Запорізький національний технічний університет

Пухальська Гульнара Вікторівна

УДК 621.452.3.03.004.12

ФОРМУВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ПЕРА ЛОПАТОК КОМПРЕСОРА ДИФЕРЕНЦІЙОВАНОЮ СИЛОВОЮ ДІЄЮ КУЛЬКАМИ

05.02.01 – “Матеріалознавство”

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Запоріжжя – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Богуслаєв В’ячеслав Олександрович,
Відкрите акціонерне товариство “Мотор Січ,”
Голова правління

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Карпінос Борис Сергійович,
Інститут проблем міцності НАН України (м. Київ),
провідний науковий співробітник відділу “Міцність елементів конструкції у газових потоках і полі відцентрових сил”

кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник
Андрієнко Анатолій Георгійович,

Запорізький національний технічний університет,
провідний науковий співробітник кафедри
“Фізичне матеріалознавство”

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут авіаційної технології Міністерства промислової політики
України

Захист відбудеться “ 15 ” січня 2002 року о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063,
м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розісланий “ 7 ” грудня 2001 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Внуков Ю.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Аналіз пошкоджень робочих лопаток компресорів газотурбінних двигунів (ГТД) у процесі експлуатації показує, що в основному це відбувається через наявність технологічних і експлуатаційних концентраторів напружень та зіткнення зі сторонніми тілами.

Лопатки компресора є найбільш навантаженими деталями і їх працездатність значною мірою визначає ресурс двигуна. Саме тому забезпечення високої надійності і підвищення несучої здатності є актуальною задачею, яка вирішується технологічними методами на стадії виготовлення лопаток компресора.

Вирішення такої задачі повинно базуватися на системному дослідженні характеристик поверхневого шару і витривалості натурних лопаток після фінішних операцій технологічного процесу із застосуванням оздоблювально-зміцнюючих методів обробки.

Несуча здатність лопаток багато у чому залежить від сполучення сприятливих характеристик поверхневого шару (особливо в тонких крайках), які повинні нейтралізувати концентратори напружень і несприятливий вплив технологічних мікродефектів. До цього часу не вирішена проблема деформаційного зміцнення пера лопаток із титанових сплавів з тонкими крайками через їх перенаклеп. У зв’язку з цим, актуальною є також проблема забезпечення досить високої ударної міцності лопаток, які піддаються поверхневому пластичному деформуванню (ППД).

Однією з лопаток компресора низького тиску (КНТ), яка визначає ресурс двигуна Д-З6, є лопатка III-ї ступені із титанового сплаву ВТЗ-1, що найбільш часто зазнає пошкоджень у процесі експлуатації. Сплав ВТЗ-1 має високі характеристики міцності та пластичності і здатний їх зберігати за умов тривалої експлуатації, однак, як і всі титанові сплави, він дуже чутливий до наявності конструкційних і технологічних концентраторів напружень.

Певні відомості у публікаціях щодо досліджень лопаток компресорів з тонкими крайками не дають повної відповіді на питання відносно впливу методів ППД на опір втоми та ударну міцність.

Таким чином, актуальним є підвищення несучої здатності лопаток компресора із титанових сплавів з тонкими крайками оздоблювально-зміцнюючими методами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Основні результати дисертації автор одержала як відповідальний виконавець науково-дослідних робіт: - фундаментальна науково-дослідна робота ДБ 04016 “Фізичні основи підвищення ресурсу енергетичних установок і прогнозування витривалості деформаційно-зміцнених деталей”. Робота виконувалася з 2.01.1996 до 31.12.1998 р.р. із напрямку “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”;

- госпдоговірна науково-дослідна робота №4016 з ВАТ “Мотор Січ” “Технологічне забезпечення несучої здатності деталей ГТД”. Робота виконувалася з 1.04.1996 до 30.06.1999 р.р.

Мета роботи і задачі дослідження. Основною метою роботи є розробка засад формування сприятливого сполучення кристалографічної текстури і залишкових напружень у поверхневому шарі пера лопаток із титанових сплавів під впливом диференційованої силової дії кульками для підвищення витривалості показників без зниження ударної міцності.

Для досягнення зазначеної мети було необхідно вирішити наступні задачі:

1. Провести аналіз експлуатаційних пошкоджень і технологічних мікродефектів, які виникають на різних стадіях виготовлення лопаток компресора двигунів Д-36 і ТВЗ-117.

2. Виконати системні дослідження характеристик поверхневого шару і параметрів витривалості лопаток, оброблених оздоблювально-зміцнюючими методами.

3. Провести аналітичний розрахунок і експериментально підтвердити оптимальний режим пневмодробоструминного зміцнення (ПДЗ) пера лопаток.

4. Виконати теоретичні і експериментальні дослідження впливу деформаційного зміцнення на ударну міцність лопаток.

5. Розробити технологічні рекомендації щодо вибору методу і режимів оздоблювально-зміцнюючої обробки лопаток компресорів.

Об’єктом дослідження були лопатки компресорів двигунів Д-36 і ТВ3-117, виготовлені із титанових сплавів ВТ3-1 та ВТ8.

Предметом дослідження були кристалографічна текстура, структурно-фазові зміни та залишкові стискуючі напруження у поверхневому шарі лопаток компресора, що впливають на опір втоми і ударну міцність.

Методи дослідження містили у собі: рентгеноструктурний аналіз і металографічні методи – для визначення кристалографічної текстури у поверхневому шарі пера лопаток, структурно-фазових змін та вмісту - фази після оздоблювально-зміцнюючих методів обробки; методи інже-
нерної механіки – для дослідження залишкових напружень, параметрів витривалості і ударної міцності пера лопаток; методи математичної статистики – для обробки результатів дослідів і одержання кореляційних залежностей; методи теорії пружності – для розрахунку напружень у лопатці при зіткненні зі стороннім тілом.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше показано формування кристалографічної текстури в поверхневому шарі тонких крайок лопаток компресора із титанових сплавів після різних методів оздоблювально-зміцнюючої обробки, яка полягає у домінуванні базисної площини (0001) чи близьких до неї атомно-кристалічних площин () і (), що сприяє збільшенню опору лопаток втомленому і ударному руйнуванню.

2. Установлено, що пневмодробоструминне зміцнення під впливом диференційованої силової дії кульками приводить до зменшення текстурної неоднорідності і додає структурі, розподілу фаз та залишкових напружень більш однорідний характер у поверхневому шарі пера лопатки, що суттєво впливає на зменшення дисперсії параметрів витривалості в порівнянні з віброполіруванням (ВП) і ультразвуковим зміцненням кульками (УЗЗ).

3. Вперше отримано аналітичні залежності, що показують позитивний вплив зміцнення лопаток при зіткненні у пружній області зі стороннім тілом та дозволяють розраховувати рівень напружень у розтягнутих та стиснутих волокнах, а також величину граничного згинаючого моменту із урахуванням характеристик поверхневого шару.

Практична цінність і реалізація результатів роботи. Практичною цінністю роботи є розроблені у процесі досліджень технологічні рекомендації з вибору раціональних режимів пневмодробоструминного зміцнення диференційованою силовою дією кульками лопаток компресора із титанових сплавів, впроваджені в виробництво у ВАТ “Мотор Січ”. Впровадження технології зміцнення лопаток компресора та рекомендацій щодо створення сприятливого сполучення характеристик поверхневого шару дозволить підвищити витривалість, істотно зменшити розсіяння довговічності й одержати річний економічний ефект до 190000 грн.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення і результати отримано здобувачем самостійно. Автором разом з кандидатом технічних наук Рубелем О.В. оптимізовано режими пневмодробоструминного зміцнення лопаток КНТ.

Разом із професором Ольшанецьким В.Ю. і доцентом Степановою Л.П. виконано дослідження кристалографічної текстури лопаток компресора після оздоблювально-зміцнюючих методів обробки.

На захист виносяться наступні положення:

1. Закономірності формування характеристик поверхневого шару при варіюванні режимами оздоблювально-зміцнюючих методів обробки пера лопаток.

2. Матеріали досліджень кристалографічної і структурної неоднорідності, що показують формування текстури та зміну вмісту - фази при

поверхневому деформаційному зміцненні лопаток.

3. Оптимальні режими пневмодробоструминного зміцнення пера лопаток з диференційованою силовою дією кульками, що виключають перенаклеп тонких вхідних і вихідних крайок.

4. Закономірності впливу методів і режимів зміцнення на опір втоми і ударну міцність лопаток.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на VIII-й науково-технічній конференції “Неметалічні включення і гази в ливарних сплавах” (Запоріжжя, 1997 р.); на VII-й науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі і сплави і методи їхньої обробки для підвищення надійності і довговічності виробів” (Запоріжжя, 1998 р.); на Міжнародній конференції “Високоефективні технології в машинобудуванні” (Харків, 1999 р.); на Міжнародному семінарі-виставці “Сучасні матеріали, технології, устаткування і інструменти в машинобудуванні” (Київ, 1999 р.); на четвертому конгресі двигунобудівників України “Авіаційно-космічна техніка і технологія” (Крим, с. Рибальське, 1999 р.); на VII міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” (Севастополь, 2000 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 друкованих праць у спеціалізованих наукових журналах і збірниках наукових праць, у тому числі 7 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Роботу виконано комп’ютерним набором в обсязі 188 сторінок; вона містить 76 ілюстрацій, 15 таблиць, 13 додатків на 19 сторінках та бібліографічного списку на 13 сторінках у кількості 115 найменувань літературних джерел.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв’язок роботи з держбюджетною і госпдоговірною темами; сформульовано мету і задачі дослідження; визначено наукову новизну і практичне значення результатів, одержаних при виконанні роботи.

Перший розділ містить огляд літератури з питань зародження і розвитку втомних тріщин в лопатках компресора, проаналізовано вплив конструкційних і технологічних концентраторів напружень на опір втоми лопаток.

Показано вплив методів і режимів ППД на формування текстури, структурні і фазові перетворення, розподіл залишкових напружень у поверхневому шарі пера лопаток. Систематизовано відомості про вплив характеристик поверхневого шару лопаток на опір втоми і ударну міцність.

Аналіз літературних даних дозволив встановити перелік питань, які вивчались недостатньо системно за обмеженим обсягом досліджень, здійснених на натурних лопатках. Зокрема, відсутні дані щодо методів, які дозволяють зміцнювати лопатки із титанових сплавів без пошкоджень тонких крайок; відсутні системні дослідження формування текстури і структурно-фазових перетворень різними методами.

Проведений аналіз дозволив сформулювати задачі, які необхідно було вирішити для досягнення поставленої мети.

У другому розділі містяться методичні розробки, необхідні для експериментального дослідження лопаток компресора. Наведено опис технологічних особливостей оздоблювально-змічнюючих методів обробки пера лопаток і показано доробку пневмодробоструминної установки з регулюванням потоку кульок для диференційованого зміцнення крайок та спинки. Для цього на вході в сопло було встановлено спеціально розроблений конфузор, який дозволяє зміцнювати спинку і корито лопатки з максимальною інтенсивністю, а тонкі крайки – на полегшеному режимі.

Випробування на втому лопаток, оброблених зміцнюючими методами, проводили за стандартною методикою при температурі 293К на вібростенді ВЕДС-200, оснащеного устрієм для автоматичної підтримки заданих динамічних навантажень. Також було проведено дослідження лопаток із концентраторами напружень (надрізами). В крайках лопаток, оброблених за серійною технологією (віброполірування), і для порівняння УЗЗ і ПДЗ наносили V-подібні надрізи, які імітували експлуатаційні пошкодження, глибиною 1 мм і радіусом скруглення R=0,15 мм на відстані L=28 мм від підошви хвостовика. Досліди на втому проводили на базі 2·107 циклів методом “уверх-униз”.

Для оцінки міцності лопаток при зіткненні зі стороннім тілом було виконано дослідження ударної міцності на спеціальному копрі. При випробуваннях фіксувалася кількість ударів і накопичена пластична деформація шляхом вимірювання кута вигину , град. після кожного удару до руйнування лопатки або появи макротріщини.

Оцінку впливу технології виготовлення лопаток на структурні і фазові перетворення було проведено за допомогою рентгеноструктурного аналізу. Було розроблено методику дослідження кристалографічної неоднорідності без побудови полюсних фігур, які потребують виготовлення спеціальних зразків. Інтенсивність дифракційних ліній оцінювали площами, охопленими кривими розподілу інтенсивності відносно лінії іонізаційного фону. Аналіз впливу різноманітних технологічних операцій на формування текстури проводили за зміною відношень інтенсивностей обраних дифракційних максимумів. Самі відношення обирали таким чином, щоб у чисельнику дробу фігурував максимум, що відповідає найбільш характерній текстурній компоненті при відносно слабкій деформації титанового сплаву, а у знаменнику – максимум компоненти, пов’язаної з відповідно більш високим ступенем деформації.

Для аналізу зміни характеру текстури при формуванні профілю та зміцненні пера лопаток було обрано такі відношення інтенсивностей

; ; ,

оскільки відповідні дифракційні максимуми є достатньо чіткими і помітно змінюються при механо-термічній обробці сплаву ВТЗ-1.

Дослідження фазових перетворень було проведено безеталоним методом рентгеноструктурного кількісного фазового аналізу, який базується на порівнянні інтенсивностей ліній досліджуваних фаз. Для оцінки кількості - фази використовували дифракційний максимум 200.

Дослідження мікроструктури поверхневого шару пера лопаток виконували за допомогою електронного растрового мікроскопа JSM T300. Шліфи травили в реактиві, який містить плавикову кислоту – 25%, азотну – 25% та гліцерин – 50%.

Дослідження залишкових напружень у поверхневому шарі пера лопаток виконували механічним методом за допомогою прибора ПІОН-2, а також рентгеноструктурним методом за допомогою дифрактометра ДРОН-3М.

Побудову кривих зміцнення титанових сплавів ВТ3-1 і ВТ8 виконували за даними випробувань на стиск циліндричних зразків висотою і діаметром 10 мм. Навантаження на зразки дискретно збільшували від 10 кН до 170 кН і робили виміри діаметра та висоти зразків для розрахунку напружень текучості S і ступеня деформації .

Математичну обробку експериментальних даних здійснювали з використанням стандартних математичних методів і сучасної обчислювальної техніки.

У третьому розділі наведено і проаналізовано результати досліджень основних закономірностей формування характеристик поверхневого шару пера лопаток із сплавів ВТЗ-1 і ВТ-8 при варіюванні методами і режимами фінішної обробки.

Аналіз руйнувань лопаток компресорів двигунів Д-36 і ТВЗ-117 у процесі експлуатації і технологічних мікродефектів показав, що головною причиною зародження втомлених тріщин є пошкодження, які виникають на крайках при зіткненні з інорідними тілами, а також ініціюються технологічними концентраторами напружень на поверхні пера (задірки, розтрави, сколи, вириви) і ерозійними процесами, розвиток яких залежить від сполучення характеристик поверхневого шару: шорсткості, розподілу текстури та залишкових напружень.

Виміри шорсткостей на торцях крайок лопаток, виконані за допомогою оптичного мікроскопа показали, що після ПДЗ їхня величина практично не міняється в порівнянні з ВП і знаходиться в межах Rz=3,6…4,7 мкм. Ультразвукове зміцнення кульками утворює на крайках заусенці (перенаклеп), які ліквідуються наступним ручним поліруванням. При цьому в окремих місцях пера лопатки величина шорсткостей досягає Rz=8,4…11,5 мкм.

Розподіл і рівень залишкових напружень в основному залежить від схильності металів до деформаційного зміцнення, геометричних параметрів лопаток і рівня залишкових напружень від попередньої обробки.

Дослідження зразків стиском показали, що сплав ВТЗ-1 має більшу схильність до зміцнення порівняно зі сплавом ВТ8: напруження текучості, які є з фізичної точки зору границями текучості зміцненого в процесі деформування металу зі ступеню деформації =15…30% у сплаві ВТ3-1 виявилися значно більшими.

При однаковій інтенсивності УЗЗ рівень стискуючих залишкових напружень на зразках із сплаву ВТ8 досяг 500 МПа, зі сплаву ВТ3-1 був значно меншим – 270 МПа. Аналогічні результати були отримані і на лопатках з цих сплавів. Відомо, що залишкові напруження утворюються при силовій взаємодії пластично-деформованого шару з більшим питомим об’ємом, що прагне змінити свої розміри, із пружньо-деформованою серцевиною, що перешкоджає цьому. При цьому, як для зразків так і лопаток із сплаву ВТЗ-1, опір пластично-деформованого шару силовому впливу пружньо-деформованої серцевини буде значно більшим в порівнянні зі сплавом ВТ8 через різну схильність до зміцнення. Це приводить до формування стискуючих напружень меншого рівня, що необхідно враховувати при призначенні інтенсивності зміцнення пера лопаток.

Дослідження залишкових напружень у лопатках із сплавів ВТ8 і ВТЗ-1 різних ступеней компресора показали, що їх рівень визначається масштабним фактором при обробці УЗЗ за раціональними режимами. При зменшенні Сmax із 4,4 мм до 1,7 мм (лопатки I-ї і VI-ї ступеней) рівень стискуючих напружень знижується із 550 МПа до 480 МПа, що підтверджує необхідність узгодження товщини пера лопатки з інтенсивністю зміцнення.

При ПДЗ лопаток основним фактором, що впливає на формування залишкових напружень, є тиск повітря Р и тривалість обробки кульками . При зміні Р від 0,08 МПа до 0,16 МПа і від 120 с до 240 с формуються стискуючі залишкові напруження в лопатках із сплаву ВТЗ-1 у межах 270…400 МПа і глибиною залягання від 60 до 100 мкм. При цьому більш значний вплив на зміну рівня стискуючих напружень чинить тиск повітря (інтенсивність зміцнення) в порівнянні з . При Р=0,12 МПа і =180 с формується найбільш сприятлива епюра залишкових напружень ( =-370 МПа і h=90 мкм).

Дослідження текстури було проведено на пері лопаток із сплаву ВТ3-1 за допомогою показників q, n та m. Співвідношення значень та поведінка показника q (рис.1) є свідченням переорієнтації кристалогра-фічних площин у поверхневому шарі лопаток, що певним чином зв’язана із впливом технології формування лопаток та методів зміцнення. Зміни показників n та m, наведених у роботі, у цілому, аналогічні поведінці показника q, що підтверджує виявлені тенденції.

Рис.1. Значення показника q для різних ділянок лопатки.

Для крайок лопаток, де деформація металу після штампування була більш значною, значення показника q (перші світлі стовпчики) є відносно невеликими і приблизно однаковими, що вказує на наявність більш “слабкої” текстурної призматичної компоненти та розвиток більш сильної пірамідальної компоненти (). Для спинки лопаток, що зазнає меншої деформації у порівнянні із крайками, компонента залишається переважною.

Слід зазначити, що після І-го вальцювання з відпалом при температурі 9000 С в порівнянні зі штампуванням має місце зменшення показників q і n як у крайках лопаток, так і в спинці. Це свідчить про перерозподіл текстурних компонентів у напрямку посилення орієнтації площин і , особливо в крайках.

Показник q після другого вальцювання з відпалом при 5900 С змінюється більш істотно, ніж показник n, як у крайках, так і у спинці. Підвищення загального ступеня деформації матеріалу супроводжується посиленням пірамідальної текстурної компоненти , про що свідчить зменшення показника q.

Здійснення додаткових оздоблювально-зміцнюючих операцій типу ВП і ПДЗ змінює картину розподілу показників n і q . Показник n більш змінюється у вихідній крайці, ніж у вхідній, а q збільшується як у крайках, так і у спинці, тобто спостерігається деяке зменшення впливу компоненти , близької до базисної площини (0001). Це зв’язано з тим, що зміцнюючі технологічні операції являють собою інший вид деформаційної обробки, що охоплює тільки поверхневі шари лопаток, а це змінює не тільки схему напруженого стану, але і характер розподілу кристалографічної орієнтації зерен у напрямку зменшення його неоднорідності. При таких обробках можливо додаткове включення у процес деформації площин призматичного типу в тих зернах, які не були достатньою мірою залучені до деформації попередніми обробками.

Дослідження структурної і кристалографічної неоднорідності проводили також на лопатках, оброблених УЗЗ. Порівняння отриманих результатів показує, що після УЗЗ показники n і q на крайках суттєво менші, ніж для спинки. Значення показника m на крайках значно більше, ніж на спинці. Така різниця в показниках n, q і m зумовлена різною кристалографічною орієнтацією зерен, викликаною неоднаковою деформацією окремих ділянок лопаток, яка підтверджена дослідженнями мікроструктури поверхневих шарів спинки і крайок. На спинці ступінь пластичної деформації менше і тут на перший план виходять призматичні орієнтировки () і () чи близька до них ().

Відмінною рисою (+) титанових сплавів є наявність метастабі-

льної - фази, стійкість якої значною мірою визначається характером

деформаційно-температурної обробки лопаток. Було проведене дослідження змін у тонкій структурі поверхневого шару титанового сплаву ВТ3-1 на різних стадіях виготовлення лопаток компресора.

На рис. 2 наведені зміни кількості - фази і параметра її кристалічних ґраток для різних технологічних стадій формування лопатки.

а б

Рис. 2. Зміни кількості - фази в поверхневому шарі лопаток (а) і параметра ґратки - фази (б).

Найбільшу кількість - фази спостерігали у зразках після штампування заготовки лопатки з наступним гартуванням від температури 0С. Наступна деформація приводить до зниження кількості - фази, причому, це зниження спостерігається більшою мірою у вихідній крайці, де має місце найбільший ступінь деформації при вальцюванні. При цьому одночасно спостерігається відчутна зміна параметра ґратки - фази. Найбільше зниження параметра відбувається після відпалу при температурі 0С, при якій - фаза максимально насичується легуючими елементами. Кількість - фази при поверхневому деформаційному зміцненні продовжує зменшуватися, однак уже не настільки помітно, ніж на стадії виготовлення лопаток.

Значне зниження кількості - фази відбувається при використанні ПДЗ. Причому, значному зниженню кількості - фази відповідає і максимальне підвищення параметра ґратки, що свідчить про збільшення щільності дефектів атомно-кристалічної структури, які є "стоками" для розчинених атомів легуючих елементів.

З огляду на незначне розходження у вмісті - фази в крайках і спинці, слід вважати, що пневмодробоструминна обробка додає структурі і розподілу фаз більш однорідний характер по всьому перу лопатки, що повинно позитивно позначитися на її експлуатаційних властивостях.

Четвертий розділ присвячено обґрунтуванню оптимального режиму ПДЗ, оцінці впливу методів і режимів оздоблювально-зміцнюючої обробки на опір втоми та ударну міцність лопаток компресора.

Найбільш важливою характеристикою для розрахунку оптимальної тривалості обробки ПДЗ є сумарна площа пластичних відбитків від ударів кульок, що приходиться на одиницю поверхні пера лопатки. Кількість відбитків, необхідних для повного покриття поверхні пера лопатки, можна розрахувати із виразу

де Sл – площа пера лопатки, мм2;

Sпл – площа зони пластичної деформації від одного удару кулькою, мм2

,

де – радіус області пластичної деформації навколо відбитка, мм;

– коефіцієнт, що враховує рівномірність покриття і форму відбитка, яка визначається за формулою

,

де Sш – площа областей пластичної деформації від N відбитків, мм2;

Sф - площа ділянки пера, заповненого відбитками, мм2;

n – кількість відбитків у ряду, шт.

Проведений розрахунок показав, що оптимальна тривалість зміцнення 180 с при тиску повітря Р=0,12, МПа.

Було виконано дослідження рівномірності обробки пера лопаток ПДЗ з диференційованою силовою дією кульками, яку оцінювали за до-

помогою коеффіціента інтенсивності зміцнення

,

де ni – кількість відбитків в i – тому секторі, шт;

nmax – максимальна кількість відбитків в i – тому секторі, шт.

Установлено, що при визначеній ширині потоку кульок на вході у сопло спостерігається зменшення інтенсивності зміцнення крайок, при цьому, рівень інтенсивності на спинці практично не знижується.

За результатами розрахунків отримані кореляційні залежності Кі від ширини лопатки для трьох зон і показано його розподіл (рис. 3).

прикоренева зона –

середина –

кінцева зона – .

Рис. 3. Розподіл Кі по поверхні пера лопатки після ПДЗ.

Аналіз отриманих результатів показує, що метод зміцнення, реалізований на пневмодробоструминній установці з конфузором, у порівнянні з УЗЗ, забезпечує більш м’який режим зміцнення крайок порівняно з середньою частиною пера лопатки.

Для оцінки впливу режимів ПДЗ на втому було проведено випробування 6-ти партій лопаток, оброблених за різними режимами на базі 20 млн. циклів з екстраполяцією на 100 млн. циклів.

Одержані результати свідчать про те, що найбільшому значенню
-1(100) відповідає режим зміцнення при тиску повітря Р=0,12 МПа і три-

валості зміцнення =180 с.

Для підтвердження вірогідності вибору оптимального режиму за результатами випробувань на втому була отримана регресійна залежність довговічності. За параметр оптимізації було прийнято довговічність лопатки, що дорівнює добутку Np=N-1, де N – кількість циклів у точці перегину на кривій втоми, -1 – границя витривалості, МПа.

NpР,)=-3,301010+4,391011Р-1,831012Р2+1,331010-2,211092.

З використанням часткових похідних отримана система двох рівнянь, рішення яких показало, що максимальна довговічність досягається при Р=0,12 МПа і =180 с.

Для порівняльної оцінки трьох конкуруючих способів зміцнення лопаток із сплава ВТЗ-1: ВП, ВП+УЗЗ і ВП+ПДЗ – було проведено випробування на втому на базі 108 циклів і встановлено границі витривалості та розсіяння довговічності лопаток, що є визначальним чинником при встановленні ресурсу (рис. 4 і табл.1).

Рис. 4. Криві втоми і границі розсіяння довговічності лопаток.

Приведені результати досліджень витривалості і розсіяння довговічностей, особливо при низьких напруженнях, переконливо свідчать про переваги пневмодробоструминного зміцнення порівняно з ВП і ВП+УЗЗ.

Таблиця 1 –

Статистичні показники витривалости лопаток

Найменування параметра | Технологічний варіант фінішньої обробки

ВП | ВП+УЗЗ | ВП+ПДЗ | ВП +УЗЗ+
відпал

-1, МПа | 425 | 450 | 450 | 405

SlgN | 0,938 | 0,594 | 0,274 | 0,413

Низькотемпературний відпал після УЗЗ, який супроводжується практично повною релаксацією залишкових стискуючих напружень у поверхневих шарах лопаток, приводить до зменшення -1 з 450 МПа до 405 МПа (10%) при незначному зниженні розсіяння довговічності.

Важливе значення має живучість лопаток, які одержують пошкодження крайок в експлуатації при зіткненні зі постороннім тілом. Було проведено дослідження з оцінки впливу методів зміцнення на опір втоми лопаток I-ї ступені компресора двиг. ТВЗ-117 із сплава ВТ8 з
V-подібними надрізами на вхідних крайках. Після статистичної обробки результатів отримано наступні значення показників витривалості:

ВП--1=435 МПа (S-1=47 МПа); ПДЗ--1 =475 МПа (S-1=19 МПа); УЗЗ – -1 =405 МПа (S-1=30 МПа).

Таким чином, кращі показники витривалості лопаток з концентратором напружень (надрізом) забезпечує ПДЗ.

Розглянемо вплив деформаційного зміцнення лопаток на ударну міцність при влученні в тракт двигуна сторонніх тіл, якими можуть бути птахи, частки льоду, гравію та ін. При рішенні поставленої задачі приймаємо, що тіло після удару рухається разом з лопаткою. Якщо позначити масу тіла через mo, а швидкість руху до удару через Vo, то для визначення параметрів зіткнення використовуємо закон збереження кількості руху

(mo + mпр)V= moVo ,

де mпр – маса лопатки, приведена у точку удару, кг;

V – швидкість руху приведеної маси лопатки і тіла (з’єднаних мас) у процесі удару, м/с.

З урахуванням зміцнення металу у поверхневому шарі лопатки було одержано залежність для розрахунку граничного згинаючого моменту

.

Тут = 1+ 41(1– 1)( – 1) – коефіцієнт зміцнення,

де 1= h-1 – відношення товщини зміцненого шару до товщини лопатки;

в – довжина хорди пера лопатки, мм;

= s*s –1 – відношення границі текучості зміцненого шару до границі текучості серцевини.

Для зміцненої лопатки одержані наступні залежності для розра-

хунків напружень при зіткненні зі стороннім тілом у розтягнутому і стиснутому волокнах

;

,

де о – первинна деформація при зміцненні;

NC – відцентрова сила лопатки, Н;

l – довжина хорди пера лопатки, мм;

Е – модуль пружності матеріалу, МПа;

р – частота власних коливань з’єднаних мас по першому тону, Гц;

F – площа поперечного перерізу лопатки, мм2.

Аналіз цих формул показує, що в межах пружності, деформаційне зміцнення позитивно впливає на міцність лопатки, тому, що нормальні розтягуючі напруження від відцентрових сил частково або цілком компенсуються залишковими стискуючими напруженнями.

Об’єктом експериментального дослідження ударної міцності були лопатки III-ї ступені КНТ, оброблені ВП, УЗЗ, ПДЗ і піддані низькотемпературному відпалу у вакуумі при 590С після УЗЗ.

Випробування виконували на спеціальному копрі ударами бойка в прикореневий переріз з боку корита (табл. 2).

Таблиця 2 –

Статистичні показники “живучості” лопаток

Статистичні параметри | Вид фінішної обробки

ВП | ВП+УЗЗ | ВП+УЗЗ+
відпал | ВП+ПДЗ

Середня кількість ударів до руйнування | 2,8 | 2,9 | 4,3 | 4,3

Кількість ударів при імовірності руйнувань Р=10% | 1,0 | 1,0 | 1,9 | 1,9

Слід зазначити, що кількість ударів, необхідна для руйнування лопатки (Р=10%) після обробки ПДЗ і середня кількість ударів до руйнування значно вище, ніж після віброполірування і після УЗЗ.

Додатково були проведені ударні випробування бойком на відстані 5 мм від границі крайки в нижній переріз корита. При цьому лопатки в основному руйнувалися після двох ударів, а застосування відпалу після УЗЗ приводило до зниження опору ударному руйнуванню за рахунок релаксації залишкових стискуючих напружень. Розгляд зламів зруйнованих лопаток показав, що після УЗЗ і віброполірування місце руйнування розташовувалося на відстані 10…15 мм від крайки лопатки, після ПДЗ – приблизно посередині лопатки.

Дані рентгеноструктурних досліджень макронапружень на поверхні спинки і крайок лопаток підтверджують результати дослідів на ударну міцність. Так після УЗЗ рівень залишкових стискуючих напружень у зоні крайки в 1,7 рази нижче, ніж у середній частині пера лопатки (760 и 450 МПа відповідно). Це можна пояснити несприятливим впливом ручного полірування крайок, що застосовується після УЗЗ для видалення заусенців і додання їм необхідного профілю. ПДЗ забезпечує більш рівномірний напружений стан пера лопатки (на крайці – 610 МПа, на спинці – 680 МПа), чим вигідно відрізняється від інших зміцнюючих методів.

Комплекс досліджень характеристик поверхневого шару лопаток компресора, текстури, структурно-фазових перетворень, характеристик витривалості і ударної міцності дозволив розробити рекомендації по застосуванню на виробництві пневмодробоструминного зміцнення з диференційованою силовою дією кульками.

Впровадження ПДЗ в виробництво було проведено у ВАТ “Мотор Січ” для підвищення несучої здатності лопаток компресора із сплавів ВТЗ-1 і ВТ8. Очікуваний економічний ефект складає 190000 грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено нове вирішення наукової проблеми підвищення несучої здатності лопаток компресора із титанових сплавів, які мають тонкі крайки, що полягає у формуванні сприятливого сполучення характеристик поверхневого шару диференційованою силовою дією кульками при пневмодробоструминному зміцненні.

2. Виконано комплексні експериментальні дослідження схильності до деформаційного зміцнення сплавів ВТ3-1 і ВТ8 і залишкового напруженого стану зразків і лопаток різних ступеней компресора. Установлено, що сплав ВТ3-1 має більш високу схильність до зміц-

нення при пластичному деформуванні, що виявляється у більших значеннях (на 10...15%) напружень текучості при ступенях деформації =15...30%, що приводить до утворення залишкових стискуючих напружень меншого рівня порівняно зі сплавом ВТ8.

3. Установлено, що процес формування профільної частини пера супроводжується неоднаковою деформацією по перерізу, що приводить до утворення структурної і кристалографічної неоднорідності (текстури), яка виявляється у формуванні сприятливого орієнтування базисної площини (0001) чи близьких до неї площин пірамідального типу (3) і у крайках. У той же час у спинці переважними є площини призматичного типу () і (110). На зміцнених лопатках спостерігається зменшення вмісту - фази і розмірів її ґратки, що свідчить про перехід у -фазу при місцевому нагріванні від ударів кульок, що викликає збільшення питомого об’єму деформованого металу і відповідно підвищує рівень стискуючих залишкових напружень.

4. Вперше теоретично й експериментально обґрунтовано оптимальний режим пневмодробоструминного зміцнення лопаток із титанових сплавів з тонкими крайками під впливом диференційованої силової дії кульками. Установлено, що ПДЗ приводить до зменшення структурної неоднорідності і додає структурі, розподілу фаз і залишкових стискуючих напружень більш однорідний характер в поверхневому шарі пера лопатки, що приводить до збільшення границі витривалості з 425 МПа до 450 МПа та у 2...4 рази зменшує дисперсію довговічності у порівнянні з виброполіруванням і УЗЗ.

5. Аналітичний розрахунок визначення впливу зміцнення на ударну міцність лопаток показав, що в межах пружності наклеп позитивно впливає на міцність лопаток, тому що діючі розтягуючі напруження в зміцненому шарі від відцентрових сил і циклічних навантажень частково чи цілком компенсуються залишковими стискуючими напруженнями. Отримано математичні залежності для розрахунку граничного згинаючого моменту і величин напружень у розтягнутих і стиснутих волокнах лопаток при зіткненні зі стороннім тілом з урахуванням характеристик поверхневого шару. Установлено, що пневмодробоструминне зміцнення приводить до підвищення в майже 1,5 рази міцності і “живучості” лопаток (кількості ударів до ударного руйнування лопаток) у порівнянні з виброполіруванням і УЗЗ.

6. Впровадження технології пневмодробоструминного зміцнення лопаток компресора із титанових сплавів в ВАТ “Мотор Січ” дозволило оптимізувати режими, підвищити несучу здатність лопаток і забезпечити заданий ресурс двиг. Д-36. Очікуваний економічний ефект складе 190 тис.  грн.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Богуслаєв В.О., Пухальська Г.В., Рубель О.В., Левітін В.В. Особливості деформаційного зміцнення лопаток компресора // Металознавство та обробка металів. - 2000. - №3. - С. 62-65.

2. Богуслаев В.А., Рубель О.В., Пухальская Г.В. Оценка эффективности методов упрочнения лопаток ГТД // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 1998. - №2. - С. 49-51.

3. Притченко В.Ф., Пухальская Г.В. Выбор оптимального режима упрочнения шариками лопаток компрессора // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 1997. - №1-2. - С. 68-70.

4. Богуслаев В. А., Пухальская Г.В., Рубель О.В. Технологические ресурсы повышения выносливости лопаток компрессора ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. Сб. научн. трудов. - Харьков “ХАИ” - 1999. - Вып. 9 - С. 341-345.

5. Банас Ф.П., Лукьянов В.С., Пухальская Г.В. Формирование остаточных напряжений в лопатках компрессора // Придніпровський науковий вісник. - 1997. - №45(56) II ч. - С. 40-41.

6. Богуслаев В.А., Ольшанецкий В.Е., Степанова Л.П., Рубель О.В., Пухальская Г.В. Влияние технологии изготовления лопаток компрессора на структурные изменения в сплаве ВТЗ-1 // Придніпровський науковий вісник. - 1998. - №50(117). - С. 34-42.

7. Жуков В.Б., Пухальская Г.В. Влияние упрочнения на ударную прочность лопаток компрессора // Придніпровський науковий вісник. - 1998. - №115(182). - С. 33-43.

8. Пухальская Г.В., Рубель О.В. Расчет режимов упрочнения лопаток компрессора // Придніпровський науковий вісник. - 1997.- №32(43). - С. 24-27.

9. Жеманюк П.Д., Ольшанецкий В. Ю., Степанова Л.П., Рубель О.В., Пухальская Г.В. Влияние технологии изготовления на характер текстурованности лопаток ГТД // Металознавство та обробка металів. - 1998. - №3. - С. 22-27.

10. Богуслаев В.А., Ткаченко В.В., Пухальская Г.В., Рубель О.В. Дробеструйное упрочнение лопаток компрессора ГТД // Технологические системы. - №3(9), - 2001. - С. 42-45.

Особистий внесок здобувача до праць, опублікованих із співавторами

- Обробка даних експериментальних досліджень витривалості лопаток компресора. Визначення дисперсій довговічності та витривалості лопаток після випробувань на опір втоми [2, 4, 10].

- Проведення теоретичних і експериментальних досліджень параметрів деформаційного зміцнення, залишкових напружень та ударної міцності лопаток [1, 2, 5, 7].

- Проведення досліджень текстури, структурних і фазових перетворень у поверхневому шарі деформаційно-зміцнених лопаток [6, 9].

- Розрахунок коефіцієнта зміцнення після обробки лопаток кульками [3].

- Розрахунок оптимального режиму зміцнення лопаток пневмодробоструминним методом [8].

- Проведення експериментальних досліджень, пов’язаних з вибором оптимальних режимів пневмодробоструминного зміцнення лопаток компресора [1, 2, 4].

Аннотация

Пухальская Г.В. Формирование характеристик поверхностного слоя пера лопаток компрессора дифференцированным силовым воздействием шариками. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 – Материаловедение. – Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2001.

Диссертация посвящена повышению несущей способности лопаток компрессора из титановых сплавов ВТЗ-1 и ВТ-8 с тонкими легко повреждаемыми в эксплуатации кромками отделочно-упрочняющими методами за счет формирования благоприятного сочетания параметров шероховатости, кристаллографической текстуры и остаточных напряжений.

Показано, что ультразвуковое упрочнение шариками (УЗУ) с последующим ручным полированием кромок пера лопаток, устраняющим заусенцы от перенаклепа, создает на торцах риски (Rz=8,4…11,5мкм), которые приводят к увеличению рассеяния долговечности.

Исследования остаточного напряженного состояния лопаток разных ступеней компрессора позволили установить влияние склонности к деформационному упрочнению титановых сплавов и геометрических параметров на формирование эпюры остаточных напряжений. Сплав ВТ3-1 имеет большее значение напряжения текучести при степенях деформации =15-30%, что приводит к формированию в поверхностном слое пера лопаток остаточных сжимающих напряжений меньшего уровня по сравнению с лопатками из сплава ВТ8 при одинаковой интенсивности упрочнения шариками. Также с уменьшением толщины пера лопаток наблюдается снижение уровня сжимающих остаточных напряжений за счет изменения соотношения толщин пластически-деформированного слоя и упруго-деформированной сердцевины.

Исследования формирования текстуры и структурно-фазовых изменений в поверхностном слое пера лопаток было проведено после штамповки, вальцевания, виброполирования (ВП), УЗУ и пневмодробеструйного упрочнения шариками (ПДУ). За счет дифференцированного силового воздействия шариками после ПДУ уменьшается текстурная неоднородность; структура, распределение фаз и остаточных напряжений приобретают более однородный характер в поверхностном слое пера лопатки, что значительно уменьшает рассеяние долговечности по сравнению с ВП и УЗУ.

Проведен аналитический расчет оптимального режима ПДУ, который экспериментально подтвержден исследованиями остаточных напряжений и испытаниями на усталость лопаток III-й ступ. компрессора из сплава ВТ3-1 (давление воздуха Р=0,12 МПа и длительность обработки =180 с). Исследования равномерности обработки пера лопаток ПДУ с дифференцированным силовым воздействием шариками показали, что кромки упрочняются с меньшей интенсивностью по сравнению со спинкой, что позволяет избежать их перенаклепа.

Сравнение трех конкурирующих методов упрочнения: ВП, ВП+УЗУ, ВП+ПДУ показало, что после УЗУ и ПДУ предел выносливости -1 увеличивается с 425 МПа (ВП) до 450 МПа. При этом, наименьшее рассеяние долговечности наблюдается у лопаток, обработанных
ВП + ПДУ: SlnN=0,274, после ВП – 0,938 и после ВП+УЗУ – 0,594. Исследования упрочненных лопаток с последующим нанесением надрезов, имитирующих эксплуатационные повреждения (1-я ступ. компрессора двиг. ТВЗ-117 из сплава ВТ8), показали, что ПДУ обеспечивает предел выносливости -1 =475 МПа, УЗУ – 405 МПа и ВП – 435 МПа.

Проведен расчет по определению влияния упрочнения лопаток на ударную прочность при соударении с посторонним телом. Получены аналитические зависимости для расчетов предельного изгибающего момента и напряжений в лопатке. Показано, что в пределах упругости поверхностное деформационное упрочнение положительно влияет на ударную прочность лопатки.

Экспериментальные исследования ударной прочности, проведенные на копре ударами бойка в прикорневое сечение со стороны корыта лопатки, а также на расстоянии 5 мм от границы кромки, показали, что живучесть лопаток после обработки ПДУ оказалась значительно выше, чем после ВП и ВП+УЗУ.

Данные