Введение

Интерметаллиды γ-TiAl рассматриваются как материалы следующего поколения для высокотемпературных элементов авиационных двигателей благодаря низкой плотности, высокой удельной прочности, жаростойкости. Одним из наиболее перспективных применений данного материала являются лопатки турбины низкого давления ГТД, где замена никелевых суперсплавов позволит снизить массу и расход топлива при сохранении ресурса [1, 2]. Ограниченная пластичность при комнатной температуре и узкий технологический температурный интервал для горячей деформации осложняют использование традиционной технологии деформационного передела, поэтому аддитивные процессы являются наиболее приемлемой технологией изготовления полуфабрикатов из γ-титановых сплавов [3].

Среди основных методов аддитивного производства наибольшее распространение получили четыре технологических подхода: SLM, EBM, DED и WAAM. Эти процессы различаются по типу источника энергии, скорости построения, диапазону тепловых градиентов и рабочей атмосфере, что определяет различия в формировании дефектов, фазового состава и морфологии структуры [4].

С учётом стремительно растущего объёма исследований, посвящённых оптимизации параметров, стратегии печати, модификации состава и методов постобработки, возникает необходимость в систематическом сравнительном анализе методов аддитивного производства изделий из γ-TiAl. Такой анализ должен охватывать не только материаловедческие показатели — дефектность, фазовый состав, параметры микроструктуры и механические свойства, но и системные критерии: надёжность, воспроизводимость, технологическую готовность и потенциал промышленной квалификации.

Создание лопаток из интерметаллида γ-TiAl для последней ступени компрессора газотурбинного двигателя представляет собой сложную инженерную задачу, находящуюся на стыке интересов множества стейкхолдеров. Методология системного инжиниринга предоставляет структурированный инструментарий для решения данной задачи. Путём преобразования «голоса заказчика» (требований стейкхолдеров) в измеримые технические и процессные требования, проведения функциональной декомпозиции и трассируемого сопоставления альтернатив системный подход обеспечивает объективный и прозрачный выбор оптимального маршрута изготовления [5]. Это позволяет согласовать ожидания стейкхолдеров с возможностями технологии и обосновать выбор наиболее подходящего метода аддитивного производства для изготовления ответственных деталей, таких как лопатки из γ-TiAl для ТРД.

В рамках настоящей работы проведён сравнительный анализ четырёх методов аддитивного производства γ-TiAl с использованием системного инструментария — метода РФК и функционально анализа. Это позволило сопоставить параметры микроструктуры и механические свойства изделия с технологическими показателями каждого процесса в контексте требований к объекту и тем самым обосновать выбор оптимальной технологии 3Д-печати.

Полученные результаты работы и их обсуждение

1. Общие требования к процессу аддитивного производства γ-TiAl

Независимо от используемого метода аддитивного производства (SLM, EBM, DED или WAAM) достижение эксплуатационных свойств лопаток из γ-TiAl возможно лишь при строгом соответствии совокупности базовых требований к структуре, геометрии и чистоте материала. Эти параметры определяют надёжность изделия в условиях высоких температур, центробежных нагрузок и длительных циклов нагружения, характерных для последней ступени компрессора ГТД.

Ключевые критерии качества процесса аддитивного производства приведены в таблице 1. Они основаны на анализе данных современных исследований и требований, применяемых при квалификации процессов аддитивного производства высокотемпературных интерметаллидов [3, 4].

Таблица 1

Критерии качества процесса аддитивного производства

Ключевые технологические параметры процессов аддитивного производства γ-TiAl определяют термокинетические условия кристаллизации, морфологию микроструктуры и качество формируемого изделия. В таблице 2 приведены усреднённые диапазоны основных параметров для четырёх промышленных методов — SLM, EBM, DED и WAAM, отражающие различия в тепловложении, скорости сканирования, размерах пятна и температуре подложки. Эти параметры в совокупности формируют температурные градиенты, скорость затвердевания и степень термических напряжений, что, в свою очередь, определяет размер колоний γ/α₂, толщину пластин и уровень остаточных напряжений в полученном материале.

Таблица 2

Технические параметры 3D-методов

Из приведённых данных следует, что методы SLM и EBM, основанные на сплавлении порошка слой за слоем, работают в режиме низкой толщины слоя и высокой скорости сканирования, обеспечивая высокое пространственное разрешение. Напротив, процессы DED и особенно WAAM, использующие подачу порошка или проволоки в зону плавления, характеризуются значительно более высоким тепловложением, что приводит к увеличению глубины расплавленной ванны, формированию более грубой микроструктуры и более низкой точности формообразования.

Таким образом, сопоставление технологических возможностей с установленными критериями качества позволяет определить диапазоны параметров, при которых аддитивные методы обеспечивают требуемые свойства γ-TiAl-изделий. Для определения этих параметров был выполнен анализ литературных данных, описывающих морфологические и механические характеристики образцов, полученных различными технологиями аддитивного производства [6–14], (таблица 3). Полученные в результате анализа литературных данных диапазоны размеров колоний (dₖ), толщины ламелей (λₗ), прочности (σ) и пластичности (ε), характерные для различных методов аддитивного производства γ-TiAl, могут служить репрезентативной основой для построения последующего сравнительного анализа.

Таблица 3

Параметры микроструктуры и механические характеристики синтезированного материала

Метод SLM обеспечивает наиболее мелкую колониальную пластинчатую структуру за счёт высоких скоростей охлаждения (10³–10⁶ °C/с). Такая микроструктура характеризуется высокой дисперсностью фаз γ/α₂, что обеспечивает высокий уровень прочности (до 900 МПа), однако приводит к снижению пластичности при комнатной температуре (ε ≤ 1 %).

В процессе EBM, напротив, благодаря вакууму и предварительному подогреву порошка (1000÷1100 °C) формируется структура с несколько большей толщиной пластин и сниженным уровнем остаточных напряжений. Это обеспечивает баланс между прочностью и пластичностью (σ ≈ 700 МПа; ε ≈ 1 %) при сохранении высокой плотности (> 99,98 %).

Метод DED обеспечивает высокую производительность. Однако из-за крупных колоний (до 300 мкм) и неоднородной микроструктуры прочность несколько снижается (до 600 МПа), хотя пластичность увеличивается до 2 %.

Наиболее крупнозернистую структуру демонстрирует WAAM — вариант DED с максимальной мощностью и скоростью построения. Формируемая структура состоит из крупных колоний пластин (> 300 мкм), что ограничивает прочность (~500 МПа), но повышает пластичность до 3 %. Этот процесс предпочтителен при изготовлении крупногабаритных заготовок и ремонте конструкций.

Взаимосвязь технологических параметров аддитивных процессов с морфологическими характеристиками γ-TiAl подтверждается сопоставлением данных таблиц 1 и 2. Показатели тепловложения, скорости сканирования, толщины слоя и температуры подложки напрямую определяют термокинетические условия кристаллизации, а следовательно — размер колоний (dₖ), толщину пластин (λₗ) и уровень остаточных напряжений.

Таким образом, тенденции, наблюдаемые при изменении параметров процесса, находятся в тесной корреляции с морфологическими и механическими характеристиками γ-TiAl. Снижение скорости охлаждения и увеличение тепловложения закономерно ведут к укрупнению пластинчатой структуры и снижению прочности, тогда как высокая плотность энергии и малая толщина слоя формируют мелкоколониальную микроструктуру с высокой прочностью, но повышенной чувствительностью к дефектам. Эти закономерности определяют стратегию выбора оптимальных параметров печати для различных классов изделий от высокоточных охлаждаемых лопаток до крупногабаритных элементов.

3. Сравнение методов аддитивного производства лопаток из γ-TiAl РФК)

Применение методологии развертывания функций качества позволяет системно связать требования заказчика к изделию с параметрами технологического процесса. РФК обеспечивает формализованное преобразование «голоса заказчика» в технические характеристики процесса, обладающие измеряемыми показателями и весовыми приоритетами.

Матрица РФК строится в виде «дома качества», где горизонтальные строки представляют требования заказчика, а вертикальные столбцы — технические характеристики процессов аддитивного производства. На пересечении полей определяется степень корреляции (сильная, умеренная или слабая связь), выражаемая числовой шкалой от 1 до 9. Таким образом, РФК создаёт трассируемость между потребностями стейкхолдеров и технологическими возможностями конкретных методов.

3.1. Требования заказчика

В качестве исходных данных для РФК выделены ключевые потребительские и функциональные требования к лопаткам последней ступени компрессора газотурбинного двигателя (таблица 4). Каждое требование имеет весовой коэффициент (1÷10), отражающий его относительную значимость при принятии решения. Вес определялся экспертным методом с учётом критериев надёжности, эксплуатационной эффективности и технологической реализуемости.

Таблица 4

Ключевые потребительские и функциональные требования к лопаткам последней ступени компрессора газотурбинного двигателя

Наиболее критичными критериями являются параметры микроструктуры и плотность материала, которые напрямую определяют механические свойства, долговечность и надёжность лопаток при высоких температурах. Точность геометрии и возможность интеграции внутренних каналов охлаждения также имеют высокий приоритет, поскольку влияют на аэродинамическую эффективность и тепловой баланс изделия.

Менее критичные, но стратегически важные параметры — производительность, стоимость, ремонтопригодность и масштабируемость — отражают интересы производителей и эксплуатирующих подразделений, ориентированных на снижение себестоимости и повышение гибкости производства. Таким образом, совокупность требований заказчика формирует многокритериальную задачу, в которой необходимо найти компромисс между качеством и технико-экономическими показателями.

3.2. Технические характеристики процессов

В рамках второго уровня матрицы РФК набор технических характеристик процессов представляет собой совокупность измеряемых параметров, которые непосредственно определяют способность конкретного метода аддитивного производства удовлетворить требования заказчика (таблица 5). Эти характеристики позволяют перевести качественные ожидания в количественные технологические показатели, создавая основу для сравнения различных AM-технологий при производстве γ-TiAl-лопаток.

Таблица 5

Параметры процесса

3.3. Матрица корреляций

Матрица корреляций представляет собой центральный элемент, устанавливающий количественные взаимосвязи между требованиями заказчика и технологическими характеристиками процессов. Каждый элемент матрицы отражает степень влияния конкретного параметра процесса на достижение соответствующего требования (таблица 6). Оценка проводилась по девятибалльной шкале, где 9 — сильная корреляция (высокая степень влияния), 3 — умеренная корреляция, 1 — слабая корреляция, 0 — отсутствие значимого влияния.

Таблица 6

Матрица корреляций

Высокая корреляция (9 баллов) между параметром A (размер колоний) и требованием 1 (однородная мелкозернистая микроструктура) указывает на прямое определяющее влияние теплового цикла и скорости кристаллизации на дисперсность. Аналогично, параметр B (пористость) критически влияет на требование 2 (высокая плотность), что подчёркивает необходимость оптимизации тепловложения.

Параметры C (точность) и D (минимальная толщина стенки) показывают сильную связь с требованиями 3 (точность геометрии) и 4 (внутренние каналы охлаждения) — именно эти показатели определяют пригодность метода к изготовлению сложных профилей и систем внутреннего охлаждения.

Параметры E (скорость осаждения) и F (стоимость расходных материалов) демонстрируют сильную корреляцию с требованиями 5 (производительность) и 6 (стоимость детали), что отражает экономико-технологическую сторону оценки процессов.

Параметр G (возможность локального ремонта) наиболее тесно связан с требованием 7 (ремонтопригодность), а H (максимальный габарит) — с требованием 8 (масштабируемость), что позволяет дифференцировать области применения различных методов от высокоточных миниатюрных лопаток (SLM, EBM) до крупногабаритных ремонтных элементов (DED, WAAM).

Таким образом, матрица корреляций формирует основу для расчёта интегральных оценок по каждому методу, отражающих его способность удовлетворять требований заказчика.

3.4. Оценка методов

На основе установленных взаимосвязей выполнена количественная оценка четырёх методов аддитивного производства γ-TiAl по совокупности технических характеристик. Каждому параметру присвоена оценка от 1 до 5 баллов, где 5 соответствует наилучшему значению показателя, а 1 — наименее благоприятному. Такой подход позволяет нормализовать разнотипные параметры (размер колоний, точность, скорость осаждения и др.) в едином сравнительном пространстве и провести последующий расчёт интегрального рейтинга с учётом весов требований заказчика (таблица 7).

Таблица 7

Количественная оценка четырёх методов аддитивного производства γ-TiAl по совокупности технических характеристик

3.5. Итоговый рейтинг (взвешенная сумма)

На основании разработанной матрицы РФК проведён расчёт интегральных оценок для каждого метода аддитивного производства γ-TiAl. Итоговый балл определялся как взвешенная сумма частных оценок по параметрам, умноженных на весовые коэффициенты соответствующих требований (таблица 8).

Полученные оценки отражают распределение технологического потенциала методов. SLM занимает лидирующую позицию (86/100) благодаря наилучшим показателям по дисперсности микроструктуры, плотности и геометрической точности. EBM демонстрирует оптимальный баланс между качеством микроструктуры и технологической стабильностью (68/100). Высокая температура подложки и вакуумная среда обеспечивают низкие остаточные напряжения. DED (54/100) уступает в точности и структуре, однако отличается высокой производительностью и возможностью локального ремонта. WAAM (48/100) обладает наименьшим рейтингом по микроструктурным критериям, но сочетает высокую производительность и низкую себестоимость, что оправдывает его использование для построения крупногабаритных элементов.

Таблица 8

Интегральная оценка для каждого метода аддитивного производства

Таким образом, результаты РФК оценки подтверждают, что ни одна технология не является универсальной для всех типов изделий и условий эксплуатации. Выбор метода аддитивного производства γ-TiAl должен осуществляться на основе системного анализа требований заказчика, назначения детали.

5. Выводы

Проведённое исследование показало, что выбор оптимального метода аддитивного производства лопаток из интерметаллида γ-TiAl является многофакторной задачей, требующей комплексного анализа микроструктурных, технологических, экономических и эксплуатационных характеристик. Применение методологии системного инжиниринга и инструментария развертывание функций качества позволило количественно связать требования заказчика с параметрами технологических процессов и сформировать обоснованную стратегию выбора метода печати для компонентов турбинных ступеней. Результаты РФК-анализа показали, что метод SLM получил наивысшую интегральную оценку (86/100) и является предпочтительным для серийного производства лопаток высокого давления турбины.

Применение системного инжиниринга в сочетании с анализом развертывания функций качества обеспечивает трассируемость от функциональных требований заказчика до конкретных параметров технологических решений. Такой подход позволяет оценивать компромиссы между точностью, себестоимостью, масштабом и надёжностью, обеспечивая рациональный выбор технологии для конкретного типа турбинных лопаток и стадии их жизненного цикла — от опытного изготовления до серийного производства и ремонта.

Литература:

1. Appel F. et al. Recent progress in the development of gamma titanium aluminide alloys // Advanced Engineering Materials. — 2000. — V. 2. — №. 11. — P. 699–720.
2. Genc O., Unal R. Development of gamma titanium aluminide (γ–TiAl) alloys: A review // Journal of Alloys and Compounds. — 2022. — V. 929. — P. 167262.
3. Soliman H. A., Elbestawi M. Titanium aluminides processing by additive manufacturing–a review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. — 2022. — V. 119. — №. 9. — P. 5583–5614.
4. Frazier W. E. Metal additive manufacturing: a review // Journal of Materials Engineering and performance. — 2014. — V. 23. — №. 6. — P. 1917–1928.
5. Blanchard B. S., Fabrycky W. J., Fabrycky W. J. Systems engineering and analysis. — Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1990. V. 4.
6. Murr L. E. et al. Characterization of titanium aluminide alloy components fabricated by additive manufacturing using electron beam melting // Acta materialia. — 2010. — V. 58. — №. 5. — P. 1887–1894.
7. Balla V. K. et al. Additive Manufacturing of γ‐TiAl: Processing, Microstructure, and Properties // Advanced engineering materials. — 2016. — V. 18. — №. 7. — P. 1208–1215.
8. Chen W., Li Z. Additive manufacturing of titanium aluminides // Additive manufacturing for the aerospace industry. Elsevier, 2019. p. 235–263.
9. Liu X. et al. Microstructure design and its effect on mechanical properties in gamma titanium aluminides // Metals. — 2021. — V. 11. — №. 10. — P. 1644.
10. Wang L. et al. Fabrication of γ–TiAl intermetallic alloy using the twin–wire plasma arc additive manufacturing process: Microstructure evolution and mechanical properties // Materials Science and Engineering: A. — 2021. — V. 812. — P. 141056.
11. Cao T. et al. Evolution of microstructure and mechanical property of Ti–47Al–2Cr–2Nb intermetallic alloy by laser direct energy deposition: From a single–track, thin–wall to bulk // Materials Characterization. — 2022. — V. 190. — P. 112053.
12. Feng J. et al. Ti–48Al–2Cr–2Nb alloys prepared by electron beam selective melting additive manufacturing: Microstructural and tensile properties // Journal of Materials Research and Technology. — 2023. — V. 26. –P. 9357–9369.
13. Dahaghin H. et al. Wire and arc additive manufacturing for strengthening of metallic components // Thin–Walled Structures. — 2024. — V. 203. — P. 112074.
14. Wei Y. Z. et al. Opening the Future of Lightweight: Research Progress in Additive Manufacturing of TiAl Alloys // Journal of Materials Research and Technology. — 2025. — V. 18. — P. 5391–5414.