РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД, ОСНОВАННЫХ НА ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ. (Обзор)

УДК 621.793

Ю. А. Ножницкий, А. В. Фишгойт, Р. И. Ткаченко, С. В. Теплова

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД, ОСНОВАННЫХ НА ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ.

Дан обзор новых методов поверхностного упрочнения деталей двигателя.

Наблюдаемый в последние годы повышенный интерес двигателестроительных фирм к разработке и применению более эффективных методов упрочнения деталей ГТД связан, главным образом, с большими материальными потерями вследствие досрочного снятия двигателей с эксплуатации из-за повреждения лопаток вентилятора и компрессора от попадания на вход двигателей посторонних предметов.

Статистический анализ показывает, что количество двигателей, досрочно снимаемых с эксплуатации по причине повреждения посторонними предметами, включая птиц, составляет в военной авиации 40-50 % от общего числа досрочно снимаемых двигателей.

В США в 1994 году принята общенациональная многолетняя программа повышения усталостной прочности деталей ГТД [1]. Одной из основных целей программы по борьбе с разрушениями от МЦУ деталей ГТД является увеличение допустимых размеров забоин на входных кромках лопаток вентиляторов в 15 раз c 5 до 75 mils (с 0,127 мм до 1,875 мм) [1].

В рамках программы ежегодно проводятся общенациональные конференции по проблемам многоцикловой усталости деталей ГТД. На девятой (2004 год) и десятой (2005 год) конференциях особое внимание уделено новым методам упрочнения деталей. К наиболее перспективным отнесены: лазерный метод, метод выглаживания поверхности шариком, опирающимся на струю жидкости, а также кавитационный метод [11 ].

По сравнению с широко применяемыми в настоящее время методами виброгалтовки и дробеструйного упрочнения новые методы имеют три основных преимущества:

- более глубокое распространение остаточных напряжений сжатия

- малая степень холодной пластической деформации поверхности, что обеспечивает повышенную стойкость наведенных напряжений сжатия к релаксации при рабочих температуре и вибрации лопаток компрессора

- сохраняется исходным или повышается качество поверхности по степени шероховатости.

Упрочнение лазерным ударом

По количеству публикаций и патентов метод упрочнения лучом лазера занимает ведущее положение. В работе [2] приведен перечень и краткий анализ работ, посвященных теории взаимодействия лазерных импульсов с металлической поверхностью; возбуждению, при этом ударных волн; а также их распространению в металле.

На рис. 1 представлена приведенная в [17] схема взаимодействия лазерного луча с поверхностью упрочняемой детали, показаны параметры импульса лазера: плотность энергии в импульсе (5-15 ГВт/см2), продолжительность импульса (-20 нс) и примерный диаметр пятна (4-5 мм). Основное преимущество метода - глубоко распространяющиеся остаточные напряжения сжатия (0,5-0,7 мм) при минимальной холодной пластической деформации поверхностного слоя материала детали (-5 %).

Этот эффект присущ всем трем новым методам упрочнения, несмотря на принципиальное отличие их по физической природе исходной энергии воздействия на поверхность. В связи с этим свойством появилась возможность создавать остаточные напряжения сжатия кромки лопаток, перенося компенсирующие напряжения растяжения в менее нагруженные и не подверженные повреждениям области пера лопаток.

Сканирование луча лазера по поверхности детали обеспечивается по программе, управляемой компьютером. Лазер излучает импульсы каждые 80 миллисекунд (10-3). Программа управления имеет 2 функции - продвинуть лазер по нужному пути на поверхности детали и определить точку, где должен быть произведен удар луча по поверхности для достижения наиболее эффективного упрочнения.

Превращение световой энергии импульса лазера в механическую энергию - процесс весьма сложный. Одной из труднорешаемых проблем явилось применение абсорбирующего слоя. Этот слой должен плотно прилегать к обрабатываемым деталям, так, чтобы в момент удара импульса лазера ни в одной точке не было отслоения от поверхности детали, ибо, в противном случае, вместо механического, на деталь будет оказано термическое

© Ю. А. Ножницкий, А. В. Фишгойт, Р. И. Ткаченко, С. В. Теплова 2006 г. - 8 -

Рис. 1. Схема процесса упрочнения лучом лазера [17]

воздействие лазера с нежелательными последствиями (окисление, оплавление, растрескивание поверхности).

На ежегодных национальных конференциях США по проблемам многоцикловой усталости деталей ГТД (2004 и 2005 годов) представлено несколько докладов, посвященных упрочнению деталей ГТД лазерным ударом [3, 4, 11].

Фирма MIC (Metal Improvement Company) демонстрирует оборудование для упрочнения лазерным ударом, пригодное для упрочнения крупногабаритных деталей в эксплуатационных условиях.

В 2003 г. фирма MIC получила сертификаты Федерального Авиационного Агентства (FAA) и Объединенной Авиационной администрации (JAA) на создание ремонтного предприятия со специализацией - лазерное упрочнение [5].

Упрочнение лучом лазера повышает предел выносливости образцов, имитирующих кромки лопаток компрессора, на 30-50 % в зависимости от типа материала и плотности энергии в импульсе. Упрочнение лазером особенно эффективно при наличии повреждений кромок лопаток вентилятора и компрессора типа забоин. Стойкость обработанных лазером лопаток пвышается вдвое [11]. При работе деталей из титанового сплава типа ВТ6 в условиях фреттинга обработка лазером повышает усталостную прочность более, чем на 70 % на базе 106 циклов [4].

Здесь следует обратить внимание на то, что во всех работах, посвященных упрочнению новыми методами (лазерным, выглаживанием шариком, кавитационным) испытания на усталость образцов, имитирующих кромки лопаток, проводят по схеме четырехточечного изгиба. Это связано с тем, что одной из главных целей упрочнения является повышение стойкости деталей (главным образом деталей компрессора) при забоинах от попадания на вход двигателя посторонних предметов. Схема

испытаний по четырехточечному изгибу, при которой значительный по протяженности участок образца испытывает равные напряжения, позволяет наносить на этот участок несколько повреждений различной глубины и, таким образом, получать информацию как бы по нескольким образцам при испытании всего одного.

В работе [4] приведена история прочностной доводки лопаток четвертой ступени компрессора двигателя F119. В процессе доводки двигателя было обнаружено, что лопатки ротора 4-й ступени КВД не обладают требуемым запасом усталостной прочности при повреждении кромок посторонними предметами. Четвертая ступень КВД конструктивно выполнена в виде блиска. Расчеты показали, что конструктивная доводка ступени будет стоить 10 миллионов долларов. Требовалось тройное повышение порогового значения коэффициента интенсивности напряжений для удовлетворения требований F/A 22.

Фирма Пратт-Уитни и ВВС решили, что применение лазерного упрочнения позволит решить эту проблему. Разработка технологии упрочнения лазерным лучом лопаток блиска была начата фирмой LSP Technologies в марте 2003 года при еще ручном нанесении абсорбционного покрытия, а уже к февралю 2005 года 96 блисков с упрочненными лопатками поставлены фирме Пратт-Уитни. Испытания на усталость лопаток блиска с забоинами глубиной 1,27 мм (0,05") показали, что упрочнение лазером повышает усталостную прочность поврежденных лопаток в два раза.

При разработке технологии лазерного упрочнения кромок лопаток на блиске одной из наиболее сложных проблем оказалась необходимость автоматизировать локальное нанесение абсорбирующего покрытия непосредственно перед ударом луча лазера по данной точке обрабатываемой лопатки. Предварительная окраска абсорбентом ока-

залась неприемлемой, так как лазерный удар по точке повреждает покрытие в соседних областях. В настоящее время технология нанесения абсорбирующего покрытия автоматизирована. Лазерное упрочнение также проводится в автоматическом режиме. Составлена программа упрочнения лопаток блиска 4-й ступени компрессора двигателя Р-119 до 2012 года (по 85 блисков ежегодно).

Разработана и применяется система упрочнения лазерным лучом поверхностей пазов для установки лопаток в ободе диска 2-й ступени вентилятора двигателя Р-110. Обработка проводится с целью повышения сопротивляемости материала усталости в условиях фреттинга. "Узким" местом технологии лазерного упрочнения остается требование полной автоматизации как процесса нанесения абсорбирующего слоя и получения водяного экрана в виде ламинарного потока воды, так и самого удара лазерного луча при надежной синхронизации этих процессов. На рис. 2 [4] показано повреждение лопаток блиска лазерным лучом вследствие некачественного (ручного) нанесения черной краски и повреждения этого покрытия ближайшим пятном лазерного импульса. Поэтому много внимания было уделено разработке автоматов нанесения абсорбирующего слоя. Показателем науко-емкости технологии лазерного упрочнения деталей ГТД может служить тот факт, что только фирма ОБ в период 1996-2001 г.г. получила 23 патента США по технологии лазерного упрочнения.

Дальнейшее развитие технологии лазерного упрочнения планируется в направлении повышения производительности процесса за счет: (1) полной автоматизации процесса нанесения абсорбирующего слоя, (2) увеличения частоты импульсов и (3) применения автоматизированной системы контроля качества. Так, предполагается, что внедрение системы высокоскоростного нанесения покрытия позволит в 2-3 раза увеличить частоту лазерных импульсов по сравнению с принятой в настоящее время (0,25 Гц). Усовершенствования, проводимые по программе Ма^есИ, позволят дополнительно повысить частоту импульсов в 2-4 раза. Совершенствование технологии упрочнения снизит

стоимость процесса на 50-70 % [4].

Среди новых объектов лазерного упрочнения называются шестерни и валы редукторов вертолетов.

Упрочнение методом выглаживания поверхности детали шариком с небольшой пластической деформацией

Этот метод в последнее время широко рекламируется в иностранной литературе [7, 8,] в материалах международных выставок (США в 2004 г., Австрия в 2003 г) и конференций, посвященных проблемам многоцикловой усталости деталей ГТД [11].

Отличие схемы этого метода от давно используемого на наших предприятиях методов упрочнения обкаткой роликом или шариком состоит в том, что прижатие шарика к обрабатываемой поверхности осуществляется струей жидкости под определенным регулируемым давлением. Схематически устройство упрочнения этим методом показано на рис. 3 [11].

Принципиальное отличие заключается в том, что усилие прижатия шарика к обрабатываемой поверхности существенно меньше, чем в ранее использованных подобных методах, а количество проходов по одному и тому же месту увеличивается. При этом пластическая деформация поверхности оказывается минимальной (менее 5 %), а остаточные напряжения сжатия создаются волнами упруго-пластических напряжений на грани предела текучести. В результате остаточные напряжения сжатия распространяются на большую глубину по сравнению с наводимыми методом дробеструйной обработки или обкаткой при большом давлении. Не менее важно и то, что остаточные напряжения, наведенные выглаживанием, более устойчивы и практически не релаксируют при рабочих температурах лопаток компрессора.

На рис. 4 [7] видно, что эпюра остаточных на-

Регулируемое усилие

Сферическая оправка

Обрабатываемая поверхность Остаточные

напряжения ^ ~ ^

Сжатие Растяжение

Рис. 2. Повреждения покрытия и лопаток при лазерном упрочнении блиска двигателя Р119 [4]

Рис. 3. Схема упрочнения методом выглаживания шариком [11]

пряжений, наведенных при упрочнении ВШ, практически не изменяется после выдержки 100 часов при температуре 371°С, в то время как после дробеструйного упрочнения напряжения сжатия у поверхности снижаются примерно в 2 раза. Подчеркивается, что тонкие кромки образцов, имитирующих кромки лопаток и испытанных на усталость при четырехточечном изгибе были упрочнены по всей толщине кромок. На рис. 5 [7] показана лопатка компрессора, упрочненная по кромкам методом ВШ с двух сторон (места упрочнения по кромкам пера затемнены):

- упрочнение проводится с двух сторон.

- допускаются повреждения от попаданий в двигатель посторонних предметов глубиной до 0,5 мм.

- напряжения сжатия на всю толщину упрочнен-

ных кромок.

- ограничены деформации и сбалансированность напряжений в пределах допуска.

- максимальная рабочая температура: 371°С.

« И

к

S S

V

К к а с

<я

х

«

3 s т о н <я н и

О

350

175

Обдувка шариками Обдувка шариками +3710С 100ч. 'Выглаживаниет шариком • Выглаживание *+371°С 100ч.

254

508

Глубина

762

1016

Рис. 4. Остаточные напряжения в образцах из титанового сплава после упрочнения различными методами и последующего нагрева при рабочей температуре лопатки в течение 100 час [7]

Входная

Выходная

Рис. 5. Лопатка компрессора из титанового сплава, упрочненная по кромкам выглаживанием шариком. Показаны зоны упрочнения методом выглаживания шариком [7]

В материалах международной конференции 2006 г. "Power for Land, Sea and Air" [9] приведены данные о применении метода малопластичного выглаживания шариком (ВШ) для упрочнения деталей двигателей F119 и F402. Упрочняются входные и выходные кромки рабочих и спрямляющих лопаток, торцы рабочих лопаток, а также хвостовики лопаток с целью снижения повреждений типа фреттинга. Упрочняется методом ВШ также ряд деталей летательных аппаратов, например, втулки воздушных винтов.

По результатам испытаний образцов из титанового сплава с толстыми и тонкими кромками, имитирующих кромки пера лопаток в различных сече-

0

ниях и упрочненных различными методами в работе [8], были сделаны следующие выводы:

В толстых сечениях

- обработкой методом ВШ создаются сжимающие остаточные напряжения на глубину до 1 мм;

- обдувка шариками создает остаточные напряжения сжатия глубиной менее 0,2 мм;

- остаточные напряжения, создаваемые ВШ, не релаксируют при длительном нагреве до рабочей температуры лопатки;

- остаточные напряжения, создаваемые обдувкой шариками, при рабочей температуре лопатки релаксируют до 50 % от исходного значения;

- упрочнение методом ВШ практически полностью устраняет влияние на усталостную прочность повреждений от удара постороннего предмета глубиной 0,25 мм;

- упрочнения обдувкой шариками и легким шлифованием не устраняют снижения усталостной прочности при повреждении кромки от попадания ПП глубиной 0,25 мм.

В тонкой кромке лопатки

- упрочнение методом ВШ создает остаточные напряжения сжатия на всю толщину кромки;

- два других исследованных метода (обдувка шариками и легкое шлифование) создают остаточные напряжения, распространяющиеся на небольшую глубину;

- при обработке методом ВШ почти полностью устраняется влияние на работоспособность лопатки повреждений от ПП глубиной 0,75 мм, а при повреждениях глубиной до 2,5 мм сохраняется запас прочности по многоцикловой усталости не ниже 3;

- упрочнение обдувкой шариками или легким шлифованием не устраняет значительного снижения усталостной прочности при повреждениях глубиной 0,5 мм, а запас по усталостной прочности становится значительно ниже 3.

Основное отличие методов состоит в уровне и способе передачи усилия на шарик, определяющих степень деформации поверхности и количество проходов шарика по перекрываемым траекториям. Схемы инструмента для первого и второго типов обработки приведены на рис. 6, а и б, соответственно [6]. В отличие от других работ, посвященных этому типу упрочнения, здесь шарик в варианте малопластичного выглаживания опирается на пружину с регулируемым натягом, а в варианте значительной пластической деформации - на поток жидкости под большим давлением.

Какого-либо обоснования такого разделения видов обработки и инструмента в статье не содержится.

Применение в производстве метода упрочнения выглаживанием шариком с малой пластической деформацией не требует особого вида станочного оборудования. Упрочнение кромок лопаток может

производиться на фрезерных станках, как показано на рис. 7 [18]. Однако управление процессом должно быть автоматизировано и осуществляться по специальной программе, которая создается на основании результатов упрочнения и испытаний специальных образцов, имитирующих кромки лопаток.

Упрочнение в условиях кавитации

Явление кавитации более известно и изучено, как причина разрушения поверхности деталей машин, движущихся с большой скоростью в жидкости (гребные винты судов, лопасти водяных турбин). Менее изучена начальная стадия этого процесса, в течение которой происходит пластическая деформация приповерхностных слоев и их упрочнение.

Оказалось, что если на этой стадии остановить процесс кавитации, то в пластически деформированных поверхностных слоях детали наводятся сжимающие остаточные напряжения, уровень которых изменяется по глубине от поверхности при-

б

Рис. 6. Схема инструмента для поверхностного упрочнения методом выглаживания [6]: а - для режима малой поверхностной деформации; б - для режима со значительной поверхностной деформацией

Рис. 7. Установка для упрочнения обкаткой шариком кромки с двух сторон [18]

мерно так же, как и при упрочнении лучом лазера, т.е. при низком уровне градиента по глубине, что представляется существенным преимуществом, особенно для деталей, работающих при умеренно повышенных температурах (лопатки и диски компрессора), т.к. релаксация наведенных благоприятных остаточных напряжений при таком их распределении по глубине проходит существенно медленнее.

В работе [10] показано, что при обработке поверхности кавитационным методом оптимальные остаточные напряжения сжатия образуются в начальной фазе обработки, составляющей по продолжительности примерно 10 % от времени до начала потери веса образцом, т.е. начала кавитацион-ного разрушения. Вид эпюр остаточных напряжений после трех различных видов упрочняющей обработки приведен на рис. 8 [10]. Видно, что изменение остаточных напряжений по расстоянию от поверхности при лазерном и двух режимах ка-

витационного упрочнения близки и отличаются более плавным приближением к нейтральной линии на глубине порядка 500 мкм.

Эпюра остаточных напряжений после упрочнения широко распространенным методом обдувкой дробью отличается высоким градиентом и малой глубиной перехода к нейтральной линии и области растягивающих напряжений (~ 150 мкм).

Эти результаты отражают принципиально различные механизмы пластического деформирования материала подповерхностных слоев детали. При лазерном и кавитационном методах упрочнения пластическая деформация распространяется от поверхности в виде волн, возбуждаемых импульсами лазерного луча или множеством захлопывающихся вакуумных пузырьков. Происходит волнообразное перемещение границы между упругой и пластической деформацией при постоянной и небольшой пластической деформации поверхностных слоев материала. Сравнение удельной доли холодной пластической деформации при кавитационном упрочнении и дробеструйном приведено на рис. 9 [10]. Видно, что на самой поверхности при дробеструйном упрочнении степень холодной деформации составляет ~ 50%, тогда как при кавитационном упрочнении - только 6 % и около 1,5 % на глубине ~ 50 мкм.

Лазер, 10 ГВт/см , * Кавитация, 1 проход, 240 МПа, щ Кавитация, 1 проход, 379 МПа,

—Дробеструйная обработка Рис. 8. Эпюры остаточных напряжений при различных видах упрочнения 10]

—Я— Упрочнение кавитацией сплава "П-6-4

—♦— Дробеструйное упрочнение Рис. 9. Доля холодной деформации, % [10]

В работе [10] приведены некоторые характеристики оборудования, необходимого для упрочнения деталей методом кавитации. Основной агрегат - это компрессор сверхвысокого давления, обеспечивающего давление порядка 350 МПа при расходе жидкости через сопло порядка 3-12 л/мин. Второй агрегат включает изолированную емкость, в которой размещается упрочняемая деталь, и робот, управляющий соплом. В зависимости от формы поверхности детали, которую требуется упрочнить, робот может быть трех- или пяти-координат-ным. Управление процессом должно осуществляться по программе автоматически.

Преимущества кавитационного упрочнения по сравнению с лазерным состоит в существенно более низкой себестоимости.

Приведены следующие сравнительные оценки стоимости лазерного и кавитационного упрочнений.

Стоимость оборудования:

- для кавитационного упрочнения 250000 долларов;

- для упрочнения лучом лазера (2-3)х 106 долларов.

Стоимость операции:

- кавитационного упрочнения - менее 3 долларов на 1 кв. дюйм упрочняемой поверхности;

- лазерного упрочнения -более 100 долларов на 1 кв. дюйм.

Разновидностью кавитационного метода можно назвать комбинированный ультразвуковой метод, применяемый на ряде предприятий нашей промышленности. Упрочнение этим методом производится в ванне с жидкостью, в которой с помощью генератора УЗК и магнитострикторов возбуждаются колебания с ультразвуковой частотой. В жидкости, колеблющейся с ультразвуковой частотой, во взвешенном состоянии находятся микрочастицы абразива или микрошарики, которые в результате УЗ колебаний жидкости и возможной при этом кавитации [12, 3] получают энергию, достаточную для микропластической деформации поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Ультразвуковой метод упрочнения диска и лопаток компрессора из титановых сплавов наиболее широко был применен на Запорожском заводе "Мотор Сич" [14, 15]. Усталостная прочность лопаток, упрочненных этим методом, повышается на 25-30 %.

Ультразвуковое поле для упрочнения лопаток создается стенками и днищем волноводов, которые получают энергию колебаний с требуемой частотой и амплитудой от магнитостриктора - прибора, преобразующего колебания электрической энергии в механические колебания днища и стенок волновода.

На " Мотор Сич" используются магнитострикто-ры типа ПМС-15А-18.

Преобразование частоты сетевого тока (50 Гц) в колебания с частотой 16......20 кГц происходит в генераторах типа 43Г-1-4, 43Г-2-10, 43Г-2-4. Колебательный контур генератора настраивается на частоту магнитостриктора, которая определяется нагрузкой волноводной системы, включающей концентратор, волноводы, рабочее тело, смачивающую жидкость и обрабатываемую деталь. Система работает в резонансном режиме: частота колебаний преобразователя 16...22 кГц, амплитуда колебаний излучаемой поверхности 10......25

мкм.

Определение требуемого уровня сжимающих остаточных напряжений

В связи с развитием новых методов, применение которых позволяет получать лопатки с остаточными напряжениями сжатия, распространяющимися по всей толщине сечения у кромки, появились работы по определению оптимального уровня остаточных напряжений, а также допустимых размеров повреждений кромок при заданном виде эпюры остаточных напряжений. В работе [16] рассмотрена задача определения эффективности наведенных остаточных сжимающих напряжений на кромках лопаток компрессора ГТД при их повреждениях в эксплуатации (забоины, фреттинг, коррозия).

Используется правило Нейбера:

ст - е = А'2,• I,

эф '

где ст и е - максимальные напряжения и деформация в надрезе;

Кэф -эффективный коэффициент концентрации напряжений;

Я-е - общие номинальные напряжения и деформация.

Для случая переменных напряжений приходят к зависимости:

Среднее напряжение цнкна. Mlltt

400 -20 0 0 200 400

K эф (

)апер = а-1 ,

эф \аср + апер г пер

где а - среднее напряжение цикла;

ср ^ пер

- амплитуда переменных напряжений;

ст_х - предел выносливости при симметричном цикле;

Кэф - эффективный коэффициент концентрации напряжений.

Нанеся эту зависимость на диаграмму Хейя, распространенную в область сжимающих средних напряжений цикла, получают возможность оценивать роль сжимающих остаточных напряжений при усталости, в том числе определять уровень необходимых сжимающих напряжений при заданных различных по величине допустимых забоинах на кромкахлопатки.

На рис. 10, а [16] представлена диаграмма конструкционной усталости (ДКУ-термин авторов статьи) и схема определения по ней уровня напряжений сжатия, необходимых для устранения потери усталостной прочности от забоин по кромкам с эффективными коэффициентами концентрации напряжений Кэф = 3 и Кэф = да при испытаниях на усталость с коэффициентами асимметрии R = 0,1 и R = -1, соответственно.

Если деталь работает в условиях переменных напряжений при R = 0,1 и при отсутствии повреждений (К f = 1), усталостная прочность соответствует точке А, т.е. номинальное среднее напряжение равно 300 МПа и номинальное переменное напряжение 250 МПа. При повреждении кромки,

соответствующем К f = 3, допустимые напряжения падают до значений 106 и 87 МПа вдоль линии R = 0,1 (точка В).

Для полного устранения влияния повреждения с Кэф = 3 на усталостные характеристики средние поверхностные напряжения (остаточные плюс приложенные) должны двигаться в сторону повышения сжимающих напряжений по кривой SWT с Кэф =3 до точки С.

Разница в уровне средних напряжений, соответствующих точкам В и С, т.е. расстояние ВД, представляет величину напряжений сжатия, требуемых

S , ksi

гткап

["ik1 шоо птрооошп пнкля, Mil. -4UU -200 0 200 400

& 40

ksi

Рис. 10. Область диаграммы конструкционной усталости [йКУ], на которой показан процесс усталости при наличии остаточных напряжений сжатия и дефекта в виде забоины или трещины [16]: а - эффект от сжимающих напряжений, устраняющий влияние повреждения с коэффициентом концентрации К{ = 3 при испытаниях R = 0,1; б - эффект сжимающих напряжений, устраняющий влияние повреждений Ку =<х>

для полного устранения влияния поверхностного повреждения. Это увеличение остаточных напряжений сжатия должно быть в точке ожидаемого инициирования усталостной трещины, т.е. на дне повреждения в материале, откуда трещина должна была развиться. На рис. 10, б [16] показана подобная задача при условиях испытаний симметричным циклом для повреждения с Кэф = да. В статье рассмотрены и другие варианты использования эффекта создания сжимающих напряжений большой глубины.

Аналогичным путем с помощью диаграммы конструкционной усталости рассмотрены задачи определения необходимого уровня сжимающих напряжений при фреттинге, коррозионной усталости.

Внедрение новых методов упрочнения путем создания в поверхностных слоях наиболее нагруженных элементов деталей ГТД остаточных напряжений сжатия требует развития эффективных методов построения эпюры остаточных напряжений.

В настоящее время широко применяются два метода - рентгеновский (неразрушающий) и метод стравливания упрочненной поверхности. Каждый из них обладает определенными недостатками. Рентгеновский метод позволяет получать значения остаточных напряжений, осредненных по некоторой глубине от поверхности (порядка 10-15 мкм). При построении эпюры остаточных напряжений этим методом требуется удалять тонкие слои с большой точностью, не внося при этом пластической деформации. Эпюра напряжений получается ступенчатой, или зубчатой, которую необходимо аппроксимировать.

Метод стравливания также не позволяет достаточно точно определить остаточные напряжения, особенно в самых близких (2-5 мкм) к поверхности слоям из-за неравномерного стравливания поверхности (влияют случайные факторы на скорость травления).

Для определения остаточных напряжений, распространяющихся по всему сечению детали, например, лопатки компрессора или турбины вблизи кромок, на наших предприятиях применяется метод разрезки по всему сечению с фиксацией показаний тензометров, наклеенных вблизи разреза на противоположных поверхностях детали. Этот же метод может быть применен и для построения эпюры поверхностных остаточных напряжений, проведя разрез на ожидаемую глубину напряжений, наведенных упрочняющей обработкой.

Сложность метода надреза состоит в необходимости обеспечения высокой точности(порядка нескольких мкм) измерения глубины надреза и при этом метод надреза не должен создавать новых остаточных напряжений.

Список литературы

1. HCF 2001 Annual Report.

2. Charles S. Montross et.al. Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys: a review. International Journal Fatigue 24 (2002).

3. Lloyd Hackel et.al. "Production Laser Peening of Aerospace Metals", 10th conference on HCF, 2005.

4. David W. See et al. "Application of LaserPeen Process to Turbine Engine Components". Air Force Reseach Laboratory, 10th conference HCF, 2005.

5. Paul S.Prevey et al. "Case Studies of Fatique Life Improvement Using Low Plasticity Burnishing in Gas Turbine Engine Applications" Proceeding of ASME Turbo EXPO 2003.

6. Wyman Z. Zhuang and Bryon J. Wicks. Defence Science and Technology Organisation, Melbourne, YSABE-2005.

7. N.Iayaraman et.al. "Improved HCF Performance and

Fod Tolerance of Surface Treated Ti-6-2-4-6 Compressor Blades" 9th National TurbineEngine HCF Conference, 2004.

8. P. Prevey, N.Iayaraman "Mitigation of FOD and Corrosion Fatique Damage in 17-4PH Stainless Steel Compressor Blades with Surface Treatment" 9th National TurbineEngine HCF Conference, 2004.

9. Proceeding of GT2006. ASME expo 2006: Power for Land, Sea and Air. May 8-11, 2006, Barcelona, Spain.

10. Tom Butler, Kevin Kerner Us Army Research Laboratory. 9th conference HCF, 2004.

11. M.J. Shepard. "Advanced Component surface Treatments: Applications and Futur Trends in US Air Force Service". Air Force Resesrch Laboratory, 10th National Turbine Engine HCF Conference. 2005.

12. Перник А.Б. "Проблемы кавитации", Л.: "Судостроение", 1966. - 438 с.

13. Степанова М.В., Портной В.К., Бронин Ф.А., Голубовский Е.Р., Чувирова Л.П. "Ультразвуковое кавитационное воздействие на поверхностные слои закаленного сплава ВТ 3-1". Изв. ВУЗов, Цветная металлургия, 1974, №4.

14. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Притченко В.Ф. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД, Киев, 1993. - 212 с.

15. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М и др. "Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД", Запорожье, 2003 г.

16. N .Jayaram, P.Prevey "Design credit for compressive residual stresses in turbine engine components", 10th conference HCF, 2005.

17. Eric Jeffs. "Laser peening comes to Eroupe" Turbomachinery international, November, 2004.

18. Walter N. Roy Army Research Laboratory. 10th National HCF conference, 2005.

Поступила в редакцию 05.06.2006 г.

Приведено огляд нових методе п1деищення поверхнево! м1цност1 деталей двигун1в. The review of new methods of engine parts surface hardening is presented.