Ensuring of technological sovereignty of Russia in metallurgy and machine building

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article presents the results of the implementation of three strategically important programs for the creation of aircraft gas turbine engines of the new generation PD-14, PD-8 and PD-35 for the purpose of solving the issue of ensuring the technological sovereignty of the Russian Federation in civil aircraft engine manufacturing. Considered are developments which are priority for civil rocket engineering, namely: launch vehicle with a reusable returnable first stage and a fully reusable single-stage launch vehicle for vertical take-off and landing made using multilayer composite materials. Provided are new technologies for implementation by short-pulse laser fusion of ceramic coatings based on boron carbide with microhardness up to 43 GPa and bismuth-alloyed surface layers of steel with unique tribotechnical characteristics: excellent wear resistance and ultra-low dry friction coefficient (up to 0.03). To ensure technological sovereignty in metallurgy, presented are Russian innovative technologies for the repair and production of new mold copper plates of continuous casting machines with wear-resistant composite coatings and recovering of the thickness of copper plates by multipass friction stir lap welding.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. V. Makarov

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: avm@imp.uran.ru

член-корреспондент РАН

Russian Federation, Yekaterinburg

A. A. Inozemtsev

UEC-Aviadvigatel JSC

Email: office@avid.ru

академик РАН

Russian Federation, Perm

V. G. Degtyar

SC Makeyev Design Bureau

Email: src@makeyev.ru

академик РАН

Russian Federation, Miass

E. V. Kharanzhevskiy

Udmurt State University

Email: eh@udsu.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией

Russian Federation, Izhevsk

A. B. Kotelnikov

R&D Enterprise “Mashprom”, JSC

Email: kab@mprom.biz
Russian Federation, Yekaterinburg

A. A. Vopneruk

R&D Enterprise “Mashprom”, JSC

Author for correspondence.
Email: rp.mmp@mprom.biz

кандидат технических наук

Russian Federation, Yekaterinburg

References

  1. Каблов Е.Н., Антипов В.В. Роль материалов нового поколения в обеспечении технологического суверенитета Российской Федерации // Вестник РАН. 2023. Т. 93. № 10. С. 907–916. Kablov Е.N., Аntipov V.V. The role of new generation materials in ensuring the technological sovereignity of the Russian Federation // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2023. V. 93. № 10. P. 907–916. (In Russ.)
  2. Гончаров Б.Э., Сипатов А.М., Черкашнева Н.Н. и др. Исследование высокотемпературной термостойкости антиокислительного покрытия для керамического композиционного материала с многослойной структурой // Авиационные материалы и технологии. 2021. № 4(65). С. 51–58. Goncharov B.E., Sipatov A.M., Cherkashneva N.N. et al. Studies of thermal shock resistance of an anti-oxidation coating for a multi-layered ceramic composite // Aviation Materials and Technologies. 2021. V. 65. № 4. P. 51–58. (In Russ.)
  3. Мулюков Р.Р., Иноземцев А.А., Чинейкин С.В. и др. Патент РФ № 2777775. Интерметаллидный сплав на основе γ-TiAl фазы для изготовления лопаток турбины низкого давления газотурбинного двигателя и способ изготовления заготовки лопатки из интерметаллидного сплава на основе γ-TiAl фазы // Бюл. № 22. Опубл. 09.08.2022. Mulyukov R.R., Inozemtsev A.A., Chinejkin S.V. et al. RF Patent No. 2777775. Intermetallic alloy based on the γ-TiAl phase for the manufacture of a low-pressure turbine blade of a gas turbine engine and a method for manufacturing a blade blank from an intermetallic alloy based on the γ-TiAl phase // BIMP. № 22. Publ. 09.08.2022.
  4. Бойко А.В., Демьянко К.В., Иноземцев А.А. и др. Определение положения ламинарно-турбулентного перехода при численном моделировании обтекания пластины дозвуковыми и трансзвуковыми потоками // Теплофизика и аэромеханика. 2019. Т. 26. № 5. С. 675–683. Boiko A.V., Demyanko K.V., Inozemtsev A.A. et al. Determination of the laminar-turbulent transition location in numerical simulations of subsonic and transonic flows past a flat plate // Thermophysics and Aeromechanics. 2019. V. 26. № 5. P. 629–637. (In Russ.)
  5. Boiko A.V., Demyanko K.V., Kirilovskiy S.V. et al. Modeling of transonic transitional three-dimensional flows for aerodynamic applications // AIAA Journal. 2021. V. 59. Is. 9. P. 3598–3610.
  6. Прохоров А.Е., Вшивков А.Н., Гачегова Е.А., Плехов О.А. Использование метода лазерной ударной проковки в целях увеличения усталостного ресурса металлических материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 1(I). С. 92–97. Prokhorov A.E., Vshivkov A.N., Gachegova E.A., Plekhov O.A. Experimental implementation of the laser shock peening method aimed at an increase in the fatigue properties of metals. Industrial laboratory // Industrial Laboratory. Diagnostics of materials. 2022. V. 88. № 1(I). P. 92−97.
  7. Из морских глубин − в глубины космоса / Под общ. ред. В.Г. Дегтяря. Миасс: ГРЦ Макеева, 2011. From Deep Sea to Outer Space / Under general editorship of Degtyar V.G. Miass: JSC Makeyev Design Bureau, 2011.
  8. Дегтярь В.Г., Данилкин В.А., Телицын Ю.С. и др. Патент РФ № 2309089. Способ возвращения на космодром многоразовой первой ступени ракеты // Бюл. № 30. Опубл. 27.10.2007. Degtyar V.G., Danilkin V.A., Telitsyn Ju.S. et al. RF Patent No. 2309089. Method of return of non-expendable first stage of rocket to cosmodrome // BIMP. № 30. Publ. 27.10.2007. (In Russ.)
  9. Дегтярь В.Г., Калашников В.Н., Мочалов Е.Н., Слета А.В. Патент РФ № 2678616. Способ использования многоразовой первой ступени ракеты-носителя // Бюл. № 4. Опубл. 30.01.2019. Degtyar V.G., Kalashnikov V.N., Mochalov E.N., Sleta A.V. RF Patent No. 2678616. Method of using the reusable first stage of a launch vehicle // BIMP. №. 4. Publ. 30.01.2019. (In Russ.)
  10. Дегтярь В.Г., Вавилин А.В., Маханьков С.А., Молчанов С.Ф. Вопросы создания многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя КОРОНА. Продолжение работ. XLIV академические чтения по космонавтике, посвящённые памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных − пионеров освоения космического пространства: сборник тезисов. Москва 28–31 января 2020 года: в 2 т. Т. 1. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. С. 46–48. Degtiar V.G., Vavilin A.V., Makhankov S.A., Molchanov S.F. On the development of a reusable one-stage KORONA launch vehicle. Continuation of works. – Abstracts of XLIV Academic Space Conference dedicated to the memory of academician S.P. Korolev and other outstanding national scientists − pioneers of space exploration. Moscow January 28–31, 2020: in 2 vol. V. 1. M.: Publishing house of Bauman MSTU, 2020. P. 46–48. (In Russ.)
  11. Вавилин А.В., Усолкин Ю.Ю., Фетисов В.А. Патент РФ № 2309088. Одноступенчатая многоразовая ракета-носитель вертикального взлёта и посадки // Бюл. № 30. Опубл. 27.10.2007. Vavilin A.V., Usolkin Yu.Yu., Fetisov V.A. RF Patent No. 2309088. Non-expendable single-stage vertical takeoff and landing launch vehicle // BIMP. № 30. Publ. 27.10.2007. (In Russ.)
  12. Kharanzhevskiy E., Ipatov A., Krivilyov M. et al. Ultralow friction behaviour of B4C-BN-MeO composite ceramic coatings deposited on steel // Surface and Coatings Technology. 2020. V. 390. Р. 125664.
  13. Kharanzhevskiy E.V., Ipatov A.G., Makarov A.V. et al. Tribological performance of boron-based superhard coatings sliding against different materials // Wear. 2021. V. 477. Р. 203835.
  14. Kharanzhevskiy E.V., Ipatov A.G., Makarov A.V. et al. Effect of oxygen in surface layers formed during sliding wear of Ni–ZrO2 coatings // Surface and Coatings Technology. 2022. V. 434. Р. 128174.
  15. Kharanzhevskiy E.V., Ipatov A.G., Makarov A.V., Gil’mutdinov F.Z. Towards eliminating friction and wear in plain bearings operating without lubrication // Scientific Reports. 2023. V. 13. Р. 17362.
  16. Понизовкина Е. Износа не будет. Уральские специалисты близки к прорыву в трибологии // Поиск. 2023. № 48(1798). С. 16. Ponizovkina E. No wear and tear. Ural specialists are close to a breakthrough in tribology // Poisk. 2023. № 48(1798). P. 16. (In Russ.)
  17. Котельников А.Б., Вопнерук А.А., Макаров А.В. и др. Новые материалы и технологии существенного повышения износостойкости рабочей поверхности металлургического оборудования // Тяжёлое машиностроение. 2018. № 9. С. 14–20. Kotelnikov A.B., Vopneruk A.A., Makarov A.V. et al. New materials and technologies for significantly increase the wear resistance of the working surface of metallurgical equipment // Heavy engineering. 2018. V. 9. P. 14–20. (In Russ.)
  18. Кушнарев А.В., Киричков А.А., Вопнерук А.А. и др. Физико-механические характеристики газотермических покрытий стенок кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок // Сварка и диагностика. 2017. № 5. С. 50–53. Kushnarev A.V., Kirichkov A.A., Vopneruk A.A. et al. Physico-mechanical characteristics of thermal spray coatings of the mold copper plates of continuous casting machines // Welding and diagnostics. 2017. V. 5. P. 50–53. (In Russ.)
  19. Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю. Роль упрочняющих фаз в сопротивлении абразивному изнашиванию NiCrBSi покрытий, сформированных лазерной наплавкой // Трение и износ. 2017. Т. 38. № 4. С. 311–318. Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu. Role of the strengthening phases in abrasive wear resistance of laser-clad NiCrBSi coatings // Journal of Friction and Wear. 2017. V. 38. №. 4. P. 272–278.
  20. Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Патент РФ № 2492980. Способ получения теплостойкого покрытия // Бюл. № 26. Опубл. 20.09.2013. Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Ju., Osintseva A.L. RF Patent No. 2492980. Method of producing heat-resistant coating // BIMP. №. 26. Publ. 20.09.2013.
  21. Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Формирование износостойкого хромоникелевого покрытия с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 3. С. 39–46. Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Osintseva A.L. Formation of wear-resistant chromium-nickel coating with extra high thermal stability by combined laser-and-heat treatment // Metal Science and Heat Treatment. 2015. V. 57. № 3−4. P. 161–168.
  22. Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Kharanzhevskiy E.V. Improving the properties of a rapidly crystallized NiCrBSi laser clad coating with high-temperature processing // Journal of Crystal Growth. 2019. V. 525. Р. 125200.
  23. Makarov A.V., Korobov Yu.S., Soboleva N.N. et al. Wear-resistant nickel-based laser clad coatings for high-temperature applications // Letters on Materials. 2019. V. 9. No. 4. P. 470–474.
  24. Макаров А.В., Лежнин Н.В., Котельников А.Б. и др. Восстановление стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок из хромоциркониевой бронзы методом многопроходной сварки трением с перемешиванием // Известия вузов. Цветная металлургия. 2023. Т. 29. № 6. С. 66–83. Makarov A.V., Lezhnin N.V., Kotelnikov A.B. et al. Restoration of continuous casting machine mold copper plates made of Cr-Zr bronze using multi-pass friction stir lap welding // Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2023. V. 29. № 6. P. 66–83. (In Russ.)
  25. Лежнин Н.В., Макаров А.В., Валиуллин А.И. и др. Применение аддитивной технологии на основе сварки трением с перемешиванием для восстановления исходной геометрии изношенных плит кристаллизаторов МНЛЗ // Тяжёлое машиностроение. 2023. № 11–12. С. 26–33. Lezhnin N.V., Makarov A.V., Valiullin A.I. et al. The use of additive technology based on friction stir welding to restore the original geometry of worn plates of the CCM casting mold // Heavy engineering. 2023. № 11−12. P. 26–33. (In Russ.)
  26. Tang X., Chen X., Sun F. et al. The current state of CuCrZr and CuCrNb alloys manufactured by additive manufacturing: A review // Materials & Design. 2022. V. 224. Р. 111419.
  27. О работе Уральского отделения РАН в 2022 году. Выступление председателя Уральского отделения РАН академикa РАН В.Н. Руденко // Вестник РАН. 2023. Т. 93. № 8. С. 752–757. On the activities of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences in 2022. Speech by the chairman of the Ural branch of the RAS, RAS academician V.N. Rudenko // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2023. V. 93. № 8. P. 752–757. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The MS-21-310 aircraft with PD-14 engines

Download (9KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Assembly and preparation for testing of the PD-35 technology demonstrator engine: a - the fan blade made of polymer composite materials, b – the demonstrator engine is fully assembled, c – the demonstrator engine is ready for testing

Download (3MB)
Indexing metadata
4. Рис. 3. Разработки многоразовых ракетно-космических систем АО “ГРЦ Макеева”: внешний вид (а) и схема полёта первой ступени (б) ракеты-носителя “Россиянка”; внешний вид (в) и схема полёта (г) ракеты-носителя КОРОНА

Download (3MB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. New generation surface coatings: a − the cross–sectional structure of the surface layer of the bismuth−doped steel shaft after laser treatment and diamond lapping; b - transmission electron microscopy and electronogram (on the insert) of the microstructure near the shaft surface; c - the steel shaft of the turbocharger in the delivery state after sliding friction tests with boundary lubrication at 75,000 rpm during 5 cycles; g − steel turbocharger shaft, doped with bismuth, after sliding friction tests without lubrication at 75,000 rpm for 500 cycles

Download (8MB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Innovative technology of restorative repair and production of new mold walls of continuous casting machines: the design of the mold of a slab mold (a); the process of robotic supersonic gas-air coating spraying (b); wide (c) and narrow (d) mold walls with a sprayed protective coating and water-cooled channels

Download (6MB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Innovative technology of restoration repair of walls (plates) crystallizers of machines for continuous casting of blanks by the method of planar friction welding with mixing (STP): a is the scheme of the planar STP process: S is the load; W is the tool rotation speed, rpm; V is the welding speed, mm/min; α is the angle of inclination, degree; b is the appearance of the welding tool made of heat–resistant alloy without a mandrel and in a mandrel; c is a fragment of a plate made of chromium-zirconium bronze, restored with one layer of 5 mm thick (right) and two layers (left) of bronze; d − the macrostructure of the restored layers and the base of the plate in cross section

Download (5MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».