автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Повышение ресурса деталей газотурбинных двигателей на основе анализа напряженно-деформированного состояния

005008909

На правах рукописи

л4

ЯБЛОКОВА НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность: 05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0Е5 2012

Санкт-Петербург - 2012

005008909

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник, Трофимов Валерий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор,

Титовец Юрий Федорович

Защита состоится " 21_" февраля 2012 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.229.19 в ФГОБУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, лабораторно-аудиторный корпус, кафедра «Машины и технология обработки металлов давлением». Факс: (812) 552-67-26 e-mail: yabl-natalya@yandex.ru

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан — " 18 " января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Барахтин Борис Константинович

Ведущая организация: ОАО «Климов»

доктор технических наук, профессор

Востров В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное производство газотурбинных двигателей (ГТД) авиационного и наземного применения не представляется возможным без анализа и экспериментального исследования напряженно - деформированного состояния (НДС) деталей ГТД. Для оценки и обеспечения надежной работоспособности ГТД в целом большое значение имеет анализ напряжений и деформаций в наиболее нагруженных и ответственных деталях -на лопатках и дисках ГТД. Исследование остаточных напряжений (ОН) проводится на поверхностях деталей в зонах концентраторов напряжений - это замки, полки, кромки лопаток, межпазовые выступы дисков и т.д. ОН в значительной степени определяют качество ГТД и его ресурс. Анализ НДС деталей ГТД в процессе изготовления и после эксплуатации методами рентгеност-руктурного анализа (РСА) позволяет установить критерии оценки ресурса.

Анализ литературы показал, что отсутствует единая методология контроля НДС на деталях машиностроительной отрасли методом РСА с учетом многих факторов (текстура, градиенты напряжений, многофазная структура), влияющих на точность измерения напряжений, отсутствует практическое применение методик РСА при сложном напряженном состоянии в реальных изделиях ГТД. Развитие метода РСА, включая анализ требований стандартов в этой отрасли требует разработки новых методик комплексного исследования параметров напряженного состояния материалов и других параметров, которые определяют формирование НДС и повышение ресурса деталей ГТД.

Проблема решения вопроса оценки долговечности и ресурса, определения критериев оценки «преддефектного» состояния деталей ГТД на основе анализа НДС и параметров структуры методами РСА является актуальной.

Объект и предмет исследования: лопатки и диски авиационных ГТД, способы обработки деталей ГТД из никелевых и титановых сплавов.

Целью диссертационной работы является повышение ресурса особо ответственных деталей ГТД на основе анализа напряженно-деформированного и структурного состояния поверхностных слоев лопаток и дисков ГТД в зонах концентраторов напряжений методами рентгеноструктурного анализа.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• разработать комплексную методику РСА для исследования и контроля НДС деталей ГТД;

• исследовать влияние различных технологических операций обработки лопаток и дисков авиационных двигателей на формирование НДС в поверхностном слое материала;

• определить оптимальные технологические параметры рентгеносъемки дисков и лопаток;

• разработать эталонные образцы с мерами оценки уровня ОН методами РСА, обеспечивающих выполнение требований стандартов в машиностроении;

• разработать программы автоматизированного расчета компонентов тензора напряжений и структурных параметров, на основании которых предложить способ оценки остаточного ресурса ремонтных дисков компрессора методами РСА.

Научная новизна:

• Разработана комплексная методика для анализа НДС поверхностных слоев деталей методами РСА для применения в технологиях производства ГТД.

• Определены критерии качества лопаток турбин и компрессоров, повышающие ресурс ГТД.

• Предложены критерии оценки остаточного ресурса дисков компрессора низкого давления из сплава ВТЗ-1 по измерению ОН неразрушающим способом.

• Разработан способ определения интегрированного структурного параметра, позволяющий определить стадию «преддефектного» состояния материала ремонтного диска.

• Методом РСА определено напряженное состояние диска компрессора высокого давления из сплава ВТЗ-1, разрушенного в эксплуатации. Показано, что в зонах разрушения диска деформации описываются эллиптической функцией е = f(siir у/ ), что означает наличие объемно-деформированного состояния в приповерхностных слоях диска.

Практическая значимость

Результаты исследования данной диссертационный работы отражены в стандартах авиационного предприятия ОАО «НПО»Сатурн» для анализа НДС деталей ГТД методами РСА . Стандартизация методов анализа ОН на деталях ГТД позволяет установить единые требования по использованию методологии проведения измерений и обработки экспериментальных данных, а анализ экспериментальных результатов исследования НДС деталей ГТД позволяет оптимизировать производственные процессы изготовления и ремонта ГТД.

Созданы внешние эталоны с заданным уровнем напряжений, испытанных в аттестованных лабораториях «Snecma Moteurs» (Франция), «Stresstech» (Финляндия) и ОАО «НПО»Сатурн» (Россия). Создание эталонных образцов (внешних эталонов) с мерой напряжений позволили аттестовать технологические процессы изготовления двигателей SAM-146 , Д30КУ-КП-КУ154.

Полученные критерии оценки степени повреждения ремонтных дисков КНД из сплава ВТЗ-1 по изменению параметров напряженного и структурного состояния материала дисков, определенных методами РСА, позволяют неразрушающим способом определять «предцефектное» состояние ремонтных дисков двигателей ДЗОКУ/КП/КУ-154 с различной наработкой в эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

• Комплексная методика анализа напряженно-деформированного состояния деталей ГТД.

• Результаты определения напряженно-деформированного состояния лопаток и дисков компрессора авиационного двигателя из титанового сплава ВТЗ-1 методами РСА.

• Методики и результаты оценки «преддефектного» состояния ремонтных дисков КНД из титанового сплава ВТЗ-1 по определению интегрированного структурного параметра неразрушающими методами РСА.

• Результаты определения напряженно-деформированного состояния жаростойкого покрытия Al-Y-Si лопаток турбины авиационных двигателей из жаропрочного никелевого сплава ЖСбУВи.

• Результаты определения напряженно-деформированного состояния лопаток турбины авиационных двигателей из жаропрочного никелевого сплава ЖС6К после глубинного шлифования.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений физики твердого тела, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных), программного обеспечения для автоматического способа проведения измерений и обработки экспериментальных данных. Достоверность научных выводов и рекомендаций обеспечивается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 6 научно-технических конференциях, в том числе на: Международной научно-практической конференции «XXXIX, XL неделя науки СПбГПУ», СПб., 2010,2011; на III Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века», М., ЦИАМ, 2010; на VI Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов»,Черноголовка, 2010; на научно-технической конференции «Создание и исследование конструкционных материалов для новой техники», М., ВИАМ ,2011; на XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю технической диагностике, Самара, 2011.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 9 печатных работах, в том числе в 3 статьях в изданиях, входящих в список ВАК РФ. Библиографический список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из 5 глав (включая введение и заключение) и содержит 169 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 91 наименования, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, поставлены основные задачи. Показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, даны сведения об апробации работы.

В первой главе приведен обзор данных отечественных и зарубежных источников по методикам, посвященных по оценке ресурса деталей и конструкций машиностроения методами РСА. В работах описаны способы оценки ресурса деталей машиностроения по изменению напряженно-деформированного и структурного состояния. Показано, что НДС и параметры структуры определяют прочностные и эксплуатационные свойства деталей

гтд.

На точность определения величины компонентов напряжений на деталях ГТД методами РСА, влияет структура и фазовый состав, метрологические параметры измерительного оборудования, геометрия детали и шероховатость поверхности. Поэтому, методики определения компонентов напряжений методами РСА должны обеспечивать единую методологию обработки экспериментальных данных с учетом указанных факторов на точность измерения напряжений.

Вторая глава включает разработку комплексной методики анализа макронапряжений на деталях ГТД методами РСА, основанных на точном измерении периодов кристаллической решетки. Принцип измерения с помощью рентгеновского излучения основывается на законе Вульфа-Брэгга. При дифференцировании уравнения Вульфа-Брэгга получается соотношение:

= -ejctge,„ (i)

где с!„ (в„) и v (вщ/)- межплоскостные расстояния (углы Вульфа-Брэгга) для плоскостей (hkl) для недеформированного и деформированного материала.

В материале выбирают кристаллическую фазу, в которой будут определять напряжения. Для этой фазы измеряют положение или смещение дифракционной линии (hkl) в зависимости от углов ср и \|/ именно так, как указано на рисунке 1.

Связь между деформацией и напряжением в любом направлении ср (азимутальный угол) определяется следующем соотношением (метод sin2^):

£».„ -К -c3,)sin2 v|/ + -jS2|htll -о,, +Sl|hlu -Tr(cr)+^-S2|hkl¡ -Tv -sin(2í|/), (2)

Tr(o) = CT,, + o12 + o„; <jp = (a,, eos' (p + ar sin 2<p + сt„ sin: <p); = (o-,, eos <p + O,, sin <p); L5, = ; S, = --.

где у/ -угол между нормалями к поверхности образца и к плоскости отражения (hkl); o,,,o:2ais(or,auo2S) -нормальные (касательные) компоненты тензора

напряжений; ¿s, и S, - рентгеновские постоянные упругости; Е-модуль упругости, V -коэффициент Пуассона.

Выражение (2) описывает эллиптическую зависимость е = /(sin2 у/), если касательные компоненты тензора напряжений аи и <т,, не равны нулю.

При графическом представлении (рисунок 16) формулы (2), применяются следующие обозначения:

<х=-3цш} '(4,-0",,А' £„=« =^S2[hkl]-(j33+Sim-Tr(o); A=~s:m-rv.

В традиционном методе исследования ОН sinV принимается, что зависимость £ = /(.sin2 у/) является линейной, без расхождения результатов измерения £ - /(siir у/) при положительных и отрицательных углах наклона ± ц/ (без «расщепления» функции e = f (sin2 у/) при углах наклона ± у/).

Рисунок 1 - Система отсчета, связанная с деталью Рисунок 2- Графическое

для определения ОН методом РСА.

представление закона s¡n2i|/.

При решении практических задач часто это условие не выполняется. Для таких случаев Хаук и Дёлле предложили метод определения компонентов напряжений при определении £ = f (sin2 у/) с расщеплением ± у/ для значений <р=0°, р = 45° и <р-90". Определяются два параметра а, и а2 с помощью выражений:

ij

2lm 2d„

= {en eos2 Ç + £l2 Sin2ç+£„ sin2 Ç-£,,}silf y/+£„

a2 = [£„, - £„- ] = d"¥* = {£„ eos(p + £2I sin2(p}sin\2y/\,

¿ 2a„

где = (-1) ■ \¡/t и sin 2(f+ - sin 2\¡/_ = 2 sin|2yj .

(3)

Параметры а, и а2 можно представить через компоненты напряжений (ап=0):

d¥. +0V J , 1 о J ■ '

а, •- 2 = d„ +-S,-с/-0,-sin- у/-, (5)

du -d„ 1

а, := v> v- = -S, -Tv -sinfy. (6)

Для определения параметров а, и а2 строятся графики зависимости at=f(sin2y/) для углов ср=0", q> = 45° и ^ = 90° (линейная зависимость) и а,= f(sin2y/) для углов <р= Ои <р = 90 (эллиптическая зависимость). Значения а, и а2 определяются способом аппроксимации для линейной и эллиптической зависимости.

Выражение (6) представим в виде эллиптической зависимости a, =±2B-Jх-х' , где x = sin~'y/ и B = l/2S,dl,tf>. Таким образом, для определения компонентов касательных напряжений а13 и аи требуется решить систему из двух уравнений с двумя неизвестными, для расчета компонентов напряжений 0ц,0п,0п (включая главные напряжения.ст„И( = а„ -о3! и ст,„„ =сг„ -ви) - систему из трех уравнений с тремя неизвестными (для а,, = 0).

В случае плоского напряженного состояния (= 0 и г(, = 0 ), формула (2) упрощается:

Ew = |s2(hU, • о, • sin2 \|/ + S1(hU, • Тг(о) (7)

Оборудование для анализа ОН и метрологические характеристики

На портативных специализированных анализаторах напряжений с у -модифицированным гониометром, где используются съемные дуги гониометра разного диаметра, калибровка решает две задачи: в первых, позволяет установить расстояние от коллиматора до исследуемой поверхности с учетом выбранной конфигурации измерительной системы, а во вторых определяет на дуге гониометра угловой диапазон по шкале 20. Для калибровки рентгеновского анализатора напряжений XSTRESS 3000 G3 применяли спеченные порошковые образцы (Ni, a-Ti, LaBb( ГСО ПРФ-12)). Результаты испытаний ГСО ПРФ-12 на рентгеновском анализаторе напряжений XSTRESS 3000 G3 с использованием излучения Ti — К„, показали, что калибровка на угол 20(022) = 138,47° может быть использована для аттестации измерений ОН на деталях ГТД из титановых сплавов, а калибровка по линии (122) на угол 20(i22) =165,27' дает точные метрологические характеристики брэгговских углов

Параметр

Лаборатория

для поверки рентгеновского анализатора напряжений с применением ГСО 8631 ПРИ-7а (AUOy).

В таблице 1 представлены результаты испытаний внешнего эталона («мера напряжений») из сплава ВТЗ-1 для аттестации измерений ОН на лопатках и дисках компрессоров в соответствии требованиям стандартов ХРА 09-285 и SAE International HS-784 . При проведении испытаний внешнего эталона использовали режимы рентгеносъемки (рисунок 3): излучение - Cu-K„(Ti-K„), р - фильтр -Ni (нет фильтра), коллиматор -Змм (3 мм), осцилляции: Ai// = ±4, (Al/f = ±4, ), 1/2S,= 11,4 МПа"1 ,{l/2S,= 12,l МПа1), 2в2,3 = 141;,{2в„„ = 139;), у/ = 0,±40 (у/ = 0,±40 ), количество наклонов ±у/ ,-+8/-8 (+5/-5). Функция обработки пика: Гаусс (Гаусс), функция вычитания фона: линейная (параболическая), коррекция: LPA (LPA).

Таблица 1 - Результаты испытания внешнего эталона из сплава ВТЗ-1.

Рисунвк 3 - Внешний эталон.

Примечание : * - измерение остаточных напряжении проведено на титановом излучении для отражающей плоскости (110) фазы а - П , а все остальные измерения проводились на медном излучении для отражающей плоскости (213) фазы а - П .

«НПО»Сатурн»

Snecma (Франция)

Stresstech (Финляндия)

Остаточные напряжения ах, МПа

- 399 ±14 (- 428 ±20)'

-392 ±6

-405 ±9 (-414 + 10)'

Остаточные напряжения а.,, МПа

-437 + 12 (-477 + 25)'

-435 + 9

-442 ±14 (-447 ±12)*

В третьей главе изложены результаты исследования НДС на лопатках ГТД из жаропрочных никелевых сплавов после нанесения покрытий и обработки глубинным шлифованием рентгеноструктурным и механическим методами.

В процессе анализа ОН в жаростойком покрытии ВСДП11 лопаток турбины из сплава ЖСбУВи проведены исследования структуры, элементного, фазового состава, параметров рентгеновского спектра и рентгеновской упругой постоянной. Анализ ОН в покрытии проводили по основной фазе покрытия ША1, использовали режимы рентгеносъемки: 1) излучение Сг-Ка\ линейный коэффициент ослабления // = 84 мм"1; 20(Ш)=153°; глубина проникновения рентгеновских лучей в материал при у/ = 0 и ц/= 40 составляет

^,^,=6 мкми г.......= 5мкм; 2) 77-К„, 29ащ= 144", // = 141мм"1, 3

мкм, =2мкм.

Значение рентгеновской константы упругости Е/( 1 + V), необходимое для расчета ОН от напряжений, измеренного при нормальном состоянии для плос-

костей (211) и (200) фазы покрытия лопатки NiAl при использовании рентгеновского излучения Cr - Ка и 77 - Ка, предварительно определено экспериментальным способом - с использованием простой балки прямоугольного сечения, изготовленной из материала лопатки с нанесением покрытия, нагруженной в четырехточечном изгибе на дифрактометре до известных уровней напряжений и с измерением полученного изменения межплоскостного расстояния плоскостей, в соответствии с ASTM Е1426. Получены результаты рентгеновской постоянной упругости для отражающей плоскости (211) на излучении О - ка : Е/(l + v) = 90,5 ГПа, для(200)на Ti-Ka:E/(l + v) = 67,8 ГПа.

Формирование по глубине покрытия ВСДП11 лопаток ГТД из сплава ЖСбУВи остаточных напряжений сжатия с максимальной величиной на поверхности покрытия порядка -160 ±40 МПа позволили обеспечить прочностные и эксплуатационные свойства лопатки при усталостных испытаниях.

При исследовании НДС на лопатках ГТД из сплава ЖС6К методами РСА после различных режимов обработки глубинным шлифованием (ГШ) были выявлены «крутые» градиенты напряжений. Для анализа напряженного состояния на этих лопатках после ГШ были разработаны методики, позволяющие делать поправку на величину остаточных напряжений из-за градиентов и различия в глубине активного слоя под углами Использовали режимы рентгеносъемки: излучение - Mn-Ка, фаза Ni3Al, 20,,,,, =152-153', угол наклона i|/ = ±40°, осцилляции по i|/ = ±4°, осцилляции по ф = ±10°, конфигурация гониометра для ПСИ модифицированного режима. Рентгеновская постоянная упругости E/(l + v ) = 152 ГПа.

Анализ результатов остаточных напряжений на лопатках с применением методов РСА позволил выбрать оптимальный режим глубинного шлифования, для которого вдоль направления обработки и перпендикулярно ему действуют остаточные напряжения сжатия, близкие по величине. Повышение ресурса лопаток из сплава ЖС6К после различных режимов глубинного шлифования обеспечили оптимальные значения остаточных напряжений на исследованных лопатках, которые составляют от - 350 до -550 МПа в направлении вдоль направления обработки глубинного шлифования и от -500 МПа до -800 МПа в направлении, перпендикулярном этому.

В четвёртой главе представлены результаты исследования лопаток компрессора высокого давления (КВД) из титанового сплава ВТЗ-1 после обработки поверхности виброгалтовкой. Анализ НДС проводили на кромках пера лопатки (точка №1 - выходная кромка, точка №2-входная кромка) и в зоне перехода от пера к замку лопатки (точка №3) со стороны спинки и корыта.

Оборудование и режимы рентгеносъемки: рентгеновский анализатор напряжений XSTRESS 3000 G3R с конфигурацией у/ - модифицированного гониометра, излучение 77 - Ка, напряжение 25 кВ, сила тока 6мА, D=50 мм, фаза a-Ti, 2впи1) = 139°, Лу/ = ±4; E/(l + v) = 83 ГПа. Удаление поверхностных слоев проводили способом электрополирования прибором Movipol-3.

В зоне перехода от пера к замку лопатки со стороны корыта происходит уменьшение величины остаточных (рисунок 4) и главных напряжений сжатия. Характерна анизотропия напряженного состояния. Не выполняется линейность функции деформации £ = /(sin2 у/), наблюдается «расщепление» функции £ — ffsirí у/) при углах наклона ±у/. Отсюда следует, что применяемый метод обработки поверхности лопаток виброгалтовкой формирует сложное напряжено-деформированное состояние в зоне перехода от пера к замку лопатки со стороны корыта и традиционные методики анализа напряжений методом sin:у/ не применимы. Для анализа НДС расчет компонентов тензора напряжений на лопатке КВД проводили методом Хаука-Дёлле (таблица 2). На выходной кромке и в зоне перехода от пера к замку лопатки со стороны корыта действуют значительные по величине касательные напряжения. Это обусловлено тем, что в этих зонах лопатки формирование ОН, в основном, происходит за счет режимов механической обработки поверхности, а не режимами упрочнения виброгалтовкой. На лопатках в зоне перехода от пера к хвостовику лопатки определено опасное напряженное состояние для условий эксплуатации.

Томки измерения на лопатке

2 3

.-Í

—•— -45_спинка —•— +45_спинка --D-- о_корыто

—■— 0_спинкз

- - ©---45 _ корыто

+45_корыто

Глубина h. глкм

40 60 80

g-400 §-500

- - *---45

--•-- О

+45

Рисунок 4 - Распределение ОН на поверхно- Рисунок 5 - Распределение ОН в приповерх-сти лопатки КВД в точке №3. ностных слоях лопатки КВД в точке №3.

Таблица 2-Результаты расчета тензора напряжений на лопатке КВД, МПа.

ебдасть измерения точка измерения" -—— Спинка корыто

точка №1 (выходная кромка) /-466 -11 5 \ -11 -444 17) \ S 17 0 / /-440 115 -22" 115 -358 -44 \ -22 -44 0

точка №2 (входная кромка) ( '-504 9 -15) 9 -493 5 1 -15 S 0 / /-486 -62 -2\ -62 -47В 19 1 V. -2 19 0 /

точка №3 (зона перехода от пера к замку лопатки) /-496 2 25\ 2 -502 14) ^ 2S 14 0/ /-437 124 0 \ 124 -348 25 V 0 25 0 /

10

„и-

«ГО

На лопатке КВД из сплава ВТЗ-1 определена корреляционная зависимость между величиной микротвердости Ну и полушириной линии в(||0):

Ну = 3,5*Вцо + 225. * «

.................... ...........:..... ЛЩ....................................................

При исследовании диска КВД из сплава ВТЗ-1, разрушенного в эксплуатации функция £ = /(ят' Ц/) в большинстве случаев описывает эллиптическую зависимость (рисунок 6) и для неё характерно расщепление по +1//.

Для установления реального НДС диска КВД в зоне очага разрушения определены компоненты тензора напряжений на полотне диска методом РС А: а,, = сг,2=9М7а, ап = —29МПа, а2, =-45МПа.

На ступице в окружном направлении диска измерены ОН растяжения. Максимальные главные напряжения растяжения, также определены на ступице диска перпендикулярно плоскости разрушения, т.е. в окружном направлении диска.

Рисунок 6. Изменение межилоежостного расстояния d от sin * | q олсутне диске s зоне очага разрушения

а) <р= и , о.?<р = 45*,,e)q» = 90*

-гИМПа, а21=-\ЪМПа,

В пятой главе приведены основные результаты диссертации по исследованию НДС и структурного состояния дисков КНД. Предложен способ оценки остаточного ресурса ремонтных дисков на основе данных периодических исследований параметров напряжений и структурных параметров на ремонтных дисках и по критериям предельного состояния в зонах концентраторов напряжений. Зоны концентраторов напряжений на диске КНД изображены на рисунке 7. Схема измерения напряжений на диске КНД представлена на рисунке 8. Анализ НДС в пазах дисков КНД проводили разрушающим способом, а на торцах обода без разрушения диска.

£ЯИР

Я

в)

Рисунок 7- Опасные зоны концентрации напряжений на диске КНД: а) в районе заднего торца обода (на выходе диска) со стороны корыта лопатки; б) в середине паза со стороны спинки лопатки, в) задний торец обода дефектного диска.

г

I

а) б)

Рисунок 8 - Схема измерения параметров напряженно-деформированного и структурного состояния на диске КНД.а) в радиусе паза; б) на торцах обода.

Создание вдоль поверхности паза дисков КНД ОН сжатия после протягивания от -50 МПа до -220 МПа и после упрочнения дробеструйной обработкой - от -300 МПа до -450 МПа приводит к повышению ресурса диска в эксплуатации.

Величина остаточных напряжений в приповерхностных слоях радиуса паза диска КНД после протягивания паза вдоль и перпендикулярно пазу диска практически одинакова, что характеризует стабильность технологического процесса протягивания (рисунок 9а). При последующем упрочнении поверхности паза увеличивается величина и глубина залегания максимальных остаточных напряжений. На торцах обода диска после упрочнения распределение ОН в приповерхностных слоях в окружном и радиальном направлениях диска практически одинаково (рисунок 96). Анализ ОН в радиусе паза в перпендикулярном направлении, в торцах обода - в окружном направлении позволяет получить наибольшую информацию при изучении и установлении критериев оценки ресурса дисков КНД в эксплуатации.

Рисунок 9 -Распределение ОН на образце №1 из ремонтного диска КНД по глубине после протягивания и упрочнения паза. а)на межпазовом выстутге, б) на заднем торце обода.

На рисунке 10 представлены зависимости полуширины В(Ш) дифракционной линии (11.0) для фазы а - 77 и микротвердости Ну на заднем торце

обода диска КНД с различной наработкой в эксплуатации с правой стороны паза. Величину микротвердости Ну определяли на наклонном шлифе прибором ПМТ-3 (нагрузка 0,1 кг), величину полуширины 5(Ш), определяли с помощью анализатора напряжений ХБТИЕЗБ 3000 03 при шаговом локальном удалении поверхностных слоев на приборе Моу1ро1-3 . Из рисунка видно, что характер изменения в(П0) и Ну одинаковый. С увеличением наработки диска в эксплуатации происходит увеличение Ну и В(1|0). Определена корреляционная зависимость между величиной микротвердости Ну и полушириной Вт) (Ну = 1,6*Вцо + 295,0 ), позволяющая проводить оценку микротвердости на поверхности торцев обода ремонтного диска КНД неразрутающим методом РСА.

Рисунок 10 - Распределение полуширины В(110) и микротвердости Ну на заднем торце обода диска КНД с правой стороны паза, а) наработка 2000 ч (1600 ц ), 6)4200 ч (2600 ц ).

С увеличением наработки диска в эксплуатации величина ОН сжатия на задних торцах обода увеличивается, передних торцах обода уменьшается (рисунок 11). Определен критерий оценки «преддефектного» состояния диска по определению соотношения средних величин ОН в дисках КНД на заднем о, и

— 1 31

переднем торцах обода а„с правой стороны паза Ка = — ) ■

И

Из рисунка 12 видно, на дисках 2 и 3 после ресурсных испытаний на установке УИР-3 ширина В0 дифракционной линии (11.0) фазы а-77 на диске 2 увеличивается, а на диске 3-уменьшается. Изменение В„ на торцах обода диска 2 происходит равномерно по всем точкам измерения, а на диске 3 происходит в локальных областях. Максимальное увеличение полуширины В„ дифракционной линии (11.0) определено на заднем торце обода диска 3 с правой стороны паза с номерами 1-5. Структурное состояние диска 3 после испытаний на установке УИР-3 относится к предельному случаю, до испытания на установке УИР-3 - к «преддефектному» состоянию.

эксплуатации (УИР) составляет: диск 2- 5300 циклов (2000 ц), диск 3 - 5800 циклов (320 ц)).

45 С! то о. Выход диска номер паза 10 15 20 25 30 35 Выход диска „о„ер „аза 0 5 10 15 20 25 30 35

диск 3. диск 3. диск 2 Ьискг удо УИР_правь УИР-3^0 ц_пр до УИр_правь УИР-2000 ц_п 1ВЫЙ й . >авыи : И п . а 1 диск Зцдо УИр_левыИ диск 3;_УИР-320 ц^левый диск 2|_до УИРлевьй диск 2|_УИР-2?)00 ц_девый

со 35 • 30 ! Л,, «Л Л/ У" » Дл /\ ¡'л. У к л V. \ , \ а? 35 30 л /» 5 к л V У? 1 №

/ 4» чЛЛ ; 1о*/\ 1 I

5 Вход диска номер паза 0 15 20 25 30 35 Вход диска номер паза 0 5 10 15 20 25 30 35

с£ ге а - диск 3_ циск 3_ диск 2_ циск 2_ до УИР._правь УИР-32|0ц_пр до УИР_правь УИР-2000 ц_п 1ВЫИ й . >авыи ч: л а ®40,000 СО 35,000 30,000 ■ Е диск 3 !_Д0 УИр_левый диск З^УИР-320 ц_лбвый диск 21. до УИ р_левы|й диск 2!_УИР-2Р00 ц_4евый

а? /А А Д,'У /Ч А / л VIII ' ш Л \ ! • • г, ;{«• л I 1 ш п я* ! \ * К.» Ж....' ...Л Хк\* А 1 ?! 1 1

А; А У V* 14 К ¡т| * 1т» Г V" «71 V 1

30,000

Рисунок 12 - Изменение полуширины В„ дифракционной линии (11.0) фазы а — И при перпендикулярном падении рентгеновского луча (у/ = 0 °)на заднем и переднем торцах обода дисков КНД до и после УИР-3 с правой и левой сторон паза.

Параметр К а на диске 2 (диске 3) до испытания на установке УИР составил 0,8 (1,3), после испытания на УИР - 1,2 (1,6).

На дисках КНД области максимальной нагруженности в эксплуатации (в опасных зонах концентраций напряжений), вид и уровень напряженного состояния известны. В зонах диска, где происходит разрушение в процессе испытаний присутствует текстура. Проведение экспериментальных измерений текстуры трудоемкий процесс и не всегда возможно провести точное исследование в этих зонах из-за сложного профиля и габаритов деталей.

Предлагается экспресс способ определения интегрированного влияния текстуры и пластической деформации на структурное состояние поверхности диска КНД. Определение интегрированных структурных параметров проводится следующими соотношениями:

Ю =

(П.О)^

J,

(01.3 Ло1.3 Жр

(8)

д _ А П.ЩКь, J _

А

(ои/Кц

1 СП н.

ДЛо

Рисунок 13- Рентгенограмма на торце обода диска КНД

Лп.аж^ Нцаижл/, V^(01.з■

ширина (интегральная интенсивность -площадь профиля дифракционной линии без фона) дифракционной линии (11.0) при использовании излучения Т1-Каи (01.3) при использовании излучения Т1 - Кр (рисунок 13).

В соотношении (8) вместо интегральной интенсивности I возможно использовать максимальную интенсивность дифракционной линии 1тах. Использование предлагаемого ••; способа определения интегрированных структурных параметров на диске КНД обеспечивает проведение экспресс анализа повреждаемости материала диска в процессе эксплуатации и ресурсных испытаний, определение остаточного ресурса ремонтных дисков неразрушающим способом и оптимизацию способов изготовления и обработки поверх-

Нар циклов

Рисунок 14 - Изменение параметра ВТ на заднем торне обода диска КНД с правой стороны паза в зависимости от наработки.

ности дисков для повышения ресурса. Величина параметра ВК2,5, определенная на заднем торце обода диска характеризует «предцефектное» фактическое структурное состояние материала. Из рисунка 14 видно, что изменение параметра В.Г в зависимости от наработки описывается нелинейной функцией. Выявлено, что скорость изменения параметра В.Г в зависимости от наработки выше на дисках КНД с небольшим временем полета в цикле.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана комплексная методика анализа напряженного состояния деталей ГТД на основе систематизации рентгеноструктурных методов определения остаточных напряжений на деталях машиностроения.

2. Установлено, что в результате создания остаточных напряжений сжатия вдоль паза ремонтных дисков КНД из сплава ВТЗ-1 после обработки протягивания в диапазоне от -50 МПа до -220 МПа и дробеструйной обработки - в диапазоне от -300 МПа до -450 МПа повышен ресурс дисков в эксплуатации 2-2,5 раза; на лопатках из сплава ЖС6К после глубинного шлифования определены рациональные уровни остаточных напряжений (- 350 -550) МПа в продольном направлении глубинного шлифования и (- 500 + -800) МПа - в поперечном направлении.

3. Установлены рациональные технологические параметры рентгеносъемки на лопатках и дисках ГТД: на лопатках из сплава ЖС6К после глубинного шлифования при использовании марганцевого излучения: Мп - К„, фаза Ш,А1; угол дифракции 2вип = 152,5"; осцилляция Ауг = ±4', осцилляция А/р = ±10°, рентгеновская постоянная упругости Е/(1 + V) = 152 ГПа; на лопатках из сплава ЖСбУВи с покрытием ВСДП11 на хромовом излучении: О - Ка, фаза №А1, 20(2П)= 153°, Е/( 1 + у) = 91 ГПа и на титановом излучении: 77 - Ка, 20(,(Ю)=144°, Е/(1 + у) = 68 ГПа; на лопатках и дисках компрессоров из сплава ВТЗ-1 на титановом излучении: 7'¡-Ка, фаза а-77; 2в1П11 = 139 ; Ау = ±4°\ Е/( 1 + у) = 83 ГПа.

4. Разработаны внешние эталоны для аттестации технологических процессов измерения ОН на деталях ГТД методом РСА. Подана заявка на полезную модель технологии изготовления эталонного образца меры напряжений.

5. Разработаны программы расчета компонентов тензора напряжений и структурных параметров, на основании которых предложен способ определения параметра напряжений Ка и интегрированного структурного параметра В}, позволяющих определить стадию " преддефектного" состояния материала ремонтного диска. Подана заявка на патент на способ оценки «преддефектного» состояния на дисках компрессоров.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Трофимов В.В., Яблокова H.A. Исследование остаточных напряжений в деталях ГТД сложной формы методом рентгеновской тензометрии. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование №1(117), 2011, СПб, С. 112-117. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК по машиностроению).

2. Яблокова H.A. Анализ напряженно-деформированного состояния лопаток ГТД методом рентгеноструктурного анализа и механическим методом. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование №1(117), 2011, СПб, С. 117-122. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК по машиностроению).

3. Яблокова H.A., Трофимов В.В. Остаточный ресурс ремонтных дисков компрессоров низкого давления. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование №4(135), 2011, СПб, С. 117-121. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК по машиностроению).

4. Яблокова H.A. Анализ остаточных напряжений на лопатках ГТД после глубинного шлифования. Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии. № 3 , Издат-во «РГАТА», 2010, С.149-158.

5. Трофимов В.В., H.A. Яблокова. Определение рентгеновской постоянной упругости в покрытиях лопаток турбины ГТД. XXXIX неделя науки СПбГПУ. Матер, международной научно-практической конференции , 6.12.201011.12.2010, Часть 4, Механико-машистроительный факультет. СПб, 2010, С.116-118.

6. Яблокова H.A. Напряженное состояние в поверхностном слое покрытий лопаток турбины. Авиадвигатели XXI века [Электронный ресурс]: материалы конф., 30.11.2010-03.12.2010, Москва, ЦИАМ, 2010, С.114-117.

7. Яблокова H.A., Трофимов В.В. Анализ напряженного состояния в поверхностных слоях лопаток ГТД.Фазовые превращения и прочность кристаллов: Сб. тезисов VI Международной конференции , 16.11.2010-19.11.2010, Черноголовка, 2010, С. 159-160.

8. Яблокова, H.A., Журавель Е.В., Трофимов В.В. Напряженно-деформированное состояние дисков компрессора низкого давления газотурбинного двигателя. XL неделя науки СПбГПУ:матер. международной научно-практической конференции, 5.12.2011-10.12.2011, часть 4, Механико-машистроительный факультет, СПб, 2011,166-168.

9. Яблокова H.A., Трофимов В.В. Влияние режимов термообработки на напряженное состояние и механические свойства стали 10Х18Н9БЛ . XL неделя науки СПбГПУ:матер. международной научно-практической конференции , 5.12.2011-10.12.2011, Часть 4, Механико-машистроительный факультет. СПб, -2011.-С. 174-176.

Подписано в печать 12.01.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8609Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/1581

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность: 05.16.09-материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Яблокова Наталья Александровна

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.В.Трофимов

Санкт-Петербург - 2011

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР...........................................................10

1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩИМИ МЕТОДАМИ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА.................10

1.2 МЕТОД РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА (РСА) НАПРЯЖЕНИЙ...........16

1.3 СПОСОБЫ РЕГИСТРАЦИИ ДИФРАКЦИОННЫХ МАКСИМУМОВ ПРИ АНАЛИЗЕ

НАПРЯЖЕНИЙ.......................................................................................................19

1.4 ОСНОВНЫЕФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ..........................................................................................................21

1.5 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.....................................................................................................29

ГЛАВА 2 КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД МЕТОДОМ РСА..................32

2.1 РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ МЕТОД sin2 \|/.................................................32

2.2 ТРЕХОСНОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ...............................................54

2.3 РЕНТГЕНОВСКАЯ ПОСТОЯННАЯ УПРУГОСТИ...........................................58

2.4 ВНЕШНИЕ ЭТАЛОНЫ-МЕРЫ НАПРЯЖЕНИЙ.............................................62

ГЛАВА 3 СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ЛОПАТОК ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ НДС.............................................................72

3.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЖАРОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ ЛОПАТОК ГТД НА СПЛАВЕ ЖС6УВИ................................................................................................72

3.2 АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛОПАТКАХ ГТД ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИМ И РЕНГЕНОСТРУКТУРНЫМ МЕТОДАМИ...............................82

3.3 АНАЛИЗ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ЛОПАТКАХ ГТД ПОСЛЕ ГЛУБИННОГО.ШЛИФОВАНИЯ..............................................................................84

ГЛАВА 4 НДС ЛОПАТОК И ДИСКОВ КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (КВД) ИЗ СПЛАВА ВТЗ-1.....................................................................

4.1 АНАЛИЗ НДС И МИКРОТВЕРДОСТИ НА ЛОПАТКАХ КВД ПОСЛЕ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПЕРА ЛОПАТОК ВИБРОГАЛТОВКОЙ..................93

4.2 НДС ДИСКА КВД, РАЗРУШЕННОГО В ЭКСПЛУАТАЦИИ.........................102

ГЛАВА 5 АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ДИСКОВ КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ (КНД) ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТЗ-1...............................................................109

ВВЕДЕНИЕ

5.1 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ДИСКАХ КНД МЕТОДАМИ РСА..........................................................................................

5.2 АНАЛИЗ НДС ДИСКОВ КНД ПОСЛЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.......115

5.3 АНАЛИЗ НДС И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ РЕМОНТНЫХ ДИСКОВ КНД ПОСЛЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ....................................................................................120

5.4 АНАЛИЗ НДС И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ РЕМОНТНЫХ ДИСКОВ КНД ПОСЛЕ РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ....................................................................132

5.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА РЕМОНТНЫХ ДИСКОВ КНД......149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ А..........................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..........................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ В...........................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ Г........................................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ Д...........................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Современное производство новых и ремонтных газотурбинных двигателей (ГТД) авиационного и наземного применения не представляется возможным без анализа и экспериментального исследования напряженно - деформированного состояния (НДС) деталей ГТД. Для оценки и обеспечения надежной работоспособности ГТД в целом большое значение имеет анализ напряжений и деформаций в наиболее нагруженных и ответственных деталях - на лопатках и дисках ГТД. Исследование остаточных напряжений (ОН) проводятся на поверхностях деталей в зонах концентраторов напряжений - это замки, полки, кромки лопаток, межпазовые выступы дисков и т.д. Остаточные напряжения в значительной степени определяют качество ГТД и его ресурс. Характер и величина остаточных напряжений, а также распределение их в поверхностных слоях детали определяется технологическими режимами соответствующей обработки и являются одним из показателей при выборе технологических режимов обработки и при контроле их в условиях производства.

Применяемые методы определения ОН на деталях ГТД в основном являются разрушающими (метод Давиденкова, метод механической тензометрии и т.д.), требуют подготовки поверхности деталей и образцов. При этом используются приближенные методики расчета параметров ОН, методы трудоемкие и не всегда отвечают современным требованиям контроля ГТД.

Наиболее эффективным методом неразрушающего контроля для определения остаточных напряжений в деталях является метод рентгеноструктурного анализа. Действующие методики РСА в российских предприятиях авиадвигателестроения позволяют контролировать ОН только на поверхности деталей несложной геометрии.

В поверхностном слое деталей ГТД после механической обработки материал текстурированный, и могут формироваться градиенты напряжений, что требует разработки применения новых методик исследования для уменьшения погрешности измерения ОН. Кроме того, распределение остаточных напряжений в зонах разрушения деталей имеет сложный характер и традиционные методики РСА не

применимы. Поэтому развитие метода РСА в производстве ГТД требует создания новых методик для исследования деталей ГТД, включая анализ требований зарубежных стандартов и разработки новых методов комплексного исследования параметров напряженного состояния материалов и других параметров, которые определяют формирование НДС на деталях ГТД.

Внедрение новых технологических процессов исследования ОН на деталях ГТД сложной формы с различными комплексными защитными покрытиями (толщина покрытия более 10 мкм) становится возможным в производстве ГТД при использовании специализированных рентгеновских анализаторов напряжений и разработки методик анализа остаточных напряжений, модуля упругости в покрытиях и других параметров РСА.

Настоящая работа посвящена к систематизации способов решения задач существующими методами РСА и разработке комплексной методики для анализа НДС на деталях ГТД. Это особенно актуально, когда среди приоритетных направлений развития авиационных технологий России важнейшее место отводится неразрушающим методам контроля, достаточно эффективно применяемых в производстве ГТД.

Целью диссертационной работы является повышение ресурса особо ответственных деталей ГТД на основе анализа напряженно-деформированного и структурного состояния поверхностных слоев лопаток и дисков ГТД в зонах концентраторов напряжений методами рентгеноструктурного анализа.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• разработать комплексную методику РСА для исследования и контроля НДС деталей ГТД;

• исследовать влияние различных технологических операций обработки лопаток и дисков авиационных двигателей на формирование НДС в поверхностном слое материала;

• определить оптимальные технологические параметры рентгеносъемки дисков и лопаток;

• разработать эталонные образцы с мерами оценки уровня ОН методами РСА, обеспечивающих выполнение требований стандартов в машиностроении;

• разработать программы автоматизированного расчета компонентов тензора напряжений и структурных параметров, на основании которых предложен способ оценки остаточного ресурса ремонтных дисков компрессора методами РСА.

Объектом и предметом исследования являются лопатки и диски ГТД, способы обработки деталей ГТД из никелевых и титановых сплавов.

Методики исследования

Проведены комплексные расчетно-аналитические и стендово-лабораторные изыскания. При планировании и проведении исследований, обработке и интерпретации полученной информации использованы достижения и рекомендации теории и практики (и технологии) в области машиностроения, теории физики твердого тела, теории упругости и пластичности, математической статистики. При экспериментальной оценке напряженно-деформированного состояния, физических и механических свойств поверхностей деталей ГТД применялись методы рентгеноструктурного анализа, электронномикроскопический и элементный анализы и тензометрирование.

Актуальность диссертационной работы.

В настоящий момент современное развитие техники и производства в области машиностроения выдвигает перед конструкторами и технологами все более сложные задачи повышения ресурса ответственных деталей ГТД.

На дисках и лопатках ГТД в процессе эксплуатации значительные изменения структуры и напряженного состояния происходят в приповерхностных слоях деталей в зонах концентраторов напряжений. Эти детали должны обеспечивать надежность ГТД на всех этапах эксплуатации до и после каждого ремонта. На

ремонтных лопатках турбины после эксплуатации в составе двигателя происходит выгорание и разрушение жаростойкого покрытия и торцов пера лопатки. На дисках компрессоров в процессе наработки происходит значительное увеличение плотности дислокаций, исчерпание пластичности в приповерхностных слоях радиуса паза, что может привести к преждевременному разрушению диска во время эксплуатации. Для восстановления потребительских свойств этих деталей проводятся ремонтные мероприятия. Ремонтные мероприятия лопаток и дисков включают удаление дефектных слоев материала, получение требуемых геометрических размеров детали с помощью сварки основного и наплавочного материала, нанесение покрытий, проведение различных видов механической и термической обработки. Для исследования и контроля технологических и конструктивных характеристик детали и конструкций используются методы неразрушающего контроля: дефектоскопии и рентгеноструктурного анализа. Методы дефектоскопии используются для определения внешних и внутренних дефектов в детали после различных видов обработки.

Применение неразрушающих методов рентгеноструктурного анализа НДС в поверхностных слоях деталей ГТД позволяет в процессе производства определить браковочные критерии и оптимизировать способы и режимы обработки деталей ГТД для повышения ресурса деталей в эксплуатации. Использование в ремонтных технологиях производства ГТД неразрушающих методов рентгеноструктурного анализа напряжено-деформированного состояния в деталях и конструкциях, а также структуры материалов деталей с различной наработкой в эксплуатации при различных схемах нагружения позволяет определить ремонтопригодность и остаточный ресурс ремонтных деталей в эксплуатации.

Научная новизна.

• Разработана комплексная методика для анализа НДС поверхностных слоев деталей методами РСА для применения в технологиях производства ГТД.

• Определены критерии качества лопаток турбин и компрессоров, повышающие ресурс ГТД.

• Предложены критерии оценки остаточного ресурса дисков компрессора низкого давления из сплава ВТЗ-1 на основе анализа ОН неразрушающим способом.

• Разработан способ определения интегрированного структурного параметра, позволяющий определить стадию «преддефектного» состояния материала ремонтного диска.

• Методом РСА определено напряженное состояние диска компрессора высокого давления из сплава ВТЗ-1 после разрушения в эксплуатации. Показано, что в зонах разрушения диска деформации описываются эллиптической функцией s = f(sin у/), что означает наличие объемно-деформированного состояния в приповерхностных слоях диска.

Практическая значимость

Результаты исследования данной диссертационный работы отражены в стандартах авиационного предприятия ОАО «НПО»Сатурн» для анализа НДС деталей ГТД методами РСА . Стандартизация методов анализа ОН на деталях ГТД позволяет установить единые требования по использованию методологии проведения измерений и обработки экспериментальных данных, а анализ экспериментальных результатов исследования НДС деталей ГТД позволяет оптимизировать производственные процессы изготовления и ремонта ГТД.

Созданы внешние эталоны с заданным уровнем напряжений, испытанных в аттестованных лабораториях «Snecma Moteurs» (Франция), «Stresstech» (Финляндия) и ОАО «НПО»Сатурн» (Россия). Создание эталонных образцов (внешних эталонов) с мерой напряжений позволили аттестовать технологические процессы изготовления двигателей SAM-146 , Д30КУ-КП-КУ154.

Полученные критерии оценки степени повреждения ремонтных дисков КНД из сплава ВТЗ-1 по изменению параметров напряженного и структурного состояния материала дисков, определенных методами РСА, позволяют неразрушающим способом определять «преддефектное» состояние ремонтных дисков двигателей ЦЗОКУ/КП/КУ-154 с различной наработкой в эксплуатации.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений физики твердого тела, стандартизированных методик, применяемых в различных отраслях машиностроения, современных средств контроля с аттестованными метрологическими характеристиками, программного обеспечения для автоматического способа проведения измерений и обработки экспериментальных данных с применением методов математической статистики, большим объемом экспериментальных исследований, воспроизводимостью экспериментальных результатов. Достоверность научных выводов и рекомендаций обеспечивается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

• Комплексная методика анализа напряженно-деформированного состояния деталей ГТД.

• Результаты определения напряженно-деформированного состояния лопаток и дисков компрессора авиационного двигателя из титанового сплава ВТЗ-1 методами РСА.

• Методики и результаты оценки «преддефектного» состояния ремонтных дисков КНД из титанового сплава ВТЗ-1 по определению интегрированного структурного параметра неразрушающими методами РСА.

• Результаты определения напряженно-деформированного состояния жаростойкого покрытия Al-Y-Si лопаток турбины авиационных двигателей из жаропрочного никелевого сплава ЖСбУВи.

• Результаты определения напряженно-деформированного состояния лопаток турбины авиационных двигателей из жаропрочного никелевого сплава ЖС6К после глубинного шлифования.

Объем работ:

Диссертационная работа состоит из 5 глав (включая введение и заключение) и содержит 169 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 91 наименования, 5 приложений.

Глава I АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Определение ресурса деталей и конструкций машиностроения неразрушающими методами РСА.

В работах [1-3] описан возможный способ оценки остаточного ресурса деталей машиностроения по изменению напряженно-деформированного состояния в зависимости от наработки деталей и конструкций в эксплуатации. Методика оценки остаточного ресурса состоит в следующем: методами рентгеновской дифрактометрии определяют в два контрольных этапа остаточные напряжения в выбранных зонах на поверхности металлической детали, включая все наиболее нагружаемые в процессе эксплуатации области металлической детали, первый контрольный этап осуществляют при наработке до его начала, равной 0 - 0,9 от проектного ресурса, наработку между контрольными этапами выдерживают не менее 0,05 от проектного ресурса детали, для каждой выбранной зоны определяют эксплуатационную скорость изменения остаточных напряжений как отношение разности остаточных напряжений на втором и первом контрольных этапах к наработке между этими контрольными этапами, после чего определяют максимальную из полученных для выбранных зон эксплуатационную скорость изменения остаточных напряжений, по которой проводят определение назначенного ресурса как отношение разности предела упругости, умноженного на показатель безопасности материала детали, и проектного действующего напряжения к максимальной эксплуатационной скорости изменения остаточных напряжений, а остаточный ресурс определяют как разность между назначенным ресурсом и наработкой до второго контрольного этапа определения остаточных напряжений.

Анализ остаточного ресурса ремонтных дисков компрессора рентгеноструктурным методом требует проведения комплексных исследований фазового состава, структуры и напряженно-деформированного состояния м