автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления деталей ГТД из титановых сплавов с помощью термопластического упрочнения

На правах рукописи

0034500Ю

Старчевой Илья Сергеевич

с

I

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и

энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15

ДЕН 2008

Самара - 2008

003458010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (СГАУ) на кафедре производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Вишняков Михаил Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шитарев Игорь Леонидович

Ведущая организация:

кандидат технических наук Волков Владимир Иванович

ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. академика Н.Д. Кузнецова» (г. Самара)

Защита состоится 30 декабря 2008 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02 при ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» по адресу: 443068, г. Самара, Московское шоссе, 34, ауд. 209

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ Автореферат разослан 28 ноября 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.215.02 доктор технических наук, профессор

Д.Л. Скуратов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Для авиадвигателестроения до настоящего времени актуальна проблема повышения эксплуатационной надежности и ресурса двигателей, ответственные узлы и детали которых продолжительное время работают в условиях циклических нагрузок и повышенных температур. На практике данная проблема решается путем создания современных конструкций, применения материалов с повышенными физико-механическими характеристиками, а также широкого внедрения в производство прогрессивных финишных методов обработки, среди которых особая роль отводится методам упрочняющей технологии, основанным на поверхностном пластическом деформировании (ППД). Методы ППД способствуют улучшению показателей качества обработанной поверхности. Упрочнение поверхностных слоев высоконагруженных деталей, как показывает опыт, часто является технологически наиболее легко осуществимым и дает значительный эффект. Большое распространение получили такие методы ППД как обдувка микрошариками, пневмо- и гидродробеструйная обработка, обкатка шариком или роликом, ультразвуковая обработка и другие.

Многочисленными исследованиями установлено, что в результате применения методов упрочняющей обработки на основе ППД в поверхностном слое создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия при соответствующей степени деформационного упрочнения. Поскольку традиционные методы ППД связаны с созданием в поверхностном слое высокой степени упрочнения, в условиях переменных нагрузок и повышенных температур в них интенсифицируются диффузионные процессы. Результатом этого является резкое снижение созданных параметров качества поверхностного слоя. Поэтому использование ППД для деталей, работающих при повышенных температурах и значительных нагрузках, имеет определенные ограничения. Это в большой степени относится к таким высоконагружен-ным деталям газотурбинного двигателя, как лопатки компрессора и турбины. Наиболее приемлемыми для них являются такие методы упрочнения, которые обеспечивают в поверхностном слое детали благоприятное напряженное состояние при минимальной степени упрочнения. Одним из таких методов является термопластическое упрочнение (ТПУ).

Процесс ТПУ титановых сплавов, из которых изготовлена значительная часть деталей компрессора ГТД, до настоящего времени изучен недостаточно, что сдерживает его практическую реализацию. В связи с этим исследование данного процесса и внедрение его в производство является актуальной задачей.

Цель работы. Целью работы является повышение сопротивления усталости деталей компрессора ГТД из титановых сплавов за счет применения метода термопластического упрочнения при их изготовлении.

Задачи исследований. Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработать математическую модель формирования теплонапряженного состояния в тонкостенной детали в результате ее термопластического упрочнения с учетом термического сопротивления в месте контакта детали и накладки. Выполнить расчет термического сопротивления, а также параметров напряженного состояния применительно к деталям типа лопаток компрессора из титановых сплавов.

2. Провести комплексное исследование влияния параметров и условий процесса ТПУ на напряженное состояние поверхностного слоя деталей из титановых сплавов, а также на их сопротивление усталости.

3. Установить влияние термопластического упрочнения на фазово-структурные изменения в поверхностном слое деталей из двухфазных титановых сплавов.

4. Разработать научно обоснованные рекомендации по внедрению процесса термопластического упрочнения для повышения сопротивления усталости деталей ГТД из титановых сплавов.

Научная новизна. Проведено комплексное исследование термопластического упрочнения группы деталей из двухфазных титановых сплавов и определены оптимальные условия его практического осуществления. Разработана математическая модель процесса термопластического упрочнения, в том числе для тонкостенных деталей ГТД. Уточнены расчетные зависимости для определения тепловых полей, которые стали учитывать термическое сопротивление в месте контакта детали и специальной дополнительной массы. Установлены закономерности воздействия условий и параметров поверхностного охлаждения детали на интенсивность теплоотдачи ее материала. Определено влияние режимов термопластического упрочнения на процесс поверхностного газонасыщения, фазовые и структурные превращения.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса формирования теплонапряженного состояния при термопластическом упрочнении проводились с применением метода сеток (расчет температурных полей) и теоремы о разгрузке (определение остаточных напряжений) с учетом фазовых превращений в двухфазных титановых сплавах.

Выбор температуры начала термопластических деформаций осуществлялся с помощью графоаналитического метода с учетом фазово-структурных превращений в поверхностном слое упрочняемого материала.

Экспериментальные исследования параметров качества поверхностного слоя термоупрочненных деталей проводились по стандартным и оригинальным методикам на образцах и натурных деталях как на лабораторной базе, так и в условиях производства. При исследованиях использовались современные приборы и оборудование.

Результаты экспериментальных исследований обрабатывались согласно требованиям теории вероятности и математической статистики.

Практическая ценность. В результате исследований установлена возможность термопластического упрочнения титановых сплавов без негативных фазово-структурных превращений материала. Определены оптимальные параметры и условия упрочнения тонкостенных деталей ГТД типа лопаток компрессора. Замена гидродробеструйной обдувки и виброобработки на термопластическое упрочнение позволило значительно повысить сопротивление усталости материала лопаток, работающих при высоких температурах, а также уменьшить трудоемкость технологического процесса их изготовления на финишных этапах обработки. Разработаны научно обоснованные рекомендации по внедрению метода ТПУ при изготовлении лопаток компрессора ГТД.

Реализация результатов работы. Представленные в работе технологические и конструкторские решения рекомендованы для внедрения на предприятиях ОАО «Моторостроитель» и ОАО «Самарский научно-технический комплекс им.

Н.Д. Кузнецова» при изготовлении деталей компрессора ГТД из титановых сплавов. Применение научно обоснованных рекомендаций позволит повысить долговечность указанных деталей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технической конференциях «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2006 г.) и «Актуальные проблемы трибологии» (Москва, 2007 г.); XXX и XXXI академических чтениях по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, 2006 и 2008 г.г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе по теме диссертации 7. Научных работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 1, статей 2, материалов конференций 4.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы составляет 169 страниц, в том числе 122 страницы машинописного текста, 56 рисунков, 5 таблиц. Список использованных источников содержит 110 наименований.

Содержание работы

Первая глава раскрывает современные представления о проблеме обеспечения необходимого уровня сопротивления усталости материала применительно к компрессорным лопатка ГТД из титановых сплавов.

Практика эксплуатации газотурбинных двигателей показывает, что преждевременное разрушение большинства деталей обычно носит усталостный характер. Разрушение, как правило, начинается с поверхности, поскольку поверхностные слои являются наиболее нагруженными при всех видах напряженного состояния и подвергаются активному воздействию внешней среды. В связи с этим создание в поверхностном слое детали необходимого качества поверхности, соответствующего определенным условиям эксплуатации, является важной задачей повышения работоспособности и долговечности ее работы.

Большой вклад в разработку фундаментальных положений теории формирования поверхностного слоя внесли работы И.А. Биргера, H.H. Давиденкова, B.C. Ивановой, С.Т. Кишкина, И.В. Кудрявцева, Н.Д, Кузнецова, A.A. Маталина, И.А. Одинга, A.B. Подзея, А.М. Сулимы и других. Ими показано, что основными показателями качества поверхности являются шероховатость, глубина и степень деформационного упрочнения (наклепа) и технологические остаточные напряжения. Эти параметры часто используют при оценке влияния различных методов обработки на прочностные свойства детали. Многочисленными исследованиями установлено, что в результате применения механических методов упрочняющей обработки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия при соответствующей степени деформационного упрочнения. Отмечая положительную роль сжимающих остаточных напряжений на прочностные и эксплуатационные свойства материалов, многие исследователи считают, что упрочнение деталей, испытывающих при эксплуатации действие высоких температур и циклических нагрузок, приводит к снижению их сопротивления усталости.

Наряду с этим анализ литературных данных показал, что в результате применение различных технологий изготовления лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов в их поверхностном слое могут быть сформированы сжимающие остаточные напряжения, однако наибольшая их величина не превышает ег0 = 100-300 МПа, а глубина залегания - 20-40 мкм. Необходимо учитывать также тот факт, что указанные напряжения под воздействием температурно-силового фактора релакси-руют в первые же часы эксплуатации детали. Поэтому становится ясно, что качество поверхности, полученное после изготовления лопаток, не соответствует предъявляемым к ним требованиям.

Поскольку большинство деталей ГТД работают в условиях знакопеременных нагрузок и повышенных температур, их поверхностный слой должен иметь высокие характеристики качества. Это предполагает наличие в поверхностном слое равномерных по всей поверхности детали остаточных напряжений сжатия при минимальной степени деформационного упрочнения. Указанное качество поверхности достигается методом термопластического упрочнения (ТПУ), разработанным для лопаток турбины ГТД из жаропрочных никелевых сплавов. В настоящее время возникла целесообразность применения указанного метода для лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов.

В связи с изложенным в работе поставлена цель повысить сопротивление усталости лопаток ГТД из титановых сплавов путем формирования поверхностного слоя с необходимыми характеристиками качества с помощью метода термопластического упрочнения. Для ее достижения было намечено решение следующих задач:

1. Разработать математическую модель формирования теплонапряженного состояния в тонкостенной детали в результате ее термопластического упрочнения с учетом термического сопротивления в месте детали и дополнительной массы. Выполнить расчет параметров напряженного состояния применительно к деталям типа лопаток компрессора из титановых сплавов.

2. Провести комплексное исследование влияния параметров и условий процесса ТПУ на напряженное состояние поверхностного слоя деталей из титановых сплавов, а также на их сопротивление усталости.

3. Установить влияние термопластического упрочнения на фазово-структурные изменения в поверхностном слое деталей из двухфазных титановых сплавов.

4. Разработать научно обоснованные рекомендации по внедрению процесса термопластического упрочнения для повышения сопротивления усталости деталей ГТД из титановых сплавов.

Втора глава посвящена разработке математической модели процесса формирования теплонапряженного состояния при термопластическом упрочнении тонкостенных деталей ГТД.

При разработке математической модели учитывался тот факт, что при охлаждении деталей типа лопаток компрессора применялись две схемы: двухсторонняя и односторонняя. Последняя реализовывалась как с применением дополнительной массы, так и без нее. В дальнейших расчетах перо лопатки компрессора представлялось в качестве плоской пластины. Поскольку интенсивность охлаждения детали существенным образом зависит от коэффициента теплоотдачи а(Т), то такая зависимость была найдена экспериментально. При этом было установлено, что макси-

мальное значение коэффициент а(Т) = 180000-®^/2 о^-. достигает при температуре

охлаждаемой поверхности Т = 200°С.

Поскольку упомянутые схемы охлаждения пластины являются частными случаями ее одностороннего охлаждения при условии отсутствия теплопередачи через противоположную сторону, то именно она была взята для последующих расчетов теплового состояния. Тогда при определении температурного поля Т(г, г), изменяющегося только по толщине пластины г за время т, можно воспользоваться уравнением теплопроводности вида:

(1)

ако Эг2 '

при соответствующих граничных и начальном условиях:

дТ 8z

= 0;

ЗГ

где

-ft'(r)-r|z>i = 0; T{0,z) = Г0,

(2)

й2 ' Я

Для решения уравнений (1) и (2) применен численный метод - метод сеток, в основу которого положено уравнение в форме конечных разностей. После замены частных производных функции Т(г,т) на соотношения между конечными разностями в соседних узловых точках температурного поля можно получить систему алгебраических уравнений относительно неизвестных Г0'*' ... Г^*': 77" = ж, + + (1 - 24)17,1 = 1,2...от -1;

ТГ=-

2Í + 1

(3)

Ti"

2Í + 1

-k-Bi(T¿)

Уравнения (3) позволяют найти температурное поле в моменту = (у+ 1)-1, если оно известно в момент = у • у.

Результаты расчета для пластин толщиной 2й = 1-3 мм, показали, что увеличение толщины с 1 до 3 мм приводит к резкому увеличению интенсивности охлаждения тонких поверхностных слоев.

Определение температурных напряжений в бесконечной пластине, возникающих под воздействием изменяющегося по толщине пластины температурного поля, проводилось по следующим зависимостям: - для одностороннего охлаждения

а-Е \-ц

-T(z) + l-¡nz)-dz + ~¡nz)-z-dz

- для симметричного охлаждения

а-Е

<7, = <гу= --

-T(z) + ~¡T(z)dz

(4)

(5)

Результаты расчета по формуле (5) показали, что максимальные температурные напряжения (ег^) для пластин толщиной 2й <2 мм не достигают предела текучести материала (а0 2) в отличие от пластин с 2А > 2 мм. С увеличением толщины пластины разница между сг^ и сг0 2 значительно возрастает. Аналогичным образом изменяется и глубина пластически деформируемого слоя.

Влияние толщины упрочняемой детали на величину температурных напряжений при односторонней схеме охлаждения было определено после их расчета по зависимости (4). Установлено, что закономерности изменения температурных напряжений от толщины пластины для обеих схем охлаждения совпадают. Разница состоит в том, что величины напряжений при одностороннем охлаждении существенно меньше.

Остаточные напряжения определены с помощью теоремы о разгрузке, согласно которой

СТД2) = <Х(2)-<Т'(Г), (6)

где <т(г) - истинные напряжения в упруго - пластическом материале; с" (г) - напряжения, возникающие при предположении об идеальной упругости материала

Остаточные напряжения, вычисляемые по формуле (6), являются неуравновешенными и перераспределяются вследствие деформации пластины. Уравновешенные остаточные напряжения определяются из выражения:

а0{х) = -ЗД + ± "\80(2)сЬ + ^ , (7)

где (г) = -аост(г) = о>г1р1Ш^(г) - введена для удобства расчетов.

При двухстороннем охлаждении выражение (7) примет вид:

с#(г) = -5,(г) + 1к(2)&. (8)

Известно, что в поверхностном слое двухфазных а + (3 - титановых сплавов под действием высоких температур происходят фазовые превращения, характеризуемые увеличением количества /?- фазы. Поскольку этот процесс сопровождается возникновением дополнительных сжимающих напряжений, то с учетом а -> р-превращений суммарная эпюра остаточных напряжений для пластин толщиной

2й=2-5 мм примет вид, показанный на рисунке 1. Расчеты показали, что наибольшие сжимающие напряжения на поверхности находятся в диапазоне = 500-810 МПа.

Результаты вычислений по формуле (7) свидетельствуют о том, что при одностороннем охлаждении величины остаточных напряжений меньше и для толщины 2й=5 мм не превышают на поверхности 500-550 МПа.

Практика эксплуатации газотурбинных двигателей свидетельствует о том, что тонкие кромки пера лопатки компрессора толщиной 0,5-1,0 мм явля-

Рисунок 1 - Остаточные напряжения при двухстороннем охлаждении пластины из сплава ВТ9 с учетом а -» /?- превращений. Режим ТПУ: Т =900°С, Р =600 кПа;

1- 2И =2мм; 2- 2/г =3мм; 3- 2И =5 мм

- граничные условия

готся наиболее вероятными местами появления усталостных трещин. Поэтому решение вопроса о создании в их поверхностном слое благоприятного распределения сжимающих остаточных напряжений является важным с точки зрения обеспечения эксплуатационной надежности всей лопатки. Одним из путей достижения поставленной задачи является применение специальной дополнительной массы (накладки), закрепляемой в тех местах пера лопатки, где ее толщина не превышает 2 мм. В качестве такой массы целесообразно использовать шарики из сплава ЖС6У размером 100-200 мкм, которые можно засыпать в специальную эластичную металлоемкость.

Система «деталь-накладка» представляет собой две контактирующие массы, в месте контакта которых имеется термическое сопротивление. Поэтому в расчетные зависимости для определения температурного поля системы должно войти указанное значение сопротивления. В этом случае уравнения теплопроводности в накладке и детали, граничные и начальное условия записываются следующим образом:

- уравнения теплопроводности в накладке и детали

<з г < 0; (9)

0<2<И; (10)

= 0; (11) = 0; (12)

(13)

« 2——0

т-т+ял^1 =о; (И)

& 2=+0

тафа)=т2)=тиар. (15)

Заменив в уравнениях (9)-(15) первые и вторые производные их разностными аналогами, можно получить систему алгебраических уравнений, позволяющую определять температурное поле в момент времени (у +1).

В уравнения (9)-(15) входят как уже известные теплофизические характеристики сплава ВТ9 (а, и Л,), так и аналогичные характеристики для дисперсного материала ЖС6У (а0 и Ло), которые определяются из следующих формул:

д]\ '52

зг0

дт 2 '

дТ, д%

дт

дт0

&

2=

+ а-Т \т. =

2=И

- уравнения теплопроводности в плоскости контакта накладки и детали

г„( 0)-7;(0)+/уЗ-

&

= 0;

- начальное условие

где Я2~ коэффициент теплопроводности воздуха; Р - пористость материала; Я, - коэффициент теплопроводности сплава ЖС6У; С • у0 - объемная теплоемкость дис-

Ро

персного материала.

В указанные уравнения входит также термическое сопротивление Я„, которое связано с термическими сопротивлениями фактического контакта Им и межконтактной среды Яс соотношением вида

-1- = -!-К К

После необходимых преобразований получено следующее выражение для величины проводимости контакта между деталью и накладкой

' - = 2,12 ■ 104 ■ Вя)"'8 + ---^---

К ' Е " {hcpi+hcpl)-a-m)-d'

где приведенная теплопроводность контактирующих материалов; ^-относительная нагрузка на контактирующих поверхностях; Вп - коэффициент, характеризующий геометрические свойства контактирующих поверхностей и определяется в зависимости от суммы средних высот микронеровностей контактирующих поверхностей hcpl + hcp2; Лс - теплопроводность межконтактной среды.

Сопоставление результатов расчетов по уравнениям (3) и (9)-(15) свидетельствуют о том, что температурные перепады для случая применения накладок и учета термического сопротивления Л, значительно выше.

Определение температурных напряжений в тонких пластинах при использовании дополнительной массы производилось с учетом их несвободного состояния и двухмерности по формуле:

i4

где Г =— fr(z) • dz - среднеинтегральная температура по сечению детали.

2A.Í

Расчет температурных напряжений в пластинах толщиной А =0,5-1,5мм из сплава ВТ9 показал, что в поверхностном слое тонких пластин максимальная величина напряжений изменяется от 870 (h-0,5мм) до 1320 МПа (ft=1,5мм) и существенно превышает предел текучести материала.

Остаточные напряжения при указанных условиях упрочнения определялись по аналогичной для одинарной пластины методике. В связи с тем, что толщина детали при одностороннем охлаждении равна h, формула (7) примет вид:

Уг У

+ ъ + ^ ¡S0(z)-z-dz.

2h-% Н -Уг

Полученные для образцов из сплава ВТ9 толщиной А =0,5-1,5мм остаточные напряжения приведены на рисунке 2.

Третья глава содержит экспериментальное подтверждение положительного влияния процесса ТПУ на сопротивление усталости деталей ГТД из титановых сплавов.

Экспериментальные исследования остаточных напряжений проводились на плоских образцах и лопатках компрессора из титанового сплава ВТ9. Оптимальный

г/2*

— ft ~ " ■

If^J-

1 h'-J-

режим нагрева при термопластическом упрочнении был установлен с помощью графоаналитического метода, который заключается в нахождении точки пересечения кривых предела текучести и температурных напряжений в нагретом поверхностном слое, указывающих температуру начала термопластической деформации. При этом учитывались ф азовые и структур ные превращения, происходящие в титановых сплавах при нагреве и охлаждении.

Рисунок 2 - Остаточные напряжения при одностороннем охлаждении пластин из сплава ВТ9 с использованием при ТПУ накладок и учетом сопротивления Я,. Режимы ТПУ: Т=900°С, Р=0,60 МПа. 1-Л=0,5мм; 2- /¡=1мм; 3-Л=1,5мм Значения коэффициента теплоотдачи между охлаждаемой деталью и охлаждающей средой были определены в зависимости от материала детали, давления охлаждающей среды (воды) и размера отверстий в решетках камеры спрейера.

Целью исследований было установление оптимальных условий нагрева и охлаждения детали с целью получения в ее поверхностном слое необходимого напряженного состояния при термопластическом упрочнении.

Экспериментальное определение оптимальной температуры термопластического упрочнения для образцов из сплава ВТ9 показало, что она составляет 900 С. При этом установлено, что в исследуемом диапазоне температур (800-900 С) в поверхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения с максимумом на поверхности образцов, а их величина изменяется соответственно от 480 до 770 МПа. При душевом охлаждении давление воды составляло Р= 0,6 МПа, а диаметр отверстий в камере спрейера был равен d = 0,8 мм.

Влияние масштабного фактора на эффективность процесса ТПУ выявлено при двухстороннем упрочнении компрессорной лопатки из сплава ВТ9. В поверхностном слое образцов толщиной 2h > 1,96 мм, вырезанных из пера лопатки, формируются сжимающие напряжения с максимальной величиной на поверхности от 550 до 650 МПа с глубиной залегания свыше 150 мкм. В образцах толщиной 2й < 1,47 мм (это относится к входной и выходной кромкам пера лопатки) наблюдаются растягивающие напряжения величиной 250-350 МПа.

Для выявления возможности получения в тонких кромках пера при ТПУ сжимающих остаточных напряжений были упрочнены компрессорные лопатки из сплава ВТ9 с применением дополнительной массы в виде пластин из стали 1Х18Н9Т толщиной 1,5 мм.

Расстояние от пойерхности. *

Рисунок 3 - Остаточные напряжения в лопатке компрессора после ТПУ с применением металлоемкости. Режим ТПУ: Т=900°С; Р=0,60 МПа. 1-2/1=0,87 мм; 2-2/1=1,4 мм; 3-2/1=1,87 мм; 4-2А=1,94 мм; 5-2А=2,2 мм; 6-2й=1,85 мм; 7-2А=1,18 мм. а и б -ширина металлоемкостей Установлено, что по всему профилю пера формируются сжимающие напряжения, которые в тонких кромках достигают сготах =250-400 МПа при очень малой глубине залегания (10-40 мкм). Объяснить это можно неплотным прилеганием стальных

пластин к тонким кромкам пера лопатки. С целью устранения этого недостатка при ТПУ вместо пластин были применены эластичные емкости, заполненные микрошариками из сплава ЖС6У. Исследования показали, что в данном случае значения наибольших остаточных напряжений сжатия в кромках толщиной 2Л=0,86-1,18 мм составляют <тотах =270-320 МПа при глубине залегания до 130 мкм (рисунок 3).

Согласно графикам на рисунке 4 экспериментально определенные уровень и глубина распространения остаточных напряжений имеют несколько более высокие значения по сравнению с рассчитанными теоретически. Это вызвано, по-видимому, тем, что в аналитических расчетах применительно к лопатке с переменной толщиной профиля трудно точно учесть взаимное влияние температурных полей участков пера лопатки с разной толщиной. Однако полученная разница не превышает 13-16%.

Расстояние от поверхности мкм 50 100 150 200

2

I -200

й -600

\ /у / X ¡г*-*—

У / X/ / / //

У / ✓ / / / /д \

Рисунок 4 - Сопоставление расчетных и экспериментальных значений остаточных напряжений в образцах из сплава ВТ9. Режим ТПУ: Т=900°С; Р=600 кПа. 1,2 -2 И =2мм; 3,4 - 2 Л =3мм. -- эксперимент; -------расчет

В результате неравномерного распределения остаточных напряжений после ТПУ по поверхности пера лопатки возможно его отклонение от первоначального положения. Указанная возможность была проверена. Оказалось, что перо термоуп-рочненной лопатки несколько изменило свое положение в пространстве. Однако величина отклонений оказалась невелика и укладывалась в пределы требований, предъявляемых в технических условиях на изготовление лопатки.

Эффективность применения процесса термопластического упрочнения оценивалась по результатам сравнительных испытаний на усталость плоских образцов.

Для обеспечения максимального соответствия условий испытания реальным условиям эксплуатации образцы испытывались при

максимальной для данной лопатки рабочей температуре, равной 400°С, при асимметричном цикле нагружения (ст„=150 МПа). Установлено, что на базе N=5-106 циклов предел вносливости термоупрочненных образцов со снятым газонасыщенным слоем возрос на 42% (рисунок 5).

Каъчеатба цшлой к

Рисунок 5 - Предел ограниченной выносливости плоских образцов из титанового сплава ВТ9. 1-исходные (отжиг); 2-отжиг + ТПУ (Т=900°С) + полировка

Устойчивость созданного напряженного состояния проверялась на образцах, прошедших испытания на усталость при указанных условиях в течение 60 часов. Снижение исходного уровня максимальных остаточных напряжений сжатия составило 20%. Малая величина релаксации свидетельствует о высокой устойчивости термоупрочненных образцов из сплава ВТ9 к температурно-силовым нагрузкам.

Четвертая глава посвящена влиянию процесса «нагрев-охлаждение» на структурные изменения в поверхностном слое двухфазных титановых сплавов.

При освоении различных технологических процессов изготовления деталей ГТД из титановых сплавов большое внимание уделяется соблюдению условий термической обработки, так как они оказывают существенное влияние на структуру и физико-механические характеристики материала. В этой связи в работе проведено исследование микроструктуры двухфазных титановых сплавов до и после термопластического упрочнения на примере сплава ВТ9.

Металлографические исследования показали, что в результате термопластического упрочнения в поверхностном слое образцов образуется двухфазная равноосная мелкозернистая микроструктура, отличающаяся от микроструктуры отожженного образца наличием большего количества /3-фазы (рисунок 6). Образовавшаяся метастабильная /3-фаза под воздействием рабочих температур и напряжений распадается на стабильную структуру, которая характеризуется высоким сопротивлением усталости при рабочих температурах. Таким образом, полученная в результате ТПУ микроструктура способствует увеличению сопротивления усталости сплава ВТ9 в процессе его эксплуатации.

При исследовании перегретой структуры (Г=1050°С) установлено, что в поверхностном слое наблюдается равноосная микроструктура, состоящая из а + /? -фазы. В сердцевине находятся крупные зерна /?-фазы с грубоигольчатой внутризеренной структурой а'-фазы.

Известно, что проникновение кислорода, водорода и азота приводит к сильному упрочнению титановых сплавов и резкому снижению пластичности. Исследование процесса проникновения газов в поверхностный слой отожженных и термоупрочненных образцов из сплава ВТ9 проводилось путем измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 и металлографическим методом. По результатам экспериментов удалось установить, что тонкий поверхностный слой упрочненных образцов характеризуется повышенными значениями микротвердости и наличием альфированного слоя. Этот факт является свидетельством образования при ТПУ на поверхности детали газонасыщенного слоя. Однако оба метода показали, что его величина не превышает 10 мкм.

При перегреве образцов микротвердость поверхностного слоя резко возрастает. Загрязненный газонасыщенный слой, определенный металлографическим методом, выявлен в виде светлой полосы первичной а - фазы.

Рисунок 6 - Микроструктура поверхностного слоя образца из сплава ВТ9 после ТПУ (Т=900°С)

Присутствие газонасыщенного слоя отрицательно сказывается на сопротивлении усталости титановых сплавов, поэтому после термопластического упрочнения его необходимо удалять.

Увеличение количества ß- фазы при ТПУ, сопровождающееся увеличением удельного объема поверхностного слоя, является причиной возникновения в нем дополнительных остаточных напряжений сжатия. Для их расчета можно воспользоваться следующей формулой:

Е (Piß-P^-iK-Yß) Ф 3(1-//)' ya-Plß(r„-rp) ' где Е - модуль упругости, МПа, Е = 1,2-10s МПа; ц - коэффициент Пуассона; Р\р и Pip - относительное содержание ß - фазы в поверхностном слое до и после обработки, %; уа и уß - плотность соответственно а и ß- фаз.

Содержание ß- фазы на поверхности образцов до и после ТПУ определяли рентгенографическим методом на дифрактометре ДРОН-3 по методике, разработанной М.И. Ермоловой. Результаты измерений показали, что увеличение ß- фазы на поверхности термоупрочненных образцов составило в среднем 9%. Это явилось причиной появления фазовых остаточных напряжений сжатия, величина которых составила аф =- 150 МПа.

Пятая глава включает в себя оценку экономической эффективности от внедрения метода термопластического упрочнения для повышения сопротивления усталости лопаток ГТД из титановых сплавов.

Процесс ТПУ лопаток осуществлялся на специальной установке, основными элементами которой являются нагревательное устройство и камера охлаждения. В качестве нагревательного устройства использовалась электрическая печь, обеспечивающая равномерный сквозной прогрев лопатки. Камера охлаждения представляет собой две металлические сетки, расположенные со стороны спинки и корыта. Сетки имеют большое количество отверстий, через которые охлаждающая жидкость подается на лопатку. Установлено, что компрессорные лопатки с минимальной толщиной пера свыше 2 мм относительно легко упрочняются методом ТПУ в отличие от лопаток, имеющих тонкие кромки толщиной 0,5-1,5 мм. При их упрочнении необходимо применять специальное устройство, искусственно увеличивающее толщину кромок. Данный прием позволяет создать равномерное поле сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое тонкостенных лопаток.

На основании проведенных разработок процесс ТПУ рекомендован для внедрения на предприятиях ОАО «Моторостроитель» и ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова» при изготовлении деталей компрессора ГТД из титановых сплавов. Предполагаемая экономическая эффективность от внедрения процесса ТПУ на лопатке компрессора из сплава ВТ9 составила около 150 тыс. рублей на один комплект.

Основные результаты и выводы по работе

1. В результате теоретических разработок и экспериментальных исследований решена важная для двигателестроения научно-техническая проблема, заключающаяся в возможности повышения сопротивления усталости лопаток компрес-

сора ГТД из двухфазных титановых сплавов за счет применения метода термопластического упрочнения.

2. Разработана математическая модель процесса формирования теплонапря-женного состояния при термопластическом упрочнении деталей из титановых сплавов. Выполнен расчет термического сопротивления в месте контакта детали и накладки (/?,). В полученных математических зависимостях при упрочнении тонкостенных деталей учтено влияние значения сопротивления Л, на тепловые поля и температурные напряжения.

3. Установлено, что возможность создания в поверхностном слое пластических деформаций при ТПУ зависит от толщины упрочняемой детали: остаточные напряжения сжатия удается создать только для деталей, толщина которых не менее 2 мм. Максимальные напряжения сжатия образуются на поверхности детали.

4. Расчет тепловых полей и температурных напряжений показал, что при термопластическом упрочнении деталей толщиной 0,5-1,5 мм с применением специальной дополнительной массы возможно получение в поверхностном слое детали сжимающих остаточных напряжений.

5. По результатам экспериментов определены оптимальные режимы термопластического упрочнения (Г„=900°С, г =20 мин, Рк= 0,6 МПа, d= 0,8 мм) и установлено их влияние на характер распределения остаточных напряжений. Применение специального приспособления при ТПУ тонкостенных деталей типа лопаток компрессора позволяет получать по всей поверхности пера равномерное поле сжимающих остаточных напряжений.

6. Испытания на усталость свидетельствуют о том, что на базе N =5-106 циклов предел выносливости термоупрочненных образцов из сплава ВТ9 со снятым газонасыщенным слоем возрос на 42%. Объясняется это, во-первых, наличием в поверхностном слое мощной эпюры сжимающих остаточных напряжений, а, во-вторых, тем, что в процессе эксплуатации метастабильная структура с избыточной Р - фазой перестраивается в равновесную структуру, состоящую из мелкодисперсной смеси а и /? - фаз.

7. Снижение уровня максимальных остаточных напряжений сжатия в течение 60 часов эксплуатационных испытаний составило 20%. Это свидетельствует о высокой стабильности созданного при ТПУ напряженного состояния.

8. Микроструктура поверхностного слоя термоупрочненного и отожженного образцов из сплава ВТ9 практически идентичны. Имеющиеся отличия заключаются только в большем содержании р - фазы (на 9%), которая в процессе эксплуатации распадается на смесь аир- фаз.

9. В результате термопластического упрочнения в поверхностном слое сплава ВТ9 возникает тонкий газонасыщенный слой толщиной до 10 мкм, который необходимо удалять.

10. На основании проведенных теоретических расчетов и экспериментальных исследований разработаны научные рекомендации для производства, которые включают необходимые материалы по выбору оптимальных режимов и условий термопластического упрочнения, обеспечивающие требуемый уровень сопротивления усталости детали. Предполагаемая экономическая эффективность от внедрения процесса ТПУ на лопатке компрессора из сплава ВТ9 составила около 150 тыс. рублей на один комплект.

i

t

Основное содержание диссертации опубликовано

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Вишняков, М.А.Обеспечение надежности и долговечности деталей ГТД за счет повышения качества поверхностного слоя при термопластическом упрочнении [Текст] / Вишняков М.А., Старчевой И.С. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2005. Т.7. №2(14). С.431-435.

и других изданиях:

2. Вишняков, М.А. Конструктивно-технологические особенности применения метода ТПУ для повышения сопротивления усталости деталей ГТД [Текст] / Вишняков М.А., Старчевой И.С. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2007. Т9. № 3(21). С. 765-770.

3. Вишняков, М.А. Определение остаточных напряжений при термопластическом упрочнении деталей ГГД [Текст] / Вишняков М.А., Старчевой И.С., Пани-карова Н.Ю. // Международный журнал «Проблемы машиностроения и автоматизации», - М.: Машиностроение, 2008, № 2. С. 58-61.

4. Вишняков, М.А. Влияние теплофизических свойств материала на коэффициент теплоотдачи при ускоренном охлаждении нагретой детали [Текст] / Вишняков М.А., Старчевой И.С. // В кн.: Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXX академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2006 г. /Под общей редакцией А.К. Медведевой. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2006. С. 430-431.

5. Вишняков, М.А. О релаксационной стабильности остаточных напряжений, созданных методом термопластического упрочнения [Текст] / Вишняков М.А., Старчевой И.С. // В кн.: Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Материалы докладов международной научно-технической конференции. 21-23 июня 2006 г. - Самара: СГАУ, 2006. - В 2 Ч. Ч. 1. С.136-137.

6. Вишняков, М.А. Расчетное определение термического сопротивления в месте контакта тонкостенной детали и накладки при термопластическом упрочнении [Текст] / Вишняков М.А., Старчевой И.С. // В кн.: Актуальные проблемы трибологии: Сборник трудов международной научно-технической конференции. Июнь 2007 г. - М.: Машиностроение, 2007. - В 3-х Т. ТЗ. С.75-84.

7. Старчевой, И.С. Особенности создания остаточных напряжений при термопластическом упрочнении лопаток компрессора ГТД [Текст] / Старчевой И.С. // В кн.: Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXI академических чтений по космонавтике. Москва, январь-февраль 2008 г. / Под общей редакцией А.К. Медведевой. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2008. С. 512-513.

Подписано в печать 21.11.08 Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета 443086, Самара, Московское шоссе 34, СГАУ

Введение.

Глава 1 Современные представления о проблеме обеспечения сопротивления усталости при изготовлении лопаток ГТД из титановых сплавов.

1.1 Конструкция и технические условия на изготовление лопаток компрессора ГТД.

1.2 Основные положения технологии изготовления рабочих лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов.

1.3 Применение методов поверхностного упрочнения для повышения сопротивления усталости лопаток ГТД из титановых сплавов.

1.3.1 Гидробробеструйная обработка.

1.3.2 Вибрационная обработка.

1.3.3 Упрочнение гидрогалтовкой.

1.4 Влияние качества поверхности на сопротивление усталости деталей ГТД.

1.4.1. Шероховатость поверхности.

1.4.2. Остаточные напряжения.

1.4.3 Деформационное упрочнение.

1.5 Метод термопластического упрочнения.

1.6 Выводы и задачи исследований.

2 Разработка математической модели процесса формирования теплонапряженного состояния при термопластическом упрочнении тонкостенных деталей ГТД.

2.1 Расчет температурных полей, температурных и остаточных напряжений.

2.1.1 Разработка математической модели процесса создания температурных полей при термопластическом упрочнении.

2.1.2 Расчет температурных и остаточных напряжений.

2.2 Влияние присоединенной массы на теплонапряженное состояние тонкостенной детали из титанового сплава при ТПУ.

2.2.1 Определение теплофизических характеристик дисперсного материала.

2.2.2 Расчетное определение термического сопротивления в системе «деталь-накладка».

2.2.3 Разработка системы уравнений для определения температурных полей в системе «деталь-накладка» с учетом термического сопротивления в стыке.

2.2.4 Расчет температурных и остаточных напряжений при термопластическом упрочнении детали с накладками.

2.3 Выводы.

3 Исследование влияния процесса ТПУ на напряженное состояние и сопротивление усталости деталей из титановых сплавов.

3.1 Обрабатываемый материал.

3.2 Выбор режимов и условий термопластического упрочнения титанового сплава ВТ9.

3.2.1 Выбор температуры нагрева.

3.2.2 Определение давления охлаждающей жидкости и диаметра спрейера.

3.3 Методика исследования остаточных напряжений и применяемая аппаратура.

3.4 Исследование закономерности формирования остаточных напряжений в зависимости от режимов и условий процесса упрочнения

3.5 Исследование изменения пространственного положения пера лопатки компрессора в результате ее термопластического упрочнения.

3.6 Влияние термопластического упрочнения на сопротивление усталости сплава ВТ9.

3.7 Выводы.

4 Влияние процесса «нагрев-охлаждение» на структурные изменения в поверхностном слое двухфазных титановых сплавов.

4.1 Металлографические исследования микроструктуры поверхностного слоя термоупрочненных образцов из сплава ВТ9.

4.2 Исследование процесса газонасыщения при термопластическом упрочнении образцов из сплава ВТ9.

4.3 Исследование влияния изменения количества J3- фазы на остаточные напряжения.

4.4 Выводы.

5 Экономическая эффективность от внедрения процесса термопластического упрочнения деталей ГТД из титановых сплавов.

Для авиадвигателестроения до настоящего времени актуальна проблема повышения эксплуатационной надежности и ресурса двигателей, ответственные узлы и детали которых продолжительное время работают в условиях циклических нагрузок и повышенных температур. На практике данная проблема решается путем создания современных конструкций, применения материалов с повышенными физико-механическими характеристиками, а также широкого внедрения в производство прогрессивных финишных методов обработки, среди которых особая роль отводится методам упрочняющей технологии, основанных на поверхностном пластическом деформировании (ППД). Методы ППД способствуют улучшению показателей качества обработанной поверхности. Упрочнение поверхностных слоев высоконагруженных деталей, как показывает опыт, часто является технологически наиболее легко осуществимым и дает значительный эффект. Большое распространение получили такие методы ППД, как обдувка микрошариками, пневмо- и гидродробеструйная обработки, обкатка шариком или роликом, ультразвуковая обработка и другие.

Значительный вклад в разработку и развитие фундаментальных положений теории формирования качества поверхностного слоя внесли такие ученые, как И.А. Биргер, Н.Н. Давиденков, B.C. Иванова, С.Т. Кишкин, Н.Д. Кузнецов, А.А. Маталин, А.В. Подзей, A.M. Сулима и др. Многочисленными исследованиями установлено, что в результате применения методов упрочняющей обработки на основе ППД в поверхностном слое создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия при соответствующей степени деформационного упрочнения. Поскольку традиционные методы ППД связаны с созданием в поверхностном слое высокой степени упрочнения, в условиях переменных нагрузок и повышенных температур в них интенсифицируются диффузионные процессы. Результатом этого является резкое снижение созданных параметров качества поверхностного слоя. Поэтому использование ППД для деталей, работающих при повышенных температурах и значительных нагрузках, имеет определенные ограничения. Это в большой степени относится к таким высоконагруженным деталям газотурбинных двигателей, как лопатки компрессора и турбины. Наиболее приемлемыми для них являются такие методы упрочнения, которые обеспечивают в поверхностном слое детали благоприятное напряженное состояние при минимальной степени упрочнения. Одним из таких методов является термопластическое упрочнение (ТПУ).

Данная работа связана с исследованием влияния процесса ТПУ на сопротивление усталости лопаток компрессора газотурбинных двигателей из двухфазных титановых сплавов. Она включает теоретико-экспериментальные исследования напряженного состояния поверхностного слоя термоупрочнен-ных деталей, закономерности фазово-структурных превращений в двухфазных титановых сплавах при нагреве и ускоренном охлаждении, рекомендации по выбору оптимальных режимов и условий ТПУ, а также оценку их влияния на сопротивление усталости компрессорных лопаток ГТД.

Решение указанных вопросов включает:

1. Разработку математической модели формирования теплонапряжен-ного состояния в тонкостенной детали в результате ее термопластического упрочнения. Результаты расчета параметров состояния применительно к деталям типа лопаток компрессора из титановых сплавов.

2. Результаты комплексного исследования влияния параметров и условий процесса ТПУ на напряженное состояние поверхностного слоя деталей из титановых сплавов, а также на их усталостную долговечность.

3. Установление влияния термопластического упрочнения на фазово-структурные изменения в поверхностном слое детали из двухфазных титановых сплавов.

4. Разработку научно обоснованных рекомендаций по внедрению процесса термопластического упрочнения для повышения сопротивления усталости деталей ГТД из титановых сплавов.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОБЛЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ЛОПАТОК ГТД ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Титановые сплавы, обладая высокими механическими свойствами, нашли широкое применение при изготовлении ответственных деталей газотурбинных двигателей, которые в процессе работы испытывают воздействие больших статических и переменных напряжений при сравнительно высокой температуре. Например, жаропрочные сплавы ВТЗ-1, ВТ8 и ВТ9 используют для изготовления дисков, лопаток и колец компрессора. Основной областью применения листовых сплавов типа ОТ-4, а также сплава ВТ20 повышенной прочности являются пустотелые лопатки направляющих аппаратов и корпусные детали компрессора. Высокая чувствительность титановых сплавов к концентрации напряжений при переменных нагрузках требует тщательного учета условий работы деталей, подбора режимов и способов их обработки.

В настоящее время можно назвать следующий комплекс основных механических свойств, которым удовлетворяют титановые сплавы, применяемые для деталей авиационных двигателей [63].

1. Высокое сопротивление усталости при комнатной и повышенной температурах. Эта характеристика особенно важна для лопаток компрессора, которые в процессе работы испытывают переменные нагрузки. Предел выносливости гладких образцов при температуре 20°С должен составлять не менее 45% предела прочности, а при температуре до 400°С - не менее 50% предела прочности для соответствующих температур.

2. Высокая кратковременная и длительная прочность во всем интервале рабочих температур. Предел прочности при комнатной температуре - 10001200 МПа; кратковременная и 100-часовая прочность при 400°С - 750 МПа, 100-часовая прочность при 500°С - 650 МПа.

3. Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои пластические свойства после длительного воздействия высоких температур и напряжений. Он не должен охрупчиваться не только после 100-часового нагрева при любой температуре в интервале 20-500°С, но и после воздействия температур и напряжений в заданных условиях в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.

4. Удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре: относительное удлинение 10%, поперечное сужение 30%, ударная вязкость 0,3 МДж/м2.

5. Высокое сопротивление ползучести. Эта характеристика особенно важна для дисков компрессора, работающих под воздействием значительных растягивающих напряжений.

В зависимости от условий работы детали предпочтение отдается тому или иному из перечисленных свойств при сохранении соответствующих оптимальных значений остальных.

Общие выводы по работе

1. В результате теоретических разработок и экспериментальных исследований решена важная для двигателестроения научно-техническая проблема, заключающаяся в возможности повышения сопротивления усталости лопаток компрессора ГТД из двухфазных титановых сплавов за счет применения метода термопластического упрочнения.

2. Разработана математическая модель процесса формирования тепло-напряженного состояния при термопластическом упрочнении деталей из титановых сплавов. В полученных математических зависимостях при упрочнении тонкостенных деталей учтено влияние термического сопротивления в месте контакта детали и накладки на тепловые поля и температурные напряжения.

3. Установлено, что возможность создания в поверхностном слое пластических деформаций при ТПУ зависит от толщины упрочняемой детали: остаточные напряжения сжатия удается создать для деталей, толщина которых не менее 2 мм. Максимальные остаточные напряжения сжатия (сг = г о max

400-600 МПа) образуются на поверхности детали.

4. Расчет тепловых полей и температурных напряжений показал, что при термопластическом упрочнении деталей толщиной 0,5-1,5 мм с применением специальной дополнительной массы возможно получение в поверхностном слое детали сжимающих остаточных напряжений.

5. По результатам экспериментов определены оптимальные режимы термопластического упрочнения (ГЯ=900°С, т=20 мин, Рк= 0,6 МПа, d = 0,8 мм) и установлено их влияние на характер распределения остаточных напряжений. Применение специального приспособления при ТПУ тонкостенных деталей типа лопаток компрессора позволяет получать по всей поверхности пера равномерное поле сжимающих остаточных напряжений. На тонких кромках толщиной 0,87 и 1,18 мм их наибольшие значения составляют сг = 270-320 МПа. о max

6. Испытания на усталость свидетельствуют о том, что на базе vV =5-106 циклов предел выносливости термоупрочненных образцов из сплава ВТ9 со снятым газонасыщенным слоем возрос на 42%. Объясняется это, во-первых, наличием в поверхностном слое мощной эпюры сжимающих остаточных напряжений, а, во-вторых, тем, что в процессе эксплуатации метастабильная структура с избыточной р - фазой перестраивается в равновесную структуру, состоящую из мелкодисперсной смеси а и р - фаз.

7. Снижение уровня максимальных остаточных напряжений сжатия в течение 60 часов эксплуатационных испытаний составило 20%. Это свидетельствует о высокой стабильности созданного при ТПУ напряженного состояния.

8. Микроструктура поверхностного слоя термоупрочненного и отожженного образцов из сплава ВТ9 практически идентичны. Имеющиеся отличия заключаются только в большем содержании р - фазы (на 9%), которая в процессе эксплуатации распадается на смесь а и р - фаз.

9. В результате термопластического упрочнения в поверхностном слое сплава ВТ9 возникает тонкий газонасыщенный слой толщиной до 10 мкм, который необходимо удалять.

10. На основании проведенных теоретических расчетов и экспериментальных исследований разработаны научные рекомендации для производства, которые включают необходимые материалы по выбору оптимальных режимов и условий термопластического упрочнения, обеспечивающие требуемый уровень сопротивления усталости детали. Предполагаемая экономическая эффективность от внедрения процесса ТПУ на лопатке компрессора из сплава ВТ9 составила около 150 тыс. рублей на один комплект.

1. Аксенов Г.И. Основы порошковой металлургии. — Куйбышев: Куй-быш. Кн. изд-во, 1962. — 189 с.

2. Андрианов А.И. Прогрессивные методы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1975. — 240 с.

3. Бабичев А.П., Матюхин Е.В., Шевцов С.Н. Упрочняемость закаленных шлифовальных сталей при виброударной обработке //Вестник машиностроения. 1980. №7. С.55-58.

4. Барвинок В.А. Аналитический метод решения нестационарной задачи теплопроводности //Изв. вузов. Машиностроение. 1980. №3. С.92-96.

5. Барвинок В.А. Определение остаточных напряжений в многослойных пластинах//Изв. вузов. Черная металлургия. 1981. №1. С.67-71.

6. Барвинок В.А., Трусов В.Н., Урывский Ф.П. Исследование качества поверхностного слоя титанового сплава//Изв. вузов. Машиностроение. 1979. №1. С.98-100.

7. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990. — 386 с.

8. Безъязычный В.Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин //Справочник. Инженерный журнал. 2001. №4. С.9-16.

9. Бенкин В.А. Влияние финишной механической обработки на работоспособность цилиндрических зубчатых колес //Вестник машиностроения, 1980. №10. С.13-16.

10. Биргер И.А. Остаточные напряжений. М.: Машгиз, 1963. - 231 с.

11. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович P.M. Расчеты на прочность деталей машин. -М.: Машиностроение, 1966. 615 с.

12. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. — М.: Мир, 1964.-517 с.

13. Вейцман М.Г., Вайнштейн В.Г. Упрочнение титановых сплавов поверхностным пластическим деформированием //Вестник машиностроения, 1975. №9. С. 73-75.

14. Вишняков А.Е. Исследование качества поверхностного слоя при протягивании деталей ГТД из титановых сплавов: Автореф. дис. . канд. техн. наук /Куйб. авиац. ин-т. Куйбышев, 1971. — 27 с.

15. Вишняков М.А. Остаточные напряжения при термопластическом упрочнении пазов дисков турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4 //Вестник СамГТУ «Технические науки». Самара, 2002. № 15. С. 116-118.

16. Вишняков М.А. Повышение эксплуатационных характеристик крупногабаритных деталей ГТД. Самара: Самар. науч. центр РАН, Самар. гос. техн. ун-т, 2003. — 107 с.

17. Вишняков М.А., Горелов В.В., Серяпин Ю.А. Отработка технологических параметров упрочнения мартенситных и титановых сплавов термопластическим методом //Совершенствование технологических процессов в машиностроении: Сб. тр. ИптИ. Иркутск, 1982. С. 62-65.

18. Влияние дробеструйного и гидродробеструйного упрочнения на малоцикловую ударную усталость высокопрочной стали /А.Н.Овсеенко, А.Я.Малолетнев, В.А.Остапенко и др. //Вестник машиностроения. 1982. №6. С. 35-37.

19. Влияние термомеханической и механической обработки на сопротивление усталости титанового сплава ВТЗ-1 /О.М.Ивасишин, П.Е.Марковский, В.Н.Днепренко и др. //Проблемы прочности. 1992. №6. С.12-19.

20. Волков В.И., Цейтлин А.Н., Сухов П.А. Изготовление лопаток ГТД с учетом рабочих температур //Авиационная промышленность. 1975. № 3. С. 18-21.

21. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974. — 368 с.

22. Гликман JI.А. Устойчивость остаточных напряжений и их влияние на механические свойства металлов и прочность изделия // Тр. ЛИЭИ. 1956. Вып. 13. С. 145-203.

23. Гликман JI.A., Гуревич Б.Г., Середин В.В. Поверхностное пластическое деформирование деталей из титанового сплава ВТЗ-1 //Вестник машиностроения. 1977. №4. С.50-53.

24. Головин Г.Ф., Зимин Н.В. Исследование душевого способа охлаждения. Д.: ОТИНИИТВЧ, 1963. - 12 с.

25. Горелов В.В. Исследование термопластического упрочнения как метода повышения усталостной прочности деталей ГТД: Дис. . канд. техн. наук /Куйбыш. политехи, ин-т. Куйбышев, 1980. - 210 с. (ДСП).

26. ГОСТ 2860-69. Металлы. Методы испытания на усталость. М.: 1965.-39 с.

27. Гринченко И.Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. -М.: Машиностроение, 1971. 120 с.

28. Гудков А.А. Трещиностойкость стали. М.: Металлургия, 1989.376с.

29. Давиденков Н.Н., Шевандин Е.М. Исследование остаточных напряжений, создаваемых изгибом //Журнал технической физики. 1939. Т. IX. № 12. С. 1112-1124.

30. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных машин. — М.: Машиностроение, 1975. — 224с.

31. Демин Ф.И., Проничев Н.Д., Шитарев И.Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. М.: Машиностроение. 2002. — 328 с.

32. Дубровин И.Ф. Качество поверхностного слоя титановых сплавов при фрезеровании//Авиационная промышленность. 1970. № 11. С. 49-51.

33. Дубровин И.Ф. О поведении водорода в титановых сплавах при фрезеровании //Авиационная промышленность. 1972. № 4. С. 67-68.

34. Дунин-Барковский И.В. Вопросы анализа спектров профилей реальных поверхностей, получаемых при механической обработке //Исследование процессов обработки металлов резанием: Сб. тр. МАТИ. М.: Оборонгиз, 1960. Вып. 45. С.48-74.

35. Ермолова М.И. Рентгенографическое определение количества /?-фазы в сплавах на основе титана //Заводская лаборатория. 1965. Т. XXXI. № 5. С.577.

36. Иванова B.C. Прочность металлов при циклических нагрузках. -М.: Наука, 1967.-247 с.

37. Иванова B.C., Гуревич С.Е., Копьев М.И. Усталость и хрупкость металлических материалов. М.: Наука, 1968.-213 с.

38. Иващенко А.И. Термопластическое упрочнение деталей ГТД из материала ЖС6-Ф: Дис. . канд. техн. наук /Куйб. политехи, ин-т. — Куйбышев, 1983.-207 с. (ДСП).

39. Изготовление основных деталей авиадвигателей /М.И.Евстигнеев, И.А.Морозов, А.В.Подзей и др. М.: Машиностроение, 1972. - 448 с.

40. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981.-416с.

41. Каледин Б.А., Чепа П.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием. — Минск: Наука и техника, 1974. — 232 с.

42. Карзов Г.П., Леонов В.П., Тимофеев Б.Т. Сварные сосуды высокого давления. JL: Машиностроение, 1982. — 288с.

43. Карпенко Г.В. Влияние механической обработки на прочность и выносливость стали. — М.: Машгиз, 1959. — 186 с.

44. Кишкин С.Т., Сулима A.M., Строганов В.П. Исследование влияния наклепа на механические свойства и структуру сплава ЭИ437А. Тр. МАИ. Вып. 71. С. 5-12.

45. Костина Г.Н. Исследование и разработка метода повышения эксплуатационных характеристик деталей ГТД: Дис. . канд. техн. наук. /Куй-быш. политехи, ин-т. — Куйбышев, 1978. — 221 с. (ДСП).

46. Кравченко Б.А. Силы, остаточные напряжения и трение при резании металлов. Куйбышев: Куйбыш. кн. изд-во, 1962. — 178 с.

47. Кравченко Б.А., Митряев К.Ф. Обработка и выносливость высокопрочных материалов. Куйбышев: Книж. изд., 1968. - 131 с.

48. Кравченко Б.А., Салугин Э.К. Исследование остаточных напряжений и предела выносливости образцов, упрочненных ТВЧ с охлаждением //Матер, научно-техн. конф. Куйбышев. 1966. С. 18-20.

49. Кравченко Б.А., Салугин Э.К. Формирование остаточных напряжений при нагреве токами высокой частоты с одновременным и последующим охлаждением. Тр. КуАИ, 1970. Вып. 43. С. 27-29.

50. Кривоухов В.А., Чубаров А.Д. Обработка резанием титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1970. - 183 с.

51. Кузнецов И.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. - 216 с.

52. Кураева В.П., Солонина О.П., Тхоревская Ж.Д. Влияние легирования на жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов //Структура и свойства титановых сплавов. М.: ОНТИ ВИАМ, 1972. С. 256264.

53. Лыков А.В. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1967. —599 с.

54. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. - 278 с.

55. Маталин А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев: Техника, 1971. — 144 с.

56. Маталин А.А. Технология механической обработки. Л.: Машиностроение, 1977. —464 с.

57. Меркулова Н.С., Исаева И.А. Выбор оптимальных условий травления при определении остаточных напряжений в деталях их титановых сплавов //Авиационная промышленность. 1977. № 2. С. 65-67.

58. Моисеев В.Н. Термическая обработка и механические свойства сплавов системы Ti-Mo-Al //Металловедение и термическая обработка металлов. 1962. № 4. С.36-40.

59. Сборочные, монтажные и испатательные процессы в производстве летательных аппаратов /В.А. Барвинок, В.И. Богданович, П.А. Бордаков и др., М.: Машиностроение, 1997. - 576 с.

60. Солонина О.П., Глазунов С.Г. Жаропрочные титановые сплавы. -М.: Металлургия, 1976. 448 с.

61. Мороз Л.С., Разуваева И.Н., Ушков С.С. Особенности влияния алюминия на механические свойства титана //Новый конструкционный материал -титан. М.: Наука. 1972. С. 109-114.

62. Нейбер Г. Концентрация напряжений. М.: Машиностроение, 1972. - 200 с.

63. О сопротивлении усталости титанового сплава ВТЗ-1 в связи с поверхностным наклепом /М.Н.Степнов, М.Г.Вейцман, Е.В.Гиацинтов и др. //Проблемы прочности. 1985. №3. С.20-22.

64. Папшев Д. Д. Отдел очно упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. -М.: Машиностроение, 1978. - 152 с.

65. Петросов В.В. Гидродробеструйный способ упрочнения деталей машин //Размерно-чистовая обработка поверхностным деформированием. М.: НИИМАШ. 1968. С. 68-74.

66. Повышение долговечности машин технологическими методами /В.С.Корсаков, Г.Э.Таурит, Г.Д.Василюк и др., Киев: Техника. 1986. - 158 с.

67. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением /Л.А.Хворостухин, С.В.Шишкин, И.П.Ковалев, Р.А.Ишмаков. — М.: Машиностроение, 1988. 144 с.

68. Подзей А.В., Серебренников Г.З. Регулирование остаточных напряжений сквозным нагревом деталей с последующим быстрым охлаждением//Тр. МАИ. 1961. Вып. 140. С. 5-16.

69. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. — М.: Энергия, 1971. -216 с.

70. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. — М.: Металлургия, 1982. 584 с.

71. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняюще-колибрующей и формообразующей обработки металлов. -М.: Машиностроение, 1971. 207 с.

72. Пульцин Н.М. Титановые сплавы и их применение в машиностроении. М.-Л.: Машгиз, 1962. - 168 с.

73. РД 50-345-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при циклическом нагружении (методические указания). М.: Изд-во стандартов, 1983. - 96с.

74. Рябов А.Я., Броинз А.Д. Повышение ресурса деталей авиадвигателей из высокопрочных сталей. — М.: Машиностроение, 1977. — 99 с.

75. Самарский А.А. Ведение в теорию разностных схем. — М.: Наука, 1971.-552 с.

76. Самарский А.А. Теория разностных схем. — М.: Наука, 1977. — 656 с.

77. Семенченко И.В., Мирер Я.Г. Повышение надежности лопаток газотурбинных двигателей технологическими методами. — М.: Машиностроение, 1977.- 160 с.

78. Серегин Г.В. Влияние наклепа на циклическую долговечность //Проблемы прочности. 1985. №7. С.30-31.

79. Сидоров Н.Ф. Исследование влияния структурно-фазового состояния сплава ВТ8 на формирование остаточных напряжений при механической обработке деталей ГТД: Дис. . канд. техн. наук /НИАТ. М.: 1970. - 30 с.

80. Сидякин Ю.И. Повышение эффективности упрочняющей механической обработки валов обкаткой их роликами или шариками //Вестник машиностроения. 2001. №2. С. 43-49.

81. Смелянский В.М., Колеватов В.В. Технология управления качеством поверхностного слоя при обкатывании титановых сплавов //Вестник машиностроения. 2001. №9. С.51-54.

82. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. — М.: Наука, 1969. — 511 с.

83. Создание объемных напряжений в лопатках ГТД /В.А.Богуслав, А.П.Лопатенко, Н.Б.Макаренко и др. //Проблемы прочности. 1993. №2. С.58-64.

84. Солонина О.П., Глазунов С.Г. Жаропрочные титановые сплавы. — М.: Металлургия, 1976.-448 с.

85. Сулима A.M., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. — М.: Машиностроение, 1974. -256 с.

86. Сулима A.M., Носков А.А., Серебренников Г.З. Основы технологии производства газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1996. - 480 с.

87. Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. -240 с.

88. Технологические остаточные напряжения /Под ред. А.В.Подзея. — М.: Машиностроение, 1973. -216 с.

89. Трофимов В.В., Радеева Е.И. Об изменении напряжений в упрочненных приповерхностных слоях //Проблемы прочности. 1979. №7. С. 30-32.

90. Трощенко В.Т., В.Т., Прокопенко А.В., Ляликов С.М. Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости конструкционных сталей и сплавов при наличии поверхностных дефектов //Проблемы прочности. 1989. №8. С.10-15.

91. Усталость материалов при высокой температуре /Под ред. Р.П.Скелтона /Пер. с англ. М.: Металлургия, 1988. - 343 с.

92. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение, 1974.-368 с.

93. Хомляк Л.В., Гембара В.М. Расчет параметров локального нагрева пластин с целью создания остаточных сжимающих напряжений в заданных областях //Проблемы прочности. 1994. №11. С.55-58.

94. Чепа П.А., Андрияшин В.А. Эксплуатационные свойства упрочненных деталей /Под ред. О.В.Берестнева. — Мн.: Наука и техника, 1988. 192 с.

95. Чижик А.А., Лапик А.А., Ермаков Б.С. Распространение коррозионных трещин в дисках паровых турбин //Энергомашиностроение, 1988. №11. С.32-34.

96. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: ФМЛ, 1962. - 456 с.

97. Шарипов Б.У. Формирование поверхностного слоя при обработке деталей методами ППД //Вестник машиностроения. 2000. №8. С. 46-48.

98. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей поверхностной закалкой при индукционном нагреве. М.: Машиностроение, 1972. — 288 с.

99. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. -М.: Металлургия, 1978. 304 с.

100. Шляпников В.Н., Ильченко Б.В., Степанов Н.В. Анализ НДС элементов замкового соединения диска компрессора ГТД в трехмерной упругой постановке. Сообщение 1 //Проблемы прочности. 1992. №12. С.15-21.

101. Шоршоров М.Х., Назаров Г.В., Белов В.В Особенности механизма задержанного разрушения и образования холодных трещин при сварке сплавов титана в сравнении со сталями //Титан и его сплавы. М.: АН СССР, 1963. Вып. 10. С. 284-291.

102. Штремель М.А. Прочность сплавов. 4.1. Дефекты решетки. М.: Металлургия, 1982. - 280 с.

103. Alderson R.G., Tani V.A., Tree D.J. Three-dimensional optimization of a gas tyrbine disk and blade attachment. Aircraft, 1976, -13, №12. P.994-999.

104. Clausing A.M. a. Chao B.T., Thermal contact resistance in a vacuum environment, Univ. of Illinois Eng. Exp. Sta., Report ME-TN-242-1, August 1963.

105. Suiter J.W. J. Inst. Metals, 1955, v. 33, № 10, p. 460.

106. Willens R.H., Keck W.M. Lab. Zugng. Mater., Calif. Inst. Pasadena, 1961, p. 136.

107. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО 'Щр "САМАРСКИЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС им. Н.Д. КУЗНЕЦОВА" N.D. KUZNETSOV SCIENTIFIC AND TECHNICAL COMPLEX IN SAMARA

108. Начальник Конструкторского научно-исследовательского отделения, к.т.н.1. Солянников В. А.023451. Российская федерация

109. Применение разработок позволит увеличить долговечность работы указанных деталей.

110. Главный ме галлург д.т.и., проф.1. В.А. Костышсв