Повышение сопротивления усталости лопаток компрессора газотурбинных двигателей на основе улучшения поверхностного слоя тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Дубн и Алексей Иванович

ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ УЛУЧШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

01.02.06- Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

15 ЯНЗ 2015

Уфа - 2014

005557251

005557251

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" на кафедре технологии машиностроения и в открытом акционерном обществе "Уфимское моторостроительное производственное объединение".

Научный руководитель: Смыслов Анатолий Михайлович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет", профессор кафедры технологии машиностроения.

Петухов Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова", начальник сектора;

Хакимов Аким Гайфуллович, кандидат физико-математических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт механики имени P.P. Мавлютова" Уфимского научного центра Российской академии наук, ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет

(национальный исследовательский университет)".

Защита состоится б марта 2015 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)", по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://www.ssau.ru/resources/dis_protection/Dubin/ федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)".

Автореферат разослан декабря 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.215.02

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Скуратов Д.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Лопатки компрессора являются одними из наиболее массовых и ответственных деталей, работающих в условиях высоких знакопеременных нагрузок, температур, агрессивных сред и эрозии, определяя в большинстве случаев ресурс и надёжность газотурбинных двигателей (ГТД) как воздушного, так и наземного применения.

Учитывая, что в условиях длительной эксплуатации их разрушения, как правило, начинаются либо с поверхности, либо в тонком поверхностном слое, который формируется на окончательных этапах обработки, представляют особый интерес методы, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства. Важнейшей характеристикой лопаток компрессора является сопротивление усталости, которое зависит от процессов имеющих место на их профильной части. Известно, что большое влияние на выносливость лопаток оказывают остаточные напряжения в их приповерхностном слое и во всём объёме. Традиционные отделочно-упрочняющие методы, как правило, исчерпали свои возможности по повышению их выносливости и циклической долговечности.

Вместе с тем по опыту многих предприятий, в том числе ОАО «Уральский завод гражданской авиации» (ОАО «УЗГА», г. Екатеринбург), ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» (ОАО УМПО, г. Уфа), НПП «Уралавиаспецтехнология» (НПП УАСТ, г. Уфа) и др., в настоящее время большой интерес в производстве лопаток представляют технологии, включающие ионную имплантацию (ИИ) с последующим нанесением многослойных вакуумно-плазменных защитных покрытий - комплексная вакуумная ионно-плазменная обработка (КВИПО), способствующая как повышению сопротивления усталости, так и решению задач защиты от коррозии и эрозии.

Степень разработанности темы

Известно, что в процессе наработки изменяется физико-химическое и структурно-фазовое состояние приповерхностного слоя и, как следствие, эксплуатационные свойства материала в целом. Эти изменения совместно с процессами эрозии и коррозии поверхности в большинстве случаев являются причиной развития усталостных повреждений. Изменение эксплуатационных характеристик лопаток компрессора, имеющих большие эксплуатационные ресурсы в зависимости от состояния приповерхностного слоя, определяемого технологией окончательной обработки, в настоящее время ещё не исследовано.

Таким образом, повышение сопротивления усталости и долговечности эксплуатации рабочих лопаток компрессора из титановых сплавов путём использования КВИПО в их производстве и ремонте является актуальной задачей современного авиационного двигателестроения.

Актуальность темы диссертации подтверждается также тем, что ее базовую основу составляют исследования, выполненные автором в рамках договора между ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) и ОАО «УМПО» (тема №АТ-ТМ-13-05, 2005 г.), а также по тематическому перечню целевого гранта ОАО «УМПО» - УГАТУ в 2008 г. «Проведение целевых работ по решению научно-практических и производственных задач при создании двигателя 5-го поколения и внедрении нанотехнологий».

Цель исследования состоит в повышении сопротивления усталости и циклической долговечности рабочих лопаток компрессора из титановых сплавов за счёт применения комплексной вакуумной ионно-плазменной обработки в их производстве и ремонте.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Исследование сопротивления усталости и циклической долговечности лопаток компрессора из титановых сплавов на этапах производства и эксплуатации с учётом изменения их физико-химического и структурно-фазового состояния после КВИПО.

2. Установление корреляционной зависимости изменения предела выносливости от остаточных напряжений во всём объёме и в приповерхностном слое лопаток, в том числе при их предельных наработках.

3. Исследование влияния стабильности остаточных напряжений во всём объёме и в приповерхностном слое лопаток после заданной эксплуатационной наработки на их сопротивление усталости.

4. Разработка методик и оборудования по оценке и диагностике состояния лопаток компрессора при их производстве и после эксплуатационной наработки.

5. Разработка рекомендаций по ремонту лопаток компрессора с использованием КВИПО поверхности для повышения их сопротивления усталости и циклической долговечности.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые получены следующие результаты:

1. Выявлены корреляционные зависимости изменения предела выносливости от остаточных напряжений во всём объёме и в приповерхностном слое рабочих лопаток компрессора из сплава ВТб с использованием специально созданной установки (патент на полезную модель № 71430, опубл. 10.03.08 г., бюл. № 7). Это положено в основу процесса испытаний лопаток компрессора ГТД с целью их диагностики.

2. Установлено, что КВИПО лопаток компрессора из титановых сплавов приводит к повышению сопротивления их усталости при асимметричных циклах нагружения по сравнению с серийной обработкой вследствие формирования более стабильного напряжённо-деформированного состояния в приповерхностном слое (преимущественно с напряжениями сжатия) и способствует повышению сопротивления их усталости при симметричном цикле нагружения (изгибе).

3. Установлено, что в процессе длительной эксплуатации лопаток компрессора из титановых сплавов КВИПО обеспечивает по сравнению с их серийной обработкой большую релаксационную стойкость и меньшее рассеяние характеристик приповерхностного слоя вследствие наличия в нём более стабильного состояния (преимущественно с напряжениями сжатия), что способствует повышению их сопротивления усталости и долговечности.

4. Разработан способ проведения испытаний на усталость металлических образцов при асимметричных циклах нагружения (патент на изобретение № Яи 2443993, опубл. 27.02.12, бюл. № 6).

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в том, что получены корреляционные зависимости изменения предела выносливости от остаточных напряжений во всём объёме и в приповерхностном слое рабочих лопаток компрессора, позволяющие изучать сопротивление их усталости. Практическая значимость работы состоит в том, что:

- предложена методика ускоренного получения предельного состояния лопаток на основе имитации эксплуатационных воздействий, приводящих к изменению физико-химических свойств и напряжённо-деформированного состояния

приповерхностного слоя;

- обосновано применение упрочняющей обработки поверхности лопаток компрессора ГТД методом КВИПО для повышения сопротивления их многоцикловой усталости;

- предложен подход по диагностике лопаток компрессора, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, на основании которого разработаны методика и установка для контроля частот собственных колебаний (ЧСК) (свидетельство на полезную модель № 108607, опубл. 20.09.11 г., бюл. № 26). Практическая реализация результатов работы

1. Результаты работы внедрены в ОАО «УМПО» и НПП «УАСТ» в виде рекомендаций для действующих и перспективных процессов изготовления и испытания лопаток компрессора ГТД.

2. Разработаны специальные установки для проведения исследований остаточных напряжений в приповерхностном слое и контроля ЧСК, которые внедрены в ОАО «УМПО» и используются в производстве лопаток компрессора.

3. Материалы диссертации используются в учебном процессе УГАТУ при курсовом и дипломном проектировании.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Закономерности изменения химического и структурно-фазового состояния, остаточных напряжений во всём объёме и в приповерхностном слое рабочих лопаток из титановых сплавов на стадии их изготовления и в процессе длительной эксплуатации.

2. Результаты сравнительного исследования релаксационной стойкости лопаток, изготовленных по серийной технологии и с использованием технологии КВИПО.

3. Расчётно-экспериментальные методы оценки и результаты исследования изменения предела выносливости и долговечности лопаток, в том числе с учётом асимметрии цикла нагружения в зависимости от свойств приповерхностного слоя.

4. Рекомендации, методики и оборудование для диагностики лопаток компрессора при предельных состояниях по долговечности путём оценки остаточных напряжений во всём объёме методом полного освобождения и в приповерхностном слое, а также для определения ЧСК.

5. Результаты исследования влияния остаточных напряжений в приповерхностном слое на сопротивление усталости лопаток компрессора с КВИПО их поверхности при изгибе с учётом асимметрии цикла.

Методология и методы исследования

Работа выполнена на основе классических методов теории упругости, пластичности, механики деформируемого твёрдого тела. Степень достоверности полученных результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов, научных положений и выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, использованием научно-обоснованных расчётных схем, применением апробированных аналитических и численных методов анализа и расчёта, проведением их на современной вычислительной технике, достаточным количеством опытов, дающим статистически значимые результаты. Результаты работы согласуются с основными зависимостями, полученными ранее в ряде опубликованных работ.

Апробация работы

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на 10 научно-технических конференциях, в том числе международных и всероссийских, а также семинарах, проводимых в ЦИАМ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, УГАТУ, РГАТА, ХАИ, ОАО «УМПО», АО «Мотор Сич» и др. в 2005 - 2014 гг.

Публикации

По теме'диссертации опубликовано 20 научных работ суммарным объёмом 53 страницы, в том числе 5 статей опубликовано в изданиях, определённых в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданиях ВАК. Кроме того, получены 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.

Личный вклад соискателя

Диссертация написана по результатам исследований, выполнявшихся в УГАТУ и ОАО «УМПО» в период с 2004 по 2014 гг. непосредственно автором. Доля автора в исследованиях составляет от 60 до 90 %. Доля автора диссертации в статьях в соавторстве составляет от 35 до 75 %.

Структура н объём диссертации

Диссертация изложена на 193 страницах, содержит 91 рисунок, 31 таблицу, состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 178 наименований, приложений на 12 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы исследования, изложены степень её разработанности, цель и задачи исследования, научная новизна, дана характеристика теоретической и практической значимости работы, описаны методы исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору современных представлений о проблемах обеспечения необходимого уровня сопротивления усталости материалов применительно к лопаткам компрессора ГТД из титановых сплавов, вопросам формирования напряжений в их приповерхностном слое, обзору наиболее перспективных методов защиты титановых лопаток от эксплуатационных воздействий, а также применяемых на предприятии экспериментальных методик и оборудования.

Проведённый анализ эксплуатационных дефектов, возникающих в лопатках компрессора ГТД, показал, что в большинстве случаев их разрушения начинаются либо с поверхности, либо в тонком приповерхностном слое и носят усталостный характер, связанный с появлением надиров, углублений, царапин, обусловленных эрозионным происхождением.

В связи с этим важным направлением повышения долговечности и надёжности работы лопаток является формирование их приповерхностного слоя, соответствующего условиям эксплуатации. Значительный вклад в разработку фундаментальных положений теории формирования приповерхностного слоя внесли работы В.Ф. Безъязычного, И.А. Биргера, H.H. Давиденкова, С.И. Иванова, С.Т. Кишкина, Б.А. Кравченко, B.C. Мухина, И.А. Одинга, В.Ф. Павлова, A.B. Подзея, A.M. Сулимы, А.Г. Суслова и других. Показано, что основными показателями качества приповерхностного слоя являются глубина и степень деформационного упрочнения, шероховатость, а также технологические остаточные напряжения. Данные параметры в основном используют при оценке влияния различных методов технологической обработки на прочностные характеристики деталей.

Проведённый обзор научной литературы показал, что в большинстве случаев традиционные методы отделочно-упрочняющей обработки применительно к новым конструктивным исполнениям лопаток исчерпали свои возможности по обеспечению качества поверхности и эксплуатационных свойств.

Одним из наиболее эффективных и современных методов обработки приповерхностного слоя, позволяющим повысить предел усталостной выносливости и циклическую долговечность является ионное модифицирование (имплантация). Большой вклад в развитие этой области внесли работы М.И. Гусевой, H.H. Коваля, Ю.Р. Колобова, Ф.Ф. Комарова, H.A. Ночовной, В.В. Овчинникова, Дж. Поута, А.И. Рябчикова, A.M. Смыслова, Ю.П. Шаркеева, В.А. Шулова, Дж.Хирвонена и других.

К числу наиболее перспективных методов защиты титановых лопаток от эксплуатационных воздействий можно отнести КВИПО, которая включает в себя последовательное проведение процессов ионной очистки, ионного модифицирования приповерхностного слоя и нанесение вакуумного ионно-плазменного многослойного покрытия в едином цикле (работы В.А. Барвинка, С.Н. Григорьева, С.А. Мубояджана и др.). Вместе с тем применительно к лопаткам компрессора ГТД из титановых сплавов ВТ6, ВТ18У, не в полной мере изучены их элементный и структурно-фазовый состав, шероховатость, микротвёрдость, остаточные напряжения (в частности, в местах возникновения усталостных трещин) при КВИПО в сравнении с серийным вариантом обработки на стадии изготовления, а также после их длительной эксплуатационной наработки.

Проведённый анализ показал, что методики и оборудование для определения остаточных напряжений и контроля ЧСК требуют их дальнейшего совершенствования в части повышения точности, производительности, качества и информативности измерений, что, как следствие, будет способствовать повышению объективности контроля.

На основании проведённого анализа проблемы, возможных вариантов её решения, существующего уровня разработок в соответствующих областях, сформулированы задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы получения комплексных вакуумных ионно-плазменных покрытий и представлены методики проведения

экспериментальных исследований.

Исходя из проведённого анализа разрушений, показано, что в подавляющем большинстве случаев усталостные трещины были ориентированы перпендикулярно продольной оси лопатки, поэтому определялись остаточные напряжения во всём объёме, действующие вдоль ее оси Z. При этом тензорезисторы располагались в области сопряжения пера лопатки с замком со стороны спинки.

Для сравнительного определения величины остаточных напряжений во всём объёме применена специальная методика, основанная на методе полного освобождения, заключающегося в вырезке электроэрозионным способом из лопатки образцов и измерении с помощью тензорезисторов параметров деформаций, возникающих в результате вырезки.

Для исследования остаточных напряжений в приповерхностном слое из лопаток электроэрозионным способом вырезались образцы из различных мест: образец 1-го типа - из профильной части пера лопатки; образец 2-го типа - из кромки пера; образец 3-го типа - из переходной части пера в полку хвостовика.

С целью моделирования эксплуатационных воздействий на объект испытаний в результате проведенных экспериментов был подобран режим термоэкспозиции (при температурах 450, 500 °С) и вибрационного нагружения (при динамическом

напряжении 392 МПа на базе 2-Ю6 циклов нагружения), включающий в себя п последовательных повторений.

Для сравнительной оценки релаксации остаточных напряжений по соответствующим вариантам технологий применялся безразмерный параметр -отношение напряжений: А<7

Дет,

где Д<7С - изменение напряжения в лопатке, изготовленной по серийной технологии; Д(7>- изменение напряжения в лопатке, изготовленной по технологии с применением КВИПО поверхности.

КВИПО образцов производили на установке УВН-1БС с источником газовой плазмы с накальным катодом ПИНК и аксиально-симметричными электродуговыми испарителями, при этом наносили многослойное защитное покрытие толщиной h = 12... 16 мкм системы (Ti-Ti2N-TiN)n, где п - число слоев. Режим обработки включал в себя: ионную очистку Ar; ионное модифицирование N; ионную очистку Ti; последовательное нанесение покрытия (Ti, Ti2N, TiN ) n - раз.

Для обоснования применимости КВИПО к упрочнению поверхности вновь изготовленных лопаток, а также с эксплуатационной наработкой, необходимо определить особенности её воздействия на их материал.

Известно, что при КВИПО возможно изменение сопротивления усталости лопаток как в результате ионного модифицирования, так и при последующем нанесении покрытия. Результирующее влияние обработки на сопротивление усталости зависит как от толщины покрытия, режимов подготовки приповерхностного слоя лопаток, режимов нанесения покрытия, так и его внутренней структуры, а также от степени упрочнения поверхностного слоя. На основании анализа механизмов протекания процессов ионно-плазменной обработки выдвинута следующая гипотеза: КВИПО оказывает благоприятное влияние на сопротивление усталости и на релаксационную стойкость остаточных напряжений в процессе эксплуатации лопаток, что объясняется иной природой их возникновения в сравнении с методами поверхностно-пластического деформирования. Различия в кристаллических решётках материалов основы, имплантированного вещества и покрытия, а также иная природа релаксации - движение дислокаций тормозится границами слоев и структуры, а диффузия в имплантированном материале и релаксация происходит с пониженными скоростями, приводит к переходу остаточных напряжений на другой, более высокий уровень. Если эти предположения верны, то КВИПО является допустимой и целесообразной обработкой при изготовлении лопаток компрессора ГТД.

Исходя из условий эксплуатации и для обеспечения заданных конструктивных параметров лопаток компрессора необходимо исследовать влияние КВИПО на изменение их ЧСК. Кроме того, для проведения испытаний на усталость натурных лопаток РКНД также необходимо определить диапазон резонансных частот при условии возбуждения по первой изгибной форме колебаний.

Третья глава посвящена комплексным экспериментальным исследованиям влияния КВИПО лопаток компрессора ГТД на их сопротивление усталости, ЧСК, релаксацию остаточных напряжений во всём их объёме и в приповерхностном слое. Представлены результаты моделирования полей деформаций и др. параметров в 3D расчётных конечно-элементных моделях, созданных в программном комплексе ANS YS 10.0.

Установлено, что в процессе длительной эксплуатации лопаток приповерхностный слой претерпевает существенные изменения, о чём можно судить, в частности, по изменению микротвёрдости. При этом разупрочнение в варианте КВИПО происходит в меньшей степени по сравнению с серийным вариантом обработки.

Микроструктура титанового сплава ВТ6 после длительной эксплуатации отличается лучшей однородностью по сравнению с микроструктурой сплава без наработки, что объясняется воздействием эксплуатационной температуры и знакопеременных нагрузок.

Рентгеноструктурный анализ сплава ВТ6 с КВИПО показал, что при действии эксплуатационных температур и нагрузок кристаллическая структура его приповерхностного слоя претерпевает изменения. При этом не происходит образования метастабильных фаз, отмечается наличие стабильных а- и Р-фаз титана и в основном материале процессов окисления не наблюдается.

Проведённые механические испытания образцов сплава ВТ6 на одноосное статическое растяжение по варианту КВИПО показали: незначительное снижение предела прочности - на 1 %, повышение относительного удлинения - на 7 % и ударной вязкости - на 8 % , уменьшение относительного сужения - на 4 % по сравнению с образцами серийного варианта технологии. Исследованием характеристик динамического и статического изгиба установлено отсутствие охрупченного слоя после КВИПО.

Распределение остаточных напряжений во всём объёме лопаток компрессора, изготовленных по двум ранее указанным вариантам, определяли по специально разработанной методике. Сравнительные результаты показаны на рисунке 1.

серийная технология без наработки

КВИПО без наработки

- 0, МП а

+ с, МП а

серийная технология •4- наработка

КВИПО наработка

Рисунок 1 - Изменение остаточных напряжений во всём объёме в лопатках 2 ст. РКНД из сплава ВТ6

Как следует из рисунка 1, в результате наработки под воздействием сочетания высоких температур и знакопеременных нагрузок у лопаток, обработанных по серийной технологии, происходит смещение диапазона остаточных напряжений сжатия во всём объёме на 45 МПа в направлении к области растягивающих напряжений, а также повышение напряжений растяжения на 22 МПа, что является признаком разупрочнения. В отличие от этого КВИПО обеспечивает большую стабильность напряжённого состояния в диапазоне -29 ...+27 МПа. Поле рассеяния значений напряжений для состояния без эксплуатационной наработки и после неё для КВИПО, соответственно, в 3,5 и 2,3 раза меньше, чем для серийного варианта технологии.

Сравнительные исследования остаточных приповерхностных напряжений выполняли по усовершенствованной методике на основе метода акад. H.H. Давиденкова с применением специальной установки.

а, МПа

сг, МПа

а б

Рисунок 2 - Остаточные напряжения в приповерхностном слое лопаток компрессора из титанового сплава ВТ6 по вариантам: а- без наработки, б - после наработки т = 25 тыс. ч; 1 - серийная технология; 2 - КВИПО

Полученные результаты (рисунок 2) показывают, что у образцов, изготовленных по серийной технологии, для состояний без эксплуатационной наработки и при наличии её эпюры остаточных приповерхностных напряжений имеют подобную форму с максимальными значениями напряжений равными, соответственно, - 497 МПа и -165 МПа со стороны исходной поверхности на глубине 2 мкм.

В образцах, изготовленных по технологии КВИПО для аналогичных состояний уровень остаточных приповерхностных напряжений сжатия, соответственно, в 2,4 и в 1,9 раза больше по сравнению с серийным вариантом. При этом поле рассеяния

значений напряжений для состояния без эксплуатационной наработки и после неё для варианта КВИПО, соответственно, в 1,8 и 1,6 раза меньше, чем для серийного варианта технологии. Это свидетельствует о большей стабильности напряжённого состояния и большей релаксационной стойкости технологии КВИПО. При этом уменьшилась гаубина

приповерхностного слоя, на которой напряжения меняют знак. Для варианта КВИПО она составляет 35...40 мкм, а для серийного варианта - 40.. .50 мкм.

Сравнительная оценка

распределения ЧСК лопаток компрессора по первой изгибной (основной) форме до и после нанесения покрытия проводилась с

использованием специальной лазерной измерительной системы. При этом

частота. Т>1 Рисунок 3 - Распределение ЧСК лопаток 2 ступени ротора КНД по первой изгибной форме: 1 - серийная технология; 2 - КВИПО

обработку полученных результатов осуществляли в разработанной компьютерной программе.

Как следует из рисунка 3 ЧСК лопаток компрессора, изготовленных по серийной технологии, находятся в диапазоне 174... 188 Гц (среднее арифметическое значение 180 Гц), а после КВИПО - 170... 188 Гц (среднее арифметическое значение 178 Гц). Установлено слабое смещение диапазона частот в левую область, которое объясняется тем, что в процессе КВИПО происходит формирование более стабильного состояния приповерхностного слоя с наличием преимущественно напряжений сжатия. Полученные экспериментальные результаты ЧСК, оказались близкими со значениями, теоретически рассчитанными в программном комплексе ANSYS 10.0.

Результаты сравнительной оценки выносливости (рисунок 4) показывают, что пределы выносливости лопаток, обработанных по серийной технологии и технологии КВИПО, без наработки, составляют, соответственно, 400 МПа и 440 МПа. После эксплуатации (т = 25 тыс. ч) в составе полноразмерного изделия наблюдается снижение пределов выносливости по обоим вариантам до значений, соответственно, равных 380 МПа и 420 МПа.

Рисунок 4 - Кривые усталости лопаток 2 ст. РКНД из титанового сплава: а - без наработки; б - с наработкой т = 25 тыс. ч;

1,3 - серийная технология; 2,4 - КВИПО

Таким образом, предел выносливости лопаток по технологии КВИПО без наработки и после эксплуатационной наработки т = 25 тыс. ч выше предела выносливости лопаток серийного варианта, соответственно, на 10 % и 11 % за счёт большей стабильности напряжённого состояния и большей релаксационной стойкости. Циклическая долговечность у варианта КВИПО на 10 % больше, чем у лопаток без КВИПО. При этом рассеяние по долговечности для кривых усталости сплава ВТ6 после КВИПО в 1,5... 1,8 раза меньше по сравнению с серийной технологией.

Кроме того, установлено, что для технологии КВИПО кривая (2) имеет меньший наклон - показатель кривой усталости ш0 = 10,4, для серийного варианта кривая (1) шс= 5,6, что отражает характеристику живучести. После эксплуатационной наработки ш0= 13,1, для серийного варианта - шс = 7,4.

Качественно аналогичные результаты были получены на лопатках направляющего аппарата и рабочих лопатках РКВД из материалов ВТЗ-1 и ВТ18У.

Установлено, что за счёт формирования более стабильного напряжённого состояния приповерхностного слоя с преобладанием напряжений сжатия КВИПО приводит к повышению сопротивления усталости как образцов, так и лопаток компрессора при их изгибе с асимметрией цикла по сравнению с серийным вариантом технологии.

В изломах лопаток по обоим сравниваемым вариантам наблюдаются выраженные притёртости, свидетельствующие об усталостном характере развития трещин. Очаги изломов лопаток, изготовленных по серийной технологии, лежат на поверхности, в то время как для КВИПО характерно наличие подповерхностных очагов зарождения усталостных трещин глубиной залегания 3...5 мкм от границы «основной материал - покрытие». Фрактографические исследования разрушений лопаток с концентратором напряжений показали, что при подходе трещины к покрытию образования в нём новых трещин не происходит, фронт развития магистральной трещины не меняется, покрытие не охрупчивается.

При этом наблюдается корреляционная зависимость между изменением уровня выносливости, остаточных напряжений в приповерхностном слое (коэффициент корреляции Пирсона Я = - 0,753) и во всём объёме (И= - 0,715) лопаток. Аналитический вид зависимостей изменения предела выносливости (у) от остаточных напряжений в приповерхностном слое (х0 и во всём объёме (х2). описывается, соответственно, уравнениями:

у = -0,0191х, +420,43, у = -0,0799х2 + 432,12.

Сравнительные испытания на эрозионный износ показали значительное (в среднем, более чем в 2,9 раза) повышение стойкости образцов из сплава ВТ6 с КВИПО по сравнению с образцами без покрытий. Это объясняется тем, что величина эрозионного износа обратно пропорциональна приведённой твёрдости материала покрытия, значение которой в = 5,6 раза выше, чем у основного материала.

Длительная эксплуатация лопаток (наработка т = 25 тыс. ч) при действии окислительных процессов приводит к релаксации свойств поверхности, разупрочнению, изменению химического и структурно-фазового состава. Вместе с тем у лопаток, обработанных по технологии КВИПО, наблюдается повышенная стабильность физико-химического состояния приповерхностного слоя по сравнению с серийным вариантом, что в конечном итоге обеспечивает более высокие значения их пределов выносливости и, как следствие, эксплуатационную надежность.

Таким образом, полученные результаты экспериментальных исследований позволили подтвердить выдвинутую гипотезу, обосновать целесообразность применения КВИПО при производстве лопаток компрессора ГТД. обеспечивая их качество и долговечность.

В четвёртой главе изложены основные подходы к формированию технологического процесса восстановления свойств приповерхностного слоя пера лопаток на основании проведённых в третьей главе исследований. Приведены рекомендации по практической реализации КВИПО. Также рассмотрены вопросы ремонта и диагностики лопаток компрессора.

Показана возможность увеличения ресурса ГТД и газоперекачивающих аппаратов на их основе, в частности, за счёт повышения предела выносливости и циклической долговечности лопаток компрессора из титановых сплавов (рисунок 5),

а.

460

440 420 400

380 360

Рисунок 5 - Прогнозируемый (показано пунктиром) предел выносливости лопаток 2 ст. РКНД из сплава ВТ6: 1-серийная технология; 2- КВИПО

а также снижения стоимости их ремонта за счёт использования КВИПО приповерхностного слоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью исследований в диссертационной работе решена задача повышения сопротивления усталости и долговечности эксплуатации рабочих лопаток компрессора газотурбинных двигателей из титановых сплавов и получены следующие результаты:

1. Установлено, что КВИПО приповерхностного слоя пера лопаток из титанового сплава ВТ6, включающая в себя ионную модификацию приповерхностного слоя азотом в сочетании с последующим многослойным вакуумно-плазменным защитным покрытием системы (Ti-Ti2N-TiN)-n, где п - число слоёв, толщиной h = 12... 16 мкм, повышает предел выносливости (на 10 %) и обеспечивает меньшее его снижение при эксплуатации, определяет большую циклическую долговечность (в 1,5 ...1,6 раза) и меньшее (в 1,5... 1,8 раза) её рассеяние, повышает их эрозионную стойкость, в среднем, в 2,9 раза, блокирует процессы окисления основного материала. Кроме того, КВИПО приводит к повышению сопротивления усталости при изгибе с асимметрией цикла по сравнению с лопатками, изготовленными по серийной технологии.

2. Выявлены корреляционные зависимости предела выносливости лопаток компрессора от изменения остаточных приповерхностных напряжений в их прикомлевой, кромочной и профильной частях (коэффициент корреляции Пирсона R = - 0,753), от напряжений во всём объёме (R = - 0. 715) на стадии их изготовления и эксплуатации. Полученные уравнения свидетельствуют о наличии сильной функциональной связи между рассматриваемыми параметрами и носят обратный характер.

3. Установлено, что в результате КВИПО лопаток компрессора формируется стабильное во времени напряжённое состояние приповерхностного слоя, обеспечивающее большую релаксационную стойкость с меньшим рассеянием значений остаточных напряжений как во всём объёме (в 2,3...3,5 раза), так и в их приповерхностном слое (в 1,6. ..1,8 раза) по сравнению с лопатками, изготовленными по серийной технологии.

4. Разработаны и внедрены в ОАО «УМПО» методики и установки для диагностики лопаток на основе контроля их частот собственных колебаний (патент на полезную модель № 108607), проведения исследований величины и характера остаточных напряжений в приповерхностном слое пера (патент на полезную модель № 71430), а также для испытаний на усталость при асимметричных циклах нагружения (патент на изобретение № RU 2443993).

5. Разработаны рекомендации по ремонту и восстановлению свойств приповерхностного слоя пера лопаток компрессора с использованием КВИПО для повышения их сопротивления усталости и циклической долговечности.

Результаты, полученные в работе, используются в ОАО «УМПО», а также в УГАТУ при курсовом и дипломном проектировании.

Результаты работ могут быть рекомендованы для повышения сопротивления усталости и циклической долговечности лопаток компрессора газотурбинных двигателей.

Таким образом, поставленная цель исследования достигнута.

Публикации в изданиях перечня ВАК

1. Смыслов, A.M. Определение остаточных поверхностных напряжений в деталях ГТД с использованием лазерного интерферометра [Текст] / A.M. Смыслов, С.П. Пав-линич, А.И. Дубин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - №11. - С. 47 -49.

2. Дубин, А.И. Автоматизация контроля остаточных поверхностных напряжений в лопатках ГТД [Текст] / А.И. Дубин, В.Р. Тагиров // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева. -2007. - № 1 (II).-С. 42-44.

3. Дубин, А.И. Оптимизация технологических режимов обработки высокоскоростным фрезерованием лопаток компрессора ГТД [Текст] / А.И. Дубин, О.В. Валеева // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева. - 2007. -№1 (11). - С. 73 - 74.

4. Смыслов, A.M. К вопросу о релаксационной стойкости лопаток компрессора из титановых сплавов [Текст] / A.M. Смыслов, М.К. Смыслова, А.И. Дубин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева. - 2011. - № 3 (27). - Ч. 2. - С. 227 - 232.

5. Дубин, А.И. О взаимосвязи релаксационной стойкости лопаток компрессора из титановых сплавов с параметрами сопротивления усталости [Текст] / A.M. Смыслов, М.К. Смыслова, А.И. Дубин // Вестник УГАТУ. - 2012. - Т.16. - № 1 (46). -С. 24 - 29.

Свидетельства и патенты

6. Установка для определения остаточных поверхностных напряжений / Смыслов A.M., Коробейников Н.И., Дубин А.И. и др. Свидетельство на полезную модель №

71430 Российская Федерация, МПК G 01 L 1/06 (2006.01) - № 2007140613; заявл. 22.10.07; опубл. 10.03.08, Бюл. № 7.

7. Установка для определения частот собственных колебаний лопаток турбины / Дубнн А.И., Комаров A.B. Свидетельство на полезную модель № 108607 Российская Федерация, заявка№ 2011105440; заявл. 14.02.11; опубл. 20.09.11, Бюл. № 26.

8. Способ усталостных испытаний металлических образцов / Смыслов А.М., Смыслова М.К., Бердин В.К., Дубин A.II. и др. Патент на изобретение per. № RU 2443993 С 1 Российская Федерация, заявка № 2010144941/28(064780); заявл. 02.11.10; опубл. 27.02.12, Бюл. № 6.

Публикации в других изданиях, включая труды всероссийских и международных НТК

9. Дубин, А.И. Повышение эксплуатационных свойств лопаток компрессора ГТД [Текст] / А.М. Смыслов, Н.И. Коробейников, А.И. Дубин // Материалы Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей» 27 - 30 сентября 2005г. - Москва: ЦИАМ, 2005. - С. 245 - 246.

10. Дубин, А.И. Частотная отстройка резонансных колебаний лопаток 2 ст. РКНД ГТД от высокочастотного разрушения [Текст] / А.И. Дубин // Материалы Второй научно-технической конференции молодых специалистов, посвященной годовщине образования объединения ОАО «УМПО», июль 2006 г. - Уфа: УМПО, 2006. - С. 18 -22.

11. Дубин, А.И. О влиянии высокоскоростной фрезерной обработки на прочностные характеристики лопаток компрессора [Текст] / А.И. Дубнн // Материалы Второй научно-технической конференции молодых специалистов, посвященной годовщине образования объединения ОАО «УМПО», июль 2006 г. - Уфа: УМПО, 2006.-С. 14-18.

12. Дубин, А.И. Об определении остаточных поверхностных напряжений в деталях ГТД [Текст] / А.И. Дубин // Материалы третьей Всероссийской научно-технической конференции среди молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной 82-й годовщине образования объединения, июль 2007 г. - Уфа: УМПО, 2007. - С. 37 - 38.

13. Дубин, А.И. Исследование взаимосвязей технологических режимов обработки высокоскоростного фрезерования лопаток ГТД с параметрами их поверхностного слоя [Текст] / А.И. Дубин // Материалы третьей Всероссийской научно-технической конференции среди молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной 82-й годовщине образования объединения, июль 2007 г. - Уфа: УМПО, 2007. - С. 79 - 80.

14. Дубин, А.И. Методы повышения эксплуатационной надёжности и ресурса деталей ГТД типа рабочих лопаток компрессора исследованием релаксационных характеристик по наработке [Текст] / А.И. Дубнн // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции среди молодых специалистов, посвященной 83-й годовщине образования ОАО «УМПО», июль 2008 г. - Уфа: УГАТУ, 2008. - С. 101.

15. Ду бин, А.И. Исследование релаксационных процессов в лопатках компрессора ГТД в обеспечение повышения их эксплуатационной надёжности и ресурса [Текст] / А.И. Дубин // Мавлютовские чтения: материалы Всероссийской молодёжной научной конференции: сб. тр. В 5 т. Том 2, 28 - 29 октября 2008 г. / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа : УГАТУ, 2008. - С. 99.

16. Дубнн, А.И. Оценка и численное моделирование остаточных напряжений в модифицированном поверхностном слое лопаток компрессора ГТД [Текст] / А.И. Дубин // Мавлютовские чтения: материалы Всероссийской молодёжной научной

конференции: сб. тр. В 5 т. Том 2, 27 - 28 октября 2009 г. / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа : УГАТУ, 2009. - С. 164 - 165.

17. Дубин, А.И. Применение лазерной техники для испытаний на усталость лопаток компрессора ГТД [Текст] / А.И. Дубин, В.Б. Игнатьев // Материалы Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» 5-8 октября 2010 г. - Москва: ЦИАМ, 2010. - С. 278 - 279.

18. Дубин, А.И. О релаксационной стойкости лопаток компрессора [Текст] / А.И. Ду бин // Вестник двигателестроения, №2. - Запорожье: АО «Мотор Сич», 2011. -С. 218-222.

19. Дубин, А.И. Изучение сопротивления усталости деталей ГТД с использованием технологии виртуальных приборов Lab View [Текст] / А.И. Дубин // в сб. тр. Всерос. конф. молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России» 26 - 29 сентября 2012 г. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - С. 131 - 132.

20. Дубин, А.И. Исследование остаточных объёмных напряжений в лопатках компрессора ГТД [Текст] / A.M. Смыслов, М.К. Смыслова, A.II. Дубин // Авиационная и космическая техника и технология: научно-технический журнал НАУ им. Н.Е. Жуковского Харьк. авиац. инст-та. ХАИ - Харьков: РИК ХАИ, 2013. -№9 (106).-С. 155- 158.

Подписано в печать 23.12.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета 450000, Уфа, ул. Карла Маркса, 12, ООО «РябинаСервис»