автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Технологическое обеспечение несущей способности дисков компрессора из жаропрочных сплавов

ЗАПОРІЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

/Ч г|

^ >' • На правах рукопису

Сахно Олександр Георгійович

УДК 621.45.037 - 226:620.178.381

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ ДИСКІВ КОМПРЕСОРА З ЖАРОМІЦНИХ СПЛАВІВ

Спеціальність: 05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Запоріжжя -1998 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології авіаційних двигунів і машинобудування Запорізького державного технічного університету.

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент Яценко Віктор Кузьмич,

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Ольшанецький Вадим Юхимович, Запорізький державний технічний університет, професор кафедри фізичного матеріалознавства;

кандидат технічних наук Федоренко Борис Федорович, ВАТ "Мотор-Січ", начальник КБ Відділу надійності

Провідна установа - Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому державному технічному університеті за адресою:

330063, вул. Жуковського, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького державного технічного університету за адресою:

330063, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розісланий 1993 р

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

Запорізький державний технічний університет, завідувач кафедри технології авіаційних двигунів і машинобудування

"Прогрес", відділ головного конструктора, Міністерство промислової політики України, м. Запоріжжя

Захист відбудеться 1998 р. о ^ год.

доктор технічних наук, професор

Волчок І.П.

і

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. В конструкції газотурбінних двигунів (ГТД) найбільш навантаженнями є деталі ротора, витривалість яких визначає ресурс . всього виробу. Підвищення ефективності сучасних ГТД супроводжується збільшенням навантаження цих деталей. Зокрема, диски осьових компресорів, які експлуатуються в умовах помірно-підвшценних температур (500-600 °С), працюють при високих швидкостях обертання і, як наслідок, відчувають дію великих відцентрових сил при значному впливі багатоциклових перемінних напружень. Тому забезпечення високої надійності і підвищення витривалості є важливішою вимогою до дисків ГТД. Крім того, при підвищенні ресурсу двигунів особливу актуальність набуває прогнозування витривалості дисків. Вирішення такої задачі, засноване тільки на теоретичних методах розрахунку, не може бути задовільним, бо грунтується на припущеннях, лише приблизно відображаючих реальні умови роботи. Прогнозування ресурсу дисків має базуватися на комплексному дослідженні характеристик витривалості з урахуванням конструкційно-технологічних і експлуатаційних факторів.

Опір втоми значно залежить від властивостей поверхневого шару деталі, який формується на фінішних етапах технологічного процесу. Підвищення несучої здатності можна досягти не тільки шляхом створення нових жароміцних матеріалів, але і за рахунок удосконалсшія існуючих, при впровадженні нових технологій, всіляких видів зміцнюючої обробки. Це дозволяє при зберіганні одних позитивних якостей матеріалу поліпшити другі, які не задовольняють вимогам експлуатації.

Однією з деталей ротора, яка обмежує термін служби двигуна Д-36, є диск VI ступені компресора високого тиску (КВТ), що виготовляється зі сплаву ХН73МБТЮ - ВД. Сплав має високі характеристики міцності та пластичності і здатний зберігати ці властивості при тривалій роботі в умовах підвищенних температур. Проте, неодноразово мало місце дострокове зняття двигуна з експлуатації з причини вичерпання дисками свого ресурсу внаслідок появи тріщин від втоми на поверхнях міжпазових виступів. Відомі дослідження та публікації про даний сплав не дають повної відповіді на питання про причини та

закономірності зниження витривалості дисків, працюючих при помірно-підвищених температурах. Це пов'язано з обмеженим об'ємом досліджень основних закономірностей формування властивостей поверхневого шару та їх впливу на опір втоми, здійснених на натурних деталях.

З цієї причини утруднено вибір раціональних методів та режимів фінішної обробки і прогнозування ії ефективності, що дозволяло б підвищити опір втоми дисків.

Проведені під час виконання цієї роботи комплексні дослідження спрямовані на підвищення експлуатаційних властивостей дисків компресору з жароміцних сплавів.

Основні розділи дисертації автор виконував у якості відповідального виконавця важливіших науково-досліднйх робіт ЗДТУ, які проводились згідно з постановами: ДКНТ СРСР № 90 від 1.04.87р. з МНТК «Антикор»; РМ УРСР №310 від 7.12.88р. з РЦКП «Материалоемкость»; спільний наказ № 284/510 від 15.01.87р. з комплексної програми спільних НДР АН УРСР, ВУЗів та підприємств Мінавіапрому СРСР «Повышение надежности ГТД»; наказ Міносвіти України №68 від 31.03.92р.

Піль роботи. Підвищення несучої здатності дисків компресору ГТД з жароміцних сплавів за рахунок раціонального вибору методів фінішної обробки з застосуванням деформаційного зміцнення кульками на основі математичної залежності коефіцієнту зміцнення, встановленої при системному дослідженні основних закономірностей формування властивостей і мікроструктури поверхневого шару та характеристик витривалості деталі.

Задачі дослідження, спрямовані на реалізацію роботи, сформульовано у такому вигляді:

- розробка методики досліджень опору втоми натурних елементів -міжпазових виступів дисків, яка дозволяє моделювати накопичення втомлених пошкоджень, для порівняльної оцінки і прогнозування ефективності застосування засобів фінішної обробки;

- розробка методики оцінки впливу засобів і характеру притуплення кромок пазів на концентрацію напружень і опір втоми дисків, встановлення залежності змінення теоретичного коефіцієнту концентрації напружень і границі

з

витривалості при різному конструкційному виконанні пазу;

- розробка системного підходу до дослідження властивостей поверхневого шару дисків на основі вивчення закономірностей і механізму змінення розподілу екзогенних неметалевих включень, елементного складу, мікроструктури, а також рівня і розсіювання поверхневої деформації та концентрації напружень при різних методах і режимах фінішної обробки;

- дослідження залежностей характеристик витривалості від стану поверхневого шару при варіюванні технологічними факторами;

- встановлення удосконаленої регресійної залежності, яка дозволяє прогнозувати значення коефіцієнту зміцнення, проводити вибір раціональних методів фінішної обробки і регулювати характеристики витривалості дисків зі сплаву ХН73МБТЮ - ВД;

- розробка і впровадження технологічних рекомендацій по застосуванню .методів і режимів фінішної обробки дисків компресору.

Наукова новизна роботи:

1. Вперше застосовано комплексний системний підхід до дослідження властивостей поверхневого шару та їх впливу на опір втоми дисків на основі вивчення закономірностей і механізму змінювання розподілу екзогенних неметалевих включень, елементного складу, мікроструктури, розсіюваній рівня деформації поверхні і концентрації напружень при різних методах фінішної обробки.

2. Розроблено огитінальну методику порівняльних випробувань на втому натурних зразків - міжпазових виступів диску компресора, яка дозволяє моделювати пошкодження від втоми за аналогією з початком появи тріщин при експлуатації ГТД, що дає можливість прогнозувати ефективність застосування фінішної обробки.

3. Одержано удосконалені математичні залежності, представлені рівняннями множинної лінійної регресії коефіцієнту зміцнення, для вибору раціональних методів і режимів фінішної обробки дисків, регулювання характеристик витривалості деталі.

4. Вперше обгрунтовано і експеріментально підтверджено вплив засобу і характеру притуплення кромок пазів на рівень концентрації напружень диску,

отримано залежність границі витривалості від теоретичного коефіцієнту концентрації напружень при різному конструкційно-технологічному виконанні пазів та кромок.

5. Встановлено, що застосування деформаційного зміцнення кульками після обробки в псевдозрідненому шарі абразива (ГОА) міжпазовпх виступів дисків з жароміцних сплавів супроводжується благоприємною зміною елементного складу тонкого поверхневого шару, та його мікроструктури, зменшенням кількості втілених в метал абразивних частинок, зниженням розсіювання поверхневої' деформації.

Практичне значення поботн полягає у використанні одержаних результатів стосовно до підвищення несучої здатності дисків ГТД.

Розроблені методики досліджень опору втомі міжпазових виступів, впливу сумарного рівня концентрації напружень на пошкодження сплаву, результати досліджень і рекомендації по застосуванню раціональних методів і режимів фінішної обробки впроваджено на підприємстві ЗМКБ «Прогрес» для підвищення несучої здатності дисків VI ступеня КВТ двигунів Д-Зб та їх модифікацій.

Математичні залежності коефіцієнту зміцнення використано при розробці технологічних рекомендацій з раціонального вибору методів фінішної обробки і режимів ультразвукового зміцнення дисків компресору з жароміцних сплавів на стадії впровадження технологічного процесу і для прогнозування характеристик витривалості міжпазових виступів.

Впровадження методики випробувань міжпазових виступів диску і результатів дослідження закономірностей формування властивостей поверхневого шару, його структури та їх впливу на характеристики витривалості дозволило підвищити опір втомленості дисків VI ступеню КВТ на 31...35% і одержати річний економічний ефект у 160 тис. крб в цінах 1990 р.

Особистий внесок здобувача. Автором виконано методичні розробки, одержано і проаналізовано більшість результатів експериментальних досліджень; сформульовано ідеї основних наукових результатів і одержано математичні залежності, в яких їх було використано.

Наукова апробація роботи. Основні результати роботи було обговорено:

s

на всераданській науково-технічній конференції "Нові технологічні процеси і обладнання для поверхневої пластичної деформації" (Брянськ, 1986 p.); V науково-технічній конференції "Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищеня надійності і довговічності виробів (Запоріжжя, 1992 p.); республіканській науково-технічній конференції " Прогресивні технології машинобудування (Дніпропетровськ, 1992 p.); VII науково-технічній конференції "Неметалеві включення і гази в ливарних сплавах" (Запоріжжя, 1994 p.); міжнародній конференції "Ресурсозберігаючі і енергозберігаючі технології в машинобудуванні" (Одеса, 1994 р); науково-технічній конференції "Виробництво і ремонт механізмів та машин в умовах конверсії" (Ялта, 1995 p.); PROCEEDINGS OF VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE "New Stuctural Steels and Alloys" (Запоріжжя, 1995 p.); засіданні технічної ради ЗМКБ "Прогрес" (Запоріжжя, 1994р.)

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 20 робіт, одержано 2 авторських свідоцтва на винахід.

Обсяг і структура. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури і додатків. Зміст дисертації викладено на 189 сторінках, з яких основний текст складає 126 сторінок, інший обсяг займає 46 малюнків, 9 таблиць, список посилань з 163 найменувань та 5 додатків на 8 сторінках.

Зміст роботи

У вступі викладено актуальність, обгрунтування і основні питання дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення результатів, одержаних при виконанні роботи. .

В першому розділі подано аналіз умов роботи, пошкодження і напруженого стану дисків при експлуатації ГТД. Розглянуто основні вимоги до жароміцних сплавів та їх властивостей, особливості структурної кінетики при роботі дисків у різних температурно-силових і температурно-часових умовах. Показано, що циклічна пластична деформація є основною причиною накопичення пошкоджень у металі. При цьому механізм втомленого руйнування

б

дисків компресора, працюючих при помірно-підвищених температурах, -атермічний зі значною зсувною деформацією.

Систематизовано відомості про причини зниження несучої здатності дисків і фактори, що впливають на змінювання опору втоми деталі. Зокрема, це високий рівень концентрації напружень в ободній частині, можливість збудження багатоциклових коливань топкостішшх дисків компресора, неблагоприємні властивості поверхневого шару після механічної обробки (протягування пазів), викликаючі появу високого ступеню наклепу і залишкових напружень розтягання в поверхневих шарах. Наведено дані фракгографічних досліджень зруйнованих при експлуатації дисків, які свідчать, що основним видом пошкодження тонкостінних дисків КВТ є багатоциклова втома в місцях найбільш високої концентрації напружень - гострих кутах міжпазових виступів. Звертається увага на необхідність урахування факторів, зв'язаних з дефектністю поверхневого шару: наявність в ньому технологічних концентраторів напружень, екзогенних неметалевих включень після абразивної обробки, спроможних ініціювати

зародження тріщин від втоми.

Класифіковано засоби підвищення несучої здатності дисків з складнолегованих жароміцних нікелевих сплавів. Показано, що технологічні методи можуть значно впливати на формування властивостей поверхневого шару матеріалу та на здібність деталі до опору втомленому руйнуванню. При цьому технологія володіє вельми широким арсеналом засобів підвищення несучої здатності і ресурсу дисків, з яких найбільш поширеними є фінішно-

оздоблювальні і фінішно-зміцшоючі методи обробки. В зв'язку з цим, грунтовно віддасться перевага деформаційному зміцненню кульками в ультразвуковому полі, як найбільш раціональному методу обробки тонкостінних

складнопрофільних дисків компресора.

Аналіз літературних даних, дозволив встановити перелік питань, які вивчались недостатньо системно при обмеженому обсязі досліджень основних закономірностей формування властивостей поверхневого шару та їх впливу на характеристики витривалості, здійснених на натурних деталях. Зокрема, відсутня раціональна методика досліджень характеристик витривалості натурних

елементів диску (міжпазових виступів) для оцінки ефективності застосовуєш« методів фінішної обробки, недостатньо вивчено залежність несучої здатності натурних деталей при варіюванні технологічними факторами.

Відсутні також дані про вплив якості та характеру притуплення кромок пазів на зміну рівня концентрації напружень і опору втоми диску.

Систематично не досліджено закономірності та механізм змінювання вмісту в поверхневому шарі екзогенних неметалевих включень (абразивних частинок) за рахунок застосування обробки кульками після абразивної обробки, немає даних щодо впливудеформаційного зміцнення на змінювання розподілу елементного складу та мікроструктури в тонких поверхневих шарах деталей із складнолегованих жароміцних сплавів.

Не вивчено вплив методів і режимів фінішної обробки на стабільність і розсіювання рівня деформації в різних ділянках поверхні пазів дисків.

Розроблені раніше регресійні залежності коефіцієнту зміцнення не ураховують увесь комплекс факторів та критеріїв, визначаючих витривалість дисків з жароміцних сплавів, що не дозволяє достаменно прогнозувати несучу здатність деталі і проводити раціональний вибір методів фінішної обробки.

Аналітичний огляд завершується формулюванням основних завдань дослідження.

В другому розділі визначено матеріал та об'єкт дослідження і містяться методичні розробки, необхідні для розв'язування поставлених завдань. Вони стосуються методик експериментального дослідження зразків дисків ГТД.

За об'єкт дослідження було обрано диски VI ступеня КВТ двигуна Д-Зб, які виготовляють з поковок сплаву ХН73МБТЮ-ВД. Наводиться опис режимів експлуатації, конструкції диску, типового технологічного процесу виготовлення деталі та основні вимоги технічного контролю до матеріалу і стану поверхонь.

Розроблено системний підхід до дослідження властивостей поверхневого шару дисків ГТД на основі вивчення закономірностей та механізму змінення розподілу локальної концентрації напружень, елементного складу, мікроструктури, рівня поверхневої деформації у взаємному зв'язку з характеристиками витривалості деталі.

Для порівняльної оцінки ефективності застосування методів фінішної обробки та оптимізації її режимів розроблено оригінальне устаткування і методику досліджень опору втоми натурних елементів ободної частини Дисків - міжпазових виступів при моделюванні накопичення пошкоджень від втоми. Зразок для випробувань на втому показано на рис. 1, схема його встановлення і навантаження при випробуванні - на рис. 2. Методика дозволяє відтворювати зародження тріщини (рис.З) за аналогією з утворенням тріщин від втоми при експлуатації, одержувати з одного диску до 4-х партій зразків і значно зпростити їх вирізку, виключити вплив зусиль затиску на випробуваний концентратор напружень і значно знизити вартість випробувань.

Рис.1. Зразок диска для випробування на Рис. 2. Схема встановленій зразка та його на-

ртомленість міжпазового виступу вантаження при випробуванні на втомленість

Для оцінки пошкодженості зразку при випробуваннях на втому розроблено методику, що дозволяє непрямо фіксувати циклічну довговічність до появи тріщини і оцінювати "живучість" зразку з тріщиною залежно від коефіцієнту інтенсивності зниження частоти власних коливань.

Обгрунтовано необхідність розрахунку теоретичного коефіцієнту концен-

трацц напружень аа з поправкою на величину і якість притуплення (скругління) кромок пазів. Для одержання залежності змінювання границі витривалості a.¡ від аа розроблено методику оцінки концентрації напружень при впливі двох найбільш сильних концентраторів: спряжіння з радіусом R донця пазу та його бокової поверхні (викружка) і кромки з радіусом г. При визначенні сукупного впливу цих двох концентраторів використано Рис.З. Виникнення тріщини відому залежність сукупного теоретичного коефіцієнту в зразку диска пісш випро- концентрації напружень а„ для концентраторів типу бувати на втомлешсть(хіо) "надріз у надрізі":

aff= (1)

де аа ',а„ ” - теоретичні коефіцієнти концентрації напружень для надрізів відповідно з більшим і меншим радіусами.

Визначення складаючих аа ' і а„ ” проводили по залежностям (графікам) Р. Петерсона для пластини, що згинається, з однобічним U - подібним вирізом згідно з обраними конструкцією зразка та засобом його навантаження.

Оцінку вмісту і розподілу екзогенних неметалевих включень (абразивних частинок) на поверхнях пазів проводили згідно з ГОСТ 1778-70. Визначення кількості частинок здійснювали по світлешпо в ультрафіолетовому випромінюванні на приладі ЛЮМА - М. Визначення розмірів частинок проводили в поляризованому світлі на приладі МИМ - 8 при збільшенні х200. Визначали кількість включень на площі об'єкта 100 мм2, розподіл включень за розмірними групами, а також середній відсоток зайнятою включеннями площі поверхні П. ......

Дослідження елементного складу поверхонь зразків проводили методом електронної Оже - спектроскопії на спектрометрі LAS 2000. Пошаровий аналіз здійснювали з застосуванням розпилу поверхні іонами аргону. При пошаровому аналізі спектри Оже - електронів записували в режимі швидкого сканування електронного зонду по площі розміром 400x570 мкм2. ......

Визначення рівня і розсіювання поверхневої деформації (ступеня наклепа) здійснювали вимірюванням мікротвердості Нц на приладі ПМТ-3 при навантаженні 50 Г поверхонь досліджених зразків і зразка-еталону. Середнє значення Hfi та її розсіювання визначали по 15-ти відбиткам індентора на різних ділянках донця пазу з наступним оцінюванням коефіцієнту варіації v, який

дорівнює відношенню сєредньоквадратичного відхилення Sh^ до значення Нft.

і*--'-

Дослідження мікроструктури проводили за допомогою електронного растрового мікроскопу ISTM-300 фірми EEOL (Японія) при збільшеннях х4500...х7500. Оцінювали величину та кількість частинок зміцнюючої у’-фази в поверхневому шарі глибиною 10—15 мкм, а також її розподіл по різних ділянках, котрий оцінювали по коефіцієнту варіації v , що дорівнює відношенню сєредньоквадратичного відхилення Sx до середнього значення X кількості частинок.

У третьому розділі наведено і проаналізовано результати досліджень основних закономірностей формування комплексу властивостей поверхневого шару та змінення опору втомі дисків з сплаву ХН73МБТЮ-ВД при варіюванні методами і режимами фінішної обробки.

Дослідження поверхонь ободної частини дисків VI ступеню КВТ, які, згідно з усталеною технологією в серійному виробництві, після протягання пазів, полірування торців і слюсарної операції з притуплення кромок підлягають фінішно-оздоблювальній обробці у псевдозрідненому шарі абразиву (ПЗА), свідчили про неблагоприємний стан поверхневого шару пазів. Зокрема, поряд з високою геометричною концентрацією напружень, існують всілякі технологічні концентратори напружень: сліди від механічної обробки, нерівномірна ширина притупляючої кромку фаски, нестабільний мікрорельєф на поверхнях кромок, наявність задирків, високий ступінь наклепу та велике розсіювання величини поверхневої деформації в різних ділянках пазу, втілення в поверхневий шар частинок абразиву після обробки ПЗА. При цьому спостерігались значні відхилення хімічного складу в поверхневих шарах складнолегованого сплаву від заданого технічними умовами. Така неоднородність може привести до значного збільшення розсіювання механічних характеристик і підвищенню ймовірності зародження втомленої тріщини при виникненні змінних навантажень.

В зв'язку з цим, запропоновано комплекс заходів, призначених дія

п

підвищення опору втомі міжпазових виступів за рахунок: зниження концентрації напружень при отриманні оптимальних геометричних параметрів пазу, формування поверхневого шару з мінімальним вмістом абразивних частинок, більш однородною мікроструктурою та з вмістом легуючих елементів, близьким за складом, обумовленим технічними вимогами для даного сплаву, - за допомогою альтернативних методів фінішної обробки, здатних нейтралізувати неблагоприємний вплив від ПЗА або замінити цю обробку повністю при значному поліпшенні властивостей поверхневого шару.

Для оцінки пошкоджуючого впливу концентраторів напружень і опору втоми міжпазових виступів в зв'язку з розсіюванням значень локальної концентрації напружень при різних значеннях радіусів викружок Я та кромок г пазу попередньо проводили розрахунок сумовного теоретичного коефіцієнта аа. Результати розрахунку свідчать, що навіть невеликі відхилення параметру г призводять до значного розсіювання значень а„. Про значну залежність границі витривалості сг_/ міжпазових виступів дисків з даного сплаву від аа, в зв'язку з різним конструкційним виконанням пазів та кромок, свідчить характер кривої на рис.4, що отримана шляхом статистичної обробки результатів випробувань і відповідає рівнянню:

/#(7-і =3,05- 1,36■ \gcta (2)

Очевидно, що значним резервом підвищення опору втоми дисків може бути поліпшення якості обробки кромок.

Для поліпшення властивостей поверхневого шару міжпазових виступів, як один з методів обробки, запропоновано ультразвукове

зміцнення (УЗЗ) сталевими кульками. Ефективність УЗЗ визнача-пазових виступів від теоретичного коефіцієнт- ється співвідношенням параметрів, ту концеетрації напружень при різному кон- впливаючих на інтенсивність обробки:

сірухційному виконанні пазів та кромок діаметр О і маса кульок М, тривалість

зміцнення г , швидкість переміщення

Рис.4. Залежність границі витривалості мі;

купьок и, об'єм зміцнюючої камери V. Але параметр г дає можливість більш поширеного та гнучкого варіювання і регулювання інтенсивності зміцнення деталей різних типорозмірів.

Попередні експерименти по зміцненню зразків при постійних значеннях параметрів У = 0,02-10'3 м3 , и - 10 м/с, М = 6 г, О = 0,68 мм кульками зі сталі ИІХ15 дозволили визначити граничні інтервали тривалості обробки, які складали

20...60с. Це дозволило провести оптимізацію режиму УЗЗ дисків компресору. Критерієм при цьому були розсіювання поверхневої деформації і опір втоми натурних зразків диску. Дослідження дозволили встановити, що оптимальна тривалість зміцнення складає 40...60 с. При цьому знижуються розсіювання деформацій в різних ділянках поверхні пазу і розсіювання циклічних довговічностей (у порівнянні з незміцненими зразками диску) та підвищується границя витривалості на 31...35%.

Поряд з цим, для зменшення та підрівнювання внутрішніх напружень в поверхневому шарі після механічної обробки деталей з жароміцних сплавів рекомендовано відпал у вакуумному середовищі при температурах, вище температур старіння. В зв’язку з цим проводили порівняльну оцінку ефективності цього метода та обробки кульками в ультразвуковому полі, а також їх можливості в усуненні частинок абразиву з поверхні після обробки ПЗА. З цією метою проводили дослідження 4-х партій натурних зразків, виготовлених з одного диску після таких варіантів обробки: 1 - протягання + ПЗА; 2 - обробка по п.1 + відпал (вакуум, 750+20 °С, 4г); 3 - обробка по п.1 + УЗЗ, В - 0,68мм, т-60с; 4 - обробка по п.2 + УЗЗ, О = 0,68 мм, г= 60с.

Експериментально одержані розподіли вмісту абразивних частинок після різних методів обробки (табл.1) дозволили встановити, що обробка ПЗА призводить до надмірно високого їх вмісту. Застосування УЗЗ після обробки ПЗА знижує вміст абразивних частинок в 5...10 разів за рахунок усунення частинок матрицею, на поверхні якої в процесі обробки кульками виникають залишкові напруження зтиснеїшя, а також за рахунок руйнування і роздрібнення частинок при багаторазовій динамічній взаємодії кульок та пружньо-пластичній деформації тонких поверхневих шарів деталі. Рівень вмісту екзогенних включень зменшується і внаслідок застосування відпалу, але в меншому ступені. Це

Таблиця 1 - Розподіл абразивних частинок за розмірними групами та відсоток зайнятої ними площі при різній фінішній обробці

№ п/п Варіант технології' Кількість частинок на 100 мм2 площі Відсоток зайнятої частинками площі П, %

Розмірні групи, мкм

3...6 ■6...12 12...25 25...50 50...100

1 Протягання + обробка ПЗА 117 468 687 511 8 0,51

2 Обробка по п 1+рідпал (вакуум, 750вС, 4ч) 234 365 482 278 0 0,33

3 Обробка по п.1 + УЗЗ (60с) 44 73 146 44 0 0,05

4 Обробка по п.2 + УЗЗ (60с) 15 307 467 117 15 0,31

пояснюється ефектом пластичного "витиснення'1 та руйнування найбільш великих частинок, який відбувається при релаксації напружень матриці в поверхневому шарі. Більш дрібні включення внаслідок відпалу руйнуванню не піддаються, але збільшується міцність їх зчеплення за рахунок більш посиленого тиску з боку матриці, що зменшує ефективність наступного УЗЗ для усунення абразивних частинок.

Дані Оже-спектроскопії свідчать про суттєву різницю в розподілі елементного складу у глибину тонкого поверхневого шару залежно від застосованої технології. Зокрема, після обробки ПЗА спостерігається високий вміст А1 і Зі, збіднення поверхневих шарів такими легуючими елементами, як Сг, Ті, Мо, КЬ, Застосування УЗЗ після обробки ПЗА призводить до зниження відхилень в розподілі легуючих елементів в тонких поверхневих шарах сплаву і практично наближає їх вміст до початкового. Механізм такого явища може бути комплексним. По-перше, різниця в елементному складі пояснюється частково різним вмістом абразивних частинок (типу корунду та карбіду кремнію). Іншим фактором є підвищена дифузійна рухомість атомів, яка ініціює "холодний" дрейф та перерозподіл елементів при пружно-пластичній деформації тонких поверхневих шарів металу.

Як підтвердження особливостей та різних тонкощів механізму явищ, виникаючих внаслідок протікання деформаційних процесів у тонких поверхневих

Таблиця 2 - Кількість у’ -фази в поверхневому шарі (0...10мкм) після різних ' методів обробки (площа перерізу ~10 х 23 = 230 мю/

по 21 полю зору площею 11 мкм2)

1 - Протяганій

Глибина шару. Кількість Середнє значення Яг, V Вміст частинок у * - фази на

мкм часпшок X, шт X, шт ШТ поверхні шліфа %

3 343 49,0

6 303 43,3 7,58 0,165 13,2

10 320 45,7

Е 966 46,0

2 - Протягання + ХІЗА

Глибина шару, мкм Кількість частинок X, шт Сере дне значення X. шт Бх, шт V Вміст частинок у' * фази на поверхні шліфа %

3 395 56,4 9,48 0,Ш 15,03

6 329 47,0

10 377 53,8

2 1101 52,4

З - Протягання + ГОА + відпал (750 °С, вакуум, 4ч)

Глибина шару, иш" Кількість частажж X, шт Середнє значення X , ШТ Б*, игт V Вміст частинок у'- фази на поверхні шліфа %

3 450 64,3 8,21 0,116 20,2

6 537 76,3

10 ■ 496 70,8

£ 1480 70,5

4 - Протагатм + ГОА + УЗЗ(Г>=0,68 мм, т = 60 с)

Глибина шару. Кількість Середнє значення Бх, V Вміст частинок у1 - фази на

ЦЩ чаепшок X, шт X, шт шт поверхні шліфа %

3 601 85,8

6 570 81,4 6,60 0,080 23,5

10 553 79,0

£ 1724 82,1

, Продовження таблиці 2 .

5 - Протяганім + ПЗА+ відпал (750°С, вакуум, 4г) + УЗЗ(Е)=0,68мм, т =60с)

Глибина тару, мкм Кількість частинок X, шг Середнє значення X, пгт Яг, ПГТ V Вміст частинок у * - фази на поверхні шліфа %

3 725 103,6 6,31 0,065 30,2

6 745 106,4

10 741 105,8

Г 2211 105,3

шарах при різній фінішній обробці, є результати дослідження мікроструктури. Оцінювали вміст і розподіл частинок у’- фази в поверхневому шарі глибиною

10... 15 мкм. Результати дослідження свідчать (табл.2, рис.5) не тільки про значне зміненая вмісту зміцнюючих частинок, а і про суттєву зміну характеру їх розподілу при різних варіантах обробки. Так обробка ПЗА привела до значного розсіювання вмісту частинок у’- фази на різних полях зору, наступне зміцнення кульками значно знижує показник розсіювання V, що свідчить про формування більш однородної структури поверхневого шару.

д) протягання + ПЗА + відпал . (750°С, вакуум, 4г) + УЗЗ.

Вимірювання мікротвердості свідчить про значне розсіювання поверхневої

деформації після обробки ПЗА (близько 27%), що може вести до виникнення критично небезпечних мікродеформацій. Застосування деформаційного зміцнення кульками і відпалу зменшує розсіювання значень До (в 3...4 рази) різних ділянок поверхні пазу практично в однаковій мірі.

Аналіз результатів випробувань на витривалість свідчить, що відпал (вакуум, 750 °С, 4г) не впливає на границю витривалості в багатоцикдовій області, але знижує циклічну довговічність при випробуваннях з високими рівнями напружень. Застосування УЗЗ після обробки ПЗА призводить до підвищення границі витривалості міжпазових виступів на 13%, знижує розсіювання циклічних довговічностей. З цієї причини можна стверджувати, що деформаційне зміцнення кульками, у порівнянні з відпалом, при оптимальних режимах більш благоприємно та комплексно впливає на поверхневий шар сплаву ХН73МБТЮ-ВД, сприяє формуванню стабільних властивостей і підвищенню опору втоми міжпазових виступів диску.

Значним резервом підвищення опору втоми дисків може бути попереднє зменшення концентрації напружень за рахунок зміни конструкції пазу у поєднанні з подальшим застосуванням найбільш оптимального методу фінішної обробки. Зокрема, збільшення радіусу викружки пазу та величини притуплення гострої кромки може значно збільшити границю витривалості. Одночасно з цим знижується ймовірність надмірного зміцнення локальних ділянок поверхні на кромках. Дослідження характеристик витривалості 4-х партій зразків диску при варіюванні деяких особливостей конструкції пазу, а також сполученнями методів фінішної обробки з режимами деформаційного зміцнення свідчать, що попереднє зменшення концентрації напружень і підвищення якості обробки кромок значно підвищує ефективність УЗЗ і збільшує границю витривалості майже в 1,5 рази.

Узагальнюючий аналіз ; властивостей поверхневого шару (табл.З) і характеристик витривалості (рис.6) усієї сукупності натурних зразків (17 партій), оброблених за, різною технологією, дозволив встановити такі закономірності.

Міжпазові виступи дисків, оброблені за усталеною технологією в серійному виробництві (незміцнені), мають надто велике розсіювання властивостей поверхневого шару та характеристик витривалості. При цьому середнє значення

ТаблицяЗ - Результати дослідження властивостей поверхневого шару та випробувань на втому натурних зразків диску

Ла Варіанти технології і конструкції пазу Ни, Бкц, V п, <т.ь

п/п Методи обробки и, мм г, мм а* МПа МПа ' % МПа

1. Протягання (вихідна партія) 0.6 0.15 4.59 5185 424 0.082 0.009 155

2. п. 1 + полірування кромок шнуром - 0,6 0,3 3,52 5185 424 0,082 0,009 173

3. п. 1+слесарн.(при-(туплеянл кромок) 0,6 0,65 3,33 5185 424 0,082 0,009 210

4. п.З + УЗЗ 20 с, 0=0.68 мм 0,6 0,65 3,33 4508 377 0,084 0,009 250

5. п.З + УЗЗ 40 с, 0=0.68 мм 0,6 0,65 3,33 4989 322 0,065 0,009 275

6. п-3 + УЗЗ 60 с, І>=0.68 мм 0,6 0,65 3,33 5710 440 0,077 0,009 285

7. п.3 + ПЗА 0,6 0,65 3,33 5115 1362 0,27 0,51 230

8. п.З + ПЗА + відітал 750°С, 4 г 0,6 0,65 3,33 4854 511 ОДІ 0,33 230

9. п.7 + УЗЗ 60 с, £>=0.68 мм 0,6 0,65 3,33 5338 532 0,099, 0,05 260

10. п.8 + УЗЗ 60 с, Впг=0.68 мм 0,6 0,65 3,33 4532 358 0,079 0,31 260

11. п.З + ПЗА 0,6 0,65 3,33 5115 1362 0,27 0,51 190

12, п.3 + ПЗА 1,0 0,65 3,06 5115 1362 0,27 0,51 250

13. П.З + ПЗА+УЗЗ 60с, Е>=0.68 мм 1,0 0,85 2,89 5338 532 0,099 0,05 285

14. п.З + ПЗА+УЗЗ 8хв, 0=1.0 мм 1.0 0,85 2,89 5338 532 0,099 0,05 285

15. п-З 0,6 0,85 3,15 5185 424 0,082 0,009 200

16. п.3 + ПЗА 0,6 0,85 3,15 5115 1362 0,27 0,51 200

17. п.З + УЗЗ 8 хв, 0=1.0 мм 0,6 0.85 3,15 4745 384 0,081 0,009 245

ст_і складає 222 МПа. Застосування обробки кульками у більшості сполучень з іншими методами фінішної обробки поліпшує властивості поверхневого шару, знижує їх розсіювання та підвищує характеристики витривалості міжпазових виступів. Отже, для всієї сукупності зміцнених зразків середня границя витривалості складає ст_і = 274 МПа, а розсіювання цієї характеристики знижується більш чим в 5 разів.

Рис. б. Узагальнені криві втомленості незмідаених (а) та зміцнених (б) натурних зразків

Четвертий розділ присвячено статистичній оцінці характеристик витривалості, розробці регресійної залежності коефіцієнту зміцнення дисків компресора зі сплаву ХН73МБТЮ-ВД, а також упровадженню результатів дослідження у виробництво.

Дослідження свідчать, що підвищення несучої здатності дисків ГТД можна досягти регулюванням властивостей поверхневого шару. Ураховуючи значну кількість впливаючих факторів, така задача може бути розв'язана на основі системного наукового підходу до вибору методів обробки при створенні математичних залежностей коефіцієнту зміцнення ¡3у.

На підставі аналізу факторів, впливаючих на формування значення Р, було розроблено безрозмірні критерії, що більш повно відбивають взаємозв'язок властивостей поверхневого шару з характеристиками витривалості дисків і

підвищують точність розрахунків.

Відповідно цьому функціональна залежність поміж критеріями подібності та коефіцієнтом зміцнення відповідає рівнянню:

Диу_1 Уу—і У-НВ-г „З.г3

де Нц, Нц.і - мікротвердість поверхні після застосування дослідженого метода обробки та попереднього відповідно, МПа; к-, і*,/ - коефіцієнти варіації, які характеризують розсіювання поверхневої деформації після застосування дослідженого метода обробки та попереднього відповідно; ТІ - вміст абразивних частинок на поверхні; НВ - твердість по Брінелю, МПа.

Розрахунок коефіцієнтів множинної лінійної регресії коефіцієнту зміцненя ¡У (залежна змінна) при різних сполученнях безрозмірних критеріїв (незалежні змінні) проводили за допомогою ЕОМ. При цьому враховували, що при виготовленні дисків можливі два варіанти застосування різних методів фінішної обробки чи їх сполучень: фінішно-оздоблювальні методи і фішшно-зміціпоючі. Остаточний вибір найбільш оптимального рівняння здійснювали з урахуванням значення коефіцієнта множинної кореляції Я і середнього значення відносної похибки 5 ,%.

Для одержання виду функції було статистично оброблено результати випробувань на втому 17 партій зразків диску із сплаву ХН73МБТЮ-ВД.

Остаточно залежності коефіцієнту зміцнення з урахуванням взаємодії безрозмірних критеріїв мають вигляд:

1. Для фінішно-оздоблювальних методів обробки:

гт..

Ву = 1,72 - 0,25 ■ а а - 0,42 • П + 0,28--------------------------1-(4)

И^і-\ К/-1 ’

Множинний коефіцієнт кореляції ітри цьому становить Я = 0,89, а середнє значення відносної похибки 5 = 6,02%.

2. Для фінішної обробки із застосуванням УЗЗ:

Ру = 6,41 - 2,29 аа + 2,35 '■ - 0,34-^- - 0,29/7 + 7,64 • 104 - 7,9 • 10й ----- (5)

Я/іу_з уу_ 1 У‘НВ’Т 0і. тл

Множинний коефіцієнт кореляції при цьому становить К = 0,99, а середнє зна-

чення відносної похибки д = 0,79%. :-

Таким чином, одержані математичні залежності (4,5) дозволяють за допомогою ЕОМ проводити розрахунок та вибір раціональних методів і режимів фінішної обробки дисків компресора зі сплаву ХН73МБТЮ-ВД.

Експериментальна перевірка цих залежностей за результатами серії випробувань на втому натурних зразків диску свідчила про достатньо коректний її збіг з теоретичними розрахунками. Середня величина відхилення розрахункових і експериментальних даних склала ¡0,6%.

Результати досліджень знайшли практичне впровадження на підприємстві ЗМКБ "Прогрес" у вигляді методики порівняльних випробувань на втому міжпазових виступів та рекомендацій по застосуванню фінішної обробки дисків VI ступеню КВТ двигуна Д-Зб. За результатами системного дослідження властивостей поверхневого шару розроблено технологічні рекомендації щодо методів і режимів фінішної обробки та організаційно-технічних заходів, дозволяючих виявити значний резерв для підвищення витривалості і ресурсу дисків зі сплаву ХН73МБТЮ-ВД. Впровадження методики і результатів випробувань на ЗМКБ «Прогрес» дозволило оптимізувати режими ультразвукового зміцнення, підвищити опір втомі ободної частини дисків VI ступеня двигуна Д-Зб на 31 ...35% і одержати річний економічний ефект більше за 160 тис.крб. в цінах 1990 р.

Загальні висновки

Проведені комплексні дослідження дозволили сформулювати ряд висновків і положень, які забезпечили наукове підгрунтя процесів регулювання властивостей поверхневого шару і характеристик витривалості дисків компресора ГТД.

1. Однією з причин відмовлень газотурбінних двигунів є вичерпання дисками компресора свого ресурсу внаслідок появи тріщин, від втоми на поверхнях міжпазових виступів. Вирішено важливу народногосподарську задачу підвищення несучої здатності дисків компресора за рахунок раціонального вибору методів і режимів фінішної обробки на основі розробленої регресійної залежності коефіцієнту зміцнення, яка отримана при системному дослідженні основних

закономірностей формування властивостей і мікроструктури поверхневого шару та характеристик витривалості деталі.

2. Розроблено і застосовано системний підхід до дослідження властивостей поверхневого шару та їх впливу на опір втоми дисків на базі вивчення закономірностей і механізму зміненая розподілу екзогенних неметалевих включень (абразивних частинок), елементного складу, мікроструктури, розсіювання рівня деформації поверхні і концентрації напружень при різних методах фінішної обробки.

3. Розроблено оригінальну методику порівняльних випробувань на втому натурних зразків - міжпазових виступів диску компресора, яка дозволяє моделювати накопичення втомлених експлуатаційних пошкоджень і проводити оцінку ефективності застосування методів фінішної обробки.

4. Виконане дослідження властивостей поверхневого шару дозволило встановити, що основними причинами, знижуючими характеристики витривалості дисків є такі, як: розсіювання локальної концетрації напружень, великий вміст абразивних частинок, значне розсіювання мікротвердості поверхонь пазів, підвищена неоднородність мікроструктури та відхилення елементного складу тонких поверхневих шарів.

5. Обгрунтовано і експериментально підтверджено вплив способу та характеру притуплення кромок пазів на рівень концентрації напружень ободної частини диска, одержано залежність а.¡=/(а^ при різному конструкційно-технологічному виконанні пазів і кромок.

6. Встановлено, що застосування деформаційного зміцнення кульками після обробки ПЗА міжпазових виступів дисків з жароміцного плаву супроводжується благоприємішм зміненим структури, елементного складу тонкого поверхневого шару, зменшенням вмісту' втілених в метал абразивних частинок, зниженням розсіювання параметрів наклепу, що дозволяє знизити розсіювання характеристик витривалості та підвищити її границю майже в 1,5 рази.

7. Встановлено удосконалену регресійну залежність, яка дозволяє проводити вибір раціональних методів і режимів фінішної обробки дисків з жароміцних сплавів, регулювати характеристики витривалості і прогнозувати значення

коефіцієнту зміцнення.

8. Впровадження методики випробувань та результатів дослідження на ЗМКБ "Прогрес" дозволило оптимізувати режими ультразвукового зміцнення, підвищити опір втоми міжпазових виступів дисків VI ступеню КВТ двигуна Д-Зб на 31...35% і одержати річний економічний ефекту 160тис.крб. в цінах 1990р.

Основні положення дисертації викладено в наступних роботах:

1. Притченко В.Ф., Яценко В.К., Комарчук И.Н., Сахно А.Г. Алмазное выглаживание покрытий //Проблемы прочности.-1987.-Х° 5,- С.119-120.

2. Яценко В.К., Сахно А.Г. Оценка усталостной прочности межпазовых выступов'дисков компрессора // Авиац. пром-ть,- 1990.- №11 - С.24-26.

3. Сахно А.Г., Яценко В.К., Стебельков И.А. Оптимизация режима ультразвукового упрочнения ободной части дисков компрессора //Авиац. пром-ть.

- 1993,-№2,-С. 12-13.

4. Сахно А.Г., Притченко В.Ф., Кореневский Е.Я. Оцеька влияния концентрации напряжений на сопротивление усталости дисков ГТД / Интенсификация технологических процессов и повышения ресурса изделий. Сборник научных трудов,-Киев: УМКВО. -1991-С.37-45.

. 5. А.с. 1741008 СССР G01 .N»3/08 Способ испытания на прочность элемента

обода лопаточного диска турбомашины/Сахно А.Г., Яценко В.К., Благовещенский В.И., Михайлов С.Б. Опубл. 1992. - Бюл. №22,- 8с.

6. А.с. 1469306 СССР. G01 №3/32. Способ нагружения образца при усталостных испытаниях / Михайлов С.Б., Титаренко М.С., Сахно А.Г. Опубл. 19S9. -Бюл. №12,-Зс.

7. Сахно А.Г., Яценко В.К. Регулирование физико-химического состояния поверхностного слоя дисков компрессора методами ППД // PROCEEDINGS OF VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE "New Structural Steels and А11оуз"/г.Запорожье,1995/. - ч.І,- C.75.

8. Сахно А.Г., Стебельков И.А., Гончар Н.В. Повышение несущей способности дисков ГТД упрочнением шариками в ультразвуковом поле // Там же. -С.74.

9. Сахно А.Г., Стебельков И.А., Яценко В.К., Бялик Г.А. Технологическое обеспечение чистоты по неметаллическим включениям дисков ГТД// Тезисы докладов VII научно-технической конференции "Неметеллические включения и газы в литейных сплавах" г.Запорожье, ЗГТУ.- 1994,- С.40.

10. Гончар Н.В., Яценко В.К, Сахно А.Г. Регулирование содержания абразивных частиц в поверхностном слое дисков ГТД из сплава ХН73МБТЮ-ВД.// Неметаллические включения и газы в литейных сплавах. Сборник научных тру дов VIII научно-технической конференции.-г.Запорожье: ЗГТУ, 1997,- С.153-155.

11. Сахно А.Г., Яценко В.К., Стебельков И.А., Анищенков В.М. Повышение

несущей способности дисков компрессора П Тезисы докладов V научнотехнической конференции "Новые конструкционные стати и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий". Запорожье. -1992. -С.39-40. .

12. Гончар Н.В., Сахно А.Г. Влияние ультразвукового упрочнения в сочетании с изотермической выдержкой на предел выносливости дисков из сплава ХН73МБТЮ-ВД // Деп. рук. в ГНТБ Украины, 09.01.97, №46 - Ук 97.-8 с.

Анотація .

Сахно ОХ. Технологічне забезпечення несучої здатності дисків компресора з жароміцних сплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандідата технічних наук за спеціальністю 05.02.01. - матеріалознавство. - Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 1998.

Дисертацію присвячено розв’язанню проблеми підвищення несучої здатності дисків компресора з жароміцних сплавів і розробці наукових основ раціонального вибору методів фінішної обробки, регулювання властивостей поверхневого шару і опору втоми реальної деталі. Одержано математичні залежності коефіцієнту зміцнення, встановлені при системному комплексному дослідженні основних закономірностей формування властивостей і мікроструктури поверхневого шару та характеристик витривалості натурних елементів дисків. Основні результати роботи впроваджено на ЗМКБ "Прогрес".

Ключові слова: диск компресора, жароміцний сплав, поверхневий шар, міжпазовий виступ, опір втоми, ультразвукове зміцнення.

Аннотация

Сахно А.Г. Технологическое обеспечение несущей способности дисков компрессора из жаропрочных сплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Запорожский государственный технический университет, Запорожье, 1998. ..

Диссертация посвящена решению проблемы повышения несущей способности дисков компрессора из жаропрочных сплавов и разработке научных основ рационального выбора методов финишной обработки, регулирования свойств поверхностного слоя и сопротивления усталости реальной детали. Получены математические зависимости коэффициента упрочнения, установленные при системном комплексном исследовании основных закономерностей формирования свойств и микроструктуры поверхностного слоя и характеристик выносливости натурных элементов дисков. Основные результаты работы внедрены на ЗМКБ "Прогресс".

Ключевые слова: диск компрессора, жаропрочный сплав, поверхностный слой, межпазовый выступ, сопротивление усталости, ультразвуковое упрочнение.

Summary

Sakhno A.G. Technological provision of carrying capacity of the superalloy compressor disk. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree for speciality 05.02.01 - material design. - State technical university, Zaporozhye, 1998.

The dissertation is devoted to solution of the problem of carrying capacity increase of the superalloy compressor disk and elaboration of scientific bases of rational choice of finish treatment methods, regulation of surface layer properties and fatigue resistance of real part. The mathematical dependences of the hardening coefficient have been obtained. They were determined by complex investigations of the principal regularities of the formation of surface layer properties and microstructure, as well as characteristics of natural disks elements endurance. The main results have been put into practice at ZMDD "Progress".

Key words: compressor disk, superalloy, surface layer, intergroov bulges, fatigue resistance, ultrasonically assisted shot peening.

Підписано до друку 01.06.98. Формат 60x84 1/16, 1.8 п.л. Тираж 100 прим. Зам. № 658 330600 м.Запоріжжя, ЗДТУ, Друкарня, вул.Гоголя, 64