ДИСК РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ИЗ НИКЕЛЕВОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА

Полезная модель относится к технологии машиностроения, а именно к деталям газотурбинного двигателя из жаропрочных никелевых сплавов с отверстиями и может быть использована в авиационной и энергетической промышленности.
Известна заготовка диска из жаропрочных сплавов, включающая ступицу, полотно и обод, отформованная в специальном штампе (см. Полезная модель №146497 МПК B21K 1/32. Опубл. 10.10.2014 Бюл. №28)
Указанная заготовка не имеет ни цилиндрических отверстий в полотне, ни пазов елочного профиля в ободе.
Из уровня техники известен диск ГТД из никелевых жаропрочных сплавов, включающий ступицу, полотно с цилиндрическими отверстиями под стяжки и обод с пазами елочного профиля под крепление лопаток, в котором отверстия под стяжки и пазы елочного профиля под лопатки выполнены лезвийной обработкой (см. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей / Колл. авторов; под ред. А.Г. Братухина, Г.К. Язова, Б.Е. Карасёва. - М.: Машиностроение, 1997 - с. 225 -242, 287-307)
Недостатком диска является наличие остаточных растягивающих напряжений и слоев пластической деформации в поверхностных зонах отверстий и пазов после лезвийной обработки. То есть, эти элементы диска являются концентраторами напряжений. Эти напряжения, складываясь с рабочими растягивающими (тангенциальными и радиальными) напряжениями при вращении ротора ГТД, приводят к зарождению первых трещин в полотне и ободе диска и его разрушению в целом.
Из уровня техники известен диск ГТД из никелевых жаропрочных сплавов, включающий ступицу, полотно и обод с пазами елочного профиля под крепление лопаток, в котором пазы елочного профиля под лопатки выполнены лезвийной обработкой с окончательной обработкой поверхности диска гидроабразивной упрочняющей обработкой (см. Ф.И. Дёмин, Н.Д. Проничев, И.Л. Шитарев Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей. - Самара, Изд-во СГАУ, 2012 - с. 148-173)
Применение гидроабразивной упрочняющей обработки пазов елочного типа может в результате их поверхностного упрочнения привести не к повышению усталостной прочности диска, как утверждается в аналоге, а к снижению сопротивления сплава к трещинообразованию. Так как упрочненная зона диска у жаропрочных никелевых сплавах является зоной зарождения первичных трещин при работе ГТД.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в снижении склонности к трещинообразованию и повышении усталостных характеристик жаропрочного никелевого сплава дисков ГТД, преимущественно в местах максимальной концентрации растягивающих напряжений.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что диск ротора газотурбинного двигателя из никелевых жаропрочных сплавов, включающий ступицу, полотно с цилиндрическими отверстиями под стяжки и обод с пазами елочного профиля под крепление лопаток, при этом, пазы елочного профиля и цилиндрические отверстия под стяжки выполнены электроэрозионной обработкой.
Кроме того, отверстия и пазы елочного профиля выполнены в нем электроэрозионной обработкой электродом из сплава на никелевой основе.
Также отверстия и пазы елочного профиля выполнены в нем электроэрозионной обработкой электродом из вольфрама или молибдена.
При этом отверстия и пазы елочного профиля в нем выполнены электроэрозионной обработкой электродом из молибдено-вольфрамового сплава.
Сущность предлагаемой полезной модели представлена на чертеже фиг. 1 (пазы и отверстия диска обозначены индексом ЭЭО) и заключается в следующем.
н
2
Наиболее опасными местами дисков ГТД, с точки зрения трещинообразования при работе двигателя, являются отверстия в полотне диска и елочные пазы в ободе. Они являются концентраторами напряжений и, соответственно, местами наибольшей вероятности зарождения трещин разрушения. Так как жаропрочные никелевые сплавы, имея высокую прочность (1400-1500 МПа), при низких показателях пластичности и вязкости (δ=13%, а=3 кгс м/см), то наличие упрочненных поверхностей после лезвийной механической обработки, либо дополнительно - гидроабразивной обработкой приводят к тому, что эти поверхности становятся еще более прочными и менее вязкими. И, следовательно, вероятность образования в этих местах первых трещин при работе двигателя возрастает.
В случае же электроэрозионной вырезки отверстий в полотне под стяжки и елочных пазов под лопатки поверхностные слои никелевого сплава подвергаются высокотемпературной закалке. При этом сплав, несколько теряя в прочности, повышает свои пластические и вязкие характеристики. Тем самым снижается склонность сплава к зарождению трещин при работе двигателя. Поверхностная электроэрозионная обработка всего полотна диска повышает его трещиностойкость в целом. Так как полотно является самой тонкой, и следовательно, «наиболее слабой» зоной диска. Кроме того, учитывая, что при электроэрозионной обработке поверхность детали насыщается металлом электрода, то еще более высокая вязкость в указанных выше зонах диска может быть достигнута при использовании электрода из сплава на никелевой основе, в том числе того же химического состава, что и сплав диска или электродов из вольфрама, молибдена или молибдено-вольфрамового сплава. Так как молибден и вольфрам являются обязательными легирующими добавками жаропрочных никелевых сплавов дисков ГТД.
В таблице 1 представлены данные по механическим свойствам сплава ЭП742 ИД при температуре 20°С в состоянии поставки и после закалки с температуры 1100°С. А в таблице 2 длительная прочность при температуре 650°С.
Из данных таблицы 1 видно, что после закалки относительное удлинение сплава ЭП742 ИД повысилось более чем на 50%. А длительная прочность (Таблица 2) при требованиях ТУ не менее 50 часов превысила их более, чем в 15 раз. При этом образец, не разрушившись, был снят с испытаний из-за производственной загруженности испытательного оборудования.
В качестве примера использования предлагаемой полезной модели может служить диск ротора компрессора высокого давления из сплава ЭП742 ИД.
Диск имеет наружный диаметр 550 мм, внутренний - 140 мм, 30 отверстий для стяжек диаметром 10 мм и 32 для стяжек 4.5 мм. У отверстий диаметром 10 мм толщина полотна составляет 6 мм, а у диаметра 4,5 мм - 3,5 мм. Количество пазов елочного типа - 36 шт. По принятой технологии пазы елочного типа выполняют протяжкой, а отверстия под стяжки механической сверловкой.
То есть все обработки этих мест - лезвийные. И, следовательно, обладают всеми недостатками, указанными ранее.
С целью оценки склонности к трещинообразованию этих элементов диска в случае их выполнения по предлагаемой полезной модели были проведены испытания на изгиб образцов толщиной 5 мм и 3 мм (равной толщине полотна диска) до образования первой трещины с различным состоянием поверхности. Результаты этих испытаний приведены в таблице 3.
Полученные данные показывают эффективность предлагаемой полезной модели, так как склонность к трещинообразованию поверхностей, выполненных лезвийной обработкой с дополнительным поверхностным упрочнением у жаропрочных никелевых сплавов, более чем на 35% выше, выполненных обработкой электроэрозионной.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет существенно снизить склонность к трещинообразованию дисков ГТД из жаропрочных никелевых сплавов, увеличить их ресурс работы в двигателе и ресурс работы двигателя в целом.