ВАТ “Український науково-дослідний інститут

авіаційної технології”

Бень Володимир Петрович

УДК 621.452.3.03.004.12

ПІДВИЩЕННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ

ЛОПАТОК КОМПРЕСОРА ГТД ІЗ ТИТАНОВИХ СПЛАВІВ

КОМПЛЕКСНОЮ ФІНІШНОЮ ОБРОБКОЮ

Спеціальність 05.07.04 – “

Технологія виробництва літальних апаратів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Богуслаєв В'ячеслав Олександрович, Відкрите акціонерне товариство “Мотор Січ”, генеральний директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бобир Микола Іванович, директор механіко-машинобудівного інституту національного технічного університету “КПІ” Міністерства освіти і науки України

доктор технічних наук, професор Божко Валерій Павлович, завідувач кафедрою Національного аерокосмічного університету ім. М. Е. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України

Провідна установа: ДП “Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування”, науково-технічний відділ Міністерства промислової політики, м. Харків

Захист відбудеться 17.06.2004 р. у 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.839.01 у ВАТ “Український науково-дослідний інститут авіаційної технології” за адресою: 04080, м. Київ-80, вул. Фрунзе, 19-21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ВАТ “Український науково-дослідний інститут авіаційної технології” за адресою: 04080, м. Київ-80, вул. Фрунзе, 19-21.

Автореферат розісланий 14.05. 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н. В.Ф. Забашта.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одними з високонавантажених деталей, що значною мірою визначають ресурс вертолітних двигунів, є лопатки компресора. Аналіз відмов компресорів показує, що в основному це відбувається через ерозійні ушкодження лопаток і руйнування вхідних кромок при зіткненні зі сторонніми тілами.

Тому підвищення несучої здатності (параметрів витривалості й опір впливу ерозії) лопаток компресора, що працюють при дії знакозмінних навантажень і відцентрових сил, є актуальною задачею, яка вирішується комплексною обробкою на фінішних операціях технологічного процесу.

Рішення такої задачі базується на визначенні закономірностей формування характеристик поверхневого шару, параметрів витривалості й ударної міцності серійних лопаток після створення дифузійного покриття з наступним поверхневим деформаційним зміцненням.

Однією з найбільш навантажених деталей компресорів двигунів ТВ3-117 і ТВ3-117ВМА-СБМ1 є лопатка I-го ступеня з титанового сплаву ВТ8М, що найбільш часто ушкоджується у процесі експлуатації.

Сплав ВТ8М має високі характеристики міцності, здатний їх зберігати при тривалій експлуатації, але, як і всі титанові сплави, чуттєвий до технологічних і експлуатаційних концентраторів напруг.

При жорстких умовах експлуатації через зниження параметрів витривалості та значну кількість і розміри ерозійних ушкоджень неодноразово мало місце зняття двигуна.

Відомі публікації по роздільному застосуванню ерозійностійких покриттів і поверхневого деформування не дають повної відповіді на питання про вплив комплексної обробки на опір втомленності й ударному руйнуванню лопаток компресора з титанових сплавів.

Це пов'язано з необхідністю проведення тривалих випробувань лопаток, що є трудомісткою задачею.

З цієї причини наукове обґрунтування комплексної обробки лопаток з титанових сплавів для підвищення їх ерозійної стійкості і розробка технологічних рекомендацій з її застосування є необхідним і своєчасним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації автор отримав під час виконання науково-дослідних робіт:

- фундаментальна науково-дослідна робота ДБ04012 “Моделювання граничного стану конструкційних матеріалів в умовах наявності технологічних концентраторів напружень”. Робота виконується з 2.01.2002 р.

- хоздоговірна науково-дослідна робота №СО 897/01-Д-4041 “Дослідження несучої здатності лопаток І-го ступеня компресора дв. ТВ3-117 ВМА-СБМ1 після деформаційного зміцнення й іонного азотування”. Робота виконується з 11.10.2001 р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення несучої здатності лопаток компресора з титанових сплавів шляхом формування раціонального сполучення характеристик поверхневого шару комплексною фінішною обробкою, що включає іонно-плазмене азотування і поверхневе пластичне деформування, та забезпечує високі показники витривалості, ударної міцності і зносостійкості.

Для досягнення цієї мети було поставлено наступні задачі:

1. Провести аналіз основних експлуатаційних ушкоджень і технологічних мікродефектів, що знижують несучу здатність лопаток компресора дв. ТВ3-117.

2. Вибрати й експериментально підтвердити раціональні режими нанесення дифузійних покриттів іонно-плазменим азотуванням (ІПА) та оздоблювально-зміцнюючих методів: ультразвукового (УЗЗ) і пневмодробострумного (ПДЗ) зміцнення.

3. Виконати системні дослідження характеристик поверхневого шару і параметрів витривалості лопаток компресора, після комплексної фінішної обробки.

4. Виконати теоретичні й експериментальні дослідження з визначення впливу комплексного зміцнення на опір ударному руйнуванню лопаток.

5. Виконати експериментальні дослідження по визначенню впливу комплексної фінішної обробки на опір абразивному зношуванню пера лопаток.

6. Розробити технологічні рекомендації із застосування комплексної фінішної обробки пера лопаток компресора.

Об'єкт дослідження – лопатки I-го ступ. компресора двиг. ТВ3-117 і ТВ3-117ВМА-СБМ1 , які виготовлено з титанових сплавів ВТ8М та ВТ8.

Предмет дослідження – залишкові стискуючі напруги, кристалографічна текстура і структурно-фазові зміни у поверхневому шарі лопаток компресора, після комплексної обробки, що впливають на їх несучу здатність.

Методи дослідження : рентгеноструктурні методи – для визначення кристалографічної текстури у поверхневому шарі пера лопаток і структурно-фазових змін; металографічні методи – для дослідження мікроструктури поверхневого шару лопаток і визначення змісту -фази після оздоблювально-зміцнюючої обробки; методи інженерної механіки – для дослідження залишкових напруг, параметрів витривалості, ударної міцності і зносостійкості лопаток; методи математичної статистики – для обробки результатів випробувань і одержання кореляційних залежностей; методи теорії пружності – для розрахунку напруг у лопатці при зіткненні зі стороннім тілом.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше на основі системного дослідження впливу комплексної фінішної обробки, що включає іонно-плазмене азотування з наступним динамічним зміцненням, на характеристики поверхневого шару аеродинамічних поверхонь робочих лопаток ГТД із титанових сплавів з урахуванням технологічної спадковості, надано наукове обґрунтування підвищення їх несучої здатності за рахунок технологічного забезпечення високого рівня параметрів опору втомленості, ударного руйнування, протидії ерозії.

2. Експериментально встановлено ступінь впливу кожної з фінішних технологічних операцій і комплексної обробки цілком на параметри якості поверхневого шару аеродинамічних поверхонь робочих лопаток компресора, що дозволило визначити й обґрунтувати раціональні технологічні методи обробки, їх режими, і структуру комплексної фінішної обробки, що забезпечує підвищення опору втомленості, ударного руйнування, протидії ерозії.

3. Вперше отримано аналітичні залежності для оцінювання ударної міцності зміцнених лопаток, з урахуванням місцевих деформацій, що дозволяють розрахувати рівень напруг, що допускається, на вигин у небезпечному перерізі, а також запас міцності при зіткненні зі стороннім тілом.

Практичне значення одержаних результатів.

1.

2.

3.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення і результати отримано здобувачем самостійно. Разом з к.т.н. Орловим М.Р. виконано спектральний аналіз і металографічні дослідження. Разом зі співробітниками випробувального центра ВАТ “Мотор Січ” проведено випробування на втомленість і дослідження залишкового напруженого стану лопаток. При цьому здобувачем виконано розрахунки напруг і обробка результатів експериментів. Разом з доцентом ЗНТУ Степановою Л.П. виконано дослідження кристалографічної текстури лопаток. Разом з к.т.н. Жуковим В.Б. виконано розрахунок ударної міцності лопаток.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на IV-й Міжнародної науково-технічної конференції “АВІА-2002” (Київ, 2002р.); на IX-й Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера ХХІ століття” (Севастополь, 2002 р.); на ІІ-й Міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок” (Запорожжя-Алушта, 2002 р.); на X-й Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера ХХІ століття” (Севастополь, 2003 р.); на ХІ-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові “МСУІЛ-6” (Львів, 2003 р.); на IV-й Міжнародній науково-технічній конференції “Устаткування і технології термічної обробки металів і сплавів” (Харків, 2003); на Х-й Міжнародній науково-технічній конференції “Неметалеві вкраплення і гази в ливарних сплавах” (Запорожжя, 2003 р.); на IX-й Міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (Запорожжя, 2003 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 11 друкованих праць, серед яких 5 статей у спеціалізованих наукових журналах, 5 статей у збірниках наукових праць, 1 робота в збірнику тез доповідей науково-технічної конференції, у тому числі 7 робіт опубліковано в наукових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел інформації та додатків. Роботу виконано в обсязі 205 сторінок комп'ютерним набором і містить 106 ілюстрацій, 33 таблиці, 9 додатків на 11 сторінках і бібліографічний список на 12 сторінках з 120 найменуваннями літературних джерел.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок з науковими програмами, визначено мету, задачі, об'єкт, предмет і методи дослідження, а також наукову новизну і практичну цінність, приведено інформацію про особистий внесок здобувача, апробацію дисертаційної роботи і публікації.

У першому розділі проведено аналіз факторів, що впливають на зародження тріщин втомленості у лопатках компресора в експлуатації, і технологічних мікродефектів, які виникають на фінішних операціях технологічного процесу , та впливають на опір втомленості. Показано, що велика частина забоїн розташовується на вхідній кромці та на ділянці корита лопатки, яка прилягає до неї. (рис. 1)

Рис. 1. Лопатка після наробітку 526 год. (Алжир) – а;

ушкоджений ерозією ділянка пера (200) – б.

Показано вплив характеристик поверхневого шару лопаток компресора з титанових сплавів при різних оздоблювально-зміцнюючих методах обробки на опір втомленості й ударному руйнуванню. Систематизовано інформацію про вплив характеристик поверхневого шару і методів оздоблювально-зміцнюючої обробки в сполученні з дифузійними покриттями на несучу здатність лопаток компресора.

Аналіз літературних джерел дозволив установити ряд питань, які досліджено недостатньо чи обсяг публікацій по яким обмежений. Відсутні дані про методи ППД, що підвищують опір втомленості й ерозійну стійкість лопаток з титанових сплавів з дифузійними покриттями; відсутні системні дослідження з формування текстури і структурно-фазових перетворень у поверхневому шарі лопаток, оброблених різними комплексними методами; недостатньо даних про вплив режимів комплексних методів на опір втомленості й ударну міцність лопаток.

Проведений аналіз дозволив сформулювати мету і задачі, які необхідно було вирішити для її досягнення.

В другому розділі приведено інформацію про методики дослідження, які було застосовано для експериментального дослідження лопаток компресора, а також конструкції зразків і устаткування. Приведено опис об'єкта дослідження і технологічних особливостей його обробки.

Випробування на втому лопаток проводили стандартним і прискореним методом “сходи”, на базі N 8 і N 107 циклів відповідно, з визначенням обмеженої границі витривалості і параметрів розсіювання довговічності.

Для ударних випробувань застосовували спеціальний копер. При випробуваннях на ударну міцність фіксували накопичену пластичну деформацію і кількість ударів до появи тріщини і наступного руйнування. Удар наносився з боку корита по центральній частині пера лопатки без ушкодження кромки.

Для проведення досліджень кристалографічної текстури
і фазового складу було обрано рентгеноструктурний іонізаційний метод. Зйомка дифрактограм виконувалася в широкому діапазоні кутів відображення на установці ДРОН-1 з використанням Cu- випромінювання з монохроматизацією дифракційних рентгенівських променів.

Параметри елементарного осередку гексагональної щільноупакованої ґрати (?-фази визначали по двох дифракційних лініях – 110 для параметра “а”(міжатомна відстань у базовій площині) і 105 для параметра “с”(міжплощинна відстань).

Дослідження зміни мікроструктури тонкого поверхневого шару пера лопаток проводили за допомогою електронного растрового мікроскопа ISM Т300.

Залишкові напруги визначали:

- механічним методом - вимір прогину консольно закріпленого зразка, вирізаного з лопатки електроерозійним методом, при послідовному знятті шарів металу електролітичним поліруванням на приладі ПІОН-2. Досліджували зразки, які вирізано з боку вхідної кромки і посередині лопатки розміром 50х8 мм.

- рентгеноструктурним методом на дифрактометрі ДРОН-ЗМ. Для досліджень макронапруг першого роду застосовували випромінювання Со?. Величину мікронапруг ІІ-го роду оцінювали по розширенню дифракційних піків.

Дослідження хімічного складу поверхневого шару лопаток компресора з двохфазного титанового сплаву після різних видів оздоблювально-зміцнюючої обробки виконували на растровому електронному мікроскопі JSM 6360 LA із системою енергодисперсійного рентгеноспектрального аналізу JED 2000.

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

У третьому розділі приведено і проаналізовано результати досліджень основних закономірностей формування характеристик поверхневого шару пера лопаток зі сплавів ВТ8 і ВТ8М при варіюванні методами і режимами фінішної обробки.

Мікрорельєф поверхні пера лопаток є однією з основних характеристик поверхневого шару, що впливають на опір втомленості. Результати досліджень шорсткості, які представлено в таблиці 1, показали, що іонно-плазмене азотування з наступною оздоблювально-зміцнюючою обробкою не приводять до погіршення мікрорельєфу (рис. 2).

Таблиця 1

Параметри шорсткості поверхні пера лопаток

Найменування параметра, мкм | ВП | ІПА після ВП | ПДЗ | ПДЗ після ІПА | УЗЗ | УЗЗ після ІПА | Напр. 2397 год. | Напр. 960 год.

Ra | 0,35 | 0,33 | 0,27 | 0,21 | 0,36 | 0,29 | 0,58 | 0,51

Rz | 2,67 | 2,31 | 1,75 | 1,73 | 2,38 | 1,99 | 3,24 | 3,08

Рис. 2. Мікрорельєф пера лопаток після:

а – ВП; б – ІПА+УЗЗ; в – ІПА+ПДЗ;

Виміри мікротвердості показали, що на спинці після УЗЗ ступінь наклепу збільшується з 6,7 % до 23%, на вхідній кромці з 7 % до 22 %. Такі ж результати отримані після пневмодробострумного зміцнення. Різке збільшення мікротвердості спостерігається після іоно-плазменого азотування: ступінь наклепу підвищився з 7 % до 41 %. Наступне зміцнення УЗЗ, а також ПДЗ, збільшує ступінь наклепу до 44...46 %. Таким чином, комплексна обробка супроводжується значним збільшенням мікротвердості поверхні, що підвищує ерозійну стійкість пера лопаток в експлуатації.

Фінішне віброполірування (ВП) пера серійних лопаток формує у поверхні стискуючі залишкові напруги у вихідної кромки до 370 МПа, на вхідній кромці – до 280 МПа при загальній глибині залягання до 30 мкм. (рис. 3,а). У даній роботі для підвищення ерозійної стійкості пера лопаток застосовується іонно-плазмене азотування. Іонно-плазмене азотування формує залишкові розтягуючі напруги невеликого рівня, які сягають 22...26 МПа , із глибиною залягання понад 100 мкм, що пояснюється переважаючим впливом температурного фактора (рис. 3,б). Для створення стискуючих залишкових напруг в азотуємому шарі необхідно застосовувати зміцнюючу обробку: УЗЗ чи ПДЗ. Застосування деформаційного зміцнення кульками (УЗЗ і ПДЗ) дозволяє сформувати залишкові стискуючі напруги в азотованому шарі в межах 300...370 МПа з глибиною залягання понад 80 … 100 мкм (рис. 3,в,г).

Рис. 3. Розподіл залишкових напруг посередині лопатки – 1,3 та

на вхідній кромці – 2,4 після ВП(а); ВП+ІПА(б);

ІПА+УЗЗ(в; 1, 2 – = 5 хв; 3, 4 – = 10 хв); ІПА+ПДЗ (г; = 6 хв).

Отже, комплексна зміцнююча обробка (ІПА+ПДЗ чи ІПА+УЗЗ) дозволяє забезпечити сприятливі характеристики азотованого поверхневого шару.

Для оцінки впливу товщини пера на формування рівня стискуючих напруг у поверхні, було проведено виміри рентгеноструктурним методом посередині лопатки і на вхідній кромці (рис. 4).

Рис. 4. Зміна рівня залишкових напруг по довжині лопатки після:

1, 2 – ВП; 3, 4 – УЗЗ; 5, 6 – ІПА; 7, 8 – ІПА+УЗЗ; 1, 3, 5, 7 – посередині лопатки; 2, 4, 6, 8 – вхідна кромка.

Як видно з рис. 4, практично після всіх методів фінішної обробки спостерігається істотне зменшення рівня залишкових стискуючих напруг зі зменшенням товщини зразків, вирізаних із вхідної кромки в порівнянні зі зразками, вирізаними посередині пера лопатки.

Пластично-деформований поверхневий шар, маючи великий питомий об'єм, намагається розширитися, чому перешкоджає пружно-деформована серцевина. Їх взаємодія приводить до формування стискуючих напруг у поверхневому шарі і напруг, що розтягують, у приповерхньому шарі. При відносному зменшенні товщини пружно-деформованої серцевини повинний зменшуватися і рівень стискуючих напруг, що підтверджується експериментально.

Дослідження розподілу хімічних елементів у приповерхньому шарі показало, що після ІПА, яке виконано на жорсткому режимі (Т=775о…850о, ф=240 хв.), у поверхні лопаток відзначається підвищений вміст азоту і наявність альфованого шару. Лопатки, після ІПА на раціональному режимі(Т=550о, ф=20?в. з іонним очищенням в аргоні) не мають ознак альфування і значного насичення поверхні азотом. Загальною картиною для всіх досліджених лопаток є розподіл молібдену й алюмінію між - і -фазами.

Для аналізу змін характеру текстури було використано параметри q і f . Аналіз отриманих даних на віброполірованих лопатках показав, що параметри q і f для обох кромок істотно менше, ніж для спинки, що свідчить про присутність переважно пірамідального і базисного компонентів текстури. У той же час у спинці, що піддавалася меншій деформації, зерна орієнтовано в більшості по площинах ( ) і ( ), що характеризують призматичний компонент текстури. Обробка ПДЗ приводить до збільшення значення обох параметрів, як для спинки, так і в кромках, у порівнянні з ВП, причому ці зміни більш істотні для спинки. Характер впливу зміцнюючої обробки (УЗЗ) трохи відрізняється. Спостерігається більш істотне збільшення обох показників q і f у кромках у порівнянні з аналогічними показниками при ВП і ПДЗ. Досліджені способи оздоблювально-зміцнюючої обробки (ВП, УЗЗ і ПДЗ) вносять зміни в кристалографічну орієнтацію зерен у поверхневих шарах лопатки. Після нанесеного покриття і УЗЗ у порівнянні з лопаткою без покриття dHKL мають більші значення. Для кількісної оцінки змін у самому дифузійному шарі було визначено параметри елементарного осередку кристалічних ґрат -фази по лініях 110 і 105. Насичення азотом приводить до істотного збільшення параметра “с”, параметр “а” міняється менше. У результаті ГЩУ-грати стають більш компактними, тому що відношення параметрів с/а росте, наближаючись до ідеального значення. Текстурованість оцінювали по зміні інтенсивності дифракційних ліній 110 і 103 -фази. Співвідношення обраних ліній позначено в роботі показником q. Нанесення покриття в порівнянні з віброполірованими лопатками не змінює переважних орієнтацій зерен як для кромки, так і для спинки. Для варіанта ІПА+УЗЗ показник q має істотно менше значення для обох ділянок пера лопатки (кромка і спинка) у порівнянні з розглянутим варіантом УЗЗ+ІПА (табл. 2).

Таблиця 2

Показник q для різних способів зміцнення
і досліджуваних ділянок пера лопаток

Досліджувана ділянка

пера лопатки | Спосіб
зміцнення | Вхідна кромка | ВП | 0,14 | Спинка | 0,21 | Вхідна кромка | ІПА+УЗЗ | 0,23 | Спинка | 0,35 | Вхідна кромка | УЗЗ+ІПА | 0,34 | Спинка | 0,56 | Дослідження характеристик приповерхневих шарів лопаток робили індентуванням після оздоблювально-зміцнюючих методів обробки (ВП, УЗЗ і ПДЗ) і після комплексної обробки пера (ІПА+УЗЗ, ІПА+ПДЗ). Найбільші значення контактної напруги (умовної границі текучості) отримано при комплексному зміцненні . При цьому УЗЗ супроводжується більшим ступенем деформації приповерхневого шару в порівнянні з ПДЗ. Після комплексних видів обробки умовна границя текучості збільшилась з 940 до 1440...1490МПа.

Рис. 5. Залежність контактної напруги від глибини впровадження

індентора у приповерхневий шар лопаток після: 1 – ВП;

2 – ІПА+ПДЗ; 3 – ІПА+УЗЗ.

Четвертий розділ присвячено визначенню напружено-деформованого стану лопатки, оцінці впливу комплексного зміцнення і наробітку в експлуатації на опір втомленості й ударну міцність лопаток, а також вибору раціонального режиму іонно-плазменого азотування.

Для визначення напружено-деформованого стану (НДС) лопатки при коливаннях по першій формі вигину було проведено дослідження двома способами: розрахунковим – методом кінцевих елементів (МКЕ) за допомогою програми ANSYS і експериментальним – шляхом виміру деформацій тензодатчиками (рис. 6).

Рис. 6. Розподіл напруг на профільній частині лопатки

компресора при коливаннях по першої формі вигину:

а – розрахункове; б – експериментальне.

Встановлено (Рис. 6), що зона максимальних напруг розташована з боку спинки, координати точки максимальних напруг: від підошви хвостовика – 28 мм; від вхідної кромки – 11 мм. Максимальні напруги в зоні вхідної кромки складають 95% від максимальних напруг на спинці. Рівень максимальних напруг на вихідній кромці значно нижче і не перевищує 66% від максимального значення на спинці.

Для оцінки впливу методів оздоблювально-зміцнюючої обробки на витривалість було проведено випробування лопаток на втомленість методом “сходи” (N=20млн. циклів) з остаточною обробкою пера ВП, УЗЗ і ПДЗ (табл. 3).

Таблиця 3

Параметри витривалості лопаток після фінішної обробки

Параметри витривалості | ВП | ПДЗ | УЗЗ | , МПа | 575 | 615 | 625 | , МПа | 54,1 | 16,2 | 55,3 | (p=10%), МПа | 486 | 594 | 554 | 0,64 | 0,476 | 0,494 | Проведені дослідження показали, що з урахуванням розсіювання границі витривалості для імовірності руйнування P =10 % найбільш значне підвищення опору втомленості мають лопатки, які оброблено ПДЗ ( збільшився з 486 МПа після ВП до 594 МПа).

Дифузійні покриття супроводжуються підвищенням крихкості поверхневого шару, що приводить до зниження опору втомленості. Тому в задачу досліджень входило обґрунтування режиму ІПА, що не приводить до значного зниження параметрів витривалості в порівнянні із серійними лопатками. Режими ІПА представлено в табл. 4.

Таблиця 4

Режими іонно-плазменого азотування лопаток

Режим | Т, С | Р, Па | N2% | Av,% | H2,% | , хв. | до ІПА | після ІПА | 36 | 775 | 192 | 22 | 68 | 10 | 240 | 410 | 648 | 58 | 550 | 64 | 9 | 86 | 5 | 30 | 405 | 591 | Р2 | 550 | 32 | 2 | 97 | 1 | 30 | 415 | 544 | Р1 | 550 | 240 | 9 | 86 | 5 | 10+10 | 408 | 559 | Примітка: лопатки (режим Р1) після ІПА та іонного очищення в аргоні протягом 10 хв.

У комплекс основних параметрів, що характеризують раціональний режим, входить ступінь підвищення мікротвердості (рівень крихкості) і тривалість проведення процесу ІПА. Процес розчинення ?-фази (альфування) чітко спостерігається на лопатці з дифузійним покриттям за режимом 36(рис.7).

Рис. 7. Мікроструктура поверхневого шару лопаток після:

а – ІПА (режим Р1); б – ІПА (режим 36); в – ІПА (режим Р2).

Результати попередніх випробувань на втомленість і досліджень мікроструктури свідчать на користь режимів ІПА, позначених Р1 і Р2. Для остаточного вибору раціонального режиму ІПА було проведено порівняльні випробування лопаток (режими Р1 і Р2) на втомленість методом “сходи” (табл. 5).

Таблиця 5

Параметри витривалості лопаток після ІПА

Параметри витривалості ІПА
(режим Р1) | ІПА
(режим Р2) | , МПа | 464 | 443 | , МПа | 29 | 92 | (p=10%), МПа | 427 | 325 | 0,839 | 0,574 |

Таким чином, порівняльні випробування на втомленість переконливо показали перевагу лопаток (режим Р1), оброблених ІПА з іонним очищенням в аргоні. Цей режим ІПА був обраний базовим для проведення досліджень витривалості лопаток компресора зі сплаву ВТ8М та ВТ8 після комплексного зміцнення.

Раніше проведені дослідження з визначення ефективності ІПА показали зниження опору втомленості в порівнянні із серійними лопатками. Додатково було проведено дослідження витривалості серійних лопаток, оброблених ІПА з наступною оздоблювально-зміцнюючою обробкою (табл. 6). Було прийнято два методи оздоблювально-зміцнюючої обробки: ПДЗ і УЗЗ. Для достовірного вибору раціонального режиму ПДЗ пера лопаток після ІПА було проведено дослідження зміни довговічності (lgN=Y) при зміні режимів: тиску повітря Р(х1)(Р=0,08; 0,1 і 0,12 МПа) і часу (х2)(=3; 6 і 9 хв). У результаті статистичної обробки методом найменших квадратів отримано двохфакторну поліномінальну залежність логарифма довговічність (lgN) від аргументів Р и .

lgN=-0,599+7,111Р-2,428Р2+0,539-0,0292.

Різке збільшення довговічності спостерігається до досягнення =6 хв при максимальному значенні тиску повітря Р=0,12 МПа (рис. 8).

Рис. 8. Зміна довговічності в залежності від часу зміцнення :

1 – Р=0,08 МПа; 2 – Р=0,1 МПа; 3 – Р=0,12 МПа.

Для проведення ПДУ був прийнятий режим: Р=0,12 Мпа; =6 хв.

Ультразвукове зміцнення лопаток виконували за відпрацьованими і впровадженими у виробництво режимам стосовно до серійних лопаток ІІІ-го ступіня КНД дв. Д-36. Був прийнятий час зміцнення =10 і 5 хв.

Таблиця 6

Параметри витривалості лопаток після комплексної обробки

Параметри витривалості | ІПА+УЗЗ

( = 10 хв.) | ІПА+ПДЗ | ІПА+УЗЗ

( = 5 хв.) | , МПа | 597 | 558 | 582 | , МПа | 25,4 | 10,9 | 28,5 | (p=10%), МПа | 552 | 543 | 546 | 0,54 | 0,78 | 0,71 |

Прискорені випробування показали, що комплексна обробка (ІПА+УЗЗ чи ІПА+ПДЗ) за рахунок формування сприятливих характеристик поверхневого шару забезпечує одержання параметрів витривалості вище рівня серійних лопаток, остаточно оброблених віброполіруванням.

Для підтвердження результатів прискорених випробувань лопаток після комплексної обробки були проведені масові випробування на втомленість (20 шт. у партії) на базі 100 млн. циклів (рис. 9).

Рис. 9. Криві втомленості лопаток після:

– ВП; – ІПА+УЗЗ; – ІПА+ПДЗ.

Так після ІПА+УЗЗ і ІПА+ПДЗ середнє значення напруги, яке прийнято за границю витривалості цих партій лопаток, виявилося рівним =525 МПа. Після ВП лопаток границя витривалості виявилася рівною = 500 МПа.

Таким чином, масові випробування на втомленість, які проведено на базі 100 млн циклів, підтвердили результати прискорених випробувань за методом “сходів” і показали, що комплексна обробка лопаток (ІПА +УЗЗ чи ІПА + ПДЗ) забезпечує параметри витривалості лопаток на рівні серійних без ІПА. Слід зазначити, що більш кращим з погляду трудомісткості технологічного процесу є застосування як остаточної обробки ПДЗ, тому що при цьому не потрібно глянцювання кромок. Полірувальний ефект для усунення рисок на кромках забезпечує дотичне зіткнення кульок з поверхнею пера лопатки.

Для оцінки впливу зміцнення на ударну міцність з урахуванням місцевих деформацій розглянемо модель лопатки у вигляді консольного стержня, при зіткненні з сферичним тілом.

У результаті розрахунку по оцінці ударної міцності зміцнених лопаток було отримано наступні залежності для розрахунку:

- напруги вигину у небезпечному перерізі для зміцненого стержня;

– запасу міцності для зміцненого стержня.

У який – коефіцієнт зміцнення,

де E*E-1 – відношення модуля пружності зміцненого шару до модуля пружності основного матеріалу; h-1 – відношення зміцненого шару до товщини стержня; h, b,l – товщина, ширина і довжина перерізу стержня; - коефіцієнт динамічності; s – статична границя міцності; Р - сила удару.

Аналіз отриманих формул показує, що в границях текучості, деформаційне зміцнення впливає на міцність лопаток компресора, які виготовлено з титанових сплавів.

Проведений розрахунок показав, що комплексне зміцнення підвищує запас ударної міцності на 7%.

Експериментальні дослідження на ударну міцність лопаток I-ої ступ. компресора після комплексної обробки проводили на спеціальному копрі ударами бойка в перерізи, які розташовано на відстанях 20 і 30 мм від підошви хвостовика. Практично після усіх видів остаточної обробки пера, лопатки з тріщинами пластично деформувалися після третього і четвертого ударів. Це свідчить про те, що комплексна обробка не знижує ударної міцності лопаток і підвищує їх живучість.

Для підтвердження даних, які отримано раніше співробітниками ВАТ “Мотор Січ” було проведено випробування на зносостійкість як серійних зі сплаву ВТ8М, так і лопаток, що оброблені іонно-плазменим азотуванням по режиму Р1 (рис. 10).

Результати проведених досліджень, які представлено на рис. 10, підтвердили високу зносостійкість пера лопаток з дифузійним покриттям.

Проведення контрольних вимірів показало, що іонно-плазмене азотування практично не впливає на зміну профілю пера лопаток.

Рис. 10. Криві зношування лопаток компресора в газоабразивному середовищі: О – у вихідному стані; – після іонного азотування.

Комплекс досліджень характеристик поверхневого шару серійних і зміцнених лопаток, текстури, структурно-фазових перетворень, характеристик втомленості й ударної міцності дозволив розробити технологічні рекомендації з застосування методів оздоблювально-зміцнюючої обробки й організаційно-технічні заходи щодо підвищення несучої здатності.

Річний економічний ефект від впровадження технології комплексної обробки лопаток компресора з титанових сплавів ВТ8М и ВТ8 в ВАТ “Мотор Січ” склав 230 тис. грн.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації отримано нове рішення наукової задачі підвищення ерозійної стійкості і забезпечення заданих параметрів витривалості й ударної міцності лопаток компресора з титанових сплавів, що полягає у формуванні сприятливих характеристик поверхневого шару іонно-плазменим азотуванням з наступним деформаційним зміцненням дифузійного шару кульками.

2. Установлено, що комплексна обробка (іонно-плазмене азотування + ПДЗ чи УЗЗ) за рахунок формування сприятливого сполучення характеристик поверхневого шару приводить до значного підвищення зносостійкості, параметрів витривалості без зниження ударної міцності. Границі витривалості лопаток з дифузійними покриттями з наступним зміцненням ПДУ збільшилися з 512, 5 МПа (серійні віброполіровані лопатки) до 537,5 МПа. При ударних випробуваннях бойком у переріз пера на відстані 30 мм від підошви замка жодна з лопаток, які оброблено різними зміцнюючими і комплексними методами, не зруйнувалася. Найбільший кут вигину після першого удару бойком у переріз на відстані 20 мм від підошви замка спостерігався в лопаток після ІПА з попереднім деформаційним зміцненням кульками.

3. Випробування на втомленість лопаток, які оброблено за серійною технологією, показали, що зародження тріщин від втомленості починається з кромок. Нейтралізація технологічних концентраторів напруг (рисок) шляхом глянцювання кромок приводить до підвищення -1(р=10 %) з 486 МПа (серійні лопатки) до 554 МПа, наступна обробка ПДЗ приводить до подальшого збільшення границі витривалості до 594 МПа.

4. Отримані математичні залежності для оцінки ударної міцності лопаток компресора, які зміцнено поверхневим пластичним деформуванням з урахуванням місцевих пластичних деформацій, підтвердили позитивний вплив залишкових стискуючих напруг і дозволяють розрахувати рівень згинаючих напруг, що допускається, у небезпечному перерізі і запас міцності при зіткненні зі стороннім тілом.

5. Проведені виміри граничних відхилень профілю пера від теоретичного профілю (по нормалі до профілю) при плавній зміні відхилень уздовж профілю пера убік зменшення товщини показали, що після комплексної обробки (ІПА + УЗЗ і ІПА + ПДЗ) усі лопатки знаходяться в межах допуску.

6. Виконано комплексні дослідження напружено-деформованого стану лопатки при коливаннях по першій формі вигину двома методами – методом кінцевих елементів і шляхом виміру деформацій тензодатчиками. Встановлено, що рівень максимальних напруг на вхідній кромці складає 95% від рівня напруг на спинці, що розташовано на відстані 28мм від підошви хвостовика і 11мм від вхідної кромки.

7. Впровадження технології зміцнення лопаток компресора з титанових сплавів у ВАТ “Мотор Січ” дозволило раціоналізувати режими, підвищити несучу здатність і забезпечити заданий ресурс двигунів ТВЗ-117 ВМА-СБМ1 і ТВЗ-117. Річний економічний ефект склав 230 тис. грн.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Богуслаев В.А., Бень В.П., Яценко В.К., Каплун В.Г., Рубель О.В. Восстановление несущей способ-ности лопаток компрессора технологическими методами./Нові матеріали і тех-нології в металургії та машинобудуванні, 2003. - №1. - С. 72-76.

2. Богуслаев В.А., Бень В.П., Пухальская Г.В. Технологические особенности от-делочно-упрочняющей обработки лопаток компрессора. /Сб. научн. трудов. Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып. 25. Донецк, 2003.-С. 28-33.

3. Бень В.П., Яценко В.К., Орлов М.Р., Каплун В.Г. Повышение несущей способ-ности лопаток компрессора. Сб. научн. работ Х межд. научно-техн. конферен-ции "Неметалеві вкрапления і гази у ливарних сплавах. Запоріжжя, 2003. -С. 43-46.

4. Бень В.П., Яценко В.К. Технологическое обеспечение несущей способности лопаток компрессора./ Збірник наук. праць IX Міжн. науково-техшчної конфе-ренції "Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів", Запорожье, 2003.-С. 57-59.

5. Богуслаев В.А, Яценко В.К., Бень В.П., Лоскутов С.В., Орлов М.Р., Степанова Л.П. Обеспе-чение несущей способности лопаток компрессора технологическими методами "Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні", 2002. - №2. -С. 14-19.

6. Богуслаев В.А., Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Бень В.П., Лоскутов С.В. Форми-рование характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора комплекс-ной обработкой // Вестник двигателестроения, 2003. - №1. - С. 41-46.

7. Богуслаев В.А., Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Каплун В.Г., Орлов М.Р., Бень В.П. Комплексное упрочнение лопаток компрессора / Вестник двигателестрое-ния, 2002. -№1. -С. 96-100.

8. Богуслаев В.А., Пухальская Г.В., Бень В.П. Формирование характеристик по-верхностного слоя лопаток компрессора // Сб. научн. трудов "Прогрессивные технологии и системы машиностроения". Вып. 20, Донецк, 2002. - С.42-46.

9. Пухальская Г.В., Бень В.П., Степанова Л.П. Формирование характеристик по-верхностного слоя лопаток компрессора // Тезисы докладов 2-й межд. научно-технич. конференции "Новые технологии, методы обработки и упрочнения де-талей энергетических установок", Запорожье-Алушта, 2002. -С.92-95.

10.Богуслаев В.А., Яценко В.К., Бень В.П., Орлов М.Р. Повышение выносливо-сти лопаток компрессора с диффузионными покрытиями //Сб. докладов 4-й Межд. конференции "Оборудование и технологии термической обработки ме-таллов и сплавов", Харьков, 2003.- С. 122-124.

11.Жуков В.Б., Бень В.П., Яценко В.К. Влияние деформационного упрочнения на ударную прочность лопаток компрессора // Технологические системы, 2003. -№1(17).-С. 36-41.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА В РОБОТИ, ЯКІ ОПУБЛІКОВАНО

ІЗ СПІВАВТОРАМИ

-

-

-

-

-

-

-

АННОТАЦИЯ

Бень В.П. Повышение несущей способности лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов комплексной финишной обработкой– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 – ”Технология производства летательных аппаратов”.

ОАО ”Украинский научно-исследовательский институт авиационной технологии”, Киев, 2004г.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи повышения несущей способности лопаток I-ой ступ. компрессора двиг. ТВ3-117ВМА-СБМ1 и ТВ3-117 из титановых сплавов ВТ8М и ВТ8, путем формирования рационального сочетания характеристик поверхностного слоя комплексной финишной обработкой.

Получено новое решение научной задачи повышения эрозионной стойкости и обеспечения заданных параметров выносливости и ударной прочности лопаток компрессора из титановых сплавов, которое заключается в формировании благоприятного сочетания параметров шероховатости, кристаллографической текстуры и остаточных напряжений, ионно-плазменным азотированием с последующим деформационным упрочнением диффузионного слоя шариками.

Впервые показано, что комплексная обработка (ИПА + ПДУ или УЗУ) не приводит к ухудшению параметров шероховатости поверхности пера лопаток, но увеличивает степень наклепа до 45%.

Исследования напряженно-деформационного состояния лопаток показали, что уровень максимальных напряжений на входной кромке, на которой в основном зарождаются усталостные трещины, составляет 95% от уровня напряжений на спинке.

Исследования остаточного напряженного состояния, механическим и рентгеноструктурным методами, после ПДУ, УЗУ, ИПА и комплексной обработки, показали, что деформационное упрочнение диффузионного покрытия приводит к формированию остаточных сжимающих напряжений до 370 МПа.

Установлено, что комплексная обработка уменьшает структурную неоднородность, выравниванию кристаллографической ориентации зерен, приводит к увеличению сопротивления усталости.

Получены математические зависимости для оценки ударной прочности лопаток компрессора, упрочненных поверхностным пластическим деформированием с учетом местных пластических деформаций, которые подтвердили положительное влияние остаточных сжимающих напряжений и позволяют рассчитать допускаемый уровень изгибающих напряжений в опасном сечении и запас прочности при соударении с инородным телом.

Проведены испытания на газо-абразивное изнашивание, результаты которых подтвердили, что ионно-плазменное азотирование значительно повышает эрозионную стойкость лопаток.

Системные исследования показали, что комплексная обработка за счет формирования благоприятного сочетания характеристик поверхностного слоя приводит к значительному повышению несущей способности лопаток компрессора из титановых сплавов.

Разработаны технологические рекомендации по выбору рациональных режимов ИПА+ПДУ, которые нашли применение в производстве лопаток на ОАО ”Мотор Сич”.

Ключевые слова: лопатка компрессора, титановый сплав, комплексная финишная обработка, сопротивление усталости, ударная прочность, предел выносливости, ионно-плазменное азотирование, пневмодробеструйное упрочнение, остаточные напряжения, текстура.

АНОТАЦІЯ

Бень В.П. Підвищення несучої здатності лопаток компресора ГТД з титанових сплавів комплексною фінішною обробкою. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.04 – ”Технологія виробництва літальних апаратів”.

ВАТ ”Український науково-дослідний інститут авіаційної технології”, Київ, 2004р.

Дисертацію присвячено рішенню актуальної науково-технічної задачі підвищення несучої здатності лопаток I-го ступ. компресора двиг. ТВ3-117 і ТВ3-117ВМА-СБМ1 з титанових сплавів ВТ8М и ВТ8, шляхом формування раціонального сполучення характеристик поверхневого шару комплексною фінішною обробкою.

Отримано нове рішення наукової задачі підвищення ерозійної стійкості і забезпечення заданих параметрів витривалості й ударної міцності лопаток компресора з титанових сплавів, що полягає у формуванні сприятливого сполучення параметрів шорсткості, кристалографічної текстури і залишкових напруг, іоно-плазменим азотуванням з наступним деформаційним зміцненням дифузійного шару кульками.

Виконано комплексні дослідження напружено-деформованого стану лопатки при коливаннях по першій формі вигину і залишкового напруженого стану поверхневого шару. Встановлено, що рівень максимальних напруг на вхідній кромці складає 95% від рівня напруг на спинці.

Отримано математичні залежності для оцінки ударної міцності лопаток компресора, зміцнених поверхневим пластичним деформуванням з