Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Ткаченко Василь Васильович

УДК 621.431.75Т48

РОЗРОБКА КОМПЛЕКСНої ТЕХНОЛОГІЇ та устаткування для високоенергетичного електроімпульсного зміцнення титанових деталей АВІАЦІЙНИХ ДВИГУНІВ

Спеціальність 05.07.04 –“

Технологія виробництва літальних апаратів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Богуслав В’ячеслав Олександрович, Генеральний директор ВАТ “Мотор Січ”, Міністерство промислової політики України, м. Запоріжжя.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Борисович Володимир Карпович, директор Міжнародного інституту нових технологій Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України.

кандидат технічних наук, професор Фадєєв Валерій Андрійович, головний інженер ДП Харківський машинобудівний завод Науково-виробнича корпорація “ФЕД” Міністерства промислової політики України.

Провідна установа: ДП “Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування” Міністерства промислової політики України

Захист відбудеться “16” травня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

Автореферат розісланий “ 12” квітня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

професор _______________ Г. Л. Корнілов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У газотурбінних двигунах (ГТД) найбільш навантаженими деталями є робочі лопатки компресора і турбіни. Вони працюють в умовах високих швидкозмінних температур і агресивного газового середовища. У матеріалі лопатки виникають великі напруги розтягання від відцентрових сил і значні вібраційні напруги вигину і крутіння від газового потоку, амплітуда і частота яких міняються в широких межах. Швидка і часта зміна температури приводить до виникнення в лопатках значних термічних напруг.

Практика експлуатації двигунів показує, що передчасне руйнування лопаток компресора і турбіни звичайно носить стомлюючий характер. Лопатки турбіни частіше обриваються по перу, іноді — по замку.

У більшості випадків руйнування лопаток викликаються вигибними коливаннями першої форми.

Стомлюючі руйнування лопаток відбуваються і при коливаннях більш високих форм. Так, спостерігалися випадки поломки робочих лопаток компресора турбогвинтових двигунів (ТВД) по третьої вигибної формі з частотою 6550 Гц. Зі збільшенням тривалості експлуатації імовірність виходу лопаток з ладу зростає.

Опір утоми основних силових деталей двигуна можна підвищити металургійними, конструктивними, технологічними й експлуатаційними методами, причому технологічні методи є найбільш ефективними. Не всі технологічні методи забезпечення надійності ще використані. Наприклад, лопатки компресора ГТД із титанового сплаву ВТЗ-1 у стані постачання металургійною промисловістю спочатку мали опір утоми близько 25 кгс/мм2. Технологічними методами (електрохімічна обробка, виброконтактне полірування і деформаційне зміцнення й ін.) удалося підвищити опір утоми приблизно в 2 рази.

Істотний вплив на опір утоми деталей, а отже, і на їхню надійність робить якість поверхневого шару, що обумовлюється технологічними факторами.

Руйнування деталей при експлуатації, як правило, починається з поверхні внаслідок того, що поверхневі шари виявляються найбільш навантаженими при усіх видах напруженого стану і піддаються активному впливу зовнішнього середовища. Цьому сприяють також полегшені умови пластичного плину металу в поверхневому шарі в порівнянні із серцевиною деталі (полегшений вихід дислокації і вакансій на поверхню, менше потрібно енергії для генерування дислокації джерелами Франка—Ріда) і послаблююча дія на метал поверхневого шару екструзії і інтрузії.

У цьому зв'язку особливої уваги з боку виробників авіаційних двигунів заслуговують економічно прийнятні й ефективні методи зміцнення виробів, здатні забезпечити підвищені міцністні та несучі характеристики високонавантажених деталей, до яких у першу чергу відносяться лопатки компресора і турбіни. Однієї з таких технологій є технологія високоенергетичного электроімпульсного зміцнення, оскільки вона здатна разом з іншими, традиційно застосовуваними методами зміцнення істотно підвищити експлуатаційні властивості деталей.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами. Дана робота присвячена питанню дослідження впливу попередньої зміцнюючої високоенергетичної електроімпульсної обробки в комбінації з іншими методами зміцнення на характеристики стомлення та міцності титанових сплавів, застосовуваних в авіадвигунобудуванні. Робота виконана в рамках програми Міністерства освіти і науки України по напрямку “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” відповідно до тематичного плану НДДКР Національного аерокосмічного університету ім. Н. Е. Жуковського “ХАІ” по темі “Теоретичні дослідження синтезу сучасних технологій створення й обробки нових аерокосмічних матеріалів з підвищеними ресурсними характеристиками”, номер державної реєстрації НДР 0100U003438.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є вирішення важливої народногосподарчої задачи створення технологічних процесів та обладнання, які забезпечують високу надійність, стабільність та підвищення експлуатаційних характеристик деталей авіаційних двигунів, вироблених з титанових сплавів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. дослідити механізм зміцнення титанових сплавів методом ВЕІО, спрямований на виявлення основних закономірностей у зміні міцністних характеристик досліджуваних матеріалів.

2. провести експериментальні дослідження технологічних параметрів процесу ВЕІО на стомлюючу міцність не зміцнених, а також підданих попередньому зміцненню традиційними методами титанових сплавів.

3. дослідити фізико-механічні властивості поверхневого шару робочих лопаток компресора ГТД з врахуванням оцінки:

- впливу поверхневого зміцнення та стійкості остаточних напружень на межу витривалості титанових сплавів;

- ефективності підвищення стомлювальної міцності титанових сплавів методом ВЕІО.

4. на основі проведених експериментально-теоретичних досліджень розробити та впровадити комплексну технологію виготовлення деталей із титанових сплавів.

Об'єктом дослідження є технологічний процес зміцнення деталей авіаційної техніки, виготовлених з титанових сплавів.

Предмет дослідження – процес підвищення стомлюючої міцності титанових сплавів методом високоенергетичної електроімпульсної обробки та оцінка впливу поверхневого зміцнення на межу витртвалості.

Методи дослідження. Шляхом критичного аналізу виявлені основні параметри технологічного процесу зміцнення титанових сплавів методом високоенергетичної електроімпульсної обробки, що визначають параметр стомлюючої міцності.

При розрахунках припустимої електричної потужності і тривалості процесу ВЭИО, що не допускають перегріву деталі і викликуваних перегрівом структурних перетворень на етапі аналізу теплового стану заготівки і температурних полів у ній був використаний метод чисельного моделювання нестаціонарного теплообміну з застосуванням методу кінцевих елементів. Цей метод дозволяє легко й оперативно розрахувати граничні технологічні режими ВЭИО для різних деталей практично без обмежень по складності геометричної форми.

Експериментальні дослідження здійснювалися методом активного експерименту і були розділені на три основних етапи. Перший етап присвячений дослідженню впливу попередньої термічної обробки і зв'язаної з нею структури матеріалу на характеристики стомлення. На другому етапі досліджувалися вплив поверхневого зміцнення на межу утоми титанових зразків. Третій етап мав своєю метою дослідження впливу технологічних режимів ВЭИО на межу циклічної міцності.

На всіх трьох етапах застосовувався оригінальний ймовірністний метод визначення границі витривалості, заснований на методиці прискорених іспитів зразків на тривалу міцність.

Наукова новизна. Уточнено математичну модель теплообміну заготівки з навколишнім середовищем при високоенергетичному електроімпульсному зміцненні, на підставі якої визначені граничні значення технологічних параметрів ВЭИО. Уведено характеристичний критерій, що описує зв'язок енергії, необхідної для підвищення границі витривалості, і фізико-механічних властивостей матеріалу, що зміцнюється. Отримано експериментальні залежності коефіцієнта зміцнення від розміру енергетичного критерію.

Практичне значення отриманих результатів. В результаті комплексних теоретичних і експериментальних досліджень розроблене високоефективне технологічне устаткування для високоенергетичного електроімпульсного зміцнення деталей авіаційних двигунів, що дозволяє на практиці за рахунок застосування оптимальної комплексної технології обробки підвищити границю витривалості деталей з титанових сплавів на 17...20%

Розроблена методика визначення оптимальних режимів зміцнення дозволяє скоротити обсяг експериментальних досліджень і прискорити процес проектування операцій зміцнення.

Результати експериментальних досліджень є базою для проектування оптимальних технологічних процесів, що забезпечують підвищений рівень міцності стомлення виробів з титанових сплавів за рахунок застосування комплексних технологій зміцнення, що включають у себе термічні, механічні і електроімпульсні методи підвищення характеристик тривалої міцності деталей.

Отримані результати досліджень впроваджені на ВАТ “Мотор-Січ” при виготовленні деталей із титанових сплавів для авіадвигунів Д-36, Д-18 та
ТВ3-117.

Особистий внесок здобувача. Автору належить ідея застосування методу ВЕІО для обробки титанових лопаток, що забезпечує високу надійність, стабільність та підвищення експлуатаційних характеристик. В процесі виконання роботи здобувачем особисто спроектоване технологічне устаткування для високоенергетичного електроімпульсного зміцнення деталей типу компресорних лопаток авіаційних ГТД, обґрунтоване і спроектоване пристосування для закріплення деталей, що забезпечує найбільш сприятливі умови для ВЕІО. Здобувач брав безпосередню участь у постановці задачі чисельного моделювання процесу теплообміну при ВЕІО, у постановці експериментальних досліджень, обробці і систематизації експериментальних даних.

Апробація роботи. Основний зміст роботи докладалося на Міжнародних науково-технічних конференціях “Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций”, Київ, 2000 р., “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок”, Запоріжжя, 2000 р., “Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении”, Київ, 1999 р., на Четвертому конгресі двигунобудівельників України “Наука і практика”, Харків-Рибальське, 1999 р.

Публікації. Автором роботи опубліковано11 наукових статей за темою дисертації в збірниках, рекомендованих ВАК України для публікації матеріалів дисертаційних робіт.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Викладена на 173 сторінках, містить 42 таблиці, 67 рисунків і список використаних джерел на 101 найменувань.

Зміст роботи

У першому розділі роботи виконано огляд літературних джерел, на основі якого, а також опираючись на відомості щодо існуючих технологій зміцнення, узагальнено та систематизовано сукупність методів поверхневого та об’ємного зміцнення та підвищення експлуатаційних характеристик титанових сплавів. Існує кілька груп методів зміцнення деталей, у тому числі і методи поверхневого зміцнення. Серед цих груп методів є такі як методи термічного, структурного, механічного, термоеханического, магнітного й електричного зміцнення.

В таблиці 1 приведено методи термомеханічного зміцнення титанових сплавів у серійному виробництві, а на рис. 1 криві стомлення для цих методів.

Табл. 1.

Методи термомеханічної обробки титанових сплавів

№ типу структури | Режим термомеханічної обробки сплаву

1 | Вихідний пруток (матеріал у стані поставки без ТМО)

2 | 1.

2.

3. | Загартування в воді від 1323 К після витримування 0,5 год.

Прокатка при 1073 К з обтисненням 50% Рекристалізаційний відпік при 1073 К, витримування 5 год.

3 | 1.

2.

3. | Загартування в воді від 1323 К після витримування 0,5 год.

Прокатка при 1173 К з обтисненням 50% Рекристалізаційний відпік при 1073 К, витримування 5 год.

4 | 1.

2.

3. | Загартування в воді від 1323 К після витримування 0,5 год.

Прокатка при 1223 К з обтисненням 50%

Рекристалізаційний відпік при 1073 К, витримування 5 год.

5 | Режим ТМО, що застосований у промисловості для сплаву ВТЗ-1

Рис. 1. Криві стомлення сплаву ВТ3-1 для різних структур.

Серед методів механічного зміцнення найбільш перспективними і використовуваними є методи дробеструйної обробки, статико-імпульсної обробки і деякі різновиди пластичного поверхневого деформування (галтовка, виброгалтовка), обкатування роликами і кульками, а також комбіновані методи на основі перерахованих (рис.2).

Рис. 2. Порівняльна характеристика методів ППД.

В роботі приведено конструкція та основні характеристики обладнання для поверхневого зміцнення методами магнітно-абразивної, статико-імпульсної та виброобробки.

Опираючись на систематизовані відомості, сформовані основні напрямки розвитку методів зміцнення титанових сплавів та досліджень у цієї галузі.

У другому розділі проведені теоретичні дослідження процесу ВЕІО, а саме розглянуті фізичні моделі ВЕІО (дислокаційна, градієнтно-дислокаційна та градієнтно-дифузійна), на базі яких запропоновано спосіб розрахунку питомої енергії пластифікації q, при введенні якої спостерігається найбільше підвищення пластичних властивостей:

, (1)

де: щільність металлу, [кг/м3];

СT питома тепломісткість при температурі рекристализації, [Дж/кгК];

Tp – температура рекристализації, [K]

Експерименти показали, що питома електрична енергія, необхідна для прояву різних інших ефектів ВЕІО, складає для будь-яких металів цілком визначену частку від q .

Приведена методика розрахунку конструктивних параметрів установки для ВЕІО титанових лопаток авіадвигунів, а також послідовність розрахунку технологічних режимів обробки, таких як розрахункові значення кількості періодів електричного току заданої величини і напруги при відомому об'ємі оброблюваної деталі з обліком попередньо обраного співвідношення між питомою енергією пластифікації (для матеріалу рахується константою) і енергією, використовуваною для підвищення циклічної міцності (табл.2). Для трьох співвідношень між енергією пластифікації та енергією зміцнення розраховані певні значення технологічних параметрів, які використовуються в експерименті для зміцнення лопатки 3 ступені компресора двигуна ТВ3-117 СБМ1 на трьох рівнях варіювання.

Таблиця 2.

Значення технологічних параметрів ВЕІО лопатки.

№ | qц/qпл | qц, Дж/мм3 | Qц, Дж

1 | 0,15 | 1,05 | 2372,7 | 5,65 | 4

2 | 0,225 | 1,40 | 3163,6 | 7,53 | 6

3 | 0,30 | 1,75 | 3954,5 | 9,41 | 8

При оцінці розсіювання характеристик міцності стомлення досліджуваних сплавів за основу обрана методика, запропонована Вейбулом. У ній на основі гіпотез, підтверджуваних експериментально, розподіл по довговічності перетвориться в розподіл по границі витривалості і дозволяє побудувати повну імовірнісну діаграму утоми. При цьому розсіювання по границях витривалості не залежить від довговічності й оцінка розсіювання виглядає як:

(3)

Отриманий розподіл границь витривалості може бути прийнято нормальним, а похилі прямі на діаграмі Р- можна розглядати як аналітичну апроксимацію дослідних розподілів Р( ) по формулах нормального розподілу:

(4)

Приведена вище методика обробки даних експериментальних досліджень застосовувалася на усіх без винятку етапах експериментальних досліджень, що забезпечило високий ступінь вірогідності отриманих результатів і можливість істотно, практично вдвічі, скоротити об'єм експериментальних досліджень без збитку для точності і надійності отриманих результатів.

Оскільки процес ВЕІО не повинний приводити до перегріву деталі, що супроводжується підвищенням температури до рівня, при якому в матеріалі відбуваються структурні перетворення. Це автоматично приводить до зниження міцності стомлення деталі і підвищенню її пластичності. Матеріал стає менш пружним і більш текучим.

У цьому зв'язку, перш ніж здійснювати обробку деталі електроімпульсним методом, необхідно проаналізувати гранично припустимі для конкретної деталі струми нетермічної величини. Для цього проведене чисельне моделювання процесу підведення енергії до лопатки методом кінцевих елементів, у результаті якого визначені температурні полючи в тілі деталі, а також найбільш небезпечні з погляду перегріву області (рис. 3).

Рис. 3. Розподіл температур лопатки після ВЕІО в продольному (а) і поперечному (б) напрямках.

1 - ; 2 - ; 3 - .

В третьому розділі описано експериментальний комплекс та методика виготовлення оснастки для ВЕІО лопаток. Проведено постановку задачи експерименту з виявлення найбільш оптимального комплексного технологічного процесу зміцнення титанових лопаток, та сформовано план експерименту, який схематично зображений на рис. 4 для кожного типу структури (групи 1, 2 та 3). Відповідно до рис. 4, зразки після кожної стадії проходять іспити на тривалість. Іспити проводилися на машинах, що працюють за схемою консольного вигину при симетричному циклі навантаження круглих обертових зразків. Такий вид навантаження найбільше точно відповідає реальним умовам роботи деталей машин, зокрема, лопаток .

Оцінка границі витривалості провадиться за методикою, описаною в розділі 2. За цією методикою розподіл по довговічності перетвориться в розподіл по границі витривалості і дозволяє побудувати повну імовірнісну діаграму утоми.

Рис. 4. Схема проведення експерименту.

Після проведення термічної обробки зразків, шліфування і виброзміцнення за схемою, зображеною на рис. 4 здійснювалася електроімпульсна обробка зразків. На підставі попередньо проведених досліджень, установлено, що підвищення показників циклічної довговічності для титанового сплаву ВІД-4 послу ВЭИО відбувається при значеннях qц=(0.15...…03)qпл. тому що які-небудь інші дані по цьому питанню цілком відсутні, те передбачається прийняти це значення qц за основний рівень питомої енергії в проведених дослідженнях. Таким чином, для групи 1 обраний нижній, для групи 2 – середній, для групи 3 – верхній рівень питомої енергії.

Після іспитів на утому зі зразків вирізали мікрошліфи для аналізу напруженого стану поверхневого шару. Дослідження проводилися тільки для тих зразків, що мали найкращі характеристики тривалої міцності.

Результати досліджень приведені в табл. 3-7.

Таблиця 3

Значення межи тривалості зразків , виготовлених з прутка та поковки

ПРУТКИ | ПОКОВКА

Незміцнені | Зміцнені | Незміцнені | Зміцнені

Партія I | Партія II | Партія III | Партія I | Партія II | Партія III | Партія I | Партія II | Партія III | Партія I | Партія II | Партія III

550 МПа | 430 МПа | 440 МПа | 571 МПа | 457 МПа | 437 МПа | 390 МПа | 380 МПа | 405 МПа | 425 МПа | 418 МПа | 401 МПа

Таблиця 4

Результати статистичного аналізу експериментальних даних, отриманих при іспитах зразків ВТ8 у звязку с витриманням під навантаженням

Варіанти зразків | Вихідні без витримання | Вихідні після витримання | Зміцнені без витримання | Зміцнені після витримання

у-1,МПа | 562 | 555 | 595 | 591

S у-1,МПа | 62,45 | 17,09 | 48,32 | 38,50

N зразків | 5 | 5 | 6 | 7

d/S у-1 | 0,80 | 2,92 | 0,517 | 0,65

G | 0,97 | 1,235 | 0,94 | 0,955

уВ-1,МПа | 606,5 | 570,5 | 625,7 | 613,9

уН-1,МПа | 517,4 | 539,5 | 564,6 | 568,2

Таблиця 5

Значення коефіцієнтів зміцнення

ПРУТКИ | ПОКОВКА

Партія I | Партія II | Партія III | Партія I | Партія II | Партія III

1,04 | 1,06 | 1 | 1,09 | 1,1 | 1

На рис. 5, 6 приведені криві тривалості зразків до та після ВЕІО.

Рівні варіювання питомої енергії ВЕІО зразків

№ групи | qц, Дж/мм3 | qц/qпл

1 | 0,402 | 0,115

2 | 0,843 | 0,241

3 | 1,005 | 0,287

Рис. 5. Криі тривалості. Зразки з прутка без зміцнення до та після после ВЕІО.

а – рівень 1; б – рівень 2; в – рівень 3.

Рис. 6. Криі тривалості. Зразки з поковки без зміцнення до та після после ВЕІО.

а – рівень 1; б – рівень 2; в – рівень 3.

Висновки

1. В результаті комплексних теоретичних і експериментальних досліджень розроблені технологічні процеси зміцнення титанових сплавів, спрямовані на підвищення границі витривалості матеріалу.

2. Розроблено методику інженерного розрахунку технологічних параметрів процесу високоенергетичної електроімпульсної обробки титанових сплавів ВТ3-1, ВТ-6, ОТ-4, що застосовуються в авіадвигунобудуванні для виготовлення лопаток компресора. Викладена методика дозволяє розрахувати основні часові й енергетичні параметри технологічного процесу ВЕІО.

3. Розроблено чисельну реалізацію математичної моделі процесу теплообміну при ВЕІО, що дозволяє виявити граничні значення енергетичних параметрів, при яких можливі припалення і структурні перетворення в матеріалі деталі. Модель також дозволяє виявити найбільш підданому перегріву області деталей, що піддаються ВЕІО і таким чином виключити можливість браку на операціях зміцнення, а також вдосконалити значення енергетичних параметрів процесу. Модель дозволяє розраховувати температурні поля для деталей будь-якої складності.

4. Розроблена й апробована методика прискорених іспитів зразків, заснована на ймовірносно-статистичній обробці експериментальних даних. Методика іспитів дозволяє не тільки скоротити тривалість і обсяг досліджень, але і підвищити надійність і вірогідність отриманих результатів.

5. У процесі експериментальних досліджень отримані значення коефіцієнтів зміцнення титанових сплавів ВТ-6, ВТ3-1, виготовлених із прокату і куванням. Визначено вплив масштабного фактора на границю витривалості титанових зразків.

6. Отримано експериментальні дані про вплив структури матеріалу, що обумовлена видом попередньої термічної обробки на границю витривалості.

7. Зроблено оцінку впливу методу одержання заготівки, термічної обробки і механічного зміцнення деталей методом виброзміцнення на характеристики стомливої міцності.

8. Проведено дослідження процесу високоенергетичної електроімпульсної обробки в діапазоні режимів, що забезпечують підвищення стомливої міцності. Експериментальні дослідження цілком підтвердили теоретичні припущення про величину питомої енергії, необхідної для підвищення границі витривалості титанових сплавів.

9. Проведено комплексну оцінку комбінованої технології зміцнення деталей з титанових сплавів ВТ3-1, ВТ6 і ОТ-4, що полягає в послідовності заготівельної, термічної, виброзміцнюючої операцій, що після оздоблювальної операції завершуються операцією ВЕІО.

10. На підставі проведених комплексних досліджень розроблені технологічні рекомендації з проектування оптимальних з погляду стомливої міцності виробів технологічних процесів, а також приведені оптимальні технологічні режими термообробки і ВЕІО титанових сплавів.

11. У роботі приведені рекомендації з проектування й експлуатації технологічного устаткування, розробленого для ВЕІО лопаток середнього розміру, виготовлених з титанових сплавів. Розроблена установка відрізняється оригінальним пристосуванням для закріплення лопаток у процесі обробки, що виключає коробління деталей, що зміцнюються.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Богуслаев В. А., Долматов А. И., Жеманюк П. Д., Ткаченко В. В., Волков И. В. Повышение ресурса деталей ГТД из титановых сплавов. Монография. – Запорожье. – 2000 г. –110 с.

2. Ткаченко В.В., Колтун К. С., Багмет М. Н., Яковлев В. Г. Высокоэнергетическая электроимпульсная обработка (ВЭИО) деталей ГТД. //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып. 24(1). Харьков, 2001. с. 107-114.

3. Колтун К. С., Багмет М. Н., Ткаченко В.В., Яковлев В. Г. Оценка влияния предыстории нагружения и дефектов типа трещин на характеристики циклической трещиностойкости. //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып. 22(5). Харьков, 2000. с. 51-57.

4. Войтенко В. С., Маркович С. Е., Матюхин В. А., Ткаченко В. В. Неразрушающий контроль лопаток из титановых сплавов //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып. 22(5). Харьков, 2000. с. 77-90.

5. Войтенко В. С., Маркович С. Е., Ткаченко В.В., Яковлев В. Г. Влияние режимов упрочнения и отжига на прочность титановых сплавов. //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып. 23(6). Харьков, 2000. с. 82-91.

6. Долматов А. И., Богуслаев А. В., Ткаченко В. В., Колтун К. С. Исследования влияния асимметрии цикла нагружения, создаваемого остаточными напряжениями из условия нераспространения трещин. //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып. 21(4). Харьков, 2000. с. 17-22.

7. Ткаченко В. В., Попов В. В., Матюхин В. А., Куципак В. И. Эффективность поверхностного упрочнения титановых сплавов. //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып. 21(4). Харьков, 2000. с. 110-124.

8. Яценко В. К., Ткаченко В. В. Особенности отделочно-упрочняющей обработки вала вентилятора. //Придніпровський науковий вісник. Машинобудування та технічні науки. - Дніпропетровськ. - № 85 (152). – 1998 р. с. 9-25.

9. Яценко В. К., Богуслаєв В. А., Ткаченко В. В. Оценка влияния пневмодробеструйного упрочнения на формирование поверхностоного слоя валов ГТД. //Придніпровський науковий вісник. Машинобудування та технічні науки. - Дніпропетровськ. - № 85 (152). – 1998 р. с. 13-23.

10. Гончар Н. В., Сахно А. Г., Яценко В. К., Ткаченко В. В. Особенности формирования остаточних напряжений в поверхностном слое пазов дисков. //Придніпровський науковий вісник. Технічні науки. – Дніпропетровськ. - № 115 (182). – 1998. – с. 7-13.

11. Ткаченко В. В.,Гончар Н. В., Леховицер В. А., Сахно А. Г. Влияние поверхносного пластического деформирования на ’- морфологию никелевого жаропрочного сплава // Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций. Тр. конференции. Т. 2. – Киев. – 2000. – С. 857 – 862.

12. Ткаченко В. В.,Гончар Н. В., Леховицер В. А., Сахно А. Г. Кинетика фазових изменений поверхностного слоя дисков ГТД из сплава ЭИ 698-ВД // Авиационно-космическая техника и технология. Сб. научн. трудов. – Харьков “ХАИ”. – 2000. – Вып. 19. – С. 282-286.

13. Богуслав В. А., Ткаченко В. В., Пухальская Г. В., Рубель О. В. Дробеструйное упрочнение лопаток компресора ГТД // Технологические системы - №3 (9). – 2001. – С. 42-45.

14. Жуков В. Б., Ткаченко В. В., Яценко В. К. Расчет стержневих систем //Вестник ХГПУ. Вып. 29. Технологи в машиностроении. – Харьков. – 1999.- С. 150 – 156.

[1] – Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні досліджень.

[2] – Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні досліджень.

[3] - Автору належить проведення аналізу і досліджень, написання статті.

[4] - Автору належить проведення аналізу і досліджень, обговорення результатів і написання статті.

[5] - Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні експериментів.

[6] - Автору належить розробка методики, проведення експерименту, обговорення матеріалів і написання статті.

[7] – Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні досліджень.

[8] – Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні досліджень.

[9] - Автору належить проведення аналізу і досліджень, написання статті.

[10] - Автору належить розробка методики, проведення експерименту, обговорення матеріалів і написання статті.

[11] - Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні експериментів.

[12] - Автору належить розробка методики, проведення експерименту, обговорення матеріалів і написання статті.

[13] - Автору належить обговорення результатів, написання статті, участь у проведенні досліджень.

[14] - Автору належить розробка методики, проведення експерименту, обговорення матеріалів і написання статті.

Анотація

Ткаченко В. В. Розробка технології та устаткування для високоенергетичного електроімпульсного зміцнення титанових деталей авіаційних двигунів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.04 –технологія виробництва літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Міністерство освіти і науки України, Харків, 2003.

Дисертацію присвячено питанню підвищення експлуатаційних властивостей, насамперед характеристик стомлення титанових сплавів, які застосовуються в авіадвигунобудуванні.

В роботі розглянуті та проаналізовані методи зміцнення титанових сплавів, які застосовуються у серійному виробництві. Розглянуті основні аспекти застосування методу високоенергетичної електроімпульсної обробки (ВЕІО), надані відомості щодо конструкції установки ВЕІО та технології зміцнення матеріалів. Обґрунтована статистична методика прискорених випробувань матеріалів на стомлення. На базі цієї методики проведені дослідження, які дозволили сформувати комплексну методику підвищення характеристик стомлення титанових сплавів та надати технологічні рекомендації щодо застосування технології ВЕІО. Розроблені технологічні процеси зміцнення лопаток компресора авіаційного двигуна, вироблених з титанових сплавів ВТ3-1, ВТ-6 та ОТ-4.

Основні результати роботи знайшли застосування при зміцненні та реновації деталей турбін авіадвигунів у ВАТ “Мотор-Січ”, м. Запоріжжя, Україна.

Ключові слова: стомлення, титан, зміцнення, межа утоми, імпульс, лопатка, двигун.

Аннотация

Ткаченко В. В. Разработка технологии и оборудования для высокоэнергетического электроимпульсного упрочнения титановых деталей авиационных двигателей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 -технология производства летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАІ”, Министерство образования и науки Украины, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена вопросу повышения эксплуатационных свойств, прежде всего характеристик усталости титановых сплавов, которые применяются в авиадвигателестроении.

Практика эксплуатации двигателей показывает, что преждевременное разрушение лопаток компрессора и турбины обычно носит усталостный характер. Лопатки турбины чаще обрываются по перу, реже — по замку. В этой связи особого внимания со стороны производителей авиационных двигателей заслуживают экономически приемлемые и эффективные методы упрочнения изделий, способные обеспечить повышенные прочностные и несущие характеристики высоконагруженных деталей, к которым в первую очередь относятся лопатки компрессора и турбины. Одной из таких технологий является технология высокоэнергетического электроимпульсного упрочнения (ВЭИО), поскольку она способна совместно с другими, традиционно применяемыми методами упрочнения существенно повысить эксплуатационные свойства деталей.

В работе рассмотрены и проанализированы методы упрочнения титановых сплавов, которые применяются в серийном производстве. К рассматриваемым методам относятся методы термического, структурного, механического, термомеханического, магнитного и электрического упрочнения. В обзоре представлены сведения о режимах обработки титановых деталей различными методами. Особое внимание уделено термической обработке деталей и методам пластического поверхностного деформирования (механическому упрочнению). Также представлены сведения о физико-механических свойствах заготовок, полученных различными способами.

Рассмотрены основные аспекты применения метода высокоэнергетической электроимпульсной обработки. В работе проанализированы существующие физические модели ВЭИО, на основе которых проведен расчет основных конструктивных параметров оборудования для ВЭИО деталей типа лопаток, изготавливаемых из титановых сплавов. Представлены сведения о конструкции установки ВЭИО и технологии упрочнения материалов.

В связи со статистической природой процесса усталостного разрушения и неизбежной структурной неоднородностью металла наблюдается значительный разброс экспериментальных данных: в частности, усталостные испытания титановых сплавов показывают, что долговечность образцов, испытанных в одинаковых условиях нагружения, может отличаться на 1...2 порядка. Поэтому для надежной оценки рассеяния характеристик сопротивления усталости материалов результаты испытаний подвергаются статистической обработке. В этой связи в работе рассмотрена и обоснована статистическая методика ускоренных испытаний материалов на усталость. На базе этой методики проведены исследования, которые позволили сформировать комплексную методику повышения усталостных характеристик титановых сплавов и предоставить технологические рекомендации по применению технологии ВЭИО. Разработаны комплексные технологические процессы упрочнения лопаток компрессора авиационного двигателя, изготовленных из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ-6 и ОТ-4.

Основные результаты работы нашли применение при упрочнении и реновации деталей турбин авиадвигателей в ОАО “Мотор-Січ”, г. Запорожье, Украина.

Ключевые слова: усталость, титан, упрочнение, предел выносливости, импульс, лопатка, двигатель.

Summary

Tkachenko V. V. Development of technology and equipment for high-energy electro-impulse strengthening of aircraft engine titanium components. – Typescript.

Thesis to competition of an academic degree of the candidate of engineering science of 05.07.04 specially – aircraft production engineering. National Aerospace University (“KhAI”) Named by N. Zhukovsky, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2003.

Thesis is devoted to the problem of operation properties increasing, first of all, fatigue characteristics of titanium alloys being used in aircraft engine manufacturing.

The methods of titanium alloys strengthening being used in batch production were considered and analyzed in this work. The main features of high-energy electro-impulse strengthening (HEIT) were considered.

The description of HEIT machine design and material strengthening technology were submitted. Statistical methodic of express material fatigue tests was created. Investigations based on this methodic were carried out. They allowed to develop a complex methodic of fatigue properties increasing of titanium alloys and manufacturing recommendations for HEIT usage. Manufacturing processes of aircraft engine compressor blades strengthening made of BT3-1, BT6, OT-4 titanium alloys.

The basic results were use for strengthening and renovation of aircraft engines turbine parts at JSC “Motor-Sich”, Zaporozhye, Ukraine.

Keywords: fatigue, titanium, strengthening, fatigue limit, impulse, blade, engine.

Видруковано з оригінал-макету,
друк ВАТ “Мотор Січ”
зам. № 1605. 2002 р. тир. 100 прим.
69068, м. Запоріжжя, 8 Березня, 15

Тел. 0612-61-49-55