Выносливость лопаток газотурбинных двигателей после термопластического упрочнения (ТПУ)

следствием длительного воздействия температурного фактора, а также статических и циклических напряжений. Для определения влияния указанных факторов на степень релаксации остаточных напряжений сравнивались величины напряжений после термопластического упрочнения образцов из сплавов ВТ9 и ВТ20 с результатами остаточных напряжений после испытаний.

Для исследования остаточных напряжений из центральной части усталостных образцов электроэрозионным способом были вырезаны плоские образцы размером 4x12x100 мм. При усталостных испытаниях образцы подвергались воздействию рабочих температур Т=400°С (ВТ9) и Т=250°С (ВТ20) и циклических нагрузок величиной соответственно аа=340 МПа и аа=:425 МПа в течение 60 ч. С учетом асимметрии максимальные рабочие напряжения составляют для образцов из сплава ВТ9 сттах=:490 МПа и для сплава ВТ20 -тах=575 МПа. Как следует из приводимых данных, релаксация остаточных напряжений для условий испытаний не превышает величины 12-15% (рис.6).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вишняков М.А. Разработка метода ТПУ с целью повышения эксплуатационных свойств деталей ГТД из титановых сплавов.* Дис. канд.техн.наук., Куйбышев, 1983.

2. Г у л я е в А . П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 540 с.

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

Самарский государственный технический университет

УДК 621.892

ВТ. КРУЦИЛО

ВЫНОСЛИВОСТЬ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСЛЕ

ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ

Приведены результаты исследований остаточных напряжений и усталостной прочности лопаток из жаропрочных материалов. Показано преимущество упрочнения методом ТПУ по сравнению с методами ППД.

Для определения эффективности метода термопластического упрочнения лопаток турбины и компрессора из жаропрочных: сплавов была проведена работа по определению влияния параметров ТПУ при упрочнении на циклическую прочность лопаток. С этой целью были испытаны несколько партий лопаток из различных жаропрочных сплавов. При этом проводились сравнительные исследования лопаток, обработанных по серийной технологии и после термопластического упрочнения на различных режимах.

В результате испытаний по основному тону на частоте 1=6000...6200 Гц при ТИСп=20°С установлено, что предел выносливости на базе N=2x107 циклов для лопаток, изготовленных по серийной технологии, составляет =270 МПа (рисЛ, кривая 1). После термоупрочнения при температуре Т=650°С предел выносливости возрос до значений 8.1-1=370 МПа (кривая 2), т.е. на 37%.

ВТ. КРУЦИЛО

о. МП.

Предел выносливости для лопаток из сплава ЭИ598ВД устанавливался при комнатной температуре по основному тону на базе N=2x107 циклов для 2-х партий лопаток: одна из них изготавливалась по серийному варианту, а вторая подвергалась термоупрочнению после окончательного изготовления. Результаты испытаний показаны на рис.2. Из приведенных данных следует, что предел выносливости для серийных лопаток составляет 325 МПа (кривая 3). Термопластическое упрочнение повышает эту величину до 8-1-1=500 МПа (кривая 4), т.е. на 57%.

При сравнительных испытаниях лопаток из сплава ЭИ437Б на основном тоне £=5500 Гц, Тисп=20°С установлено, что лопатки, изготовленные по принятой на производстве технологии, имеют предел выносливости равный 5.1-1=210 МПа (рис.2, кривая 1). Последующее термопластическое упрочнение при температуре Т=600°С и Р=0,5 МПа способствовало повышению этой величины до 280 МПа (рис.2, кривая 2), т.е. относительный прирост составил 33%.

Эффективность ТПУ была установлена и на относительно тонких, длинномерных лопатках из сплавов ЖС6Ф-ВИ и ЖС6КП. Одним из наиболее Рис. 1. Пределы выносливости лопаток (1,2 - напряженных мест у лопаток является радиус пере-

450

400

350

300

4

^ 2

з

1

106

107 2-Ю7 N

сплав ЭИ598) и

хода пера лопатки в бандажную полку. С целью упрочнения радиуса перехода были использованы решетки охлаждения, верхние 5 рядов отверстий которых расположены под углом 45° к поверхности. В этом случае упрочняются не только перо и радиус перехода, но и трактовая поверхность бандажной полки.

Термоупрочнение этих лопаток проводилось перед операцией "Алитирование". Финишной перед ТПУ была операция "Виброшлифование". При отработке режима ТПУ исследовались остаточные напряжения при температурах нагрева Т=650;700;750°С. Время выдержки лопаток в печи т =25 мин. Давление воды в камерах охлаждения Рк = 035 МПа,

При испытаниях было обнаружено весьма важное явление. Лопатки, упрочненные ТПУ после выдержки в среде аргона при температуре Т=800°С в течение т =100 ч, дали прирост предела выносливости на 62%. Этот эффект может быть результатом снятия деформационного упрочнения (наклепа), который возникает после операции виброшлифования, что приводит к более выраженному проявлению положительного влияния остаточных напряжений сжатия. Уместно заметить, что лопатки турбины работают при Т=800°С, что благоприятно проявляется и при эксплуатации изделия.

Поскольку остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое лопатки оказывают положительное влияние на усталость, с целью создания в поверхно- Рис.2. Кривые выносливости лопаток из стном слое благоприятных сжимающих остаточных сплава ЭИ437Б: 1 - без термоупрочне-напряжений большей величины партия тонких лопа- ния; 2 - с термоупрочнением

а. МПА1 350

300

250 200

1

10*

107

2-107 N

tr.

МПА

400

350

300

250

200

150

106

10

ч

2-107

Рис.3. Пределы выносливости новых рабочих лопаток турбины (сплав ЭИ893): 1 - упрочненные ТПУ; 2 - упрочненные УЗУ; 3 - без упрочнения со стабилизирующим отпуском; 4 - без упрочнения и стабилизирующего отпуск

ток партия лопаток подверглась ТПУ с использованием накладок. Между накладкой Ь=1.5 мм из 13Х12НВМФА (ЭИ961) и лопаткой помещалась фольга толщиною 0,05 мм в два слоя. Упрочнение лопаток проводилось в два приема: накладки укреплялись на спинке, и упрочнялось корыто, затем эта операция повторялась для упрочнения спинки.

Эти лопатки после механической обработки по серийной технологии, термообрабатывались в среде аргона при Т=950°С в течение двух часов.

После виброшлифования и глянцовки остаточные напряжения формировались на уровне 0о=-(22О...ЗОО) МПа с глубиной залегания ветви сжатия Да«100мкм. После термообработки с последующим алитированием уровень остаточных напряжений снижается до , значений ао=-(90...150) МПа. Предел выносливости лопаток составил 04=240 МПа.

Для лопаток с накладками применялся режим упрочнения: Т=750°С; Р=0,5 МПа; т=25 мин. ТПУ проводилось до операции алити-рования после термообработки в среде аргона при Т=950°С с выдержкой т =2 ч. Остаточные напряжения на указанном режиме формировались на уровне ao=-(550..s6iO) МПа с глубиной залегания более 200 мкм. После операции алитирования остаточные напряжения снижались до значений ао=-200...300) МПа. Усталостные испытания проводились на воздушном вибраторе при Т=20°С; частоте f=1150 Гц; база N=2x107 циклов. При аналогичных условиях проводились испытания и исходных, неупрочненных лопаток. Предел выносливости после ТПУ равнялся a.i=320 МПа, т.е. повышение выносливости составило 33%.

Изложенные выше данные относятся к относительно небольшим по своим размерам лопаткам, в том числе и тонкостенным. Однако полученные результаты и соответствующие выводы, как это будет показано ниже, в полной мере могут быть распространены на болыпераз-мерные, массивные лопатки.

В настоящее время в эксплуатации на газоперекачивающих станциях используются газотурбинные агрегаты ГТК 10-4, Лопатки 1-й ступени турбины изготавливаются из жаропрочного никелевого сплава ЭИ893 (ХН65ВМЮТ). Эти лопатки по своим размерам и массе условно РисА Пределы выносливости рабочих лопа-

2*107 N.

можно отнести к классу болыперазмерных. При их изготовлении используется поверхностное пластическое деформирование (ППД), осущест-

ток турбины, прошедших ремонт после эксплуатации (сплав ЭИ893): 1 - упрочненные ТПУ; 2 - упрочненные УЗУ; 3 - без упрочнения

ВТ. КРУЦИЛО

вляемое на установке с ультразвуковым возбуждением упрочняющих элементов (шариков). Эксплуатация этих агрегатов показала, что долговечность лопаток весьма ограничена. После 2000-6000 ч работы прочностные характеристики лопаток резко падают, поэтому их ремонтируют с использованием повторного ультразвукового упрочнения (УЗУ).

На рис.3 представлены результаты усталостных испытаний новых лопаток. Их усталость после УЗУ находится на уровне а.1=240 МПа. На этом же рисунке приведена кривая усталости лопаток, подвергнутых термопластическому упрочнению. После ТПУ предел выносливости на базе

п

2-10 циклов достигает 0.1=280 МПа. После наработки (1-2000-6000 ч) предел выносливости новых лопаток, упрочненных УЗУ, снижается до уровня 0-1=140 МПа.

Следует отметить, что метод ТПУ имеет более устойчивый эффект упрочнения, чем методы поверхностного пластического деформирования, в том числе ультразвуковое упрочнение (УЗУ). Это объясняется тем, что деформационное упрочнение негативно влияет на усталостную прочность, а сжимающие остаточные напряжения повышают предел выносливости. В процессе ТПУ формируются благоприятные сжимающие остаточные напряжения при минимальном деформационном упрочнении, а при поверхностном пластическом деформировании хотя и формируются сжимающие остаточные напряжения, деформационное упрочнение снижает их положительный

Повторное упрочнение УЗУ позволяет восстановить уровень предела выносливости до значения си=220 МПа. Аналогичная операция с использованием ТПУ увеличивает предел выносливости до уровня ог-1=280 МПа (рис.4). Следует заметить, что остаточные напряжения после УЗУ и ТПУ достигают примерно одинакового уровня оо^бО-бОО МПа (рис.5). Однако характер эпюр остаточных напряжений по глубине имеет и отличия. Если при УЗУ максимум располагается на глубине Аа = 50 мкм, то при ТПУ последний локализуется у поверхности. С точки зрения усталости расположение максимума остаточных напряжений имеет определенное значение.

Большой уровень остаточных напряжений, достигающий предела текучести, а также относительно глубокое проникновение ветви напряжений сжатия (Аа>250 мкм) связаны с масштабным фактором, о чем уже говорилось выше.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей машин: Монография /Б.А. Кравченко, В.Г. Круцил о, Т.Н. Гутман;- Самара, СамГТУ, 2000-216 с.

Самарский государственный технический университет

0оет9 МПА 300

200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 -600

>

л

3 ¡1

\

0

50

100

150

200

250 Даэ мкм

Рис.5, Остаточные напряжения в поверхностном слое лопаток турбины ГТК-10-4 (сплав ЭИ893): 1 - после полирования (в направлении подачи); 2 - после полирования (в направлении, перпендикулярном подаче); 3 -после ТПУ (в верхней части. лопатки); Тупр=750°С; Р=0,5 МПа; 4 - после ТПУ (в нижней части лопатки); Тупр=750°С; Р=0,5 МПа; 5 - после ультразвукового упрочнения

эсЬсЬект ГЛ.