автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию фреттинг-коррозии

На правах рукописи

Хаинг Мин

Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию фреттинг-коррозии

Специальность 05.07.05 '< Тепловые, электрораиетные двигатели и энергоустановки летательных

аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2015

005562606

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени. К. Э. Циолковского»

Научш.ш руководитель: доктор технических наук, профессор

Петухов Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты: Скотникова Маргарита Александровна

доктор технических наук, профессор, ФГЛОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», завкафедрой «Машиноведение и основы конструирования»

Марков Виктор Васильевич

кандидат технических наук, АО ОКБ "Гидропресс", начальник лаборатории

Ведущее предприятие: Лыткаринский машиностроительный завод

филиал ОАО «УМПО»

Защита состоится «!6>; ноября 2015 года в 15 часов Ü0 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института (национального исследовательского университета) МАИ, по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского авиационного института (национального исследовательского университета). http://mai.nj/events/defeiice/¡r.de\.p'iíp?ELEMIiNT_ID=6U248. Автореферат разослан «__»__2015 г.

Ученый секрс гарь диссертационного совета Д 212.125.08.

д.т.н.. профессор -> 3уеВ Юри" ВладимиГ'ой,!"

ОБЩАЯ.ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Многие усталостнные разрушение лопаток компрессоров обусловлены зарождением повреждений в зонах образования фреттинга, когда микротрнщины образуются в зонах контакта поверхостей хвостовика лопатки и паза диска, которые являются концетраторами напряжений и приводят к усталостному разрушению хвостовика лопатки или паза диска. Влияние фреттинга на усталость до сих пор еще недостаточно изучено.

Проблема предупреждения усталостных разрушений деталей весьма актуальна для всех отраслей машиностроения, особенно для авиации.

Сложность прогнозирования усталостных разрушений деталей связана не только с многообразием факторов, влияющих на конструкционную прочность материалов:

— особенностями технологического процесса изготовления деталей;

— условиями эксплуатации;

— применяемыми методами конструирования и расчетов;

— сложностью прогнозирования появления опасного уровня переменных напряжений, что относится к специальным задачам.

Максимальное сопротивление усталости детали может быть обеспечено:

— оптимизацией форм деталей за счет уменьшения концентраций напряжений;

— совершенствованием технологического процесса на всех этапах производства, позволяющим максимально реализовать прочностные свойства, заложенные в применяемом материале;

— учетом на стадии проектирования особенностей эксплуатации детали как с точки зрения силового воздействия, так и с точки зрения воздействия окружающей среды.

Создание конструкций, обладающих высокой несущей способностью, требует значительных затрат на испытания на усталость материалов и натурных деталей с привлечением комплексных исследований с участием металлургов, металлофизиков и других специалистов. Однако эти затраты не идут ни в какое сравнение с теми потерями, которые могут иметь место пи разрушении летательного аппарата.

Фреттинг-один из факторов, приводящих к усталостным разрушениям деталей ГТД. Он возникает в малоподвижных соединениях: замковых соединениях лопаток, в болтовых и прессовых соединениях, на площадках контакта антивибрационных полок и др.

Механизм фреттинга по характерным признакам относится к наиболее сложным по своей природе процессам. Это связано с тем, что, с одной стороны, он включает физико-химические процессы, протекающие в зонах контакта деталей на молекулярном уровне, вследствие чего в зоне реального контакта происходит окисление разрушенных частиц металлов сопряжённых деталей.

С другой стороны, процесс фреттинга включает кроме механического разрушения и абразивный износ субмикроскопических и макроскопических

объёмов поверхностного слоя деталей в зоне контакта. Эти процессы тесно связаны между собой, а преобладание того или иного механизма на различных этапах и при разных соотношениях параметров процесса может изменяться и по-разному влиять на сопротивление усталости соединения.

Наиболее достоверные сведения о фреттинг-усталости малоподвижных конструкций дают натурные испытания, но они трудоемки и дороги. Экспериментальный материал, полученный на натурных деталях в широком диапазоне температур, дает возможность сделать ряд обобщений, направленных на совершенствование технологических процессов изготовления деталей и их конструктивного облика, а также предложить методы прогнозирования сопротивления усталости деталей ГТД с учетом этих факторов в условиях воздействия переменных нагрузок в процессе эксплуатации.

Цель работы

Разработка комплексной методики повышения эксплуатационной надежности малоподвижных соединений лопаток компрессоров авиационных двигателей, определяющей повышение эффективности систем обеспечения надежности силовой установки летательного аппарата.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— проведён анализ разрушения деталей, подвергающихся воздействию фреттинга;

— определены основные физические параметры влияния процесса фреттинга на сопротивление усталости замков лопаток компрессора;

— разработана физическая модель разрушения замковых соединений в условиях действия фреттинга;

— разработана методика и аппаратное обеспечение исследования замковых соединений лопаток компрессора при действии фреттинг-коррозии;

— разработаны научные и конструктивно- технологические рекомендации повышения сопротивления фреттинг-усталости замковых соединений лопаток компрессора, выполненных из современных конструкционных материалов.

Научная новизна

— предложена физическая модель разрушения деталей при фреттинг-коррозионном воздействии в процессе эксплуатации. Установлено, что основными параметрами процесса фреттинга являются:

— амплитуда относительных перемещений сопряженных поверхностей;

— давление в зоне контакта;

— частота циклического смещения сопряженных поверхностей;

— количество циклов нагружения;

— получены зависимости вида = f{a.) и а^ = /(р);

— методы обработки и особености поверхности хвостовиков лопаток;

— фреттинг-усталости ряда конструкционных материалов. Предложена комплексная методика испытаний образцов и деталей при действии фреттинга.

Фреттинг или фреттинг-коррозии - это процесс, возникающий при циклическом нагружении в зоне локального контакта деталей, образующих между собой прессовое или малоподвижное соединение. Величина амплитуды относительных перемещений Ар в зоне контакта деталей, достаточная для возникновения процесса, находится в пределах упругих деформаций поверхностного слоя детали. Минимальная амплитуда Лр, при которой наблюдается процесс, может не превышать 100 нм, а при 200...300 мкм и более доминирующим становится процесс фреттинг-износа. В то же время степень повреждения поверхностного слоя в зависимости от величины Лр неоднозначна, так как она определяется не только величиной давления в зоне контакта р, но и

Рис. 1. Схема процесса фреттинг-коррозии: а) малоподвижное соединение под воздействием начального давления /Ур; б)... г) зоны контакта после относительных смещений сопряжённых поверхностей под действием знакопеременной тангенциальной силы Рр

На рис. 1 приведена одна из возможных схем процесса фреттинга: в исходном состоянии в зоне контакта сопряжённых деталей (рис. 1 а) всегда образуется локальный контакт (полу эллипсами на рис. 1 а указаны зоны локального контакта, формирующий местное НДС материала). Под воздействием на малоподвижное соединение эксплуатационных нормальных N и тангенциальных нагрузок поверхности сопряжённых деталей смещаются (рис. 16) на амплитуду ± Лр. При этом у границ контакта скапливаются частицы материала повреждённых поверхностей и образуются суб- и микротрещин.

Далее эти процессы циклически повторяются (см. рис. 1 .в и г)и этом:

— резко увеличивается количество продуктов повреждения;

— меняются участки активного контакта и зоны влияния, а контакт поверхностей сопряжённых деталей реализуется через продукты повреждения (износа), как показано на рис. 1 .в и г;

Таким образом, начальные усталостные трещины, являетсь потенциально источниками концентрации напряжений и находясь в зоне локального контакта длительное время, могут либо удаляться абразивными частицами, либо

развиваться до макротрещин или периодически выходить из зоны локального контакта. При этом НДС в этих зонах контакта постоянно изменяется.

В зоне контакта при относительных перемещениях сопряженных деталей в зависимости от соотношения касательных и нормальных нагрузок могут иметь место:

— интенсивное разрушение поверхности типа абразивного износа со следами первоначального схватывания материала в виде сглаженных каверн и с выделением у границы контакта значительного количества продуктов окисления поврежденного материала, величина коэффициента трения/ при этом составляет 0,2 - 0,4;

— абразивное разрушение с преобладанием процесса схватывания (грубые каверны, налипание материала) и образование продуктов окисления при коэффициенте трения/ = 0,4-Ю,55:

— схватывание со следами продуктов окисления контактирующих материалов при коэффициенте трения около f > 0,55.

Анализ результатов испытаний на усталость сплавов АК4-1, ВТ8 и стали 13Х11Н2ВМФ в условиях фреттинга, а также замковых соединений, выполненных из тех же материалов, показал, что характеристики рассеяния пределов выносливости в этих условиях остаются постоянными и не превышают значений, определяемых для этих материалов при испытаниях на обычную усталость.

Практическая ценность

Полученные при выполнении диссертационной работы результаты обоснованы современными теориями прочности и применением методов вычислительной математики.

Достоверность решения задач в диссертации подтверждена сравнением численных результатов с известными аналитическими решениями и сопоставлением полученных результатов с результатами других авторов; анализом физического смысла полученных экспериментальных данных.

Результаты проведенных исследований являются научной базой при проектировании замковых соединений лопаток компрессоров. Разработанные теоретические и экспериментальные методики, интегральные физические модели обеспечивают повышение сопротивления фреттинг-усталости замковых соединений лопаток компрессоров, валов и др., позволяющие повысить эксплуатационную надёжность компрессоров на этапе проектирования двигателей.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании двигателей и энергетических установок, а также в учебном процессе авиационных вузов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийской научно- технической конференции «Новые материалы и технологии» в 2010-2012 годах, на Международной молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения» в 2009-2011 годах.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, включая 8 статей, 3 статьи в журналах, включённых в список ВАК: «Авиационная промышленность» и «Двигатель».

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов. Полный объем работы составляет 140 страниц, в том числе основной текст 135 страниц, 48 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 39 наименований.

Личный вклад соискателя

Автор непосредственно выполнял все представленные в работе научно-технические расчеты, проводил экспериментальные исследования, принимал участие в разработке моделей и образцов, схем и технологий испытаний, разработке критериев оценки сопротивления фреттииг-усталости замковых соединений лопаток компрессора, с учётом фреттинга.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, задано направление исследований, определено научное и практическое значение решаемой проблемы.

В первой главе показано, что в начальный период эксплуатации соединений происходит упрочнение поверхностей контакта и циклическая текучесть подповерхностных слоев (рис. 3); большая часть выступов фактического контакта, взаимодействуя друг с другом, пластически деформируется. Этому способствует образование схватывания ювенильного металла в соприкасающихся неровностях после разрушения естественных оксидных плёнок.

Слои металла, непосредственно прилегающие к участкам фактического контакта, вследствие циклического деформирования упрочняются, а слои, находящиеся в зоне влияния, могут разупрочняться. Рентгеноструктурный анализ поверхности показал, что на первой стадии процесса продукты разрушения, в основном, содержат металлическую фазу и небольшое количество окислов.

Рис. 2. Распределение (а) : напряжений а и Р0 на поверхности в зоне локального контакта вдоль осей г, х и у при сжатии шара с плоскостью тете.

Распределение (б) : касательных напряжений т , деформаций ей Р0 вдоль г, х и у.

На второй стадии возникновения фреттинг-коррозии в подповерхностных слоях продолжает формироваться коррозионно-активная среда вследствие адсорбции на окислах кислорода и влаги. Скорость износа на этой стадии невелика, так как он связан, в основном, с разрушением образующихся на поверхности трения оксидных плёнок, причём количество продуктов износа в зоне трения достигает равновесного значения. В этих условиях, по-видимому, действует особый механизм интенсификации окисления металлических поверхностей, связанный с тем, что при знакопеременных контактных взаимодействиях в тончайших поверхностных слоях возникает разупорядоченная мелкодисперсная структура. При этом образуется смешанная структура (из металла и окислов), которая может играть защитную роль, уменьшая скорость износа. Продукты фреттинга, выделяющиеся из зоны трения, во втором периоде, состоят, главным образом, из окисла - а-/е2Оз, кроме того, содержат окислы у-Ре2Оз (Ге304), коррозионные продукты у-/-е203 +Н20 и металлические частицы.

Исследованиями при симметричном консольном изгибе нескольких марок сталей в условиях фреттинга и различных окружающих средах: вакуум, водород, воздушная среда, было, установлено, что снижение предела выносливости имело место во всех средах и достигало 30 н- 50% и, что окислительные процессы при этом не играли решающей роли, хотя степень снижения предела усталости

зависит от электрофизических процессов, определяемых природой контактирующих пар материалов.

Рис. 3. Схема физической модели процесса фреттинга и размещения зон с

типичными повреждениями в виде образования : а) каверн; б) подповерхностныхи в) поверхностных усталостных трещин

Наиболее существенное падение сопротивления усталости имеет место уже при величине нормального давления 1,0 до 10 МПа.

Интенсивность фреттинга как потеря массы М в зависимости от механических параметров процесса может быть представлена в виде выражения

Мобщ = Кор + = [кР* - fcip) N/v + k2APN. (1)

где k0, ku k2— коэффициенты.

Расчет напряженного состояния в зоне контакта основывается на ряде допущений, главными из которых являются; а) изотропность и однородность материалов; б) площади контактов существенно меньше площадей контактирующих тел; в) усилия, сжимающие тела, нормальны к гладким поверхностям касания; г) деформации не превышают предела упругости.

Анализ распределения касательных напряжений и относительных деформаций вдоль радиусов, проведенных из центра круговой площадки в крайнем поверхностном слое, показывает, 4TOTj.z и ту2 равны в центре 0,1 р0 уменьшаются к периферии площадки и меняют знак. На границе контакта они равны по абсолютной величине 0,066ро, но противоположны по знаку (рис. 2.6).

Напряжения тху в центре площадки равно нулю, но увеличиваются вдоль, радиуса, достигая на границе величины тху ,пах = 0.133р0. За пределами площадки тху постепенно падают, становясь незначительными,при z> 2а.

Факторами, способствующими этим разрушениям являются наличие значительных по величине переменных напряжений, возникающих при колебаниях профильной части лопатки, по первой изгибной или крутильной форме. Местное повышение давления на контактной грани хвостовиков лопаток вызвано наличием локального прилегания площадок контакта. Для данной конструкции сделать оценку аа и К0 несколько сложнее, т.к. сведения о коэффициентах концентрации напряжений здесь весьма ограничены. Исследования показывают, что на контактной площадке в зоне разрушения хвостовиков значения эффективных коэффициентов концентрации напряжений могут составлять от = 2,35 до > 8 при расчётном значении аа ~ 2, а расчётные значение коэффициента концентрации аа в радиусе г перехода от профильной части лопатки к хвостовику может составлять 1,9...3,2 и более в зависимости от величины радиуса г перехода.

Одним из способов устранения резонансных колебаний рабочих лопаток ГТД по первой изгибной форме является применение шарнирного замкового соединения. Однако при колебаниях по высшим, в частности, крутильным формам, функции шарнирного соединения нарушаются, и соединение переходит в класс малоподвижных со всеми вытекающими из этого последствиями.

В второй главе приведены результаты анализа испытаний на МнЦУ стандартных образцов, предварительно поврежденных фреттингом при и

заданных параметрах (р и Лр) процесса. Следующую партию образцов (кривые 2 рис. 4) из тех же материалов автор испытывал на фреттинг-усталость по схеме вал - втулка в условиях «мягкого» нагружения при плоском изгибе. Кривые 3 -испытания моделей замковых соединений лопаток компрессора при жестком нагружении, т. е. при совместном действии статического растяжения и симметричного изгиба, когда в зоне контакта воспроизводятся эксплуатационные условия повреждения фреттингом, а соединение разрушается от фреттинг-усталости.

Из анализа приведенных на рис. 5 графиков можно заключить, что в одних и тех же условиях нагружения у образцов и деталей из стали (рис. 4, а) и из титановых сплавов (рис. 4, б) наблюдается различная повреждаемость фреттингом. Удовлетворительное соответствие степени повреждения (качественное и количественное) материала при испытаниях на усталость образцов, предварительно поврежденных в результате фреттинга, и образцов, испытанных в условиях фреттинга, получено для стали 13X11Н2ВМФ.

Аналогичное совпадение результатов получено также для титанового сплава ВТ8 при испытаниях по схеме «вал - втулка» и моделей замковых соединений (рис. 4. б), а испытаниях стандартных образцов выявлена только качественная зависимость изменения предела фреттинг-выносливости. Основная причина некоторого расхождения результатов связана с несколько упрощенной схемой испытаний стандартных образцов по сравнению с моделями, когда условия фреттинг-коррозии действуют постоянно, и с отсутствием статического растяжения.

Кфр

Рис. 4. Результаты испытаний на МнЦУ и фреттинг-усталость различных сопряженных материалов: а - сталь 13X11Н2ВМФ - сталь 13X11Н2ВМФ; б- сплав ВТ8 - сплав ВТЗ-1; 1 -образцы, предварительно поврежденные в процессе фреттинга; 2 - испытания по схеме вал- втулка ("мягкое" нагружение); 3 - испытания замковых соединений лопаток компрессоров ("жесткое" нагружение)

Интенсивность процесса фреттинга существенно зависит от коэффициента проскальзывания в зоне контакта, который, определяется из выражения

/;/ = 1-Г> <2>

где Ар — амплитуда перемещений при р > 0; /40 — амплитуда при р = 0. Функция степени снижения предела выносливости от 4- может быть представлена в виде

(^-фГ)гт„+/п = 1, (3)

При этом /„ =г)В. В = (1дР)к,

где п, г], к- постоянные, определяемые экспериментально. Тогда

(^ФГ)?т„ = [1 - (г/вЛ1/*1. (4)

Сопротивление усталости при Лр-ь 20 мкм не зависит от частоты нагружения, при /1р+ 100 мкм влияние фреттинга на усталость с увеличением частоты

нагружения ослабевает, так как с увеличением скорости относительных перемещений резко возрастает абразивный износ.

(г- - Л

)отя

Рис. 5. Зависимость^^ )отн от давления в контакте: кривые 1-3 —пара: сталь—сталь (13X1Ш2В2МФ), отпуск 580°С; кривые 4-6 пара: сплав ВТ8-ВТ8; 1 и 4 -образцы, предварительно поврежденные фреттингом; 2 и 5, 3 и 6 -соответственно образцы и детали, испытанные на фреттинг-усталость

Степень снижения предела выносливости (или долговечности ) зависит от продолжительности процесса фреггинга Л^, но не является его монотонной функцией: для процесса характерно чередование максимумов и минимумов степени повреждения материала. Но общие закономерности процесса повреждения в полной мере проявляются при числе циклов нагружения Ыф„ ~ 105.

Результаты испытаний образцов и деталей на фреттинг-усталость практически не отличаются, если ввести поправки учитывающие особенность напряженного состояния деталей (рис. 5). Разный характер кривых 1...3 и 4...6 свидетельствует о различиях в механизме повреждения поверхности титанового сплава при фреттинге и фреттинг-усталости.

Зависимость сопротивления усталости при фреттинге от природы контактирующих материалов, их механических свойств достаточно сложна, так как при фреттинге имеют место адгезионные, усталостные, химические и электрохимические процессы.

Фреттинг имеет место как в окислительной, так и в нейтральной среде, но интенсивность его в окислительной среде может быть выше.

Существенного увеличения интенсивности процесса фреттинг-коррозии при повышенных температурах не отмечается, а быстрое или избирательное окисление некоторых компонентов сплава способствует образованию защитной пленки окислов, уменьшению повреждения фреттингом, степень снижения предела выносливости может уменьшаться.

Повреждение поверхностей контакта - связано с рядом факторов, определяющих процесс фреттинга, которые действуют одновременно во взаимосвязи, образуя единый механо-физико-химический процесс. Роль каждого из факторов в частном случае проявляется по-разному, что затрудняет разработку универсальных методов борьбы с фреттингом.

К мероприятиям, уменьшающим амплитуду относительных перемещений, можно отнести конструктивные решения, включающие для прессовых соединений увеличение натяга, а для малоподвижных соединений - повышение демпфируюнцгх свойств конструкции, способствующих снижению переменных напряжений.

Основными методами, способствующими повышению сопротивления фреттингу и фреттинг-усталости деталей, являются: поверхностные упрочняющие обработки, включающие поверхностное пластическое деформирование или химико-термические обработки; повышение термодинамической стабильности поверхностного слоя за счет его физико-химической модификации, нанесение изоляционных покрытий; изменение коэффициента трения в зоне контакта за счет применения твердых смазок на основе дисульфида молибдена, гальванических или диффузионных покрытий; подбор контактирующих пар материалов и защитных покрытий, играющих роль протектора и препятствующих электрохимической коррозии материала в зоне контакта.

На кафедре «Технология проектирования и производства двигателей летательных аппаратов» МАТИ автором совместно с отделом прочности ЦИАМ проведены исследования по оценке прочности лопаток компрессоров ГТД при действии фреттинга. Сопоставляя полученные результаты по напряжениям в условном сечении хвостовика, можно отметить, что наиболее неблагоприятным является вариант, где предел усталости составляет 9.5 МПа. Для других вариантов пределы усталости одинаковы и равны 12 МПа.

Чувствительность материала к фреттинг-усталости выражается так:

К*Р = %. (5)

В общем случае значение а^ может быть получено экспериментально. Конструктивные и эксплуатационные факторы, оказывающие влияние на динамическую напряженность хвостовика, обозначим коэффициентом (р с соответствующим индексом, а технологические факторы (упрочняющие обработки, защитные покрытия и т. д.) коэффициентами /?„ и 8„. Тогда значение эквивалентного коэффициента может быть определено как

(КаР)экв = ^ФжестФкФаФр^^- (6)

Величина предельной амплитуды (<7дР)3 для хвостовика лопатки определится из выражения

(О =7(7)

4 'э (,к0 .Ькв

При вычислении, запаса прочности по переменным напряжениям используют эквивалентную амплитуду действующих напряжений.

В третьей главе приведены результаты испытаний на усталость повреждённых фреттингом образцов, позволяющий получить данные о значении и влиянии исследованных факторов фреттинг-процесса на сопротивление усталости и оценить степень их значимости более простыми испытаниями.

Определённая на этом этапе несущая способность элемента конструкции при переменных нагрузках позволяет, с одной стороны, выявить его прочность в условиях фреттинг-усталости, а с другой - оценить степень приближения и эффективность результатов, получаемых при более простых испытаниях, когда сначала исследуется влияние основных факторов процесса фреттинга на повреждаемость материала, а затем даётся оценка роли этих факторов в снижении предела выносливости повреждённого материала.

Усталостная прочность замковых соединений, а также определение динамической напряженности хвостовиков и профильной части моделей вблизи хвостовика осуществлялось на разработанных в ЦИАМе испытательных машинах, известных как У-361 и У-362.

Выбор указанных материалов, с одной стороны, основывается на том, что они являются типичным для лопаток и дисков компрессоров, современных ГТД. Поэтому полученные при исследованиях данные могут найти прямое практическое приложение. С другой стороны, общим для этих материалов является высокая чувствительность к концентрации напряжений: ца стремится к 1.

Если выразить это свойство через коэффициент (¡а,

где Ка—эффективный коэффициент концентрации напряжений, равный отношению предела усталости гладкого образца а_1 к пределу усталости образца с концентратором напряжений ; аа — теоретический коэффициент

концентрации, то величина <7 для этих материалов оказывается близкой к единице и колеблется в диапазоне 0,8 + 0,98. Последнее свойство указанных материалов позволяет более контрастно выявить не только влияние процесса контактной коррозии трения на их усталостную прочность, но и определить роль отдельных факторов этого процесса.

В четвёртой главе приводятся результаты исследований напряженно деформированного состояния (НДС) при статическом нагружении замкового соединения типа «ласточкин хвост». Выявлено наличие неравномерности распределения контактных напряжений на рабочих гранях замковых соединений, которая увеличивается при совместном действии на хвостовик изгиба и растяжения от профильной части лопатки. Максимальная величина контактного давления на границах контакта может при этом повышаться примерно в три раза.

Анализ приведённых результатов показывает, что замковое соединение типа "ласточкин хвост", хотя и несложный конструктивный элемент, в эксплуатационных условиях находится в неоднородном (НДС), усугубляемом наличием фреттинга.

На напряжённость хвостовика (рис. 6). кроме того, оказывают значительное влияние следующие факторы:

— величина угла наклона контактной грани хвостовика (рис. 6.а);

— соотношение между изгибной жёсткостью профильной части лопатки и хвостовиком (рис. 6.6):

— величина статической составляющей (рис. 6.в), которая, в свою очередь, влияет на изменение демпфирующих свойств замкового соединения. С уменьшением угла а динамическая напряжённость хвостовика повышается (см. рис. 6.а), а с уменьшением жёсткости профиля лопатки - снижается (см. рис. 6.6). Рост величины статической составляющей вызывает снижение демпфирования в замковом соединении и некоторое повышение его напряжённости.

Когда твёрдость продуктов повреждения (окислы) выше, чем основного материала, они (при удалении их из зоны номинального контакта) выполняют функцию абразива, а процесс переходит во фреттинг-износ, который способствует удалению из зоны первоначально образовавшихся поверхностных усталостных трещин. При твёрдости окислов ниже, чем у материала, продукты повреждения, попадая в зону контакта, могут выполнять роль твёрдой смазки.

-< -------

30 45 60

Ч>

* се га

Рис. 6. Влияние на относительную напряжённость хвостовика при вибрационном изгибе геометрических и силовых параметров: а) зависимость сра от угла а наклона контактной грани; б) зависимость сржёст от соотношения между изгибной жёсткостью лопатки и

хвостовика;

в) зависимость |ррот изменения статической (центробежной) составляющей

На рис. 3 приведена схема физической модели, поясняющая механизм образования в зоне контакта усталостных макротрещин и повреждений при фреттинге и фреттинг-усталости в малоподвижных соединениях.

В отличие от традиционного процесса износа, когда сопряжённые детали имеют однонаправленное перемещение, однозначной корреляции при фреттинге между механическими свойствами материалов, например по параметру твердости, и процессом фреттинг-износа или сопротивлением фреттинг-усталости обнаружить не удаётся. В частности, показано, что при одних и тех же параметрах процесса фреттинга (величине амплитуды относительных перемещений сопряжённых поверхностей величине давления в зоне контакта, коэффициента трения и др.) повреждаемость поверхности контакта может существенно различаться. Например, для нержавеющей стали 13Х11Н2ВМФ, термо-обработанной на твёрдость НВ = 2800 МПа, при фреттинге ярко проявляются признаки износа (интенсивного образования окислов, каверн, изменения массы и т.д.). Тем не менее, эти признаки повреждения поверхности контакта оказывают существенно меньшее влияние на снижение предела выносливости, чем последствия процесса схватывания, которые не обнаруживаются у этой стали с твёрдостью НВ >3100 МПа и проявляются в виде отдельных незначительных локальных повреждений поверхности.

В первом случае процессы абразивного износа сопровождаются удалением слоев с большей части зоны контакта, где возникли усталостные микротрещины. Во втором случае, когда отсутствует абразивный износ, ведущими оказываются локальные процессы схватывания материалов, а в зоне контакта возникают благоприятные условия для образования и развития усталостных микротрещин.

На поверхности образцов из титановых сплавов, повреждённых фреттингом, наблюдались не механические повреждения поверхности абразивом, а следы от воздействия вязкой аморфной среды окислов. Поэтому результаты исследования физических свойств и химического состава продуктов фреттинга на повреждённых поверхностях контакта могут быть не объективными. Это объясняется тем, что они могут являться следствием процесса, а не реально действующими при фреттинге факторами.

Из зависимости [ст^] = /(<р), представленной на рис. 8. следует что минимальное значение предела выносливости соответствует (р = 45°, а максимальное для ф = 70°. Это хорошо согласуется с результатами динамического тензометрирования. Влияние покрытий и температуры испытаний на усталость замковых соединений можно проследить по результатам испытаний хвостовиков из стали 13X11Н2В2МФ и титановых сплавов ВТ10 и ВТ8.

Сравнительно небольшое снижение пределов выносливости при значительном увеличении напряжений смятия свидетельствует о второстепенной их роли в формировании несущей способности замкового соединения по крайней мере при значениях асрм » ЮОМПа. Это хорошо согласуется и с результатами исследований на фреттинг и фреттинг-усталость.

а« [МПа] 250г

200 150

100 во

60

О

ч. • 3

с\ <; \ • 4. ч — /

105 106

10' 108 ЬХиикш

Рис. 7. Кривые усталости замковых соединений из стали 13X11Н2ВМФ 1 - вариант ,образцы 1; 2 - вариант, образцы 2; 3 - вариант, образцы 3.

(о а )°тн

(о,м) отн

(а) (б)

Рис. 8. Зависимость относительного значения предела выносливости (сга)отн от угла наклона контактной грани (а) и от относительного значения напряжения

смятия (б)

Образование после упрочняющих обработок в поверхностном слое хвостовиков сжимающих напряжений не устраняет на площадках контакта процесса фреттинга, однако развитие разрушения замедляется наличием сжимающих остаточных напряжений и при благоприятной асимметрии цикла в поверхностном слое. Упрочняющие обработки хвостовиков способствуют повышению предела выносливости замковых соединений на 25...50 % и более, а защитные покрытия типа ВАП. Ag, № или Сс/ с учетом предварительной подготовки поверхности повышают предел выносливости на 10... 15 %.

Сопротивление усталости замковых соединений из титановых сплавов при температурах свыше 300°С снижается вдвое. Например, предел выносливости хвостовиков из сплава ВТ8, упрочненных ультразвуком и покрытых ВАП или

на базе N = 108 циклов при Гисп = 450°С составил 55 МПа, в то время как при Гисп = 20°С <таболее 130 МПа.

Сравнивая несущую способность однотипных замковых соединений, выполненных из различных конструкционных металлических материалов сплава ВТ8, сплава ХН77ТЮР и коррозионно-стойкой стали аустенитного класса ХН45МВТЮБР-ИД, подвергнутых упрочнению ультразвуком и имевших покрытие Ag или ВАЛ, можно отметить, что максимальный предел выносливости аа = 120 МПа получен для сплава ХН77ТЮР и стали ХН45МВТЮБР-ИД, а минимальный - для ВТ8 (сга = 55 МПа). Это позволяет заключить, что наименее чувствительным к фреттинг-коррозии - фактору, определяющему несущую способность замкового соединения, являются сплав ХН77ТЮР и сталь ХН45МВТЮБР-ИД. Более чувствительны к фреттингу оказались стали типа 13X11Н2В2МФ и особенно титановые сплавы ВТ8, ВТ 10 и ВТЗ-1.

Поверхностное упрочнение хвостовиков способствует снижению предельной температуры применения конструкционных материалов примерно на 50°С.

1000 900 S00

"00 600 500 ■100

ю: !0: 10-' 10' N.циклов

Рис. 9. Кривые малоцикловой усталости (МЦУ) замковых соединений (1,2,3 - Тшп =20°С; Г, 2', 3' - Гисп = 450°С), где 1 и Г- покрытие ВАП; 2 и 2'- покрытие серебром; 3 и 3' - ультразвуковое упрочнение+покрытие ВАП

Полученные результаты испытаний на МЦУ (рис. 9,10) показывают, что минимальная долговечность при нормальной температуре характерна для замковых соединений без защитных покрытий или покрытых ВАП. Покрытие серебром увеличивает долговечность в 1,5~2 раза. Преимущество покрытия

серебром по сравнению с покрытием ВАЛ может быть связано с тем, что покрытие серебром обладает более низким коэффициентом трения. Вследствие этого увеличиваются амплитуды относительных перемещений между хвостовиком лопатки и диском, интенсифицируются процессы абразивного износа в зоне контакта, залечивающие повреждения от фреттинга. Аналогичные явления наблюдаются и при испытаниях замковых соединений на многоцикловую усталость.

А

\ »-т 1"

\

V " \ ? -к..?-

ю' N. ц

Рис. 10. Обобщенная кривая малоцикловой усталости для замковых соединений х- разрушения, о- среднее значение долговечности, к.гр - по контактной грани, д - выступа диска, н - по радиусу перехода ножки

Влияние на сопротивление малоцикловой усталости при повышенных температурах в диапазоне долговечности до 104 циклов проявляется в резком снижении Охтах(до 40% при Гисп = 450°С). Для хвостовиков, упрочненных ультразвуком, отмечается снижение прочности при Т„т = 300°С, что вызвано процессами разупрочнения пластически деформированного слоя. Однако при "гшах = 600 МПа и долговечности более 10' ц в исследованном диапазоне долговечность упрочненных хвостовиков увеличивается. При температуре Тис„ = 450°С минимальная долговечность отмечена при напряжениях менее 700 МПа у замковых соединений, покрытых серебром.

Следовательно, технологические и конструкторские мероприятия, направленные на повышение несущей способности замкового соединения и надежности конструкции, должны учитывать все слабые звенья узла: геометрические (концентраторы напряжений) и эксплуатационные - от повреждения фреттинга.

В заключении формулируюся следующие основые результаты работы:

1.Предложена физическая модель разрушения деталей при фреттинге в процессе эксплуатации. Установлено, что основными параметрами процесса фреттинга являются: амплитуда относительных перемещений сопряженных поверхностей; давление в зоне контакта; частота циклического смещения сопряженных поверхностей; количество циклов нагружения; природа контактирующих материалов; внешняя среда и температура, а также особенности состояния поверхности и поверхностного слоя.

2.Предложена комплексная методика испытаний образцов и деталей при действии фреттинга. Металлографическими исследованиями образцов, поврежденных фреттингом, показано, что очагами усталостного разрушения материала, как правило, являются трещины, образовавшиеся на участках локального контакта под действием нормальных и касательных нагрузок.

В зоне контакта при относительных перемещениях сопряженных деталей в зависимости от соотношения касательных и нормальных нагрузок могут иметь место:

— интенсивное разрушение поверхности типа абразивного износа со следами первоначального схватывания материала в виде сглаженных каверн и с выделением у границы контакта значительного количества продуктов окисления поврежденного материала, величина коэффициента трения составляет / = 0.2 0,4;

— абразивное разрушение с преобладанием процесса схватывания (грубые каверны, налипание материала), и образованием продуктов окисления при коэффициенте трения/ = 0,4-Ю,55:

— схватывание со следами продуктов окисления контактирующих материалов ; коэффициенте трения около/ = 0,55.

3.Испытаниями материалов лопаток компрессора в условиях фреттинг-коррозии выявлена роль основных факторов процесса фреттинг-коррозии — амплитуды относительных возвратных перемещений и давления - в снижении сопротивления усталости ряда конструкционных материалов:

— получены зависимости вида о^ = /(ЛР) и of]1 = /(р) с учетом влияния фреттинга;

— показано существование некоторого критического диапазона величин амплитуд перемещений и давлений, при которых имеет место наиболее резкое снижение сопротивления усталости исследованных материалов, поврежденных фреттингом при АР = var и Р = const.

4.Дана оценка несущей способности соединений лопаток с элементами диска при действии фреттинга. Методы ступенчатых испытаний: повреждение фреттингом и последующее испытание на усталость показали, что для титановых сплавов степень повреждения при ступенчатых испытаниях оказывается существенно ниже, чем при испытаниях на усталость в условиях фреттинга.

Для стали 13Х1Ш2ВМФ, сплавов ВТ8 и АК4-1 и различных сочетаний пар из этих материалов получены зависимости пределов усталости от величины давлений в зоне контакта в условиях фреттинга.

Величины эффективных коэффициентов концентрации К' для вероятности разрушения 0,5 с учетом 90% доверительного интервала для среднего значения предела усталости для стали 13X11 Н2ВМФсоставляют = 1,9 - 2,4;

— для сплава ВТ8 = 2,25 - 4,25;

-для сплава АК4-1К*Р = 1,4-1,85.

5.На металлических моделях двухзамковых соединений типа "ласточкин хвост" в условиях действия статического растяжения и переменного изгибающего момента исследована динамическая нагруженость хвостовика лопатки.

Показано, что в общем случае эпюра изгибающего момента в хвостовике не подчиняется линейному закону, а величина максимального изгибающего момента зависит от:

— вида сопряжения выступа диска с хвостовиком;

— угла наклона контактной грани хвостовика;

— величина максимального изгибающего момента в хвостовике может

превышать значение момента в профильной части на 10...35% в зависимости

от типа сопряжения хвостовика с выступом диска;

— с ростом статической составляющей величина относительного момента в хвостовике увеличивается, а с ростом податливости профильной части лопатки -уменьшается.

6.Анализ результатов усталостных испытаний сплавов АК4-1, ВТ8 и стали 13Х11Н2ВМФ в условиях фреттинга, а также замковых соединений, выполненных из тех же материалов, показал, что характеристики рассеяния выносливости в этих условиях остаются постоянными и не превышают значения, определенные для материала при обычных испытаниях на усталость.

7. Наряду с конструктивными мероприятиями, способствующими повышению усталостной прочности замковых соединений целесообразно применение технологических операций сопровождающихся поверхностно пластическим деформированием (методами гидрогалтовки, ультразвуковой обработки),а так же применение «мягких» покрытий (серебрение и др.), которые увеличивают предел усталости на 15 - 30%.

Полнота изложения материалов диссертации в работах. Материалы диссертации работах опубликованные в полном объеме, в том числе:

— в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1.Хаинг М., Павлов Ю.И. Оценка сопротивления усталости конструкционных материалов в условиях действия фреттинг - коррозии // Двигатель. 2010. № 6. С. 20-21.

2.Хаинг М., Петухов А.Н., Павлов Ю.И. Прочность замковых соединений лопаток компрессора при циклическом нагружении // Авиационная промышленность. 2011. № 3. С. 42-45.

3.Хаинг М., Петухов А.Н., Павлов Ю.И. Обеспечение несущей способности замковых соединений лопаток компрессора авиационного двигателя при действии фреттинг - коррозии // Авиационная промышленность. 2012. №1. С. 55-58.

— в другие изданиях:

1 .Хаинг М., Петухов А.Н., Павлов Ю.И. Фреттинг - коррозия в деталях ГТД // Труды МАТИ. 2009. № 15. С. 102-105.

2.Хаинг М., Петухов А.Н., Павлов Ю.И. Роль контактного взаимодействия деталей при фреттинг - коррозии // Труды МАТИ. 2009. № 16.С. 105-110.

3.Хаинг М., Петухов А.Н., Павлов Ю.И. Алгоритмы экспериментального исследования процесса фреттинга для деталей авиационных двигателей // Труды МАТИ. 2009. №16. С. 136-139.

4.Хаинг М. Оценка напряжений в зоне контакта поверхностей деталей ТРД при влиянии фреттинга // Гагаринские чтения международной молодежной научная конференция 2011. № XXXVII. С. 210-211.

5.Хаинг М., Петухов А.Н., Павлов Ю.И. Влияние некоторых конструктивных и технологических факторов замковых соединений лопаток компрессора ТРД на их сопротивление усталостному разрушению // Труды МАТИ. 2011. №18. С. 65-69.

6.Хаинг М., Петухов А.Н., Павлов Ю.И., Ильинская О.И. Влияние на прочность лопаток компрессора особенностей сопряжения хвостовика лопатки с дисковым элементом //Труды МАТИ. 2011. №18.С. 69-74.

7.Хаинг М., Павлов Ю.И. Особенности испытаний лопаток ГТД на усталость // Труды МАТИ2011. №21. С. 178-182.

8.Хаинг М., Петухов А.Н., Ильинская О.И. Влияние состояния поверхностного слоя лопаток ГТД на сопротивление усталости // Труды МАТИ. 2013. №21. С. 204-207.