 6,3, углерод 0,002 - 0,02, бор 0,0004 - 0,004, иттрий 0,002 - 0,2, церий 0,001 - 0,02, лантан 0,002 - 0,25, неодим 0,0005 - 0,01, никель - остальное (патент RU N22293782, МПК С22С 19/05, опубл. в 2007 г.).
Указанный сплав обладает достаточно высоким уровнем длительной прочности и стабилен при работе в условиях высоких температур, однако его недостатком является легирование дорогими и дефицитными элементами, прежде всего рением, а также элементом платиновой группы рутением. Кроме того, у сплавов, предназначенных для работы при температурах свыше 1000°С, стойкость к высокотемпературной газовой коррозии становится одной из важнейших характеристик, определяющих их работоспособность. В связи с этим требуется осуществление дополнительного легирования, направленного на повышение указанной характеристики, поскольку в сплаве-прототипе содержание хрома и кобальта, обеспечивающих защитные свойства материала, снижено.
Задачей изобретения является повышение высокотемпературной прочности и жаростойкости сплава при уменьшении его стоимости.
Указанная задача решается тем, что в известный жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, углерод, иттрий, лантан, церий и неодим, дополнительно введены скандий, кремний и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| хром | до 3,0 |
| кобальт | до 5,0 |
| вольфрам | 8,0-12,0 |
| алюминий | 4,3-5,6 |
| тантал | 9,0-13,0 |
| рений | 4,0-6,0 |
| углерод | 0,002-0,05 |
| иттрий | 0,003-0,1 |
| лантан | 0,001-0,2 |
| церий | 0,003-0,1 |
| неодим | до 0,01 |
| скандий | 0,05-0,1 |
| кремний | 0,05-1,0 |
| магний | 0,01-0,15 |
| никель | остальное |
В заявленном сплаве увеличено количество тантала и вольфрама, чтобы компенсировать и даже усилить полезное влияние на структуру и свойства рения, содержание которого в сплаве снижено. Кроме того, из заявленного сплава полностью исключен элемент платиновой группы рутений, а также бор.
Химический состав предлагаемого сплава разработан на базе реализации методов интеллектуальной инженерии, включающей оценку следующих факторов: прогнозируемого уровня структурной стабильности, а именно вероятности образования топологически плотноупакованных и карбидных фаз, формирования эвтектических колоний (
+ ') фаз и фаз с объемно-центрированной кубической решеткой при длительной наработке; кинетики диффузионного огрубления изолированных выделений ' - фазы в матрице и пластинчатой рафт-структуры в монокристаллах.
В результате проведенного анализа было установлено, что в составе предложенного сплава вероятность образования нежелательных фаз мала и сам состав хорошо сбалансирован.
Значительное повышение качества сплава предложенного состава обеспечивается также дополнительным легированием его магнием, скандием и кремнием.
Введение магния заметно улучшает деформируемость никелевого жаропрочного сплава. Кроме того, оно способствует улучшению процесса распада -твердого раствора и образованию более дисперсной '-фазы, стабилизации структуры и замедлению процессов коагуляции упрочняющих частиц на базе интерметаллида Ni3Al, снижению диффузионной подвижности и совершенствованию межфазных границ. Поэтому введение магния в состав литейного жаропрочного сплава с направленной и монокристальной структурой обеспечило дополнительное повышение его жаропрочности.
Введение скандия значительно увеличивает жаростойкость предложенного сплава. Кроме того, он повышает технологичность при обработке материала давлением, а также оказывает рафинирующее действие, связывая серу, фосфор и другие вредные примеси.
Введение в состав предлагаемого сплава кремния обеспечивает дополнительное повышение его жаростойкости.
Указанные элементы совместно с лантаном, иттрием, церием и неодимом при концентрации в приведенных пределах оказывают совокупное влияние на жаропрочность и стойкость к высокотемпературному окислению, которые существенно выше суммарного влияния этих элементов.
Для апробации сплава были выплавлены три состава, содержащие компоненты в % по массе, представленные в таблице 1. Предлагаемый сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи, а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации с применением затравок с заданной ориентацией. Свойства полученных сплавов приведены в таблице 2.
Сопоставление времен до разрушения известного и предложенного сплавов показывает, что по удельной долговечности dл/d (d - удельный вес сплава) предложенный сплав, по крайней мере, не уступает известному сплаву.
При этом, учитывая, что в его составе присутствуют элементы, обладающие наиболее низкой диффузионной подвижностью при высоких температурах, в процессе эксплуатации предложенного сплава в области температур свыше 1100°С его преимущества по сравнению с прототипом становятся особо значительными.
Предложенный сплав обладает оптимальной структурой - в его составе наблюдается практически незначительное количество эвтектической '-фазы, отсутствуют -фазы на основе вольфрама, рения, хрома, т.е. все введенные в сплав элементы обеспечивают необходимый вклад в увеличение жаропрочности. По сравнению со сплавом-прототипом он обладает более высокой структурной стабильностью - температура полного растворения в нем '-фазы составляет 1360-1366°С, в то время как в сплаве-прототипе 1320-1340°С. Стоимость предложенного материала оказывается более чем в два раза ниже стоимости известного сплава в зависимости от выбора конкретных композиций в заявленных диапазонах концентраций легирующих элементов, в его составе отсутствует остродефицитный рутений и снижено содержание рения, что обеспечивает решение задачи производства сплава в необходимом количестве.
Формула изобретения
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, углерод, иттрий, лантан, церий и неодим, отличающийся тем, что в него дополнительно введены скандий, кремний и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| хром | до 3,0 |
| кобальт | до 5,0 |
| вольфрам | 8,0-12,0 |
| алюминий | 4,3-5,6 |
| тантал | 9,0-13,0 |
| рений | 4,0-6,0 |
| углерод | 0,002-0,05 |
| иттрий | 0,003-0,1 |
| лантан | 0,001-0,2 |
| церий | 0,003-0,1 |
| неодим | до 0,01 |
| скандий | 0,05-0,1 |
| кремний | 0,05-1,0 |
| магний | 0,01-0,15 |
| никель | остальное |
Анализируя электронную базу данных и приведенные в ней сведения патентной статистики по высокоманевренным истребителям и многоцелевым ударным самолетам зарубежной военной авиации, можно сделать вывод, что они характеризуются высоким уровнем температуры газа перед турбиной 1850…1950 0K, малой величиной степени двухконтурности и существенно улучшенными массово-габаритными показателями. Двигатели имеют отношение тяги к массе R Ф0/ M дв = 9…10, высокою лобовую тягу, минимальное число деталей, существенно улучшенные эксплуатационные характеристики (ресурс составляет 50…100% ресурса планера, надежность на 60…80% выше, трудоемкость технического обслуживания в 2…3 раза меньше, стоимость жизненного цикла примерно в 1,3 раза меньше по сравнению с теми же параметрами двигателей 4-ого поколения, которые находятся в эксплуатации). Они обеспечивают крейсерский полет со сверхзвуковой скоростью на нефорсированном режиме, высокую маневренность и высокие взлетно-посадочные характеристики, а также низкий уровень заметности и высокую боевую живучесть[16].
Анализ тенденций развития авиационных двигателей по электронной базе данных показал, что происходит постоянный рост качества, выражающийся в улучшении экономичности, снижении уровней шума и эмиссии вредных веществ, повышении надежности и увеличении ресурса вплоть до значений ресурса планера летательного аппарата.
