автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методы, средства контроля, диагностики и испытаний композиционных материалов при эксплуатации авиационных двигателей

На правах рукописи

Копылов Алексей Васильевич

МЕТОДЫ, СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ, ДИАГНОСТИКИ И ИСПЫТАНИЙ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.22.14 Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

27 НОЯ Ш

МОСКВА-2014

005555776

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» на кафедре Безопасности полётов и жизнедеятельности

Научный руководитель: д.т.н., профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации», Зубков Борис Васильевич. Официальные оппоненты:

Сироткин О.С., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии наук, Открытое акционерное общество «Национальный институт

авиационных технологий», генеральный директор

Дудченко A.A., доктор технических наук, профессор, Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана»

Защита состоится «26» декабря 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 315.002.01 на базе Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации по адресу:

125438, г. Москва, ул. Михалковская, д. 67, стр. 1.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ГосНИИ ГА и на официальном сайте ФГУП ГосНИИ ГА http://dissovet.gosnüga.ru/

Автореферат разослан: «_»_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 315.002.01, к.т.н.

Плешаков А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время композиционные материалы (КМ), обладающие рядом преимуществ перед металлами по удельным прочности и жесткости, широко применяются в элементах конструкции самолетов, как отечественного, так и зарубежного производства: планер воздушных судов (ВС) 881 100, Ил-96-300, Ту-204, Ту-204 СМ, МС-21, В-737, В-787 «ЭгеатИпег», А 380 и др.; авиационные двигатели (АД) ПС-90А, СИМ-56, БаМ-Нб и др. Эффективность использования КМ в элементах конструкции ВС и АД состоит в снижении веса конструкции при сохранении в ней требуемой прочности, уменьшении расхода топлива, эксплуатации по состоянию и др.

Однако высокотемпературные углеродсодержащие КМ с защитными покрытиями, такие как углерод-углеродные КМ (УУКМ), углерод-керамические КМ (УККМ), используемые в элементах теплонапряженных конструкций АД - турбокомпрессор, камера сгорания, сопло, являются сложным объектом контроля. Эти КМ имеют многокомпонентную структуру, разброс теплофизических, прочностных и физико-химических характеристик (анизотропия), что приводит при эксплуатации АД к термоциклическим повреждениям КМ на границах раздела компонентов защитное покрытие -углеродная подложка, матрица - углеродное волокно, имеющих различие в коэффициентах линейного термического расширения, возникающих под воздействием быстрого нагрева поверхности КМ до высоких температур и количества циклов нагрев-охлаждение в процессе изготовления и эксплуатации. Существенным повреждением для изделий из углеродсодержащих КМ при их эксплуатации в АД становится частичное или полное повреждение защитного покрытия, так как без него температурный предел эксплуатации углеродсодержащего КМ в окислительной среде составляет 350-И00 °С, выше которого компоненты КМ подвергаются термоокислительной деструкции, что приводит к существенному снижению прочности КМ и его разрушению.

Существующие стандартные методы, средства контроля, диагностики и испытаний в полной мере отработаны на традиционных конструкционных материалах (металлы). Поэтому для деталей АД из металлических материалов база данных дефектов, термоциклических повреждений, выявленных с помощью неразрушающего контроля (НК), представлена полностью, и её можно применить для прогнозирования их техсостояния, то положение с деталями АД из высокотемпературных углеродсодержащих КМ с теплозащитными покрытиями значительно сложнее. Выявление дефектов и

термоциклических повреждений в деталях из углеродсодержащих КМ в процессе контроля невозможно без усовершенствования методов и средств НК, диагностики и испытаний.

Проблемы автоматизации ультразвукового (УЗ) метода НК, обладающего достоинствами перед остальными методами при НК КМ, деталей АД из высокотемпературных УУКМ, УККМ с покрытиями недостаточно изучены, что затрудняет применение автоматизированного УЗ НК углеродсодержащих КМ с покрытиями в эксплуатационных условиях.

Также стандартные методы тепловых испытаний конструкций АД, моделирующих их теплонапряженное состояние, подразумевают длительный нагрев образцов в печах сопротивления при параметрах температуры Т=1000 °С, скорости нагрева 20 °С/с, не соответствующих реальным эксплуатационным условиям АД с использованием высокотемпературных углеродсодержащих КМ, где более высокая температура и скорость косвенного нагрева. Поэтому недостаточно исследовано высокотемпературное влияние термоциклов на прочностные и теплофизические характеристики УУКМ, УККМ с покрытиями в реальных условиях эксплуатации, такие как коэффициент линейного термического расширения, теплопроводность и др. При этом финансового уровня авиапредприятий недостаточно, чтобы проводить эксплуатационные тепловые испытания натурных конструкций из высокотемпературных углеродсодержащих КМ с покрытиями для решения задач, как составление базы данных по термоциклической повреждаемости УУКМ, УККМ и выполнение на контрольных образцах из УУКМ, УККМ настройку, отработку оборудования по автоматизированному НК, что связано с продолжительностью и высокой стоимостью тепловых испытаний, а также значительной стоимостью натурных конструкций из УУКМ, УККМ с покрытиями.

Представленная работа ориентирована на новые решения при усовершенствовании методов, средств контроля, диагностики и испытаний углеродсодержащих КМ с покрытиями, используемых при эксплуатации АД, что определяет ее актуальность.

Объект исследования: АД, как отечественного, так и зарубежного производства, в конструкции которых широко применяются высокотемпературные углеродсодержащие КМ с теплозащитными покрытиями.

Предмет исследования-, приборно-методическое оборудование по НК, экспериментальная установка по тепловым испытаниям на термостойкость углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями для выявления дефектов и термоциклической повреждаемости.

Целью диссертационной работы является усовершенствование методов, средств автоматизированного УЗ НК и эксплуатационных тепловых испытаний высокотемпературных КМ, используемых в конструкции АД, для обнаружения термоциклических повреждений минимальных размеров, возникающих при эксплуатации АД.

Поставленная цель достигается на основе решения следующих задач:

1. Определение метода, средств и параметров автоматизированного УЗ НК углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, таких как УУКМ, УККМ, используемых в элементах теплонапряженных сложнопрофильных конструкций АД в условиях эксплуатации.

2. Разработка программы и методики эксплуатационных тепловых испытаний, расчетной модели прочностных и теплофизических характеристик углеродсодержащих КМ с покрытиями, выбор оборудования, приспособлений контрольно-измерительной аппаратуры для выполнения исследований.

3. Разработка математической модели для программного обеспечения эксплуатационных тепловых испытаний, позволяющего автоматизировать регистрацию вольфрам-рениевой термопарой и обработку температурных характеристик.

4. Проведение эксплуатационных испытаний на термостойкость, прочность и газопроницаемость модельных образцов из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, позволяющих воспроизвести реальные условия эксплуатации теплонапряженных конструкций АД из КМ, а также обработка полученных результатов.

5. Исследование структуры образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями по шлифу его поперечного сечения после тепловых, а затем прочностных испытаний для получения информации о влиянии реальных термоциклических нагрузок при эксплуатации АД.

Методы исследования.

Поставленные задачи решались с использованием:

• методов НК;

• методов испытаний на термостойкость высокотемпературных КМ;

• методов металлографического анализа;

• теории вероятностей и математической статистики;

• сред математического моделирования Exel, Visual Basic for Applications для обработки статистического материала.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование выполнено в соответствии с паспортом специальности 05.22.14 «Эксплуатация воздушного транспорта», п. 9 «Разработка методов и средств диагностирования и прогнозирования технического состояния авиационной техники и метрологического обеспечения».

Научная новизна исследований состоит в следующем:

1. Представлена методика, которая позволяет проводить автоматизированную УЗ дефектоскопию сложнопрофильных изделий из КМ на базе современного УЗ низкочастотного дефектоскопа.

2. Предложена методика, программа и технология эксплуатационных тепловых испытаний, в которую входит экспериментальная установка по высокотемпературным термоциклическим испытаниям на термостойкость модельных образцов из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, модернизированная при непосредственном участии автора диссертации, что подтверждается патентом на полезную модель. В процессе эксплуатационных тепловых испытаний воспроизведены высокие скорость косвенного нагрева модельных образцов до 45 °С/с и температура 1600 °С и более, по сравнению с параметрами тепловых испытаний на прототипах - 20 °С/с и 1000°С соответственно.

3. Выполнено исследование теплофизических и прочностных свойств, газопроницаемости углеродсодержащих КМ с новыми защитными покрытиями.

4. Разработана математическая модель для программного обеспечения эксплуатационных высокотемпературных термоциклических испытаний: автоматизированная регистрации температурных характеристик, построение аппроксимирующих графиков.

Автором получены следующие результаты, выносимые на защиту:

1. Методика НК сложнопрофильных конструкций из высокотемпературных углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями с помощью автоматизированной установки по дефектоскопии на основе УЗ теневого или зеркально-теневого метода.

2. Методика эксплуатационных тепловых испытаний по определению термостойкости высокотемпературных углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, используемых в элементах теплонапряжённых конструкций АД.

3. Математическая модель для программного обеспечения эксплуатационных тепловых испытаний, позволяющего

автоматизировать регистрацию и обработку температурных характеристик.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния высокотемпературных термоциклических нагрузок в условиях эксплуатации на прочность, теплофизические свойства и газопроницаемость углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями.

Личное участив автора в получении результатов, изложенных в диссертации состоит в том, что:

• определены метод, параметры и выполнен подбор базового дефектоскопа по УЗ НК для автоматизированного контроля деталей из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, используемых в элементах конструкции АД;

• разработана методика эксплуатационных тепловых испытаний образцов из КМ;

• разработана инструкция по эксплуатации, технологии, подготовке и проведению эксплуатационных тепловых испытаний на установке по определению высокотемпературной термостойкости КМ с защитными покрытиями;

• построена математическая модель для программного обеспечения эксплуатационных тепловых испытаний КМ, позволяющая автоматизировать регистрацию и обработку температурных характеристик.

В соавторстве:

• разработан токоподвод к нагревателю из УУКМ для высокотемпературных электронагревательных установок по эксплуатационным тепловым испытаниям на термостойкость КМ, что позволило увеличить скорость и температуру косвенного нагрева модельного образца из КМ до эксплуатационных значений - защищено патентом;

• выполнены испытания по определению газопроницаемости модельных образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями, позволяющих выполнить анализ теплового состояния и уноса массы КМ в процессе его работы, выявить степень повреждений наносимого на подложку антиокислительного покрытия, уровень пористости подложки и т.д.

Достоверность_результатов проведённых исследований

подтверждается:

• приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, в частности по определению термостойкости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями;

• адекватностью математических моделей исследуемым процессам;

• применением сертифицированного оборудования по НК и высокотемпературным термоциклическим испытаниям КМ при проведении экспериментальных исследований.

Теоретическая значимость заключается в том, что результаты исследований, полученные с помощью усовершенствованных методов, средств автоматизированного УЗ НК и эксплуатационных тепловых испытаний, могут быть использованы в расчетах:

• термоциклической повреждаемости при эксплуатации деталей «горячей части» АД из УУКМ, УККМ - это элементы турбокомпрессора, жаровая труба камеры сгорания, сопло;

• коэффициентов линейного термического расширения, теплопроводности компонентов УУКМ, УККМ защитное покрытие - углеродная подложка, углеродное волокно - керамическая матрица;

• предела длительной прочности деталей «горячей части» АД из УУКМ, УККМ при воздействии высокотемпературных термоциклических нагрузок.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что ее результаты могут быть применены:

• на авиационно-ремонтных предприятиях и предприятиях авиационной промышленности при проведении автоматизированного УЗ контроля для выявления термоциклической повреждаемости в сложнопрофильных конструкциях из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями;

• в центрах технического обслуживания и ремонта, в научно-исследовательских лабораториях при проведении эксплуатационных тепловых испытаний по определению высокотемпературной термостойкости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, используемых в элементах теплонапряженных конструкций АД, с целью выявления термоциклической повреждаемости для прогнозирования ресурса.

Ценность научных работ состоит в усовершенствовании методов, средств по автоматизированному УЗ НК и эксплуатационным тепловым испытаниям на высокотемпературную термостойкость, позволяющих выявлять термоциклическую повреждаемость в углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, используемых в деталях «горячей части» АД из КМ путем:

• настройки оборудования по УЗ НК на образцах из углеродсодержащих КМ, получения графических и эмпирических зависимостей времени задержки сигнала УЗ волны от стандартной толщины деталей «горячей части» АД из УУКМ, УККМ с учетом высокого затухания на границах раздела компонентов, что позволяет по графикам определять время задержки сигнала при любой толщине стенки деталей «горячей части» из УУКМ, УККМ с учетом их разнотолщинности;

• воспроизведения на экспериментальной установке спектра теплосиловых знакопеременных нагрузок, воздействующих при эксплуатации АД, для моделирования термоциклической повреждаемости углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, где, по сравнению с параметрами тепловых испытаний на прототипах до 20°С/с и 1000°С, скорость косвенного нагрева составила 45 °С/с, а температура до 1600 °С и более. Материалы диссертации внедрены в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» для

экспериментальных исследований высокотемпературной стойкости к термоциклическим нагрузкам высокотемпературных КМ с защитными покрытиями, применяющихся в изготовлении теплонапряжённых изделий АД; в учебный процесс при подготовке лекционного курса «Современные проблемы сохранения лётной годности АиКТ и обеспечения БП»; модернизированная экспериментальная установка по эксплуатационным высокотемпературным термоциклическим испытаниям на термостойкость модельных образцов из КМ и КМ с защитными покрытиями была представлена на международном авиационном космическом салоне МАКС 2011 и защищена патентом на полезную модель.

Апробация. Результаты выполненных исследований были изложены и получили положительную оценку на следующих научно - технических конференциях (НТК): НТК "Компьютер и наука" в МГТУ ГА, 20 апреля 2004; Международная НТК, посвящённая 35-летию со дня основания Университета, МГТУ ГА, 18-19 мая 2006; Международная НТК "33-е Гагаринские чтения " в МАТИ, 2007 г.; Международная НТК в МГТУ ГА, посвящённая 85-летию гражданской авиации России, 22-23 апреля 2008; НТК среди сотрудников ГНЦ ФГУП «Центр Келдыща» не старше 35 лет, 25 сентября 2008.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 3 тезиса докладов и получен один патент на полезную модель.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованных источников.

Основная часть диссертации содержит 158 страниц текста, 23 таблицы, 67 рисунков и библиографию 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы, определены цели и задачи, обоснован выбор объекта и предмета исследований, показаны полученные результаты, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен анализ характеристик при использовании КМ в деталях современных АД, их достоинства перед металлами по удельной прочности - о/р, удельному модулю упругости - Е/р. Замечено, что при конструировании новых АД увеличивается массовая доля высокотемпературных углеродсодержащих КМ, такие как УУКМ, УККМ с защитными антиокислительными газоплотными покрытиями в элементах теплонапряженных конструкций АД - турбокомпрессор, камера сгорания, сопло, работающие в условиях высокотемпературного термоциклирования.

Выполнен анализ структуры и свойств высокотемпературных УУКМ, УККМ с покрытиями. Показано, что они являются сложным объектом контроля, по сравнению с металлическими и полимерными КМ, так как имеют ряд особенностей: многокомпонентная структура, где углеродные волокна распределены в объеме углеродной или керамической матрицы и образуют с ней большое количество границ раздела, виды защитных покрытий, разброс теплофизических, прочностных характеристик (анизотропия), виды эксплуатационного нагружения, большое разнообразие типов производственно-технологических дефектов и эксплуатационных повреждений (рис. 1). Поэтому невозможно выявлять дефекты, эксплуатационные повреждения в изделиях из углеродсодержащих КМ с покрытиями без соответствующего, а в ряде случаев опережающего развития методов, средств контроля, диагностики и испытаний.

Рис. 1. Типичные дефекты, эксплуатационные повреждения в углеродсодержащих КМ

Определена структура диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена определению метода, средств и параметров автоматизированного УЗ НК углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями, таких как УУКМ, УККМ, используемых в элементах теплонапряженных сложнопрофильных конструкций АД.

Выполнен обзор информации о существующих методах, средствах НК и анализ возможности их использования для дефектации изделий из углеродсодержащих КМ с покрытиями.

В научных трудах таких учёных как Пивоваров В.А., Машошин О.Ф., Коняев Е.А. в разные годы освещались такие вопросы, как дефектоскопия авиационных конструкций ВС при ТЭ. Проблемы, возникающие при контроле изделий из КМ и прогнозирование надежности конструкций из КМ, посвящены работы таких учёных, как Резниченко В.И., Сироткин О. С., Потапов А.И., Ермолов И.К., Алёшин Н.П. Автоматизированный УЗ контроль деталей из углеродсодержащих КМ с покрытиями рассматривались в работах Будадина О.Н., Кутюрина Ю.Г.

Рассмотрены традиционные методы НК деталей из КМ: УЗ, радиоволновой, радиационный и т.д. Выполнено обоснование того, что УЗ метод имеет ряд достоинств перед другими методами НК деталей из

высокотемпературных углеродсодержащих КМ с покрытиями, в частности, осуществление автоматизации, которая подтверждается повышенной технологичностью процесса НК. Данные достоинства позволяют осуществлять оптимальный выбор параметров УЗ контроля деталей из УУКМ, УККМ с учётом их индивидуальных особенностей: регистрация микронеровности поверхности детали, скорости и затухания УЗ волн на межфазных границах углеродсодержащего КМ.

Выполнено обоснование того, что при высокой трудоёмкости ручного способа диагностирования изделий из УУКМ, УККМ при их низком уровне контролепригодности с использованием традиционных физических методов НК, важную роль в получении достоверной информации о термоциклических повреждениях в УУКМ, УККМ на этапе эксплуатации АД отводится методам УЗ контроля и приборному оборудованию для автоматизированной комплексной многоканальной дефектоскопии на базе УЗ дефектоскопа.

Выполнены исследования по определению метода УЗ контроля, подбор УЗ дефектоскопа и оптимальных значений параметров контроля - частоты, амплитуды, времени задержки волны, на базе которых на стенде проводилась автоматизированная комплексная многоканальная УЗ дефектоскопия изделий из углеродсодержащих КМ, используемых в теплонапряженных конструкциях АД. Результаты исследования представлены в табл. 1, 2.

Получены графические зависимости (рис. 2) времени задержки г«., сигнала УЗ волны, которое выставляется на дисплее УЗ дефектоскопа при автоматизированном УЗ контроле, от толщины стенки 5 изделия из углеродсодержащего КМ УУКМ, УККМ с учетом затухания на границах раздела УУКМ, УККМ подложка-покрытие, матрица-волокно.

По экспериментальным значениям 1зад, 5 в программе Ехе1 определяются аналитические выражения зависимости 1зад (5), содержащие степенные функции:

1зад1 = 5,91 ■ 1зад2 = 6 • 50,2965; 1зад3 = 6,23 • 50'2812 (1),

где 1зад1 - время задержки, [мкс]; 5 - толщины образцов, [мм].

Таблица 1

Результаты определения значений параметров УЗ контроля углеродсодержащего материала УУКМ, УККМ с защитными покрытиями

Марка УЗ дефектосок опа Рабочая частота УЗ колебани й V [кГц| Минимал ьные размеры дефекта, см2 Амплитуд а УЗ сигнала, [ДБ] Скорость УЗ волны, [м/с] Методы УЗ контроля

УД 2Н-ПМ, НПЦ «Кропус» 60 1x1 8±6 3000 Теневой или зеркально-теневой

УСД-60, НПЦ «Кропус» 200 1,5x1 8±9 3500 Теневой

Таблица 2

Значения на УСД-60 времени задержек от толщин образцов из УУКМ, УККМ с защитными покрытиями

Толщина образцов из УУКМ, УККМ, 5 [ мм] Время задержки, |мкс]

{зяд1 tзaдЗ

3 8,2 8,3 8,5

5 9,6 9,7 9,8

8 10,97 11,1 11,2

стенки 8 изделия из УУКМ, УККМ

Результаты автоматизированного УЗ контроля изделия из УУКМ представлены в виде дефектограммы (рис. 3). При этом учитывались основные параметры УЗ сигнала по поверхности изделия из УУКМ:

• пороговое значение сигнала;

• расстояние для объединения единичных дефектов - максимальное расстояние между двумя единичными дефектами, при котором оба дефекта объединяются в один.

Не учитывались единичные дефекты менее определенной величины: максимальная площадь единичного локализованного дефекта, при которой он не рассматривается как существенный и информация о нем не выводится, однако общая площадь таких неучтённых дефектов выводится в конце отчёта (рис. 3).

йлдалив

Дчаыатр 1330, О мы Длина проконтрол^фокшном части 1380, О мм Да ха хштродя Оператор

О 1SO МО «SO «ОО 7SO ООО .3» Анализ дефектов

=ооо

- Уровень дефектности: 5 % Метод контроля: теневой, зеркально-теневой Расстояние для объединения единичных дефектов 2,5 см Не учитывать единичные дефекты менее 200 кв. см.

Суммарная площадь всех дефектов 967.46 кв.см Локализование дефектов: 2 Дефект №1: площадь 600.17 кв.см Дефект N52: площадь 322.18 кв.см Суммарная площадь неучтенных дефектов 45.11 кв.см

-•176.3

Рис. 3. Дефектограмма детали из УУКМ (реактивное сопло)

Третья глава посвящена:

• разработке методики проведения эксплуатационных тепловых испытаний образцов из УУКМ, УККМ с защитными покрытиями, моделирующих теплонапряженное состояние конструкций из высокотемпературных КМ при эксплуатации АД, результаты которых позволяют получить информацию по типам и размерам термоциклической повреждаемости КМ для разработки и составления базы данных. База данных по термоциклической повреждаемости УУКМ, УККМ с защитными покрытиями позволит выполнять на контрольных образцах настройку, отработку оборудования по автоматизированному УЗ НК для управления термоциклической повреждаемостью конструкций из высокотемпературных КМ при эксплуатации АД;

• планированию эксплуатационных тепловых испытаний;

• модернизированию экспериментальной установки, в частности, разработке токоподвода к нагревателю из УУКМ;

• выбору экспериментальных образцов;

• выбору приспособления контрольно-измерительной аппаратуры для выполнения тепловых испытаний;

• разработке математической модели для программного обеспечения эксплуатационных тепловых испытаний, позволяющей автоматизировать регистрацию температуру с помощью вольфрам-рениевой термопары и обработку температурных характеристик.

Выполнено теоретическое исследование циклического теплового воздействия, представляющего высокотемпературные термоциклические нагрузки, на элементы теплонапряженных конструкций из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями - УУКМ, УККМ при эксплуатации АД. Выделены параметры теплового воздействия, влияющие на снижение механической прочности (о) КМ и появлению термоциклической повреждаемости: Т(т) - температурно-временные, характеризующие скорость косвенного нагрева, где Т [°С] — температура косвенного нагрева КМ, т [с] -время теплового воздействия; N — количество термоциклов (нагрев-охлаждение); Тмах [°С] - максимальное значение температуры нагрева поверхности изделия из КМ; от (Оосн ;ап), [МПа] - величина термических напряжений на границе «защитное покрытие - основа», зависящая от КЛТР основы Оосн [град"1] и покрытия а„ [град"1]. Тогда зависимость механической прочности КМ с покрытием от параметров теплового воздействия можно представить в виде функции:

а = Г(Т(т); № Ттах; аТ (аосн; ап)) (2)

Основополагающими работами в области исследований функционирования теплонапряженных конструкций АД из металлических и КМ, работающих при эксплуатации АД в режиме нагрев-охлаждение, в условиях одновременного воздействия различных термомеханических нагрузок, влияющих на изменение несущей способности материала конструкции, являются научные труды таких учёных, как Пивоваров В.А., Машошин О.Ф., Ленджер и Менсон-Коффин, Лозицкий Л.П., Бондал Г.В. и др.

Проведена разработка программы и методики эксплуатационных тепловых испытаний на экспериментальной установке по определению высокотемпературной термостойкости компонентов УУКМ, УККМ с покрытиями: углеродная матрица с углеродными волокнами для УУКМ или керамическая матрица с углеродными волокнами для УККМ и защитными покрытиями, в части выявления растрескивания, расслоения из-за различия теплофизических свойств, прежде всего, по коэффициенту линейного

термического расширения а, теплопроводности. Выполнена доработка пневмо-гидравлической схемы экспериментальной установки.

Разработан токоподвод (рис. 4) к нагревателю из УУКМ для высокотемпературных электронагревательных установок по эксплуатационным тепловым испытаниям на термостойкость КМ. В частности, проведены конструктивно-технологические мероприятия по плотному прилеганию концевой части нагревателя УУКМ, учитывая изменения его геометрических параметров при тепловом расширении, с конической поверхностью токоподводящей водоохлаждаемой трубы установки, что позволило увеличить скорость косвенного нагрева образца из КМ 40^45 °С/с и температуру до 1600 °С (рис. 6) и более - защищено патентом. При этом производилось сопоставление с традиционными прототипами систем резистивного нагрева: термоплатформы, высокотемпературные электропечи сопротивления, осуществляющие длительный нагрев образцов, обладающие меньшей скоростью косвенного нагрева до 20°С/с и максимальной температурой 1000°С, что не охватывает условия нагрева теплонапряженных конструкций из углеродсодержащих КМ с покрытиями в современных АД.

1 - токоподводящая водоохлаждаемая труба, выполненную в виде двух полуколец; 2 - распорная электроизолирующая пластина; 3 - нагреватель из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ); 4 - графитовые

упоры; 5 - кольцевая площадка нагревателя; поджимной механизм: 6 -шпилька; 7 - шайба; 8 - пружина; 9 - поджимаемая гайка к нагревателю для обеспечения высокой скорости нагрева и получения высоких экспериментальных температур. Рис. 4. Токоподвод к нагревателю из углерод-углеродных КМ для обеспечения высокого темпа косвенного нагрева и получения высоких экспериментальных температур

Разработана математическая модель для программного обеспечения эксплуатационных тепловых испытаний, позволяющего автоматизировать регистрацию температуры с помощью вольфрам - рениевой термопары и

обработку температурных характеристик с учетом флуктуации. При построении диаграммы Т(т) в алгоритме был применён метод наименьших квадратов, графическое изображение которого представлено на рис. 5, являющийся частным случаем метода наибольшего правдоподобия и не предъявляющий каких-либо требований к законам распределения случайных величин.

Вид функции, который наиболее удачно отображает физические свойства и сглаживает зависимость температуры Т от термоэлектродвижущей силы Е(т) Т=/(Е(т)) с учетом флуктуаций, представляет собой заменяющую экспериментальную аппроксимирующую функцию Т=/(Е(т),С) (рис. 5). Полиномы, аппроксимирующие обратную зависимость с помощью номинальных статических характеристик преобразования температуры Т от термоэлектродвижущей силы Е(т), были представлены для вольфрам -рениевых термопар типов А-1, А-2 в виде математического выражения: Т = <Е,(т,),С,) = С0 + С^Е + С2Е2+...+СтСт = Е,"0С,Е' (3)

где С^- коэффициент аппроксимации.

сглаживающая кривая

Рис. 5. Модель сглаживания экспериментальной зависимости Т(Е(т)) с помощью метода наименьших квадратов

Для анализа термоциклической повреждаемости предложена методика расчета величины термических напряжений на границе раздела защитное покрытие-подложка, возникающих от термоциклических нагрузок, при этом учитываются формы деталей «горячей частей» АД (например, жаровая труба камеры сгорания - цилиндрическая оболочка, сопло - коническая оболочка):

д _ Е„ЕП0ДЛАТ (иподл ^^

ЕПОДЛ"*"2Еп(5п/5ПОДЛ)

где стт [МПа] - величина термических напряжений модельного образца в виде пластины или цилиндра при разности температур ДТ [°С] получения Тпол [°С], которая известна из технологической схемы изготовления композитов, и

испытания Т„с„ [°С]; Еп, Еподл, МПа - модули упругости покрытия и основы; ап, Иподл [град'1] - коэффициенты линейного термического расширения покрытия и подложки; 5П0ДЛ, 5П [мм] - толщины защитного покрытия и подложки. При Еп ~ Еподл и малой 5„ / 8ПОдл < 1 от рассчитывается по формуле: стт « ЕпДТ(аподл - ап) (5)

Четвертая глава посвящена проведению эксплуатационных тепловых испытаний на термостойкость образцов из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями на модернизированной экспериментальной установке, получению температурных характеристик при помощи автоматизированной регистрации на вольфрам-рениевую термопару, выполнению исследования структуры образца из КМ по шлифу его поперечного сечения после тепловых, а затем прочностных испытаний для получения информации о влиянии термоциклических нагрузок на прочность КМ, получению результатов прочностных и теплофизических характеристик модельного образца из УККМ.

Приведены результаты эксплуатационных тепловых испытаний на термостойкость модельных образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями. На основе математического выражения (3) в автоматизированном режиме получены графические зависимости Т(т) температуры нагрева модельного образца Т от времени эксперимента т, где т (Н40с - время, соответствующее тепловым режимам запуска и малого газа (режим нагрева) АД, 41-Ч57с номинальный и крейсерский режимы (стационарный режим) АД, 158-ИООс режимы МГ и останова (режим охлаждения) АД. Автоматизированное построение Т(т) показано на примере одного цикла теплового нагружения (рис. 6, табл. 3).

Т [°С]

1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 о

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Рис. 6. Температурно-временная зависимость Т(т) одного цикла теплового нагружения модельного образца из УККМ типа C/Si3N4

Таблица 3

Результаты зависимости температуры нагрева модельного образца Т от времени эксперимента т

Время испытания т [сек] Температура косвенного нагрева модельного образцаТ [°С]

0 18

1.......... 22..........

50 1605

51 1600

52....... 1605.......

158....... 1592.......

397 621

По шлифам поперечных сечений проведено исследование структуры модельных образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями после эксплуатационных тепловых, а затем прочностных испытаний для получения информации о влиянии термоциклических нагрузок на прочность КМ, появлению микродефектов. Выявлено, что при сохранении целостности защитных покрытий после десятикратного высокотемпературного термоциклирования углеродсодержащие КМ, в отличие от металлов, при температуре нагрева 1600°С и более увеличивают прочность.

Модельный образец, в котором были нарушена технология изготовления, не сохранивший целостность после одного цикла высокотемпературного термоциклического нагружения показан на рис. 7.

Рис. 7. Поверхность внутренних слоев модельного образца из керамокомпозита С/8ЬЫ4, разрушенного по плоскости расслоения, после одного термоцикла Приведены результаты эксплуатационных тепловых испытаний при высоких температурах по определению значений теплофизических характеристик образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями, в технологический процесс которых введены мероприятия по повышению термостойкости. Результаты испытаний на примере образца из углерод-керамических КМ с покрытием представлены в виде таблицы 4, диаграммы (рис. 8) и эмпирической зависимостью а(Т) (6).

Таблица 4

Значения теплофизических характеристик УККМ С-БЮ

Характеристика Единицы измерения Значение

1 2 3

Плотность УККМ, р г/см3 1,66-И ,72

Коэффициент линейного термического расширения, аср град

при 100°С -0,55x10"6

при 600°С -0,15хЮ-6

при 1000°С 0,6x10"6

при 1600°С 1,15х 10"6

при 2000°С 1,2x10"6

Получена эмпирическая зависимость а(Т) путем аппроксимации диаграммы коэффициента линейного термического расширения а [град"1] УККМ от температуры косвенного нагрева Т°С (рис. 8):

а(Т) = 8 ■ 10"13Т4 - 4 • 1(Г9Т3 + 6 ■ 10"°'6Т2 - 0.0022Т - 0,3937 (6) Эмпирическая зависимость а(Т) (6) позволяет оценить влияние температуры нагрева до 2000 "С и более на изменение коэффициентов линейного термического расширения компонентов углеродсодержащих КМ и защитных покрытий, в частности УККМ, и спрогнозировать их совместимость по коэффициентам линейного термического расширения на границах раздела.

температуры нагрева

После высокотемпературных термоциклических испытаний производился анализ состояния поверхности модельного образца из углеродных КМ с применением электронного микроскопа (рис. 9), входящего в состав диагностического оборудования для электронно-микроскопических исследований, с целью установления причин разрушения на границе раздела

защитных покрытий (химическое взаимодействие и несовместимость с подложкой и т.д.) и углеродной подложки, выявления дефектного состояния для управления термоциклической повреждаемостью деталей из УУКМ, УККМ на этапе эксплуатации АД.

1- разрушенное защитное антиокислительное покрытие из карбида кремния

(растрескивание); 2 - углеродная основа Рис. 9. Электронно-микроскопическая фотография поверхности образца из

керамоматричного КМ С^С/^Ь^, где С^С углерод - керамический армирующий каркас, представляющий основу из углеродного волокна С с покрытием из карбида кремния и керамическую матрицу 81зЫ4

На модельных образцах (рис. 10), изготовленных в соответствии с геометрической формой натурных изделий до огневых испытаний производилось определение газопроницаемости на экспериментальной установке Центра Келдыша с целью выявления степени повреждений наносимого на основу антиокислительного покрытия, пористости основы, а также сохранности внутренней структуры и противостояния растрескиванию, выкрашиванию матрицы из каркаса КМ. Выполнено определение газопроницаемости через всю боковую поверхность модельных изделий из УККМ, например, таких, как реактивное сопло, представленное на рис. 10.

модельный образец

Рис.10. Модельный образец сопла из углеродсодержащих КМ с защитным покрытием для эксплуатационных исследований по определению газопроницаемости

Определение газопроницаемости осуществлялось по закону Дарси, описываемый математическим выражением (7):

где К - коэффициент газопроницаемости; ДР - перепад давления по толщине стенки Ь модельного образца из углеродных КМ; - объемный расход газа, идущий через стенку образца КМ; Т1 - вязкость газа и Б - площадь поверхности образца. Результаты испытаний модельного реактивного сопла на газопроницаемость представлены в таблице 5.

Таблица 5

Результаты испытаний модельного образца сопла на газопроницаемость

№ испытания 1 2 3

Изб. давл. в полости модельного образца ДР, кг/см2 0,179 0,383 0,577

Расход воздуха через стенку образца КМ в, кг/с 0,741 хЮ"3 1,278хЮ-3 1,599хЮ"3

Твоздуха В ПОЛОСТИ СОПЛОВОГО устройства, °С -15,5 -15,5 - 15,5

Объемный расход воздуха ву, м3/с 5,3 x1а-4 7,8x1с-4 8,6x1с-4

Коэффициент газопроницаемости стенки образца К, м2 6,05хЮ-14 4,16хЮ->4 3,05х10"14

ДР - перепад давлений на стенке образца КМ; в - расход воздуха, идущий через стенку образца КМ; I - температура воздуха во внутренней полости образца КМ; Кп - коэффициент газопроницаемости стенки образца КМ.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе на основе предложенных решений научно-

технических задач усовершенствованы методы, средства контроля, диагностики

и испытаний углеродсодержащих КМ защитными покрытиями, используемых

элементах теплонапряженных конструкций АД, обеспечивающие по сравнению со стандартными методами и средствами, как обнаружение при НК УУКМ, УККМ термоциклической повреждаемости минимальных размеров, так и моделирование термоциклической повреждаемости на образцах из УУКМ, УККМ в эксплуатационных тепловых испытаниях при параметрах, соответствующих теплосиловым нагрузкам при эксплуатации АД, путём:

• определения метода и параметров УЗ контроля, подбора УЗ дефектоскопа для автоматизированного УЗ НК углеродсодержащих УУКМ, УККМ с защитными покрытиями, используемых в элементах теплонапряженных сложнопрофильных конструкций АД;

• планирования и разработки методики эксплуатационных испытаний, расчетной модели прочностных и теплофизических характеристик углеродсодержащих КМ, выбор оборудования, приспособлений контрольно-измерительной аппаратуры для выполнения исследований;

• разработки математической модели для программного обеспечения эксплуатационных тепловых испытаний, позволяющая автоматизировать регистрацию температуры вольфрам-рениевой термопарой и обработку температурных характеристик;

• разработки токоподвода к нагревателю из УУКМ для модернизации экспериментальной установки по эксплуатационным тепловым испытаниям модельных образцов из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями с целью увеличения скорости и температуры косвенного нагрева образца из КМ, соответствующих быстрому нагреву поверхностей конструкций из КМ до высоких температур при эксплуатации АД;

• проведения и обработки результатов эксплуатационных испытаний на термостойкость образцов из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями на модернизированной экспериментальной установке;

• исследования структуры образца из углеродсодержащих КМ с покрытиями по шлифу его поперечного сечения после тепловых, а затем прочностных испытаний для получения информации о влиянии термоциклических нагрузок на прочность КМ.

2. Определены методы УЗ контроля - теневой или зеркально-теневой, подобраны УЗ дефектоскопы УСД-60, УД 2Н-ПМ, определены значения параметров УЗ сигнала - частота, время задержки, амплитуда для автоматизированного УЗ НК, позволяющие обнаруживать термоциклические повреждения (дефекты) минимальных размеров 1x1 см2 с учетом высокого затухания УЗ сигнала в углеродсодержащих КМ, таких как УУКМ, УККМ, используемых в элементах сложнопрофильных конструкций АД. Получены графические и эмпирические зависимости времени задержки 1мд сигнала УЗ волны от стандартной толщины стенки 5 изделий из УУКМ, УККМ с учетом высокого затухания на границах раздела компонентов, что позволяет по графикам определять время задержки ^ сигнала при любой толщине стенки изделий из УУКМ, УККМ с учетом их разнотолщинности.

3. Выполнено планирование и разработана методика эксплуатационных тепловых испытаний, представляющих собой высокотемпературные термоциклические нагрузки, выполнен выбор оборудования, приспособлений контрольно-измерительной аппаратуры для выполнения тепловых испытаний, что позволило воспроизвести режимы тепловых испытаний модельных образцов из КМ, которые приблизились к режимам эксплуатации натурных изделий из УУКМ, УККМ авиационного АД. Автором проведен большой объем высокотемпературных термоциклических испытаний на термостойкость углеродсодержащих УУКМ, УККМ с защитными покрытиями.

4. Разработан токоподвод к нагревателю из УУКМ для экспериментальной установки по тепловым испытаниям модельных образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями, позволяющий, по сравнению с параметрами тепловых испытаний на прототипах до 20 °С/с и 1000 °С, увеличить скорость косвенного нагрева 45 °С/с и температуру до 1600 °С и более, что обеспечивает воспроизведение спектра теплосиловых знакопеременных нагрузок, которые возникают при эксплуатации деталей АД из углеродсодержащих КМ с защитными покрытиями.

5. Разработанная математическая модель для программного обеспечения тепловых испытаний позволяет, по сравнению с самописцами КСП (потенциометрами), автоматизировать регистрацию температуры вольфрам-рениевой термопарой и обработку температурных характеристик.

6. После эксплуатационных тепловых и прочностных испытаний проведены исследования структуры модельных образцов из углеродсодержащих КМ с покрытиями по шлифу поперечного сечения, позволяющие выявить образование в защитном покрытии трещин, расслоений, сколов, химического взаимодействия, выкрашивания элементов КМ, в основном матрицы, с поверхности и из объема и т.п., оценить влияние высокотемпературного термоциклирования на прочность углеродсодержащего КМ с покрытиями.

7. На модельных образцах из УУКМ, УККМ, изготовленных в соответствии с геометрической формой натурных изделий, выполнены испытания по определению газопроницаемости, позволяющих выполнить анализ теплового состояния и уноса массы КМ в процессе его работы, выявить степень повреждений наносимого на подложку антиокислительного покрытия, уровень пористости подложки, а также сохранности внутренней структуры и противостояния растрескиванию, выкрашиванию матрицы из каркаса углеродсодержащих КМ с покрытиями.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные публикации в изданиях, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки РФ, для опубликования основных научных результатов диссертаций (5):

1. Копылов, A.B. Неразрушающий контроль рабочих лопаток турбины высокого давления ТВД [Текст] / A.B. Копылов // Научн. вест. МГТУ ГА. Сер. «Студенческая наука». - 2003. - №69. - С. 37-39.

2. Копылов, A.B. Центры технического обслуживания и ремонта (ТОиР) как новая парадигма управления технической эксплуатацией воздушных судов [Текст] / A.B. Копылов // Научн. вест. МГТУ ГА. Сер. «Менеджмент, экономика и финансы». - 2007. - №118 (8). - С. 84-87.

3. Копылов, A.B. Определение термостойкости высокотемпературных углеродсодержащих композиционных материалов с защитными покрытиями [Текст] / A.B. Копылов // Межотраслевой научно-технический журнал ФГУП «ВИМИ». Сер. «Конструкции из композиционных материалов». - 2013. - № 4. -С. 49-54.

4. Копылов, A.B. Определение термостойкости углеродных композитов на авиапредприятиях для их безопасного и эффективного применения в теплонапряжённых конструкциях авиационных двигателей нового поколения [Текст] / A.B. Копылов, Б.В. Зубков // Научн. вест. МГТУ ГА. - 2014. - №204 (6). - С. 50-57.

5. Копылов, A.B. Определение параметров автоматизированного неразрушающего контроля повреждений в изделиях воздушных судов из композиционных материалов на авиапредприятиях [Текст] / A.B. Копылов, Б.В. Зубков // Научн. вест. МГТУ ГА. - 2014,- №204 (6). - С. 58-64.

Научные публикации в других изданиях (3):

6. Копылов, A.B. Гармонизация производственной системы центров ТОиР с учётом международных стандартов [Текст] / A.B. Копылов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции, посвященной 35-летию со дня основания Университета. - М.: МГТУ ГА. - 2006. — С. 25.

7. Копылов, A.B. Центры технического обслуживания и ремонта (ТОиР) как новая парадигма управления технической эксплуатацией воздушных судов [Текст] / A.B. Копылов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "33-е Гагаринские чтения". - М.: МАТИ. -2007. - С. 44-45.

8. Копылов, A.B. Отечественные центры технического обслуживания и ремонта воздушных судов - выход для начинающих авиакомпаний в России [Текст] / A.B. Копылов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России. - М.: МГТУ ГА. - 2008. - С. 19-20.

Патент РФ на полезную модель (1):

9. Токоподвод к нагревателю для высокотемпературных электронагревательных установок: Пат. № 94102 Рос. Федерация. / В.Н. Баскаков, A.B. Копылов, А.Н. Семёнова. - № 2009148457/22; заявл. 28.12.2009; опубл. 10.05.2010.

Соискатель

Копылов A.B.

Подписано в печать: 30.10.14 Заказ № 2487 Тираж: 100 экз.

Типография «ОПБ-Принт» ИНН 7715893757 107078, г. Москва, Мясницкий пр-д, д. 2/1 (495) 777 33 14 www.opb-print.ru