автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Конструирование металлических композиционных материалов для лопаток компрессора ГТД и разработка технологии их изготовления

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. N2 /3

Преснухин Владимир Александрович

Конструирование металлических композиционных материалов для лопаток компрессора ГТД и разработка технологии их изготовления

Специальность 05.02.01 - «Материаловедение в машиностроении»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара, 2000

Работа выполнена в ОАО "Поволжский научно-исследовательский институт материалов и технологии авиационных двигателей" (АО НИИМТД).

Научный руководитель: Генеральный директор НИИМТД, кандидат технических наук Кшнякин А.М.

1. Козий С.И. - д.т,н., профессор Самарского государственного аэрокосмического университета.

2. Постнов В.В. - к.т.н., старший научный сотрудник Ульяновского технологического научно-исследовательского отделения-90 Всероссийского НИИ авиационных материалов.

,,, ., ... Ведшая; организация: ГНПП «Мотор», г.Уфа.

Защита диссертации состоится «3/» л 2000г. в /£ часов на заседании диссертационного совета К.063.16.06 в Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская,

Официальные оппоненты:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

} - -

/

Автореферат разослан «¿¿xr-X^ta^OOOr.

Ученый секретарь диссертационного совета

Введение

Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений повышения тактико-технических характеристик газотурбинных двигателей (ГТД) является использование композиционных материалов (КМ), обладающих высокими прочностью и жесткостью при малой плотности и исключительной демпфирующей способностью; Большинство исследований направлено на создание композиционных высоконагруженных лопаток' ком- -' прессора, применение которых повышает надежность двигателя и существенно снижает его массу. .,

.Работы в этом направлении были начаты в 60-х годах. Для изготовления лопаток на первом этапе использовали полимерные композиционные материалы (ПКМ)- Наибольших успехов добились фирмы Роллс-Ройс, Пратт-Уитни, Дженерал Электрик, Запорожское МКБ «Прогресс», Самарский НТК-им. Н.Д. Кузнецова, Уфимское НПО «Мотор». Однако ПКМ обладают ползучестью под действием эксплуатационных, нагрузок, особенно при повышенных температурах, что позволяет использовать их только в направляющих лопатках, работающих до температуры 200°С. Для нового поколения двигателей, имеющих высокие скорости вращения роторов, при которых титановые лопатки не выдерживают центробежные нагрузки, наибольший ин- ■ терес со стороны конструкторов вызывают композиционные материалы на металлической матрице (МКМ).

Перрые попытки применения МКМ в рабочих лопатках были предприняты фирмой Пратт-Уитни. У нас в стране в Рыбинском КБ в 70-х годах были изготовлены рабочие лопатки компрессора из углеалюминия на основе углеродной ленты Лу-2 и алюминиевого сплава АЛ 2. Невысокая прочность материала, недостаточная стабильность свойств, вызванная разупрочнением углеродного волокна в процессе пропитки, неудачная конструкция замкового соединения привели к разрушению лопаток на разгонном стенде еще до выхода на рабочий режим. Последующее развитие МКМ, разработка новых армирующих наполнителей - борного волокна и углеродной ленты «Кулон» обеспечили значительное повышение механических свойств материалов, что позволило на новом уровне провести исследования по применению МКМ в лопатках компрессора. Однако не удалось максимально реализовать прочность армирующего наполнителя вследствие взаимодействия на границе раздела с матрицей, что требует оптимизации технологии переработки МКМ.

В настоящее время известно большое количество конструкций лопаток из КМ, но, к сожалению, ни одна из них не внедрена в серийных двигателях. В большое объеме зарубежной информации о проведении' экспериментальных : исследований по созданию лопаток из МКМ отсутствуют сведения об особенностях технологии их изготовления и влиянии конструкции материала на работоспособность лопаток. Поэтому актуальной является разработка

конструкции материала с максимальной реализацией свойств компонентов, использование новых наполнителей и матриц, разработка оптимальных технологических процессов, обеспечивающих требуемую работоспособность лопаток из MJCM.

Цель работы. Создание, работоспособных лопаток компрессора ГТД из МКМ. ,.:ч ;■ ,-.= ■ - . .,'

Научная новизна. В работе на основе комплексных исследований впервые определена зависимость работоспособности лопаток от типа композиционного материала и его структуры;, а также метода переработки, позволившая рекомендовать боралюмииий для изготовления рабочих лопаток методом диффузионной сварки,, а также, дпервые в мире, - бормагний для изготовления направляющих лопаток методом вакуумно-компрессионной пропитки. Установлены общие закономерности формирования пера и замкового соединения лопатки из МКМ. Расчстно-экспериментальными методами проведена оптимизация технологических параметров изготовления композиционных лопаток. Разработаны принципы конструирования и изготовления лопаток из МКМ, позволившие впервые в России изготовить работоспособные лопатки, обеспечивающие снижение их массы на 25 - 35 % по сравнению с титановыми аналогами,

Практическая значимость. На основании выполненных исследований разработаны и внедрены в производство рациональные конструкции и оптимальные технологические процессы изготовления лопаток из МКМ. Освоено производство натурных лопаток. Проведены комплексные исследования работоспособности лопаток на стендах и в составе двигателя, показавшие их высокую надежность. Разработаны научно-обоснованные технологические рекомендации и руководящий технический материал по изготовлению лопаток из МКМ для двигателя нового поколения.

Апробация работы. .Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном симпозиуме «Механика конструкций из композиционных материалов», Ереван, 1976; Межотраслевых конференциях «Композиционные материалы в авиадвшателестроении», Москва, 1978, 1980, 1984; И, III, IY, Y, YI, YII, YIII, IX Межотраслевых конференциях «Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении», Куйбышев-Самара, 1980, 1982, .1984, 1986, 1988, 1990, 1992, 1994; YI Всесоюзной конференции по композиционным материалам, Ереван, 1987, XI Всесоюзной конференции по конструкционной прочности двигателей, Куйбышев, 1988; Всесоюзной конференции по сварке разнородных материалов, Киев, 1990; Отраслевой научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы изготовления деталей и узлов ГТД и агрегатов из композиционных, порошковых материалов по СВС-технологии», Куйбышев, 1989; IY, YI, YII Межотраслевых конференциях «Проблемы создания конструкций из композиционных материалов и их внедрение в специальные отрасли промышленности», Миасс, 1984, 1989, J 992; Всесоюзной конференции «Научно-технические

проблемы конверсии в авиадвигателестроении», Москва, 1990; Отраслевой конференции «Пути совершенствования технологии производства лопаток ГТД», Запорожье, 1984; Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте», Самара, 1999, а также на других конференциях и семинарах. Результаты исследований экспонировались на Международных авиационных выставках "Авиадвигатель-96" й "Авиадвигатель-98", Международном авиакосмическом салоне МЛКС-97, выставке в КНР в 1999г.

. Публикации., По материалам диссертации опубликовано 18 статей [118], 23 тезиса доклада, 3 технологические рекомендации [19-21], руководящий технический материал [22], получено более 30 авторских свидетельств и патентов, основные из которых приведены в перечне литературы [23-30].

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов по результатам работы, перечня литературы, включающего 144 наименования и приложения. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 41 таблицу и 77 рисунков.

Содержание работы.

В первой главе Приводится обзор и анализ отечественной и зарубежной литературы по состоянию технологии переработки МКМ и применению их в конструкции лопаток компрессора газотурбинного двигателя. Вопросы применения МКМ в лопатках ГТД рассматривались в работах И.Н. Фридлян-дера, Т.Д. Каримбаева, С.Е. Салибекова, В.М. Чубарова, A.M. Кшнякина, Л.А. Горшкова и др. Проблемам совершенствования технологии переработки МКМ посвящены работы Б.А. Арефьева, К.И. Портного, A.A. Заболоцкого, В.Ф. Строгановой, М.Х. Шоршорова, JI.C. Гузей, С.Т. Милейко и др.

Среди современных МКМ наиболее перспективными для изготовления лопаток являются материалы на алюминиевой и магниевой матрицах, армированные волокнами бора и углерода.

Отмечается, что углеалюминий, обладающий высоким модулем упругости и малым удельным весом, а также хорошей технологичностью переработки, имеет ряд недостатков. Малый диаметр углеродного волокна и его хрупкость делают практически невозможным использование твердофазных методов переработки материала. Высокая реакционная активность углеродного волокна, несмачиваемость его расплавом алюминиевого сплава, сложности нанесения защитных и технологических покрытий не позволяют получить материала со стабильно высокими свойствами методом вакуумно-компрессионной пропитки. Организация промышленного производства углеродной ленты «Кулон» с защитным покрытием волокон делает необходимым проведение исследований на новом уровне.

Значительное количество опубликованных работ посвящены вопросам исследования механических свойств и технологии переработки КМ, армированных борными волокнами.

Высокие значения прочности и жесткости борных волокон, больший диаметр нити делают их более перспективными по сравнению с углеродными волокнами. Борные волокна без значительного снижения свойств выдерживают нагрев в атмосфере до 500°С и в инертной среде до 600 - 700°С. Однако при контакте с расплавом алюминия прочность борного волокна резко снижается. Для устранения взаимодействия на границе раздела волокно - матрица при прогштке используют борные волокна с покрытием БЮ, В4С, ЕШ. Отсутствие в нашей стране промышленного выпуска таких волокон делает предпочтительным использование твердофазных методов переработки бора-люминия.

Наиболее распространен метод диффузионной сварки монослоев полуфабриката боралюминия, получаемого плазменным напылением матричного материала на волокна бора. Этот метод позволяет получать материал со стабильно высокими механическими характеристиками.

Из всех МКМ самыми высокими удельными характеристиками обладает бормагний. Переработка бормагния методами твердофазной технологии затруднена из-за сложности фиксации волокон в полуфабрикате. В то же время магний - практически единственный конструкционный металл, который в жидком состоянии не реагирует с борным волокном. Это позволяет получать бормагний с высокими механическими характеристиками методом вакуумно-компрессионной пропитки.

Работы, проведенные в нашей стране и за рубежом, показывают, что при изготовлении лопаток компрессора из КМ важную роль играет конструкция лопатки, в особенности ее замкового соединения.

В настоящее время разработано значительное количество конструкций замковых соединений лопаток из МКМ: конусный, гребенчатый, шарнирный, каплевидный, елочный и др. Большинство из них нетехнологичны при использовании в качестве армирующего наполнителя борного волокна. Кроме того, требование равномерности распределения давления при диффузионной сварке монослоев полуфабриката вносит свои ограничения в выбор конструкции замкового соединения. Так, например, для рабочих лопаток из боралюминия наиболее рациональной конструкцией является замок типа «ласточкин хвост». В литературе отсутствуют сведения о влиянии геометрических параметров замкового соединения на несущую способность лопаток из МКМ.

Требования высокой точности и чистоты поверхности пера лопатки, стойкости его к удару и эрозии привели к разработке комбинированных конструкций пера, содержащих элементы из металла и МКМ. Какие-либо сведения об эксплуатационных характеристиках такого типа лопаток и влиянии конструкции пера на напряженно-деформированное состояние материала в литературе отсутствуют.

Важную роль в обеспечении работоспособности лопаток играет конструкция пакета слоев МКМ и структура армирования пера. В материале лопаток под действием газовых и центробежных сил возникает сложное напряженное состояние, и рациональное армирование должно обеспечить соответствие нолей сопротивления материала лопатки полям напряжений. Обычно такие структуры создают У введением перекрестного армирования, причем анизотропия физико-механических характеристик однонаправленного. КМ требует уравновешенности структуры армирования.. Но введение, разориег-тации в соседних слоях . КМ приводит к появлению опасных сдвиговых напряжений и к снижению работоспособности детали. Ограничения на выбор структуры армирования вносит также метод переработки КМ. Так, например, метод диффузионной сварки не позволяет создавать трехмерные структуры армирования.

Создание работоспособной лопатки из МКМ требует одновременного решения конструкторских, материаловедческих и технологических задач, так как процесс изготовления лопатки объединяет формирование наружной геометрии лопатки и структуры армирования, а также уровня связей между волокном и матрицей.

По литературным источникам известно, что в 70 - 80-х годах большинство двигателестроительных фирм США проводило исследования по созданию лопаток из КМ. Однако эти сведения ограничивались в основном запатентованными конструкциями лопаток и конечными результатами испытаний без упоминания о технологических особенностях изготовления лопаток.

В связи с этим задачами исследований являются:

1. Совершенствование способов переработки МКМ и оптимизация технологических параметров процессов изготовления лопаток из КМ с углеродным и борным наполнителем на алюминиевой и магниевой матрице жидко- и твердофазным методами.

2. Исследование и разработка рациональной конструкции материала лопатки, включающей схему армирования лопатки, конструкцию пакета слоев в пере, в зоне хвостовика и трактовой полки, применительно к существующим методам переработки.

3. Разработка технологических процессов изготовления лопаток из МКМ и исследование работоспособности лопаток.

Во второй главе приводятся сведения о материалах, технологическом и исследовательском оборудовании и методиках исследований, используемых в работе.

Объектами исследований были выбраны:

1. Рабочие лопатки 3 ступени компрессора длиной 140 мм с хордой 70 мм и замком типа «ласточкин хвост».

2. Направляющая лопатка 1 ступени вентилятора длиной 220 мм с хордой 140 мм и Т-образным замком.

3. Рабочая лопатка вентилятора длиной 310 мм с хордой 180 мм, замком типа «ласточкин хвост» и трактовой полкой.

В качестве армирующих материалов использовались плазменно-напыленный полуфабрикат боралюминия, борные волокна диаметром 140 мкм и углеродная лента «Кулон», а в качестве матрицы - алюминиевые сплавы АЛ 2, AJI 9, В96Ц, АД 33 и магниевые сплавы МЛ-5, МЛ-10.

Изготовление образцов КМ и лопаток производилось методом диффузионной сварки пакета слоев и вакуумно-компрессионной пропиткой расплавом матрицы каркаса армирующих волокон.

Для исследований по оптимизации конструкции замкового соединения рабочих лопаток из МКМ была разработана двухзамковая модель лопатки, перо которой постоянно по хорде и толщине профиля. Изготовлена пресс-форма для формования двухзамковой модели с возможностью изменения геометрических параметров замка.

Исследования физико-механических свойств МКМ проводились на образцах материала, вырезанных из плоских карточек методом электроэрозионной резки. Модуль упругости МКМ определялся путем измерения собственной частоты изгибных колебаний пластины на опорах, установленных в узловых линиях, а логарифмический декремент колебаний - по ширине резонансной кривой на установке ИЧЗ -9. Усталостную прочность лопаток из МКМ определяли по основному тону колебаний на электрическом вибростенде УВЭ-10А5000, а по высокочастотным формам - на воздушном вибраторе КуАИ-ВВ.

При выборе оптимальных параметров технологического процесса изготовления лопаток го МКМ, а также при оптимизации геометрических размеров замкового соединения боралюминиевых лопаток была использована методика планирования экспериментов с шаговым методом изучения зависимости оптимизируемого параметра от изучаемых факторов.

В третьей главе приводятся результаты исследований по выбору состава и оптимизации режимов изготовления лопаток из углеалюминия методом вакуумно-компрессионной пропитки.

Для изготовления деталей из углеалюминия этот способ является наиболее рациональным. Малый диаметр углеродного волокна требует высокой жидкотекучести расплава при пропитке, а возможность повышения температуры расплава ограничена интенсивным взаимодействием углеродного волокна с алюминием с образованием карбида алюминия при температурах более 700°С. В связи с этим первоначальные исследования велись с матричными сплавами силуминовой группы AJ12 и АЛ 9, Проведена оптимизация параметров вакуумно-компрессионной пропитки лопаток из углеалюминия на основе этих сплавов с применением метода математического планирования экспериментов, что позволило повысить прочность материала в направлении

армирования на 10 - 20 % (до 900 МПа). Прочность в поперечном направлении составляла 30 - 40 МПа. Причинами низкой поперечной прочности углЬ-алюминия являются недостаточное смачивание расплавом алюминия поверхности углеродных волокон и низкие механические свойства матричных сплавов. Проведено исследование возможности использования в качестве матрицы сплавов ВАЛ-8, Ав, В96Ц, АД 33 и ВАЛ-12. Определялась жидко-текучесть этих сплавов, замерялся краевой угол смачивания поверхности углеродного волокна; с помощью ультразвукового метода контроля и микроструктурного анализа исследовалось качество пропитки. Проведена оптимизация режимов вакуумно-компрессионной пропитки каркаса из углеродной ленты «Кулон» этими сплавами. Наилучшие результаты получены при использовании алюминиевого сплава В96Ц. При этом прочность в направлении армирования выросла до 1050 - 1100 МПа, а в поперечном направлении до 100- 120 МПа.

Определено оптимальное содержание углеродных волокон в углеалю-минии с перекрестными структурами армирования и исследованы механические характеристики материала.

По результатам исследований разработан технологический процесс изготовления лопаток из углеалюминия, выпущена опытная партия лопаток 3 ступени компрессора и проведена оценка их работоспособности. Показано, что углеалюминий обладает недостаточным уровнем прочности на смятие, сдвиг и особенно на растяжение в направлении перпендикулярном армированию, низкой коррозионной и эрозионной стойкостью, низкой стойкостью к удару, что делает его малоперспекгивпым для лопаток компрессора ГТД, тем не менее он может применяться для изготовления усиливающих элементов комбинированных металло-композицнонных конструкций.

В четвертой главе рассмотрены особенности технологии изготовления лопаток из боралюминия и бормагния методом вакуумно-компрессионной пропитки.

Существуют три технологические схемы фиксации борных волокон в монослое: беззольным клеем, плазменным напылением сплава алюминия, а также утком из металлической проволоки. В качестве беззольных клеев опробованы различные вещества (полистирол, стеракрил, фторопласт, нитроцеллюлоза, мочевина, сахар и др.). Однако полностью удалить клей из пакета слоев лопатки не удалось. Использование для предварительной фиксации волокон матричного сплава в виде фольги или плазменно-напыленного слоя усложняет процесс раскроя и не позволяет получить материал с содержанием борных волокон более 40 - 45 %об. Наибольшей технологичностью обладает способ фиксации борных волокон утком из алюминиевой или вольфрамовой проволоки.

Важной проблемой при изготовлении лопаток из боралюминия методом пропитки является разупрочнение борных волокон при его взаимодействии с

расплавом алюминия. Проведенные исследования показали, что волокна бора без покрытия теряют при этом до 60 - 70 % прочности, а с покрытиями ВЫ, В4С и БЮ - всего 10 - 30 %.

Исследован и разработан технологический процесс изготовления лопаток вентилятора из боралюминия методом вакуумно-компрессионной пропитки с использованием волокон бора с покрытием карбидом бора В4С или БЮ. Монослои полуфабриката представляли собой сетку борных волокон с утком из вольфрамовой или алюминиевой проволоки диаметром 30 мкм. Проведена оптимизация технологических параметров процесса применительно к изготовлению направляющей лопатки 1 ступени вентилятора. Достигнута прочность материала 1400 - 1500 МПа.

Важную роль в обеспечении высокого качества изготовления лопаток играет режим кристаллизации. При проведении кристаллизации матрицы в естественных условиях в зонах резкого изменения толщины детали и перехода пера в Т-образный замок появляются усадочные трещины. Использование направленной кристаллизации с охлаждением нижнего торца литейной формы с градиентом температур позволило устранить этот дефект.

К недостаткам боралюминия, изготовленного методом пропитки, относятся невысокие величины ударной вязкости, декремента затухания колебаний и усталостной прочности, что вызвано образованием химических связей между волокном и матрицей в процессе пропитки.

Метод вакуумно-компрессионной пропитки наиболее перспективен для изготовления лопаток из бормагния, так как борные волокна не взаимодействуют с расплавом магния. Исследование остаточной прочности борных волокон после проведения пропитки сплавом МЛ - 10 при температурах 680 -720°С подтвердили отсутствие разупрочнения.

Процесс изготовления лопаток из бормагния аналогичен процессу изготовления деталей из боралюминия, но требует специального оборудования, обеспечивающего безфлюсовую плавку магния в защитной атмосфере. Проведена оптимизация параметров вакуумно-компрессионной пропитки применительно к изготовлению из бормагния рабочих и направляющих лопаток 1 ступени вентилятора. Прочность материала на основе сплава МЛ - 10 составила 1500 - 1600 МПа.

Применение жидкофазной технологии для изготовления лопаток из МКМ позволяет использовать трехмерные структуры армирования в зоне замка лопатки и трактовой полки. В местных утолщениях, зонах галтелей в переходе от пера к замку может применяться дополнительное армирование короткими дискретными волокнами, обеспечивающее повышение прочности и твердости материала.

При изготовлении деталей из бормагния и боралюминия наиболее логично использование в качестве дополнительного армирующего наполнителя рубленого борного волокна, что позволяет использовать дорогостоящие отходы, образующиеся при раскрое слоев полуфабриката.

' * '' " Рис. 1. Зависимость прочности на растяжение боралюминия ВКА-2 А с различными структурами'армирования от объемного содержания борного волокна.

Недостаточная прочность боралюминия на смятие и негехнологич-ность механической обработки требует применения в зоне замка лопаток металлических элементов. Наиболее распространено оформление наружных поверхностей замка лопатки с помощью элементов из титановых сплавов. Диффузионную сварку титановых элементов с боралюминием осуществляют одновременно с формованием пера.

Исследовано влияние метода подготовки поверхности титановых элементов на прочность диффузионной сварки титана с боралюминием. Нанесение на титановые элементы подслоя алюминиевого сплава жидкофазным, газоплазменным, твердофазным методами не привело к значительному повышению прочности соединения. Лучшие результаты (стсд =90-110 МПа) получены при проведении процесса диффузионной сварки в условиях вакуума с предварительным обжатием пакета при температуре не выше 250 - 300°С. Высокая прочность соединения титановых элементов и алюминиевой фольги достигнута при травлении титановых элементов в растворе соляной и фтористоводородной кислот, а алюминиевой фольги - в растворе гидроокиси натрия с последующим осветлением. Исследование структуры границы раздела титана и боралюминия показало наличие интерметаллидных связей при жид-кофазном плакировании титана алюминиевым сплавом и практически полное их отсутствие при диффузиогаюй сварке.

Для оценки совместности деформирования титана и боралюминия проведены испытания комбинированных образцов на изгиб и растяжение. Прочность на растяжение хорошо соответствовала правилу аддитивности. Расслоений на границе раздела титан - боралюминий до разрушения образца не отмечалось. Разрушение начиналось в боралюминии, распространялось по всему сечению, а затем, с образованием шейки пластичности, разрушались титановые элементы. Прочность комбинированных образцов титан - бора-

люминий при изгибе со стороны титана составляет 1100 - 1200 МПа, а при нагружении со стороны боралюминия - 2000 - 2100 МПа, что вызвано более высокой прочностью боралюминия на сжатие по сравнению с титаном.

Использование в конструкции пера лопатки титановых элементов требует исследования технологии соединения титана и боралюминия при постоянной толщине пакета. Изучено ступенчатое соединение титанового элемента и боралюминия с величиной ступенек кратной толщине монослоя боралюминия и выбрана рациональная конструкция переходной зоны. Для обеспечения равнопрочности узла соединения и титанового элемента необходимо, чтобы площадь соединения была в 5 -10 раз (в зависимости от структуры армирования) больше поперечной площади титанового элемента.

Изготовление титановых элементов со ступенчатым соединением достаточно трудоемко. Наиболее технологично соединение в скос. Проведено исследование влияния угла скоса соединяемых поверхностей на прочность диффузионной сварки. Равиопрочность узла соединения титановому элементу при однонаправленном армировании боралюминия вдоль действия нагрузки достигается при углах 7-8° при использовании подслоя фольги АД 33 толщиной 0,2 мм и 3 - 4й без подслоя (рис. 2),

в; та

а

1 5 « в » « « «

Рис. 2. Прочность соединения титанового сплава ВТ-9 и боралюминия ВКА-2А при различных углах скоса: а - с подслоем фольги АД 33, 6 = 0,2 мм;

6 - 6« подслоя.

При диффузионной сварке между жесткими оформляющими элемен-ши пресс-формы пакета слоев полуфабриката МКМ наблюдается неравно-ерное распределение давления по поверхности пера лопатки, вызванное за-руткой пера, дискретностью слоев и отклонениями в содержании матрично-з материала, что приводит к возникновению дефектов структуры МКМ. озможно формирование пера через профилированные вкладыши из мате-иала, обладающего в условиях диффузионной сварки большей податливо-гью, чем полуфабрикат МКМ. В процессе формования лопатки происходит еретекание материала профилированного вкладыша и выравнивание давле-ия по поверхности пера. Для предотвращения схватывания материала ло-атки и профилированного вкладыша используются упругие разделительные рокладки, стальные или титановые. Исследована технология формования и ыбраны оптимальные величины толщины вкладыша и прокладки.

При формовании лопаток из МКМ с большой закруткой пера и, в осо-енности со знакопеременной кривизной поверхности, пакет слоев полуфаб-иката лопатки обжимается одновременно в нескольких зонах и распростра-ение обжатия происходит по взаимно пересекающимся направлениям, что риводит к образованию гофр и волнистости слоев материала лопатки. Для сюпочения этого явления разработана конструкция профилированного кладыша, толщина которого максимальна в центре давления и меняется по акону

де Н - текущее значение толщины вкладыша;

Но - базовая толщина вкладыша;

х - текущее значение раастояния от метса с максимальной толщиной;

Х(, - базовый размер вкладыша в плане;

а и Ъ - безразмерные коэффиценты, определяющие относительное

утолщение и его размер в плане;

п - определяет закон изменения толщины вкладыша.

В процессе пластического деформирования профилированного вкла-¡ыша обжатие распространяется от центра давления по поверхности пера, аким образом, предотвращается образование гофр.

Дискретность слоев МКМ в лопатке обуславливает наличие в пакете ¡устот по зонам окончания слоев, что при формовании жесткими оформляющими элементами приводит к образованию дефектов структуры материа-а, а при формовании через эластичный вкладыш - к образованию рельефной говерхности лопаток. Для заполнения пустот использован слой неармиро-анного легкодеформируемого пористого материала матрицы, размещенный

н = и 0 • 1 +

а

по нейтральной линии пакета слоев, обладающий повышенной по сравнен с основными слоями пластичностью и обеспечивающий устранение деф тов.

В шестой главе рассмотрены вопросы рационального 'консгрущ вания лопаток из МКМ. Наиболее простые по структуре композиты, соск щие из плоских однонаправленных слоев материала, могут'применят! только в конструкциях с линейным напряженно-деформированным соси нием, но'даже в этом случае остаются нерешенными многие "вопросы, напр мер, передачи нагрузки на материал в целом и перераспределения нагруз между отдельными его слоями. В реальных конструкциях, находящихся сложном напряженно-деформированном состоянии в конкретных уелдри передачи нагрузки и эксплуатации,"при' созданий детали из кМ приходит решать целый ряд материаловедческих и конструкторских задач, котор1 практически всегда взаимосвязаны. ' , ,, ,, ....

Одной из таких задач при создании лопаток из МКМ является цробл ма передачи нагрузки от пера лопарки "к диску. Даже для, традиционные >! териалов важным вопросом при создании работоспособной лопатки я[вляет( обеспечение надежности замкового соединения. Низкая .прочность I смятие й сдвиг не позволяют использовать традиционные виды замков. Уш тывая искривленность профиля лопатки, наличие дополнительных слоев м; териала, формирующих хвостовик, и минимальный радиус кривизны арм1 рующих волокон, наиболее рациональной конструкцией замкового соедтк ния является конусный хвостовик из МКМ с элементами из титанового спл; ва, оформляющими поверхность соединения типа «ласточкин хвост».

С применением метода математического планирования эксперименте изучено влияние основных геометрических .размеров (угла конусности хве сговика из МКМ, угла наклона поверхности и высоты) замка типа «ласточ кин хвост» на прочность соединения. Исследования проводились на двухзам ковых модельных лопатках из боралюминия, изготовленных методом диффу зионной сварки.

Конический хвостовик формировали с помощью дополнительных ело ев-вставок полуфабриката боралюминия, укладываемых по различным схе мам между основными слоями материала лопатки. Изучена несущая способ ностъ замкового соединения при испытании на растяжение до разрушена при температурах 20 и 300°С.

По результатам экспериментов построена регрессивная зависимосп прочности замкового соединения от геометрических параметров замка и выбраны его рациональные размеры. Разработана новая схема распределена слоев-вставок материала в зоне хвостовика, обеспечившая повышение прочности и надежности замка лопатки. Достигнуто 70 - 75 % реализации свойсп основного материала пера лопатки.

Установлено, что конструкция замкового соединения типа «ласточкин юст» должна отвечать следующим требованиям: утол конусности хвостовика лопатки из МКМ - 10 - 12°; высота замка по величине не менее чем 2-3 толщины пера; хвостовик оформлен слоями-вставками, чередующимися с основными шями, с общей тенденцией увеличения их длины от наружных слоев к цен->у (рис. 3).

На модельных двухзамковых лопатках исследована прочность замко-эго соединения с эллиптическим хвостовиком с плавным изменением кри-язны борных волокон. Использование эллиптического хвостовика усложня-г формование замкового соединения и требует увеличения количества сло-з-вставок. Максимальная реализация прочности материала пера лопатки при гом не превышала 40 %.

Для устранения дефектов, образующихся при формовании, опробовано ормирование эллиптического хвостовика с помощью центрального титано-зго клина, расположенного в центре пакета слоев лопатки. Чтобы сместить зну окончания клина из наиболее опасного сечения перехода пера в замок, пин выходит в область пера лопатки, образуя лонжерон. При испытаниях одельных лопаток достигнуто повышение прочности замкового соединения смещение зоны разрушения в область пера лопатки. При этом было реали-)вано 50 - 60 % прочности основного материала пера лопатки. Наличие в >не растяжения разномодульных материалов (титан - боралюминий) приво-ит к нерациональному распределению нагрузки в зоне перехода пера в за-ок. Для повышения прочности замкового соединения лопатки из МКМ раз-аботана конструкция «двойной ласточкин хвост», первой ступенью которо-) является металлический клин, оформляющий перегиб армирующих воло-эн и выходящий за пределы пакета слоев МКМ. Вторую ступень замка

Рнс. 3. Оптимальная конструкция замка типа «ласточкин хвост» лопаткя из боралюминип,

оформляют металлические накладки, охватывающие слои МКМ в зоне изг ба. Установка лопатки в паз диска производится по первой ступени, а меж рабочими поверхностями второй ступени и паза диска обеспечивается зазо который выбирается в процессе нагружения центробежными силами за сч< упругих деформаций титанового клина.

Недостаточная стойкость МКМ к удару требует защиты кромок лоп; ток, например титановыми оковками. Для повышения ударной стойкости зону сгиба оковки устанавливали профилированный защитный элемент, з. крепленный между основными слоями МКМ. Разработан ряд оригинальны конструкций защитных оковок, исследована технология их изготовления эффективность применения.

Важную роль в обеспечении работоспособности лопаток из МКМ игр; ет разработка схемы армирования. Рабочие лопатки компрессора в процесс эксплуатации испытывают воздействие центробежных и газовых сил, со: дающих в материале пера сложное напряженное состояние. Обычно для рг бочих лопаток применяют перекрестные структуры армирования, в которы слои МКМ функционально делятся нотипу воспринимаемых нагрузок: от из гиба, растяжения и кручения. Принтом разориентация направления волока в соседних слоях, обеспечивающая равновесие конструкции пакета, достига ет 90°. Исследования МКМ с перекрестными структурами показали, что вве дение разориентации в соседних слоях более 30 - 40° приводит к резком; снижению механических свойств материала и, в особенности усталостно! прочности, что вызвано появлением опасных межслоевых касательных на пряжений.

Для устранения этого недостатка разработана новая конструкция паке' та, в которой слои с перекрестной структурой разделены на две части вдол! оси лопатки. Волокна в каждой из частей направлены под одинаковым углом к оси лопатки, но в разные стороны, образуя структуру типа «елочка». Линии стыка частей в соседних слоях смещены относительно друг друга и разделены между собой неармированным слоем матрицы. Увеличение угла разориентации армирующих волокон происходит плавно от слоя к слою на 5 - 10°, что позволяет снизить опасные межслоевые напряжения.

На рисунке 4 представлены результаты исследования анизотропии механических свойств материала с традиционной перекрестной структурой армирования и разработанной «елочной» структурой. При одинаковой статической прочности модуль упругости боралюминия с «елочной» структурой армирования во всех направлениях выше, чем с традиционной. Усталостная прочность лопаток с «елочной» и перекрестной структурами армирования находится на одном уровне и составляет 450 — 500 МПа на базе 10 циклов.

Рис. 4. Анизотропия прочности на изгиб и модуля упругости боралюминия с перекрестной структурой армирования:

- с перекрестной структурой армирования (+30°; - 30", + 15°;-15°; 0; 0...0/б);

----------с елочной структурой армирования (0, + 10°; ± 15°; + 20°, + 10°, ± ! 0°; ± 10°;).

Изготовлены опытные партии лопаток 3 ступени компрессора и лопа-ок вентилятора из боралюминия.

Проведенные статические испытания лопаток на кручение показали, то жесткость боралюминиевых лопаток при кратковременном нагружении и 15 - 25 % выше, чем титановых, однако при длительном воздействии по-ышенных температур материал склонен к ползучести. Установлено, что при 1ервом циклическом нагружении в пределах упругости материала лопаток ггмечается остаточная закрутка лопатки, а при последующих нагружениях »статочная деформация отсутствует, что делает необходимым проведение :тренировки» лопаток перед эксплуатацией (рис. 5).

Рис. 5. Диаграмма испытания лопатки из боралюминия ВКА-2А при первом нагружении и лопатки из титанового сплава ВТ-9 на кручение.

Исследована выносливость лопаток различных конструкций из бор люминия, изготовленных по разным технологическим схемам. Основным в] дом усталостного разрушения является местное растрескивание и последук щее выкрашивание матричного материала с поверхности лопаток в местг максимальных напряжений, причем волокна бора в первоначальный моме! не разрушаются. Отмечены разрушения в виде межслоевых трещин внутр пера лопатки в слоях с большой разориентацией волокон относительно с< седних слоев. Усталостная прочность боралюминиевых лопаток по первс форме колебаний составляла 500 - 600 МПа.

Проведены разгонные циклические испытания, которые показали н< обходимую надежность лопаток в эксплуатации.

В седьмой главе приведены результаты исследований конструюда технологии изготовления и работоспособности лопаток лонжеронного типа.

Разработано несколько вариантов конструкций лопаток, в которы лонжерон оформляет замок и переходит в профилированный элемент, ра: мещенный в пере лопатки. Опробованы лонжероны, расположенные внутр пера без выхода на поверхность лопатки и с выходом на поверхность оформлением кромок, корытца или спинки. Элементы из КМ соединялись лонжероном диффузионной сваркой в процессе формования лопатки.

Изучение конструктивно-технологических особенностей лопаток лог жерошюго типа проведено на лопатках 3 ступени компрессора. Лонжерон! изготавливались методом размерного химического фрезерования из титане вых заготовок лопаток компрессора.

Исследована и разработана технология изготовления различных вари антов лопаток лонжеронного типа методом диффузионной сварки и лопато оболочкового типа методом вакуумно-компрессионной пропитки. Изготон лены опытные партии лопаток лонжеронного и оболочкового типов. Прове дены испытания лопаток на кручение при нормальной и повышенной темпе ратурах. Определены вибрационные характеристики, спектр собственных ко лебаиий лопаток, эпюры распределения деформаций и напряжений по раз личным формам колебаний, усталостная прочность лопаток и характер уста лостных разрушений.

Вибрационные свойства лопаток определялись методом интерферо метрической голографии и по амплитудно-частотным характеристикам. От мечено, что, меняя структуру армирования и конструкцию лонжерона, мож» в широких пределах менять спектр собственных частот и форм колебаний распределение напряжений по перу лопатки, производить отстройку и виб рационную доводку лопаток из МКМ. Так, например, изменение конструк ции лонжерона позволило устранить группу близко расположенных резонан сов, а также сместить максимальные напряжения в пере лопатки при колеба ниях по первой изгибной форме от корневого сечения на треть высоты ло патки.

Показано, что использование лонжеронной конструкции позволяет по-сить жесткость лопаток на 10 - 50 % при снижении их массы на 20 - 30 % сравнению с титановыми.

Проведено исследование усталостной прочности лопаток лонжеронно-типа различных конструкций. При испытании лопаток с лонжероном, вы-дящим на поверхность, разрушение начинается в титановом элементе с по-гдующим развитием магистральной трещины и отслоением от боралюми-я. У лопаток, имеющих лонжерон внутри пера, происходит, аналогично паткам из боралюминия, выкрашивание матричного материала с плавным ижением частоты резонансных колебаний без катастрофического разруше-я.

Выводы по результатам работы.

В результате комплексных исследований физико-механических свойств углеалюминия, боралюминия и бормагния с различными структурами армирования на образцах, модельных и натурных лопатках, изготовленных методом вакуумно-компрессионной пропитки и диффузионной сварки, впервые обоснован выбор состава и метода переработки МКМ для лопаток ГТД.

Исследованы причины и характер разупрочнения волокон бора и углерода при изготовлении лопаток на алюминиевой и магниевой матрицах. Предложена методика и проведена оптимизация параметров технологических процессов изготовления лопаток из углеалюминия, боралюминия и бор-магния различного состава и метода переработки с помощью теории математического планирования экспериментов, позволившая повысить прочностные характеристики материала на 10 - 30 %. Разработаны рациональные конструкции пера и замка лопаток из КМ, а также комбинированных лопаток КМ - титановый сплав, обеспечивающие повышение прочности и жесткости лопаток на 20 - 50 % по сравнению с титановыми при снижении массы на 25 - 35 %, их высокую надежность и работоспособность, в сочетании с возможностью управления эксплуатационными характеристиками лопаток. Проведена оптимизация геометрических параметров и конструкции пакета слоев материала замкового соединения "ласточкин хвост" лопаток из боралюминия. Разработаны основные принципы создания объемных структур армирования в зонах замка и трактовой полки лопаток из КМ с использованием дискретно- и дисперсно-упрочненного материала и отработаны технологические способы и приемы их формирования. Проведено исследование конструкционной прочности модельных образцов и натурных лопаток с объемными структурами армирования.

Проведены исследования способов выравнивания давления формования на микро- и макроуровнях лопаток с переменной толщиной и закруткой пера, изготавливаемых из дискретных слоев полуфабриката КМ, и пред-

ложен ряд оригинальных решений, обеспечивающих стабильно* свойств материала лопаток, требуемое качество и работоспособность.

6. Проведено исследование конструкции зоны соединения титановых и ( ралюминиевых: элементов и технологии их диффузионной сварки. Изу1 ны механические характеристики и совместность деформирования коме нированных образцов с различной конструкцией зоны стыка: плоскс клиновой и ступенчатой. U!i £;: ■

7. Разработаны три отраслевые технологические рекомендации и руково; щий* текнический материал по изготовлению лопаток компрессора МКМ: Разработаны' технологические процессы изготовлений рабочих направляющих Лопаток компрессора и вентилятора методами вакуумл компрессионной пропитки и диффузионной сварки. Технологическ процессы внедрены в опытное производство.

8. Проведен полный цикл экспериментальных исследований работоспосо ности натурных лопаток из МКМ в условиях статического и динамическ го нагружения на стендах и в составе двигателя. Направляющие лопат] из бормагния прошли летные испытания. Рабочие лопатки вентилято] прошли стендовые испытания при эксплуатационных нагрузках. Резул таты испытаний показали, что лопатки из МКМ имеют высокую работ способность и соответствуют требованиям технических условий.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работа:

1. Преснухин В.А., Кшнякин A.M., Иващенко Т.В., Болдина A.A. Разрабоп схемы армирования лопаток из композиционных материалов // В сб.: Ко? позиционные материалы в авиадвигателестроении. Труды ЦИАМ № 992. М„ 1982.-С. 181-190.

2. Кшнякин A.M., Преснухин В.А., Вякин В.Н. и др. Конструкция и техшш гия изготовления крупногабаритных лопаток соплового аппарата вентши тора ДТРД из композиционных материалов // Авиационная промышле! ность. - 1982. - Jfs 12. -С. 24-26.

3. Титова И.А., Борзунов A.A., Преснухин В.А. и др. Исследование анизотрс пии относительного коэффициента линейного расширения композицио! ных материалов с различной структурой армирования // Авиационные мг териалы. -1983. - №4. - С. 30-34.

4. Вякин В.Н., Карташов Г.Г., Преснухин В.А. и др. Вибропрочность крупне габаритных лопаток CA вентилятора ДТРД из композиционных материг лов // Авиационная промышленность. -1983. - № 3. - С. 25-27.

5. Москвичев Г.Г., Кшнякин А.М., Преснухин В.А. Оптимизация параметре технологического процесса изготовления трубчатых изделий из углеалк миния И В сб.: Композиционные и керамические материалы в авиадвигате лестроешш. Труды ЦИАМ № 1125. - М., 1984. - С. 262-270.

6. Москвичев Г.Г., Кшнякин A.M., Преснухин В.А. и др. Способы формова ния кольцевых элементов из боралюминия для усиления дисков компрес

>ра // В сб.: Вопросы авиационной науки и техники. - Сер. Технология даационного двигателестроения. -М., 1986. - Вып.2. - С. 68-77. итова И.А., Пурлушкина А.П., Преснухин В.А. и др. О влиянии техноло-гческих факторов изготовления углеалюминия на качество пропитки // виационная промышленность. - 1986. - № 12. - С. 49-50. реснухин В.А., Кшнякин А.М., Юрин В.Н. и др. Исследование возмож-эсти прогнозирования свойств углеалюминия с помощью ультразвуково-) контроля // В сб.: Вопросы авиационной науки и техники. - Сер. Техно-згия авиационного двигателестроения. -М., 1987. - Вып.2. - С. 57-59. итова И.А., Преснухин В.А,, Пурлушкина А.П. Влияние схемы армиро-шия на структуру и свойства углеалюминия // В сб.: Вопросы авиацион-ой науки и техники. - Сер. Технология авиационного двигателестроения. М., 1987.-Вып.2.-С. 52-57.

Преснухин В.А., Кшнякин А.М., Хрящев В.М. Оптимизация параметров гхнологического процесса изготовления деталей из боралюминия // В сб.: ■опросы авиационной науки и техники. - Сер. Технология авиационного вигателестроения. - М., 1987. - Вып.2. - С. 46-49.

Кшнякин А.М., Преснухин В.А., Хрящев В.М., Каримбаев Т.Д. Разработ- < а рациональной конструкции замков рабочих лопаток из боралюминия // ■ ! сб.: Вопросы авиационной науки и техники. - Сер. Технология авиаци-., иного двигателестроения. ~ М., 1988. - Вып.2. - С. 65-70. i . .

Преснухин В.А. Лопатки лонжеронного типа из металлических комяози-;ионных материалов // В сб.: Вопросы авиационной науки, и техники. -'ер. Технология авиационного двигателестроения. - М., 1988. - Вып.2. - С. 0-75.

Преснухин В.А., Кшнякин А.М. и др. Исследование замкового соедине-[ия рабочей лопатки из боралюминия // В сб.: Технология.•- Сер. Конст-укция из композиционных материалов. - М., 1989. - Вып. 2-3. - С. 37-42. Логунов A.B., Кшнякин A.M., Преснухин В.А, и др. К вопросу, разработки вдиональной конструкции замкового соединения рабочей лопатки из бо-1алюминия // Авиационная промышленность. - 1989. - № 5. - С. 15-17. Преснухин В.А., Кшнякин A.M., Кушнир С.Н. Исследование конструкции оединения и технологии диффузионной сварки боралюминия с титановы-1и сплавами // В сб.: Сварка разнородных композиционных и многослойных материалов. - Киев, ИЭС им. Е.О. Патона, 1990. - С.36-40. Логунов A.B., Кшнякин A.M., Преснухин В.А., Фасхутдинов М.А. Оценка ехнологических свойств композиционных материалов на металлической щтрице применительно к лопаткам компрессора // В сб.: Технология. -"ер. Конструкции из композиционных материалов. - М., 1990. - Вып. 3. -32-38.

Kshniakin А.М., Presnukhin V.A., Ivashenko T.V. The Experience of Com-losite Materials Using In Gas-Turbine Engines // Proceedings of Third China -Uissia - Ukraine Symposium on Astronautical Science and Technology. -

Northwestern Polyteclmical University Press. - China, 16-20 September, 19! -S.313.

18. Преснухии В.А, Повышение надежности замкового соединения лопат из металлических композиционных материалов // Тр. Межд. конф. «I дежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте». Самара, 1999.-С. 127-128.

19. TP 1.4.1681-86. Изготовление лопаток компрессора лонжеронного типа композиционных материалов на металлической матрице: Технологическ рекомендации / НИИД; Руководитель Преснухин В.А. -М., 1986. - 12 с.

20. TP 1.681.228-91. Оптимизация режимов изготовления деталей ГТД та лопаток и оболочек из бормагния и борагаоминия методом вакуумн компрессионной пропитки: Технологические рекомендации Куйбышевский ф-л НИИД; Руководитель Преснухин В.А.. - Куйбьшк

1991. -19 с.

21. ТР .1.681.504-92. Способы формирования дискретно-упрочненных усил вающнх элементов из боралюминия и бормагния для деталей ГТД из ко позиционных материалов: Технологические рекомендации Куйбышевский ф-л НИИД; Руководитель Преснухин В.А.. - Куйбыше

1992. - 9 с

22. РТМ 1.4.8529-90. Лопатки компрессора ГТД из боралюминия: Руковод щий технический материал ! НИИД; Руководители Кшнякин A.M., Пр снухин В.А. - М., 1990. - 34 с.

23. A.c. 1001731, СССР? МКИ' F 01 D 5/14. Способ изготовления лопатки ту бомашины и технологическая накладка для изготовления лопатки турб машины / А.М. Кшнякин, В.А. Преснухин, Т.В. Иващенко, A.A. Болдш (СССР).

24. A.c. 1215416 СССР, МКИ4 F 01 D 5/14. Композиционная лопатка турб< машины / А.М. Кшнякин, В.А. Преснухин, Т.П. Преснухина (СССР).

25. A.C. 1295835 СССР, МКИ4 F 04 D 5/12. Способ изготовления лопал осевой турбомашины / А.М. Кшнякин, В.А. Преснухин, В.Н. Селиверсто А.И. Леденев (СССР).

26. A.c. 1324367 СССР, МКИ4 F 01 D 5/14. Способ изготовления лопатки ту] бомашины / В.А. Преснухин, A.M. Кшнякин (СССР).

27. A.c. 1347577 СССР, МКИ4 F 01 D 5/12, F 04 D 29/38. Лопатка осевой ту] бомашины из слоистого композиционного материала / А.М. Кшнякин, В и Преснухин, В.М. Хрящев (СССР).

28. A.c. 1441612 СССР, МКИ4 В 22 F 3/14, В 30 В 15/02. Пресс-форма для п рячего прессования изделий из композиционных материалов / A.M. Кшн. кин, В.А. Преснухин (СССР).

29. A.c. 1457518 СССР, МКИ4 F 01 D 5/12, 5/14, F 04 D 29/38. Рабочая лопа ка осевой турбомашины / А.М. Кшнякин, В.А. Преснухин, Т.Д. Каримба< и др. (СССР).

30. A.c. 1476991 СССР, МКИ4 F 01 D 5/28. Лопатка турбомашины / А.Ь Кшнякин, В.А. Преснухии, Кияшко A.B. и др. (СССР).