Способы повышения конструкционной прочности деталей высокоресурсных ГТД

УДК 621.9

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

ВЫСОКОРЕСУРСНЫХ ГТД

Д.Г. Федорченко

Анализ структурного состава конструкционной прочности показал, что на нее сильное влияние оказывают конструкция, технология изготовления, свойства материалов и условия эксплуатации изделия. В работе основное внимание уделено влиянию технологии изготовления на конструкционную прочность, проведен количественный анализ технологических и производственных дефектов. Показано, что можно существенно снизить монтажные напряжения при сборке лопаток с помощью приспособлений, оценено влияние силовых и температурных полей в зоне резания на остаточные напряжения в поверхностном слое. Получены результаты по влиянию качества поверхности на предел выносливости некоторых элементов ГТД

Ключевые слова: дефекты, конструкционная прочность, механическая обработка, напряжения, сборка, техноло-

Основой прочностной надежности принято считать высокие характеристики конструкционной прочности [1]. Под конструкционной прочностью понимается прочность материалов в реальных условиях многокомпонентного нагружения с учетом конструктивных факторов и технологических осо-

бенностей изготовления. Можно считать, что конструкция, технология и материалы составляют единство, определяющее надежность конструкции. Структурный состав конструкционной прочности показан на рис. 1.

Напряженное состояние

Температурные условия

Концентрация напряжений

Масштабный фактор

Частота и собственные формы колебаний

Взаимное влияние деталей

Ресурс двигателя

Диагностика состояния

Стандартные характеристики

Длительная прочность, ползучесть, _релаксация напряжений_

Усталость

Износ и контактная выносливость

Повторно-статическое нагружение, _термостойкость_

Коррозионная и эрозионная стойкость

Вязкость разрушения

Физические свойства

Свойства материалов

Конструкция

Технология изготовления

Метод получения заготовок

Термическая и химико-термическая обработка

ТМО, МТО и гомогенизация

Упрочнение поверхности

Электрополирование и покрытия

Раскладка режимов нагружения

Регламентация режима прогрева, приемистости и сброса газа

Попадание посторонних предметов на вход

Коксование топлива и масла

Асимметрия нагружения

Многокомпонентное нагружение

Суммирование повреждений и остаточная долговечность

Рис.1. Структурный состав конструкционной прочности

Федорченко Дмитрий Геннадьевич - СГАУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-(846)-267-46-75, e-mail: kipdla@ssau.ru

Технология изготовления оказывает существенное влияние на конструкционные характеристики деталей, при этом влияние технологии изготовления может быть не только положительным - направленным на повышение прочностных характеристик материалов, но и отрицательным, существенно снижающим характеристики сопротивления внешним нагрузкам. Поэтому вопросы технологических методов повышения надежности и устранения отрицательного влияния технологической наследственности являются актуальными. Актуальность вопросов обеспечения технологической надежности подтверждается и тем, что до 30% всех дефектов двигателя на этапе доводки связано с вопросами изготовления.

Если рассмотреть структуру отказов и неисправностей опытного двигателя по производственно-технологическим причинам, то их можно разделить на выявленные при изготовлении отказы и не выявленные. Выявленных при изготовлении дефектов и 32% от всех технологических дефектов, и, соответственно и 68% не выявляются при контроле деталей после изготовления. Часть деталей с выявленными дефектами допускается к испытаниям -здесь конструктор идет на определенный риск или пересматривает оценку влияния дефекта на надежность конструкции и вносит допустимость уже бывшего дефекта в специальную ведомость допус-

тимых состояний детали после изготовления.

Например, после нанесения теплозащитного покрытия (ТЗП) на рабочие лопатки турбины допускается, что:

- керамический слой может иметь различный цвет и оттенок: от чисто белого до голубого и зеленоватого;

- керамический слой может иметь рассеянную пористость, следы брызг и выкрашиваний;

- в зоне стыка ТЗП с покрытием внутренней полости в щели выходной кромки и перфорации лобового участка входной кромки возможно незначительное, не загромождающее проходного сечения шелушение керамического слоя;

- после заключительной операции теплового удара допускается наличие структурной сетки и растрескивание керамического слоя.

Причины возникновения не выявленных при изготовлении дефектов могут быть следующие:

- способ изготовления не гарантирует полного выполнения всех требований чертежа ~ 57%;

- отрицательное влияние технологии изготовления ~ 16%;

- низкая достоверность контроля состояния деталей после изготовления ~ 27%.

Структура производственно-технологических дефектов опытного ГТД показана на рис. 2.

Рис.2. Структура производственно-технологических дефектов опытного ГТД

Для снижения количества проявлений дефектов по первой причине (способ изготовления не гарантирует полного выполнения всех требований чертежа) необходимо обеспечить:

- тесное взаимодействие конструкторов и тех-

нологов, начиная с самых ранних стадий разработки конструкции и выбора материалов (разрабатываемая конструкция должна быть технологичной и учитывать возможности производства);

- опережающие исследования и отработку

технологических процессов;

- обеспечение запасов по технологическим факторам.

Отрицательная технологическая наследственность может вызываться механической обработкой деталей или быть внесена при сборке конструкции.

При недостаточной отработанности сборочных операций в некоторых деталях, особенно образующих статически неопределимые системы, могут быть наведены значительные статические напряжения.

При сборке статически неопределимых систем в них может возникать высокий уровень напряжен-

ми, способен приводить к дефектам. Уровень напряженности в таких конструкциях зависит от точности изготовления входящих деталей и самого процесса сборки.

На рис. 3 приведены результаты статического тензометрирования лопаток турбины в процессе их сборки в рабочее колесо. При неравномерной осадке бандажированных лопаток в процессе сборки рабочего колеса в них возникал высокий уровень напряжений кручения (рис.3, а). Остаточные напряжения, наведенные в лопатках при сборке, суммировались с рабочими напряжениям, что приводило при испытаниях двигателя к возникновению трещин под бандажными полками.

Рис. 3. Напряженность лопаток при сборке рабочего колеса турбины; а - сборка рабочего колеса без приспособления, б -

сборка в приспособлении

Для устранения дефекта было спроектировано специальное приспособление, обеспечивающее равномерную осадку лопаток при сборке рабочего колеса, что позволило существенно снизить монтажные напряжения и устранить дефект (рис.3, б).

Недостаточная балансировка роторов или ослабленная затяжка болтов, стягивающих элементы ротора, может привести к повышенным вибрациям двигателя.

Уменьшение влияния отрицательной технологической наследственности, вызванной механической обработкой на прочностные характеристики

достигается за счет:

- получения заготовок с оптимальными свойствами и структурой материала;

- выбора рациональных режимов и методов обработки;

- поиска новых методов обработки;

- применения специальных финишных упрочняющих обработок.

В таблице приведены данные по пределу выносливости лопаток компрессора из материала ЭП718ВД с различной величиной зерна.

Данные по пределу выносливости лопаток компрессора

№ лопатки О, МПа Кх10б до разрушения Балл зерна по ГОСТ5639-65 ^таХ^ тп

Л5361 700 0.198 6 4.15

Л3112 700 0.821 6

К5151 680 0.305 6...7 3.95

К12845 680 1.202 8

Л5343 650 0.214 5...6 15.4

К13629 650 3.298 8

Для литых сплавов с равноосной мелкозернистой структурой наличие крупных зерен, появившихся вследствие неравномерной кристаллизации, может привести к снижению предела выносливо-

сти. На рис. 4 приведены данные по пределу выносливости рабочих лопаток турбины с различной макроструктурой.

Рис. 4. Результаты испытаний по определению предела \выносливости рабочих лопаток турбины с различной макроструктурой

Из приведенных на рис. 4 и в таблице данных следует, что структура материала оказывает сильное влияние на сопротивление усталости конструкций. Для стабилизации предела выносливости лопаток компрессора и турбины все 100% лопаток проходят контроль макроструктуры. Неоднородности макроструктуры нормируются. Дополнительно несколько лопаток каждой партии изготовления проходят контрольные испытания на выносливость. Если выбранные лопатки не проходят контрольных испытаний, то вся партия бракуется.

В основном финишные упрочняющие обработки применяются после механической обработки резанием.

В процессе механической обработки деталей поверхностный слой подвержен силовому и температурному нагружению, что предопределяет возникновение остаточных напряжений, наклепа поверхности, интенсивных сдвиговых деформаций, фазовых и структурных превращений, газонасыщения и т.д.

Остаточные напряжения при этом являются одним из определяющих факторов в формировании несущей способности детали.

Вопрос о влиянии силового и температурного поля в зоне резания на формирование остаточных напряжений в деталях из титановых и жаропрочных хромоникелевых сплавов изучен недостаточно полно. При обработке резанием таких деталей в результате действия силового поля формируются как растягивающие, так и сжимающие остаточные напряжения, причем для титановых сплавов, как правило, наблюдается формирование сжимающих остаточных напряжений, а для жаропрочных хромо-

никелевых сплавов - растягивающих остаточных напряжений.

На границе раздела между зачатком стружки и основным металлом деформации поверхностных зерен весьма велики, большие степени пластической деформации охватывают некоторый объем материала по глубине, далее пластические деформации переходят в упругие. Рассматривая процесс формирования остаточных напряжений с позиции воздействия силового фактора, при деформации зерен в направлении резания можно ожидать формирования сжимающих остаточных напряжений, однако для жаропрочных хромоникелевых сплавов ХН70МВТЮБ (ЭИ598), ХН733МБЮ (ЭИ698), ХН62БМКТЮ (ЭП742) практически независимо от режимов резания и геометрии инструмента формируются растягивающие остаточные напряжения. Это можно объяснить влиянием теплового фактора. В процессе резания температура в зоне контакта детали и инструмента может достигать 1500...2000 С. Тепло из-за недостаточной теплопроводности материала локализуется в малом объеме поверхностного слоя и вызывает формирование растягивающих остаточных напряжений.

На рис. 5 представлены эпюры остаточных напряжений в полотне диска турбины из сплава ЭИ698ВД после чистового точения на различных режимах. Из представленных данных видно, что независимо от режимов резания формируются неблагоприятные с точки зрения влияния на характеристики сопротивления усталости, остаточные напряжения растяжения, достигающие величины +800МПа.

Влияние скорости точения V на формирование Тангенциальных остаточных напряжений

о и

I-<

- \МЯ"

У* ; V 1ич1

лл

*

N.

ч

Ш Ь

Влияние переднего угла резца у на формирование Тангенциальных остаточных напряжений

Влияние подачи S при точении на формирование тангенциальных остаточных напряжений

Влияние переднего угла резца у на формирование Тангенциальных остаточных напряжений

Рис. 5. Эпюры остаточных напряжений в полотне диска турбины из сплава ЭИ698ВД после чистового точения

Аналогичные данные получены и для сплава ЭП742ВД. Формированием растягивающих остаточных напряжений сопровождается и процесс протягивания пазов под замки лопаток турбины. После шлифования и полирования деталей из титановых сплавов ВТ-9, ВТ-20, ВТ-8 и сталей 15Х12Н2МВФАБ (ЭП517), ХН45МВТЮБР (ЭП718) также формируются остаточные напряжения растяжения.

В процессе воздействия лезвийного инструмента на поверхность деталей, как было отмечено, в поверхностном слое протекают интенсивные пластические деформации, вызывающие существенный рост дислокаций. Интенсивные сдвиговые деформации, происходящие в поверхностном слое деталей, подготавливают очаги зарождения усталостных трещин. При совпадении направления распространения полос скольжения, возникших при механической обработке, с направлением действия максимальных рабочих вибрационных нагрузок эти полосы интенсивно и ускоренно развиваются в трещины усталости.

Формирование растягивающих остаточных напряжений в поверхностном слое дисков турбины из сплавов ЭИ698ВД, ЭП742ВД является причиной снижения предела выносливости дисков (до о-1=250МПа на базе №5х106циклов). Сопротивление усталости лопаток компрессора из-за наличия в поверхностном слое растягивающих остаточных напряжений, также существенно снижается. Особенно важно влияние состояния поверхностного слоя на несущую способность деталей, имеющих конструктивные концентраторы напряжений в виде лабиринтных гребешков, отверстий, острых кро-

мок. Концентраторами являются также резьбы, полученные резанием.

Остаточные напряжения возникают после неоднородной пластической деформации: при изгибе, кручении, холодной обработке давлением (штамповке, чеканке и др.), поверхностном наклепе (обработке резанием, дробеструйной обработке, виброгалтовке и др.). Сюда же можно отнести пластические деформации, связанные с нагревом и охлаждением детали при литье, термообработке и термопластическом упрочнении. Остаточные напряжения возникают также при фазовых и структурных превращениях с неоднородным изменением объема при старении, термохимической обработке (цементация, азотирование), электрохимическом осаждении и др.

Особенно сильно остаточные напряжения оказывают влияние на характеристики сопротивления усталости. В первом приближении механизм влияния остаточных напряжений на циклическую прочность детали можно оценить, представив остаточные напряжения через асимметрию циклов при испытаниях на выносливость. Остаточные напряжения могут оказывать как вредное воздействие: поводки, разрушения, понижение прочности, усиление коррозии, так и полезное: повышение предела выносливости, повышение коррозионной стойкости, автофретирование и др.

На рис. 6 приведены данные, полученные в лаборатории прочности «ОАО «Кузнецов» по характеристикам сопротивления усталости образцов и элементов конструкции после различных видов финишной поверхностной обработки.

500

400

fi о о m s с. о

0

1

Id m

ч

ф

Q.

300

200

520

430

460

480

240

220

240

420

350

300

220

100

0

1 23456789 10 11

(1-2)-элементы вала (3-6)-образцы из материала (7-11)-перо лопатки из титановых

турбины ЭП693 сплавов ВТ-3-1, ВТ-8, ВТ-9

Рис. 6. Данные по влиянию качества поверхности на предел выносливости некоторых элементов ГТД: 1 - грубое точение, 2 -грубое точение + пневмодинамическое упрочнение, 3 - точение, 4 - точение + полирование, 5 - точение + полирование + упрочнение микрошариками (режим 1), 6 - точение + полирование + упрочнение микрошариками (режим 2), 7 - фрезерование + шлифование+полирование, 8 - фрезерование + полирование, 9 - фрезерование + полирование + гидро дробеструйное упрочнение, 10 - фрезерование + полирование + гидродробеструйное упрочнение + виброгалтовка, 11 - ВТМО + фрезерование + полирование + гидродробеструйное упрочнение + виброгалтовка

Основные проблемы обеспечения надежности деталей при изготовлении, связанные с остаточными напряжениями следующие:

- изучение влияния остаточных напряжений на прочность и несущую способность материала;

- разработка методов получения и регулирования величины полезных остаточных напряжений. Например, таких как обдувка дробью, обкатка роликами, алмазное выглаживание, дорнирование, виброгалтовка, обработка микрошариками, термопластическое упрочнение и др;

- определение величины и эпюры остаточных напряжений неразрушающими методами;

- регулирование остаточных напряжений путем правильного выбора методов и режимов обработки является одной из основных задач при построении технологического процесса.

Большую роль в регулировании остаточных напряжений играют специальные финишные упрочняющие технологические операции.

Наряду с повреждениями поверхностного слоя деталей в виде наведения неблагоприятных растягивающих остаточных напряжений, больших степе ней пластических деформаций, неравномерных по поверхностям, неблагоприятной микрогеометрии, в практике доводки изделий особое место занимают повреждения в виде фазовых и структурных превращений - прижогов. Это повреждение является наиболее распространенным для деталей, изготавливаемых из (о+Д) титановых сплавов, подвергающихся абразивной обработке, и для цементированных зубчатых колес из сталей 12Х2Н4А, 12Х2НВФА. Образование прижогов на деталях из сплавов ВТ-8, ВТ-9 связано с интенсивным локаль-

ным нагревом при шлифовании. В местах прижогов имеется увеличение а- фазы и снижение микротвердости. На границе ß - фазы и а - фазы имеются растягивающие остаточные напряжения. Прижоги на поверхности пера лопаток приводят к существенному снижению их выносливости. Аналогичная картина наблюдается для зубчатых колес.

Влияние прижогов на сопротивление усталости лопаток компрессора из титанового сплава ВТ-8 и цементированных зубчатых колес из сталей 12Х2НВФА показано на рис. 7.

«Белые пятна» прижогов, возникающие после шлифования зубьев, приводят к снижению предела выносливости и контактной долговечности зубчатых соединений и подшипников. Наличие прижогов на поверхности деталей недопустимо.

Большое место в технологическом процессе изготовления деталей ГТД занимают процессы сварки. Сварные соединения за счет формирования в зоне сварного шва растягивающих остаточных напряжений, крупнозернистой структуры обладают низкой выносливостью. Выносливость сварных швов титановых сплавов ОТ-4, ВТ-20, сплавов ЭП718ВД, ЭИ698ВД вдвое ниже выносливости основного материала.

Для повышения надежности деталей, работающих в условиях контактного нагружения, а также для повышения жаростойкости деталей, работающих при высоких температурах, широко применяются покрытия - гальванические, плазменные, детонационные, электронно-лучевые. Существенным недостатком покрытий является снижение выносливости из-за формирования растягивающих остаточных напряжений.

С СП

... 500

400

1400 1200 1000 800 600 400

200 -Н 0

"4200—ТТ80"

1270

400

500

-650-

1 2 3 4 5 6 (1-2)-лопатки, ВТ-9 (3-6)-зубья шестерен

Рис. 7. Данные по влиянию прижогов при шлифовании на предел выносливости лопаток компрессора из сплава ВТ-8 и зубьев цементируемых шестерен: 1 - с прижогами, 2 - без прижогов, 3 - шлифование с прижогами, 4 - шлифование с прижогами + упрочнение дробью, 5 - качественное шлифование, 6 - качественное шлифование + упрочнение дробью

В технологических процессах изготовления ряда деталей после получения заготовок, механической обработки, сварки, нанесения покрытий широко используется термическая обработка для уменьшения величины растягивающих остаточных напряжений, или термопластическое упрочнение [2]. Однако режим термической обработки не обеспечивает полного снятия остаточных напряжений. Это связано с тем, что температуры термической обработки ограничены по величине из-за их влияния на структуру и основные физико-механические свойства материалов.

Отрицательную технологическую наследственность в деталях и узлах конструкции могут вносить не только операции механической обработки в виде повреждений поверхности деталей или наведения неблагоприятных поверхностных остаточных напряжений, которые снижают их предел выносливости, но и другие механические операции и операции сборки [3].

Так, при гибке трубопроводов в них могут появляться продольная трещина или потеря устойчивости. Для устранения таких дефектов применяют специальные методы заполнения внутренних полостей и нормируют угол изгиба.

Ударное клеймение является концентратором напряжений, от которого может развиваться усталостная трещина. Поэтому оно допустимо только для

малонагруженных деталей или в местах минимальных напряжений. Для уменьшения концентрации напряжений при маркировке деталей используют электроискровую, лазерную или фотомаркировку деталей. Для литых деталей (например, лопатки турбины) индивидуальный номер выполняется литьем.

Недостаточная жесткость закрепления детали в приспособлении может привести к повышенным вибрациям при механической обработке и, соответственно, к возникновению усталостных трещин, которые затем будут развиваться при испытаниях.

На рис. 8 показан пример возникновения усталостных трещин в лабиринтных гребешках бандажных полок лопаток при шлифовании.

Введение дополнительного упора при шлифовании полок повысило жесткость закрепления лопаток в приспособлении, снизило уровень переменных напряжений в них при шлифовании и позволило устранить дефект.

Важным в обеспечении технологической надежности является контроль качества детали после изготовления. Геометрия детали на соответствие чертежу проверяется универсальным и специальным мерительным инструментом.

Для отдельных деталей или узлов (лопатки и отдельные колеса компрессоров и турбин) контролируют частоты собственных форм колебаний, которые наиболее вероятны или недопустимы в эксплуатации.

Прочностные характеристики материала для наиболее ответственных деталей определяются на совместно отлитых с заготовкой образцах, для штампованных заготовок (диски компрессора, турбины и др.) на образцах, изготовленных из специальных припусков. При этом технология изготовления и термообработки образцов должна соответствовать технологии изготовления детали. В малона-груженных местах детали проверяют твердость материала, которая коррелирует с прочностными характеристиками. В ответственных деталях (например, лопатки и диски компрессора и турбины) проверяют макроструктуру материала.

схема установки лопатки

пример дефекта

ТРЕШИНА

Рис. 8. Дефекты при шлифовании бандажных полок лопаток турбины

Одним из эффективных способов поддержания высокой надежности авиационной техники является обязательное применение на этапах производства, эксплуатации и ремонта различных методов нераз-рушающего контроля.

Литература

1. Белоусов, А.И. Прочностная надежность деталей турбомашин [Текст]: учеб. пособие / А.И. Белоусов, И.А. Биргер. - Куйбышев: КуАИ, 1983.-75с.

2. Повышение эксплуатационной надежности ГПА развитием конвертированных авиационных технологий [Текст]: монография / С.Д. Медведев, С.В. Фалалеев, Д.К. Новиков, В.Б. Балякин. - Самара: СНЦ РАН, 2008.-371с.

3. Нихамкин, М.Ш. Вероятностная оценка стойкости лопаток компрессора ГТД к повреждению посторонними предметами [Текст] / М.Ш. Нихамкин, И.В. Семенова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С.П. Королева (национального исследовательского университета). - 2009. - №32. - С.93-97.

Самарский государственный аэрокосмический университет

A METHOD FOR INCREASING THE STRUCTURAL STRENGTH DETAILS

VYSOKORESURSNYH GTD

D.G. Fedorchenko

Analysis of the structural composition of the structural strength showed that a strong influence on it turns out to out design, manufacturing technology , material properties and conditions of use. In this paper, the main focus on the influence of manufacturing technology for structural strength , conducted a quantitative analysis of the technological and manufacturing defects. It has been shown that it is possible to significantly reduce stress in assembling the mounting of the blades by means of devices , rated power and the influence of the temperature field in the cutting zone on the residual stresses in the surface layer. Results on the influence of surface quality NIJ on the endurance limit of some elements of GTD

Key words: defects, structural strength , machining, voltage , assembly, technology