автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и исследование эффективности процесса термопластического упрочнения лопаток ГТД с покрытиями

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. САМАРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА.

Для служебного пользования .■экз. N

На правах рукописи СКАЧКОВ Александр Николаевич

ч

УДК 621. 78. 011: 62-226. 2(043. 3)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ЛОПАТОК ГТД С ПОКРЫТИЯМИ

05.02.08 -Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

!

! г

Самара 1992

Работа выполнена на кафедре " Инструментальные системы ;

(I

томатизированного производства Самарского ордена Трудов! Красного Знамени политехнического института им. К К Куйбыше! Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РС<

д. т. н. , профессор Б. А. Кравченко. Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РС

д. т. н. , профессор К. А. Дуков кандидат технических наук М. Е. Колот ников Ведущее предприятие: Самарское Конструкторское Бюро Машиностроения

Защита состоится января 1993 года в УО часов на заседании специализированного совета Д 063.16. 02 Самарской ордена Трудового Красного Знамени политехнического института имени К В. Куйбышева по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионе екая, 141.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского политехнического института им. В. В. Куйбышева.

Автореферат разослан " ¥" 1992 г.

Просим Вас принять участие в обсуждении работы и направит свои отзывы, заверенные гербовой печатью организации, по адрес 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, Самарский политех нический институт, Ученому секретарю специализированного совет

Ученый секретарь специализированного совета д. т. н. , профессор

Я. М. Клебанов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение рабочих температур и удельных нагрузок в зоне работы ответственных деталей газотурбинных двигателей (в частности, лопаток) предъявляют особые требования к поверхностному слою этих деталей, т. к. он определяет их работоспособность и долговечность.

В последнее время широкое распространение получили методы защиты лопаток от действия высоких температур и агрессивной среды с помощью теплозащитных покрытий, нанесенными различными способами.

Метод термопластического упрочнения, обеспечивающий формирование благоприятного остаточного напряженного состояния в поверхностных слоях детали при минимальных величинах деформационного упрочнения,,является перспективным направлением повышения эксплуатационных характеристик деталей ГТД.

Дальнейшее изучение технологических возможностей термопластического упрочнения и, в особенности, для деталей с покрытиями (например, наружные и внутренние поверхности охлаждаемых лопаток ГТД с перфорациями ), является одной из актуальных задач.

Цель работы. Повышение долговечности лопаток ГТД с покрытиями путем использования процесса термопластического упрочнения.

Методы исследования. Реализация цели работы и решение поставленных задач осуществлялись теоретическими и экспериментальными методами. Для теоретического анализа напряженного состояния поверхностного слоя использованы основные положения теории упругости и пластичности, реализованные с помощью численных методов на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на образцах из жаропрочного никелевого сплава ЖС6Ф с направленной кристаллизацией, а также на рабочих лопатках первых ступеней турбин изделий "КБ" и "ТВД-10-4".

Остаточные напряжения исследовались с использованием специальных методик, основанных на работах Давиденкова Е Н. , Бир-гера И. А.

Изменение динамических характеристик оценивалось путем сравнения напряженного состояния и пределов выносливости на образцах и лопатках на современном оборудовании.

Для обработки полученных результатов использовали метод математической статистики и вычислительную технику.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследов ние термопластического упрочнения охлаждаемых лопаток с покрь тиями и с перфорационными отверстиями. Теоретические исследов ния позволили решить задачу по определению напряженно-деформированного состояния деталей с покрытиями после термопластического упрочнения по различным схемам. Обоснована целесообре ность термопластического упрочнения основы перед нанесением теплозащитного покрытия на охлаждаемых лопатках с перфораций? ными отверстиями. На основании проведенных исследований установлена высокая эффективность термопластического упрочнения, как метода гехнологичесеого обеспечения качества поверхностно слоя и эксплуатационных свойств лопаток ГТД. Теоретически и экспериментально изучены особенности формирования остаточных напряжений при термопластическом упрочнении деталей с покрыт} ми. Показана принципиальная возможность повышения усталостно! прочности лопаток ГТД.

Практическая ценность. На основании выполненных исследс ваний разработан и внедрен в производство прогрессивный мето; термопластического упрочнения охлаждаемых лопаток с покрытия) и с перфорационными отверстиями. Определены оптимальные параметры технологического процесса упрочнения лопаток ГТД. Разработаны научно-обоснованные рекомендации для производства по эффективному использованию термопластической упрочнения.

Опытно-промышленная проверка и внедрение результатов р< ты проводилась в основном на предприятиях авиационной промыш. ности.

Апробация работы. Основные положения и результаты рабо1 доложены и обсужденц на 11 научно-технических конференциях: "Перспективные направления развития машиностроения Забайкаль: Чита,1991; " Поверхностный слой, эксплуатационные свойства д талей машин и приборов" Москва, 1991;" Пути повышения эффект ности обработки материалов резанием в машиностроении", Ленинград, 1991: " Высокопроизводительное оборудование и прогрессивные технологии в машиностроении" Москва, 1991; " Ф зическая оптимизация, управление и контроль процессов обрабо резанием" Уфа, 1991; "12 Всесоюзная конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности" Тверь

1991; "Повышение износостойкости режущего инструмента и деталей машин путем нанесения упрочняющих и антикоррозийных покрытий" Оренбург,1991; " Конструкционная прочность двигателей" Самара, 1991; "Остаточные напряжения- резерв прочности в машинострое-нии"Ростов-на Дону,1991; " Прогрессивные технологические процессы механообработки и сборки" Санкт-Петербург,1991; "Теплофизика технологических процессов" Рыбинск, 1992. В целом работа обсуждена на расширенном заседании кафедр "Технология машиностроения", "Автоматизированные станочные комплексы" и "Инструментальные системы автоматизированного производства" Самарского политехнического института.

Публикации. Ш материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов и общи?!, выводов, изложенных на страницах машинописного текста, содержит рисунков, список литературы, включающий наименований, и приложения.

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА УСТАЛОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТАЛЕЙ

Усталостное разрушение является одним из основных видов разрушения деталей из жаропрочных сплавов, работающих в условиях высоких температур. Большое влияние на выносливость оказывают характеристики качества поверхностного слоя: остаточные напряжения, деформационное упрочнение, микрогеометрия. Эффективным методом повышения эксплуатационных свойств ответственных деталей является упрочнение поверхностного слоя.

Большой вклад в изучение качества поверхностного слоя и его влияние на усталостные характеристики деталей внесли исследования Б. Ф. Балашова, И.А.Биргера, И. Г. Гринченко, К А. Жукова , А. М. Дальского, С. И. Иванова, К С. Ивановой, Е Д. Кузнецова, Б. А. Кравченко, И. К Кудрявцева, А. А. Ыаталина, Д. Д. Папшева, К Е Подураева, Ю. Е Самарина, А. М. Сулимы, Д. Л. Юдина и других отечественных и зарубежных исследователей.

Прогрессивным методом упрочнения деталей, предназначенных для работы в условиях высоких температур, является метод термопластического упрочнения, позволяющий навести остаточные напряжения сжатия необходимой величины при незначительных степенях пластической деформации упрочненного слоя.

Широкое применение в последнее время теплозащитных покрытий, требует дальнейшего анализа и теоретических исследований, практических рекомендаций по выбору оптимальных схем упрочнения ответственных деталей с покрытиями и их режимов, которые позволят существенно повысить эксплуатационные характеристики двигателей ГТД в целом. *

В связи с вышеизложенным определены следующие задачи:

1. Разработать методы теоретического определения напряженно-деформированного состояния деталей типа лопаток, в том числе с покрытиями, при различных схемах термопластического упрочнения. Изучить влияние остаточных напряжений на долговечность деталей при наложении знакопеременных нагрузок. Исследовать температурные , упругие, упруго-пластические и остаточные поля напряжений, возникающие в процессе упрочнения.

2. Исследовать влияние различных вариантов термопластического упрочнения на формирование остаточных напряжений в образцах из сплава ЖСбФ, в том числе с многокомпонентным покрытием.

3. Изучить влияние термопластического упрочнения на образцах из сплава ЖСбФ с покрытием на предел выносливости.

4. Изучить влияние термопластического упрочнения на усталостные характеристики лопаток с покрытиями.

5. Разработать научно-обоснованные технологические рекомендации для термопластического упрочнения лопаток первых ступеней рабочих турбин изделий "ТВД-10-4" и охлаждаемых с покрытиями и с перфорационными отверстиями изделия "КВ".

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЯМИ ПРИ ТПУ

Задача определения остаточных напряжений в поверхностном слое термически упрочняемых деталей,в данном случае лопаток ГТД, решалась в несколько этапов.

На первом этапе проанализирована возможность эффективного применения к данному классу деталей различных вариантов упрочнения (ТПУ до покрытия, ТПУ после покрытия, ТПУ до и после покрытия).

На втором этапе, при выбранном варианте упрочнения, определялись температурные поля, возникающие в процессе охлаждения при ТПУ в деталях с покрытиями.

Далее были определены температурные напряжения,возникающие в процессе охлаждения в предположении, что материал основы и покрытия находятся в идеально-упругой области.

Зная реальные кривые деформирования материала основы и покрытия расчитываются напряжения в упруго-пластической зоне. Учитывая нелинейную зависимость напряжений от деформаций,этот расчет ведется численным методом . с

На последнем этапе, зная напряжения в идеально-упругом и в упруго-пластическом случае,по известной теореме Генки определяются остаточные напряжения, которые останутся после упрочнения детали с покрытием в ее поверхностном слое.

Для надежного прогнозирования работы лопаток ГТД с жаростойкими покрытиями необходимо исследовать температурные поля и термические напряжения, которые могут возникнуть в покрытии при различных условия^ эксплуатации. Основное влияние на термическую усталость при' работе двигателя оказывает цикл нагрев-охлаждение (Т=100... 950°С). Термические напряжения возникают в результате того, что коэффициенты линейного расширения , модули упругости основного сплава и покрытия различны.

Чаще всего наблюдается возникновение усталостных тревдн в зонах, где размах амплитуды напряжений максимальный. Очевидно, что технологические процессы, которые будут способствовать созданию такого напряженно-деформированного состояния, которое приведет к снижению амплитуды напряжения, окажутся благоприятными в смысле термоусталостной прочности изделий с защитными покрытиями. Одним из таких методов является предварительное термопластическое упрочнение перед нанесением покрытия. При этом схема формирования напряженного состояния поверхности будет выглядеть следующим образом.

Термопластическое упрочнение детали вызовет в ее поверхностных слоях напряжения сжатия. В процессе осаждения мно-гокомпанентного покрытия лопатка находится при Т-950°С в течение 2-4 часов. Сцепление покрытия с основной происходит за счет диффузионных процессов. В начальный момент времени напряжения в тонких слоях покрытия отсутствуют. Однако, с течением времени в условиях высокой температуры в поверхностных слоях основного металла будут происходить релаксационные процессы, что вызовет снижение уровня сжимающих остаточных напряжений, что в свою очередь приведет к сокращению поверхностных слоев лопатки и вызовет в уже сцепленных слоях защитного покрытия напряжения ежа-

тия. По мере наращивания слоев этот процесс будет происходить непрерывно После того, как покрытие будет полностью нанесено и произойдет охлаждение лопатки ГТД, в защитном покрытии и в основе возникнет новое напряженное состояние.

Новое напряженное состояние поверхности (по сравнению с неупрочненным) оказывается более благоприятным в смысле повышения термоусталости. Благоприятным является устранение ветви реактивных растягивающих напряжений в зоне соприкосновения защитного покрытия с основой. Следующим благоприятным фактором является возникновение сжимающих остаточных напряжений в самом покрытии. Вероятность появления микротрещин в покрытии и основе снижается.

При формировании напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя пластины с уже нанесенным покрытием механизм образования остаточных напряжений будет иметь свои особенности. При комнатной температуре в пластине с покрытием существуют остаточные напряжения, вызванные различием физико-механических свойств материалов покрытия и основы, в частности различных коэффициентов температурного расширения , т.к. процесс нанесения покрытия проходит при температуре Г-950°С.

Если нагретую пластину интенсивно охлаждать по поверхности водой под давлением, то в ней появится неравномерное по сечению температурное поле.

Имея температурное поле рассчитываются напряжения, возникающие в поперечном сечении детали с покрытием.

При расчете напряженно-деформированного состояния пластины с покрытием необходимо учитывать остаточные напряжения, вызванные технологической наследственностью.

Если в процессе ТПУ деформация поверхностных слоев достигает предельных для данного покрытия значений, то в последнем будут образовываться микротрещины, которые при знакопеременном нагружении будут являться очагом распространения усталостной трещины.

Результирующая эпюра имеет подслойный максимум растягивающих напряжений, что сказывается негативно при знакопеременном нагружении. Из рассмотрения схемы формирования напряженного состояния в процессе "покрытие + ТПУ" можно сделать вывод о большей эффективности рассмотренного выше варианта(ТПУ + покрытие), т. к. существующие в покрытии напряжения сжатия припятствуют быстрому достижению зоны пластических деформаций

при ТПУ.

При рассмотрении вопроса о формировании остаточных напряжений при ТПУ до и после нанесения покрытия необходимо учитывать следующие обстоятельства

В поверхностном слое существует напряженно-деформированное состояние, вызванное термопластическим упрочнением основы до нанесения покрытия и разностью физико-механических свойств основы и покрытия. По сравнению с ТПУ ненапряженного материала, глубина проникновения остаточных напряжений и их абсолютная величина уменьшатся.

После завершения технологического процесса по варианту ТПУ+покрытие+ТПУ в поверхностном слое детали сформируется напряженное состояние. С точки зрения сопротивления термической усталости это напряженное состояние более благоприятное, чем рассмотренное выше,Л так как в этом случае не имеет место подслойный максимум положительных напряжений, который отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах изделий.

Распределение напряжений по сечению детали, возникающее в процессе эксплуатации для случая упрочненной основы с последующим нанесением покрытия,характеризуется тем,что в покрытии на протяжении всего цикла действуют сжимающие остаточные напряжения", что благоприятно с точки зрения прочности покрытия, т. к. защитные покрытия часто более хрупкие по сравнению с основой. Известно, что предел текучести при сжатии для хрупких материалов больше по обсолютной величине дредела текучести при растяжении. Однако в слое основы, граничащем с покрытием возможны небольшие растягивающие напряжения.

Рассмотрим взаимодействие рабочих напряжений при знакопеременном изгибе с остаточными напряжениями, сформированными в процессе "покрытие+ТПУ".

Можно выделить следующие особенности. Максимальные напряжения сжатия существуют на поверхности изделия, что является благоприятным фактором. Однако, на границе покрытия с основой при рабочих циклах происходит смена знака напряжении-от сжимающих до растягивающих. Так как граница покрытия с основой является наиболее уязвимым местом, это обстоятельство будет отрицательно влиять на характеристики выносливости. Следует также отметить, что в приграничном с покрытием слоем основы мо-

гут_ возникать достаточно высокие по уровню напряжения растяжения, что может являться очагом зарождения трещины. Близость

этого очага к границе покрытия с основой еще более усиливает это негативное явление.

Рассматривая схему взаимодействия остаточных напряжений, сформированных при технологическом процессе "ТПУ+покрытие+ТПУ", с рабочими напряжениями , можно отметить, что эта схема лишена недостатков двух ранее рассмотренных вариантов. Положительные факторы:

- наибольшие напряжения сжатия расположены на поверхности;

- при всем рабочем цикле в покрытии и в переходной зоне действуют сжимающие напряжения.

Исходя из рассмотренных вариантов технологического процесса, можно предположить что, наиболее благоприятными с точки зрения повышение прочности при знакопеременном нагружении являются варианты упрочнения "ТПУ+покрытие+ТПУ" и "ТПУ+покрытие".

Однако необходимо заметить, что ввиду хрупкости покрытия, рабочие напряжения, возникающие в процессе ТПУ, могут привести к возникновению в этом слое трещин (для варианта ТПУ после покрытия). Поэтому необходимо следить, чтобы деформации, возникающие в процессе охлаждения, не превышали критических для данного вида покрытий.

Для расчета напряжений и деформаций необходимо иметь данные о распределении температуры по толщине пластины при ее охлаждении. Эта задача решалась на базе одномерных дифференциальных уравнений теплопроводности: Эт •ягт

О^Ъ н-Ш \ при соответствующих начальных и граничных условиях:

, ЪТ(ч-о.ь) . ЪТ(н+о±) . Jl^ Эй >' - Яг ¥1 '

где О, и ¿?2- коэффициенты температуропроводности основы и покрытия;

У!1 и ~ коэффициенты теплопроводности основы ипокрытия; оС(Г) - коэффициент теплоотдачи с поверхности; 7*/ - температура нагретой пластины;

- 9 -

То - начальная температура охлаждающей среды.

В связи с тем, что коэффициент теплоотдачи зависит от температуры, для решения системы уравнений применяемый численный метод - метод сеток.

Приведенные выше уравнения использовались для определения температурного поля в случае симметричного охлаждения нагретых пластин из сплава ЖС6Ф с многокомпонентным покрытием. Анализ кривых показывает, что распределение' температуры при охлаждении пластины с покрытием имеет отличие от распределения температур в однородном материале. Их особенностью является изменение наклона линий температурного поля 'при переходе из основы в покрытие. Это объясняется различными физико-механическими свойствами жаропрочного сплава и нанесенного покрытия.

В поперечном сечении детали возникнут температурные напряжения, которые зависят от условий охлаждения и от свойств материалов основы и покрытия. Рассмотрим задачу в предположении, что тело идеально упругое.

Из решения системы уравнений теории упругости получена формула для определения температурных напряжений при охлаждении в процессе ТПУ:

<Он = бгг = -^-и

где С определяется из условия равновесия пластины. Напряжения в основе:

<Оц - Ьэг -

Г £г<<</ сн< р ./

Напряжения в покрытии:

б/(=Ьг £ =

-Л,-¿т

и.

■¿¿г

£г ■ [и-н<)

г.

Расчетами установлено, что при интенсивном охлаждении нагретой пластины с покрытием во всем исследуемом диапазоне по границе основа-покрытие наблюдается скачок напряжений, величина которого зависит от физико-механических свойств материала. Показано, что относительное изменение коэффициентов линейного расширения в детали и в покрытии оказывает более существенное влияние на напряженное состояние системы, чем аналогичное изме-

нение модулей упругости.

Остаточные напряжения в поверхностном слое неравномер] нагретого тела формируются в том случае, если упругие напряж ния, возникающие в нем, превышают предел пропорциональности, начальный момент времени наружные слои детали пытаются сжатьс: ввиду более интенсивного охлаждения чем сердцевина. Это1 сокращению припятствукгс относительно выше нагретые слои серед! ны, в результате чего в наружных слоях возникнут упруп напряжения растяжения, которые зависят от условий охлажден! детали и от физико-механических свойств покрытия и основы.

Если температурный градиент достаточно велик, рост раст: гиваюших напряжений приводит к превышению предела пропорщк нальности для данного материала и данной температуры, что со; дает условие для возникновения пластической деформации п< верхностных слоев детали.

В дальнейшем, в процессе охлаждения, остывание всей дета вызовет сокращение ее в целом, что приводит к возникновению поверхностных пластически деформированных слоях напряжений сж тия. Для определения остаточных напряжений используется теоре! Генки, согласно которой остаточные напряжения находятся к< разность между упруго-пластическими и упругими напряжениями данной точке. Для расчета остаточных напряжений необходш иметь данные о зависимости^-/^],которая определяется для данн< материала опытным путем.

Нелинейность зависимости реальных напряжений от деформащ не позволяет решать задачи этого класса в аналитическом вид! Анализ процесса ТПУ деталей с покрытием позволил предложи' следующею методику расчета, учитывающий зависимость реальш напряжений от деформаций.

Суть предлагаемой методики состоит в следующем. Если I териал испытывает растягивающие напряжения в процессе охлажд* ния не превышающие предел пропорциональности для данного м< териала при данной температуре, то расчет' напряжений произв(

дится по ранее полученной формуле

= - — (С ^ Т)

/-уМ

где С -константа, определяемая из условий задачи.

Для определения напряжений в упруго-пластической области воспользуемся аппроксимацией для основы и <о-£>ен для покрытия.

- 11 -

Условие равновесия для пластины с покрытием будет иметь следующий вид

Н. /

s 6tl(c,j:ilE1)€dxj + J <s,i (С, x^ajedxj- о

о Й1 '

Это выражение молено записать в следующем виде:

F(c) -- S ¡.(C-CI^TJC/jcj^ SlUc-^i^dxj-O, fEf(c-<JL,C>T) (с-cki üT) ь er ;

^ , v" (C ' ' ^ ^ T>

/ = 1 ' , , J 2 L ^ ¿С-^г ^t

Здесь обозначено: '

- деформация текучести для основы;

С НГ - деформация текучести для покрытия.

Выражение представляет из себя уравнение, которое можно разрешить относительно неизвестного значения " С ".

Для решения используется один из известных методов для решения трансцендентных уравнений, например метод половинного деления. Данный метод расчета реализован на ЭВМ.

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ УПРОЧНЕНИЯ СПЛАВА ЖС6Ф С ПОКРЫТИЕМ НА ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ И КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ.

Программой исследований предусматривалось/различных вариантов технологии упрочнения образцов:

1 Серия. Отжиг Т-1050С, Т=3 часа,остывание с печью, затем полирование (войлочный круг с закрепленным мездровым клеем абразивными зернами электрокорунда белого 14Л зернистостью б... 16, диаметр 125x30 мм, п-4000 об/мин. Затем наносилось покрытие на установке УЭЛ-175. Температура нагрева образцов Т-950С, вакуум не хуже 0,0533 МПа, время нанесения - 30 мин. Далее на этой же установке следовало нанесение второго слоя покрытия , время нанесения - 30 мин, температура нагрева - 950С вакуум не хуже 0,0533 МПа. После нанесения покрытия проводился диффузионный отжиг на следующих режимах: - температура нагрева изделия Т-1050"С;

- 12 -

- время выдержки -3... 4 часа;

- вакуум не хуже 0,0533 МПа.

2 Серия. Технология подготовки образцов для испытаний аналогична серии 1: отжиг+полирование+нанесение первого слс покрытия+нанееение второго слоя покрытия+диффузионный отжиг. Добавлены следующее операции:

-полирование покрытия: войлочный круг диаметром 125x30мм,

п=4000 об/мин;

-рекристаллизационный отжиг: температура нагрева Т=1050°С вакуум не хуже 0,0533 МПа, время выдержки - 3...4 часа.

3 Серия. Отжиг (Т-1050°С,гс-3 часа, остывание с печью) + термопластическое упрочнение (ТПУ): Т-700°С, р -0,5 МПа + полирование (см. выше серия 1)+нанесение 1-ого и 2-ого слоя покры тия (см.п.1) + рекристаллизационный отжиг (см.п.2).

4 Серия. Отжиг (см. п. 1) + термопластическое упрочнение при Т=750°С , р=0,& МПа + нанесение покрытия (см. п. 2).

5 Серия. Отжиг (п.1) + полирование (п.1) + нанесение поК' рытия (п. 1) + полирование (п. 1). + рекристаллизационный отжи] (п. 2) + ТПУ при Т=700с>С,р»0,5 МПа.

6 Серия. Аналогично 5-й серии, температура при ТПУ задавалась Т~750°С.

7 Серия. Отжиг (п.1) + ТПУ при Т=750°С,р-0,5 МПа + полировка (п. 1) + покрытие (п.1) + полирование (п.1) + рекристаллизационный отжиг (п. 2) + ТПУ при Т=750°С,р=0,5 МПа.

Результаты опытов по определению выносливости приведены на рис. 1.

В условиях эксплуатации у охлаждаемых лопаток 1 ступен!-нередко местом зарождения микротещин является ее внутенняя полость. Одной из возможных причин этого может служить суммирование напряжений,возникающих при литье и рабочих нагрузках. Кроме того, за счет постоянного охлаждения внутренней полости,пру эксплуатации создаются условия для наведения в ее поверхностных слоях растягивающих напряжений,обусловленных перепадом температур охлаждающего потока воздуха и разогетого металла внутренней полости. Учитывая наличие концентраторов во внутренней полости, суммарный уровень напряжений может достигать значительных величин.

В связи с этим,преднамеренное формирование в поверхностном слое внутренней полости лопатки остаточного сжимающего напряженного поля может в определенной степени компенсировать

растягивающие рабочие напряжения. Следует заметить,что из-за сложной конфигурации охлаждаемой лопатки ее внутренняя полость является труднодоступным местом для какого - либо механического воздействия. Поэтому использование в этом случае термопластического упрочнения для формирования сжимающих остаточных напряжений является наиболее приемлемым способом упрочняющей обработки.

Лопатки первых ступеней газовых турбин имеют внутреннюю полость, которая защищается путем алитирования. Процесс али-тирования оказывает влияние на напряженное состояние поверхностного слоя.

Исследование влияния различных вариантов упрочнения на напряженное состояние поверхности проводилось на плоских образцах из сплава ЖСбФ , имеющих длину 1=100 мм, ширину b = 10мм, толщину h - 2,5 мм. .,i,

В работе представлены результаты измерений остаточных напряжений для варианта " Алитирование + ТПУ" при температуре ТПУ Т=750°С. )!арактер изменения остаточных напряжений по глубине образца носит здесь сложный характер, сопоставимый с данными теоретического анализа. Глубина проникновения 200...250 мкм.

Исследовался характер распределения остаточных напряжений в -поверхностном слое образцов из сплава ЖСбФ, подвергнутых термопластическому упрочнению при Т=750°С до и после алитирования . В поверхностных слоях действуют остаточные напряжения сжа-гия(£=600... 700 МПа с глубиной проникновения ветви эпюры остаточных напряжений до 250 мкм.

Как следует из проведенных исследований, при различных вариантах термопластического упрочнения максимальные остаточные напряжения действуют на поверхности, отсутствует подслойный максимум напряжений, характерный для традиционных видов поверхностной пластической' обработки, что благоприятно с точки зрения усталости.

Формирование сжимающих остаточных напряжений в алитирован-ном слое и их появление на рабочем режиме должно сказаться на повышении сопротивляемости циклическим нагрузкам. В большей степени это явление может проявиться на большой базе испытаний, т. е. на двигателях повышенного ресурса.

- 14 -

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СЕРИЙНЫХ И УПРОЧНЕННЫХ МЕТОДОМ ТПУ ЛОПАТОК ГТД

Исследовалось влияния термопластического упрочнения на усталость рабочих лопаток 1 ступени турбины изделия "КВ" и 1 ступени турбины высокого давления газоперекачивающего агрегатг ГТК-10-4 (рис.2).

Для проведения испытаний были представлены два варианта рабочих лопаток 1 ступени турбины изделия "КВ", изготовленные из материала ЖС32ВИ с монокристаллической структурой: -вариант 1: исходные лопатки;

-вариант 2: лопатки с ТПУ (нагрев до 750*С с последующим охлаждением водяным душем). Испытания лопаток проводились на электродинамическом вибростенде при консольном креплении лопаток за гребенки хвостовиков. Форма колебаний- основной тон. База испытаний М=20*106циклов. Температура испытаний - комнатная.

Пределы выносливости рабочих лопаток 1 ступени турбины изделия "КВ" состовляют:

б'-<-40МПа -для исходных лопаток; (з~1 -=бОМПа -для лопаток с ТПУ.

В работе исследовалось влияние на сопротивление усталости рабочих лопаток I ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4 двух вариантов ремонтных технологий с целью продления ресурса лопаток.

Для проведения исследований СМП "Самарагазремонт" были представлены три варианта лопаток I ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4, изготовленные из материала ЭИ893 (ХН65ВТЮ):

-вариант I: исходные лопатки;

Лопатки изьяты из эксплуатации из-за наличия больших забоин и превышения допустимого износа торца пера.

-вариант 2: лопатки восстановленные по ремонтной технологии СМП "Самарагазремонт"; Эта ремонтная технология состоит из подварки пластин на торце пера лопаток, термообработки (нагрев до 840. ..850°С в течение 5 часов с последующим охлаждением в печи до 500°С и дальнейшим охлаждением на воздухе), а также ультрозвукового упрочнения.

Выносливость образцов в зависимости от технологии их изготовления

31-0 35 О 350 3*0 330 ■ ъго

¿00

з?г

360 3 63

- § и 341

§ о. о § 5 <и и % зго 5

и 3*0 а- и % 3 о

м--

Рис. 1

Кривые выносливости ^ЬЬаток Г ступени турбины яаявлця "КВ" и ТВН - Ю - 4 "

Зоо МП*.

гоо

I

(Г., 100

^--

г л

_1 д ; ^ЕТ7—" 5■ ^^

о

ггонпа.

ггонпс.

МО Н Пси

бОНПа, л

4 ОМ Па.

Ю

5,0 го- ^ю

Изделие ГВЯ-Ю-4

- лопатки, восстановленные по технологии СамПИ ;

- лопатки, восстановленные по технологии СШ "Самарагазрйюнт"

- доходные лопатни.

Изделие "КВ"

- лопатни о ТПУ

- исходные лопатки

Ряс. 2.

-вариант 3: лопатки восстановленные по ремонтной технологии СамПИ:

Эта ремонтная технология отличается от технологии СМП "Са-марагазремонт" тем, что лопатки были заполированы и вместо ультрозвукового упрочнения было выполнено термопластическое упрочнение (ТПУ).

В результате испытаний установлено :

1. Предел выносливости исходных лопаток составляет«?, =140МПа;

2. Предел выносливости лопаток восстановленных по технологии СМП "Самарагазремонт" составляет 61, = 220 МПа, что на 57 % выше, предела выносливости исходных лопаток.

3. Предел выносливости лопаток восстановленных по технологии СамПИ составляет не менееб., -28 МПа, что на 100 % выше, предела выносливости исходных лопаток и на 27 % предела выносливости лопаток, восстановленных по технологии СМП "Самарагазремонт".

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ литературных данных показывает, что на эксплуатационные свойства ответственных деталей ГТД, в том числе с покрытиями, решающее значение оказывает характер напряженно-деформированного состояния их поверхностных слоев. Установлено, что для повышения усталостной прочности лопаток турбины, работающих в условиях повышенных температур и циклических нагрузок, необходимо создать в их поверхностном слое остаточные напряжения сжатия с достаточной глубиной проникновения при минимальной степени деформационного упрочнения.

2. Установлено,что прогрессивным методом упрочнения деталей, предназначенных для работы в условиях высоких температур, является метод термопластического упрочнения, позволяющий навести остаточные напряжения сжатия необходимой величины при незначительных степенях пластической деформации упрочненного слоя. Показано, что необходимы дальнейшие исследования в направлении изучения влияния термопластического упрочнения на усталостные характеристики деталей с покрытиями.

3. В работе впервые поставлена задача об оценке влияния термопластического упрочнения на напряженное состояние деталей с покрытиями при различных вариантах упрочнения ( ТПУ+покры-тие, покрытие+ТПУ, ТПУ+покрытие+ТПУ ). Этот вопрос имеет

большое практическое значение при разработке технологического процесса упрочнения лопаток с покрытиями.

4. Проведенный анализ напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя пластины с покрытием при различных вариантах термопластического упрочнения дает основания считать, что остаточные напряжения оказывают влияние и на эксплуатационные характеристики деталей с покрытиями при знакопеременном нагружении. Установлено, что наиболее благоприятной схемой упрочнения является предварительное термопластическое упрочнение основы с последующим нанесением покрытия.

5. Создана математическая модель распределения температурного поля по сечению пластины с покрытием при ее симметричном охлаждении в процессе термопластического упрочнения. Разработана методика расчета температуры в заданных сечениях и составлена программа на ЭВМ для ее определения в различные моменты времени с начала охлаждения при термоупрочнении после нанесения покрытия. Показано, что при переходе из основы в покрытие происходит изменение наклона линий температурного поля, обусловленное разностью физико-механических свойств основы и покрытия.

6. Разработана методика расчета напряжений в идеально-упругой, упруго-пластической зонах и остаточных напряжений. Для., упруго-пластического случая предложен новый численный метод расчета напряженного состояния.

7. Расчетами установлено, что при интенсивном охлаждении нагретой пластины с покрытием во всем исследуемом диапазоне, по границе основа-покрытие наблюдается скачок напряжений, величина которого зависит от физико-механических свойств материалов основы и покрытия. Показано,что относительное изменение коэффициентов линейного расширения в детали и в покрытии оказывает более существенное влияние на напряженное состояние системы, чем аналогичное изменение модулей упругости.

8. Исследованиями установлен оптимальный технологический процесс окончательной обработки наружной поверхности охлаждаемых лопаток ГТД с многокомпанентными покрытиями, включающий следующую последовательность технологических операций: отжиг + + ТПУ (750° С) + полирование + покрытие + полирование + отжиг.

9- Проведенные исследования показывают, что наведенные остаточные напряжения сжатия с локализацией у поверхности препятствуют образованию микроискажений за счет увеличения внутреннего трения между отдельными фрагментами. В более глубоких

слоях образуется зона с увеличенной плотностью микроискажений, которая, блокируя дислокации, содействует их накоплению. С течением времени и под воздействием температуры остаточные напряжения несколько релаксируют, однако образовавшийся слой с увеличенной плотностью микроискажений и дислокаций препятствует выходу на поверхность нарушений. В связи с этим усталостные характеристики поверхностного слоя повышаются.

10. Независимо от принятой последовательности технологического процесса упрочнения в поверхностном слое формируются достаточные по уровню сжимающие напряжения с максимумом на поверхности, которые увеличивают сопротивляемость растрескиванию.

11. Исследованиями установлено, что в алитированном слое внутренней полости лопаток благоприятная эпюра остаточных напряжений , полученных после термопластического упрочнения, сохраняется и при эксплуатации на режимах при Т-950 С.

12. Опытами установлено, что при принятой технологии изготовления лопаток 1 ступени турбины изделия "KB" разрушения локализуются у перфорационных отверстий. После упрочнения ТПУ, при росте предела выносливости более чем на 50%, усталостные повреждения у перфорационных отверстий не наблюдаются.

13. Установлена высокая эффективность термопластического упрочнения лопаток 1 ступени высокого давления газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4. Так, после выработки ресурса предел выносливости составил^.,- 140 ЫПа. При последующем упрочнении уль-трозвуковым методом, применяемым в серийном производстве, предел выносливости составил 61,= 220 ЫПа Применение термопластического упрочнения на режиме Т=700°С, р=0,5 ЫПа повысило предел выносливости до величины^ = 280... 300 МПа, то есть на 27% по отношению к ультрозвуковому упрочнению.

14. На основании проведенных исследований разработаны научно-обоснованные рекомендации для производства, которые включают необходимые материалы по выбору оптимальных режимов и других условий осуществления термопластического упрочнения, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики деталей ГТД.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах: 1. Кравченко Б. А. , Круцило К Г. , Лищинский Е Я. , Скачков А. Е Повышение эксплуатационных характеристик деталей ГТД методом термопластического упрочнения.-В кн.: Поверхностный слой,

- 1 9 -

эксплуатационные свойства деталей машин и приборов. Материалы семинара. М. , ВДНТП, 1991, с. 71-74.

2. Кравченко Б. А. .Круцило В. Г. .Лищинский К Я. .Скачков А. Н. Эффективность термопластического упрочнения лопаток ГТД. -В кн.: Новые технологические процессы, оборудование и инструмент в лопаточном производстве: Тезисы докладов отраслевой научно-технической конференции, Куйбышев, 1990,с. 58-59.

3. КравченкоБ. А. , Круцило В. Г. , Лищинский Н. Я. , Скачков А. Н. Напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя лопаток с покрытиями при ТПУ. - В кн.: Новые технологические процессы, оборудование и инструмент в лопаточном производстве: Тезисы докладов отраслевой научно-технической конференции, Куйбышев,1990, с. 62-63.

4. Круцило В. Г. , Скачков А. Н. , Корчак Д. А. Определение параметров напряженного состояния поверхностей деталей с покрытиями при термопластическом упрочнении.- В кн. :ХУП Куйбышевская областная межвузовская студенческая научная конференция: Тезисы докладов научной конференции, Куйбышев, 1991, с. 23.

5. Круцило В. Г. , Лищинский н. Я., Скачков А. Е Термопластическое упрочнение деталей ГТД. -В кн.: Высокопроизводительное оборудование и прогрессивные технологии в машиностроении: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции, Ь4эск-ва,1991,с. 83.

6. Корчак Д. А. , Круцило К Г. , Скачков А. Н. Термопластическое упрочнение деталей с покрытиями.-В кн. :ХУП Самарская областная научная конференция: Тезисы докладов научной конференции, Самара, 1992, с. 64-65. -

7. Лищинский Н. Я. , Круцило Е Г. , Скачков А. Н. Повышение качества поверхностного слоя деталей из закаленных сталей при лезвийной обработке. - В кн.: Прогрессивные технологические процессы механообработки и сборки: Материалы научно-технического семинара, Санкт-Петербург, 1991, с. 60-61.

8. Лищинский Н. Я. , Круцило В. Г. , Скачков А. Н. Методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя деталей при лезвийной обработке.- В кн.: Физическая оптимизация , управление и контроль процессов обработки резанием, Уфа, 1991, с. 56-58.

9. Скачков А. К Моделирование процесса ТПУ на ЭВМ. - В кн.: Новые технологические процессы, оборудование и инструмент в лопаточном производстве: Тезисы докладов отраслевой научно-техни-

- 20 -

ческой конференции, Куйбышев,1990, с. 64-66.

10. Скачков А. Е , Круцило В. Г. Теоретическое определен! таточных напряжений после ТПУ на .деталях с покрытием.-В кн.: спективные направления развития машиностроения Забайкалья: 1 сы докладов научно-технической конференции, Чита,1991,с. 24-2

11. Скачков А. Е, Круцило В. Г. , Лищинский ЕЯ. Тепло-ческие особенности термопластического упрочнения деталей покрытиями. -В кн.: Теплофизика технологических процессов: зисы докладов YIII конференции, Рыбинск, 1992, с.65-66.

12. Скачков А. Е , Круцило В. Г. , Лищинский Е Я. Расчет о точных напряжений при поверхностном пластическом деформиро нии. - В кн.: Остаточные напряжения- резерв прочности в ма ностроении: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической к ференции.г. Ростов-наДону, 1991, с.128-129.

13. Скачков А. Е , Круцило В. Г. , Лищинский Е Я. Термопла ческое упрочнение деталей перед нанесением покрытий. - В га Повышение износостойкости режущего инструмента и деталей май путем нанесения упрочняющих и антикоррозионных покрытий: Тез! докладов научно-практической конференции, Оренбург, 1991, с. Е

14. Скачков А. Е , Курбатов В. Е Численный метод рас* напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя щ термопластическом упрочнении. -Вкн.: Конструкционная прочное двигателей Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической koj ференции, Самара, 1991, с. 51-52.

15. Скачков А. Е .Кравченко И. Б. .Круцило В. Г. .Лищинский h Особенности формирования остаточных напряжений на деталя с покрытиями при термопластическом упрочнении. - В кн Конструкционная прочность двигателей: Тезисы докладов Всесою ной научно-технической конференции, Самара, 1991,с. 51.