Экспериментальная методика оценки остаточных напряжений в поверхностном слое элементов авиационной техники

УДК 620.179.11

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

В.В. ОВЧИННИКОВ, О.Н. КАРПЕНКО

Рассматривается методика оценки остаточных напряжений в поверхностном слое материалов авиационной техники с использованием оптико-акустического метода.

Ключевые слова: авиационная техника, остаточные напряжения, измерение, акустические волны.

Создание высокоэффективных летательных аппаратов и авиационных силовых установок требует постоянного совершенствования, разработки и внедрения как новых материалов, методов и средств изготовления деталей, узлов и агрегатов, так и методов контроля качества продукции при производстве, ремонте и в процессе эксплуатации. Износ и старение материала деталей авиационной техники приводит к потере ее работоспособности, снижению уровня безопасности полётов и возникновению аварийных ситуаций [1]. Следовательно, разработка новых подходов для своевременного поиска опасных дефектов материала деталей при помощи современных методов технического контроля является весьма актуальной научно-технической задачей.

Согласно исследованиям [2] остаточные напряжения в материале деталей оказывают большое влияние на поведение дефектов усталостного характера. Таким образом, определение остаточных напряжений материала дает возможность наглядно представить поведение изделия под нагрузкой и оценить как возникновение дефектов, так и их развитие. Современные экспериментальные методы не дают возможности получить распределение остаточных напряжений по всему объему напряженного тела при трехосном напряженном состоянии. Причиной тому является очень слабое влияние остаточных напряжений на изменение упругих и теплофизических свойств напряженной среды. Максимальные изменения свойств среды, связанные с наличием остаточных напряжений, составляют порядка десятых-сотых долей процента по сравнению с ненапряженными состояниями. Чтобы отслеживать столь малые градиенты остаточных напряжений, необходимо измерять характеризующие их теплофизические и упругие свойства среды с очень высокой точностью. Именно это не позволяет применять для решения таких задач большинство существующих методов неразрушающего контроля. Данная статья направлена на преодоление этого противоречия.

Применительно к деталям газотурбинных двигателей интерес представляет проблема выявления напряжений в подповерхностных слоях материала. Надёжность работы рабочих лопаток компрессора и турбины зависит не только от их конструктивной прочности, сопротивления циклическим и длительным статическим нагрузкам, но и от технологии их изготовления, которая непосредственно влияет на качество поверхностного слоя лопаток. В данной работе для решения поставленной задачи выбран лазерный оптико-акустический (ЛОА) метод диагностики остаточных напряжений, основанный на лазерном возбуждении поверхностной акустической волны (ПАВ). Измерение относительного изменения скоростей ПАВ позволяет сделать оценку остаточных напряжений [3].

Существующие метод, математическое и программное обеспечение экспериментальных исследований по измерению скорости ПАВ, разработанные в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН, заключаются в следующем.

Каждый испытуемый образец последовательно устанавливается на координатный столик экспериментальной лабораторной установки. В зоне, подлежащей контролю, устанавливается

датчик ПАВ с условием обеспечения качественного сухого точечного контакта. Система генерации волны ПАВ настраивается таким образом, чтобы линия фокусировки располагалась на расстоянии 3-5 мм от зоны контакта датчика ПАВ с образцом, а направление распространения волны ПАВ совпадало с направлением, в котором необходимо измерять скорость волны ПАВ и соответственно определять наличие остаточных напряжений. После генерации волны ПАВ производится измерение времени ее пробега в среде исследуемого образца. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема устройства для оценки остаточных напряжений с применением лазерного оптико-акустического метода

Для применения вышеописанного метода необходимо знать калибровочные характеристики прибора. Для их нахождения надо определить функциональную зависимость величины одноосного напряжения от экспериментально определенной скорости ПАВ.

С целью оценки возможности построения калибровочных характеристик для титановых деталей ГТД использовался метод искусственного нагружения образца. При разработке методики эксперимента было сделано допущение, что ПАВ локализована в приповерхностном слое толщиной порядка длины волны (в нашем случае - порядка 100 микрон), что существенно меньше толщины образца И = 3 мм. В этом случае для получения необходимых напряжений в поверхностных слоях представляется возможным использовать изгиб консольно закрепленного образца (схема нагружения показана на рис. 2, закрепление осуществлялось при помощи двух твердосплавных стержней). Усилие прикладывалось к концу образца на расстоянии Ь = 45 мм от точки крепления, таким образом, чтобы отклонение конца пластины ё от исходного (ненапряженного) положения изменялось от 0 до 4 мм с шагом 1 мм.

Рис. 2. Схема нагружения образца

При таком нагружении напряжение в области измерения на поверхности образца описывается формулой (в приближении Эйлера-Бернулли) [4]

3^ / ч

° = — Е/Ь - x),

2Ь3

где ё - прогиб образца; Ь=3 мм - толщина образца;

Е - модуль Юнга для сплава ВТ6 Е=104 ГПа; Ь и х - соответствующие координаты (рис. 2).

В качестве объекта исследований был выбран стандартный образец из титанового сплава ВТ6, обладающий теми же характеристиками, что и рабочие лопатки 2-й ступени ГТД типа ПС-90А и поставляющийся вместе с ними.

Методика эксперимента заключалась в пошаговом нагружении образца, при каждом шаге которого прогиб образца ё на расстоянии (Ь=45 мм) увеличивался на 1 мм. Максимальный прогиб достигал значения ётах=4 мм. При каждом шаге нагружения на участке образца, находящемся на расстоянии Х=11 мм от заделки, производился замер скорости поверхностной акустической волны.

Полученные результаты в виде зависимости скорости ПАВ от величины изгибной нагрузки в растягивающей области приведены на рис. 3. Прямоугольниками на этом рисунке обозначены экспериментальные точки, а линия тренда (пунктирная линия) рассчитана методом наименьших квадратов.

Анализ данных, приведенных на рис. 3, показывает, что для исследуемого образца с увеличением величины растягивающих напряжений в поверхностном слое происходит увеличение скорости поверхностной акустической волны практически прямо пропорционально, при этом коэффициент пропорциональности составляет к = 1.5*10-2 м/с / МПа, то есть эта величина и есть параметр калибровки для исследуемого образца.

2854

о

ей

<

С

л

I—

о

о

о.

о

й!

О

2852 -

2850 -

2848 -

2846 -

2844 -

2842 -

2840

! ^

.X! Г

! \ и

.** г

г*

то

200

300

400

500

Напряжение, МПа

600

700

000

Рис. 3. Зависимость скорости поверхностной акустической волны от величины растягивающих напряжений в поверхностном слое образца. Нулевое значение напряжений соответствует ненагруженному состоянию образца

Очевидно, что проведенные измерения и полученная калибровочная характеристика имеют определенный физический и технический смысл только для одного образца и пока носят только оценочный характер, но, тем не менее, подтверждают работоспособность предложенного метода калибровки. В некоторых зарубежных источниках (Physical Review) приводятся аналогичные данные для титановых сплавов, в которых подтверждается тенденция увеличения скорости при росте растягивающих напряжений.

Итак, чтобы производить измерение остаточных напряжений с помощью лазерного оптикоакустического метода на конкретных деталях (например, рабочих лопатках ГТД) необходимо предварительно провести калибровку с использованием натурного образца, полностью аналогичного исследуемой детали. Методика калибровки изложена в настоящей работе, а таким образцом может быть элемент пластины, вырезанный в осевом направлении из серийно изготовленной лопатки, без наработки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С., Крымов В.В. Авиационное материаловедение и технология обработки металлов. - М.: Высшая школа, 1998.

2. Биргер И. А. Остаточные напряжения. - М.: Машиностроение, 1973.

3. Диагностика остаточных напряжений в металлах с помощью широкополосных поверхностных акустических импульсов. Девиченский А.Ю., Ломоносов А.М., Жаринов С.Е. и др. // Акустический журнал. - 2009. - № 1. - С. 39-46.

4. Уманский А.А., Вольмир А.С., Коданев А.И. Курс сопротивления материалов. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1954.

METHODOLOGY OF EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE MEASUREMENT OF SURFACE ACOUSTIC WAVES IN ORDER TO ASSESS THE EXISTENCE OF RESIDUAL STRESSES

Ovchinnikov V.V., Karpenko O.N.

Outlines the methodology of the NDT parts of aircraft based on laser optical-acoustic method.

Key words: aircraft, outlines, measurement, acoustic waves.

Сведения об авторах

Овчинников Валерий Валерьевич, 1970 г.р., окончил МИФИ (1993), профессор, доктор технических наук, начальник кафедры механики (материалов и восстановления АТ) ВУНЦ ВВС "ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", автор более 70 научных работ, область научных интересов - аэроупругость и прочность ЛА.

Карпенко Олег Николаевич, 1979 г.р., окончил Ставропольское ВВАИУ(ВИ) (2005), адъюнкт кафедры механики (материалов и восстановления авиационной техники) ВУНЦ ВВС "ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", автор 8 научных работ, область научных интересов - неразрушающий контроль деталей авиационной техники.