CC BY
134
УДК 629.7.03
МОДЕЛЬ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ТИТАНОВОГО ДИСКА ВЕНТИЛЯТОРА ДВИГАТЕЛЯ ТА12-60
Г.Г. БЕЛОУСОВ, А.Д. НИКИТИН, А.А. ШАНЯВСКИЙ
Рассмотрена природа зарождения усталостной трещины в диске вентилятора из титанового сплава ВТ8 двигателя ТА12-60. Показано, что зарождение трещины происходит под поверхностью в области сверхмногоцикловой усталости по фасеткам, обеднённым «Мо». Выявлено в результате экспериментов, что лопатки диска испытывают резонансные колебания в области вынужденных частот от набегающего потока, что создаёт необходимый уровень напряжения для их разрушения в пределах назначенного ресурса при наработке 109 - 1010 циклов.
Ключевые слова: усталость, титановый диск, разрушение, под поверхностью, молибден, резонанс.
Введение
Разрушения титановых дисков компрессоров известны и они, как правило, реализуются в области малоцикловой усталости [1]. Лопатки компрессоров, также изготавливаемые из титановых сплавов, разрушаются в области многоцикловой усталости. Поэтому проблема обеспечения работоспособности компрессора для этих двух элементов конструкций рассматривается по двум разным критериям.
Современная технология, внедряемая для создания новой техники, привела к возможности формирования диска компрессора и его лопаток как единого элемента конструкции. По такой технологии, например, изготовлены диски вентилятора двигателя ТА12-60, разрушения которых имели место в эксплуатации. Вполне закономерен вопрос о том, по какому критерию должно оцениваться предельное состояние такого диска.
Ниже рассмотрена модель предельного состояния вентиляторных дисков из титанового сплава ВТ8 двигателя ТА12-60 на примере разрушения одного из них № 3460214363 в пределах существующего ресурса 1000 часов.
1. Методика исследования
Первоначально из исследованного диска были вырезаны образцы и проведены испытания титанового сплава ВТ8 на его соответствие требованиям чертежа. Испытания проведены Центральной испытательной лабораторией Г осЦентра безопасности полётов.
Для определения химического состава сплава ВТ8 из дисковой части и лопаток были изготовлены темплеты с гладкой поверхностью. Количественный спектральный анализ проводился на спектрометре ОБ0750 фирмы ОБЛФ. Выявлено, что материал рабочего колеса является титановым сплавом ВТ8 с содержанием основных химических элементов, соответствующим требованиям и сертификата соответствия № 06814Я09 и ОСТ 1 90013-81.
В результате выполненного металлографического анализа установлено, что структура материала рабочего колеса представляет собой преимущественно двухфазовую (а+Ь) глобулярную структуру титанового сплава ВТ8 и соответствует типу "1б" шкалы микроструктур по ОСТ1 90197-89 "Технические требования к материалу рабочего колеса I ступени компрессора".
Для определения механических характеристик сплава были выполнены испытания по ГОСТ 1497-84 на прессе Гагарина № 151, аттестованного 28.06.2011 (номер аттестата № 409773/445). Результаты испытаний были сопоставлены с данными по сертификату № 06814Я09 соответствия ОАО "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" от 31.07.2009 на титановый сплав ВТ8. Установлено, что механические характеристики материала рабочего колеса, определённые в процессе испытаний, соответствуют заявленным по сертификату.
104
Г. Г. Белоусов
А.Д. Никитин, А.А. Шанявский
Таким образом, материал рабочего колеса соответствовал всем характеристикам, задаваемым требованиями на его изготовление по сертификату качества.
На следующем этапе исследований был использован растровый электронный микроскоп фирмы Карл Цейс с приставкой для микрорентгеноспектрального анализа фирмы Инка. Была исследована поверхность излома, а также проведены локальные оценки элементного химического состава сплава по очагам разрушения.
На последнем этапе была выполнена оценка резонансных характеристик лопаток на сегменте из трёх лопаток. Лопатки были отполированы со стороны корыта.
Вырезанный сегмент был установлен в специальное приспособление, и его фиксирование было осуществлено по плоскости обода диска.
В качестве возбудителя колебаний был использован пьезоэлектрический вибратор, с помощью которого через металлическую иглу было произведено возбуждение лопатки, к которой имелся доступ. На небольшом расстоянии от возбуждаемой лопатки располагали бесконтактный датчик, регистрировавший частотные характеристики лопаток. Определение форм колебаний лопатки осуществлялось путём нанесения на её поверхность песка. О форме колебаний лопатки судили по форме линий расположения песка с наибольшей плотностью. Рисунки узловых линий находились песочным методом. Полученные фигуры фотографировались и по ним устанавливали положение резонансных линий.
2. Результаты исследования
Исследование излома лопатки показало, что зона очага разрушения располагается на некотором удалении от поверхности корыта и лежит на участке ближе к входной кромке (рис. 1).
Очаги разрушения представляют собой гладкие фасетки разрушения материала в пределах а—фазы. Выявленные особенности формирования очагов разрушения ранее наблюдали в титановом сплаве ВТ3-1, разрушение которого было реализовано в области сверхмногоцикловой (СВМУ) усталости [2].
Как было показано для титанового сплава ВТ3-1, формирование гладких фасеток в качестве очагов усталостного разрушения происходит в тех зонах материала, где отсутствует или находится в очень малых количествах "Мо".
Исследуемый титановый сплав ВТ8 так же, как и сплав ВТ3-1, имеет в качестве основного Рис. 1. Общий вид рабочего колеса легирующего элемента "Мо". Поэтому по выяв-
ТА12.001.032.08 № 103020 первой сту- ленным гладким фасеткам излома был выполнен
пени компрессора с разрушенной лопат- локальный спектральный анализ на электронном кой микроскопе.
Установлено, что по всем из очаговых гладких фасеток разрушения материала в пределах а—фазы не наблюдается "Мо". В соседней Ь—фазе "Мо" наблюдается в необходимом количестве в соответствие с сертификатом качества № 06814Я09 и ОСТ 1 90013-81.
Для более полного анализа было выполнено исследование элементного состава материала в плоскости шлифа, который изготовлен по поверхности корыта непосредственно около очага зарождения разрушения.
Выявлено, что непосредственно в области очага разрушения имеется аналогичная ликваци-онная неоднородность материала по "Мо" в пределах а—фазы, тогда как в пределах Ь—фазе
"Мо" наблюдается. На удалении от очаговой зоны на расстоянии около 0.1 мм «Мо» присутствует в обеих фазах материала в необходимом количестве.
Следовательно, зарождение усталостной трещины произошло по а—фазе на том участке материала, где он был обеднен по "Мо".
Изучение резонансных характеристик показало, что лопатки исследованного типа имеют два совмещённых (наложенных один на другой) спектра собственных форм колебаний. Так, например, выявлены совмещённые формы крутильных и изгибных колебаний. Возможно смещение некоторых форм колебаний - левая, более широкая и менее жёсткая часть лопатки колеблется по своей форме, а правая, более жесткая часть, колеблется по другой форме частот. Возможно, что такая особенность поведения лопаток обусловлена её шириной и круткой. Следует подчеркнуть существование плавного перехода одних форм колебаний в другие.
Анализ выявленных частот колебаний в диапазоне 500-20000 Гц показал, что зона расположения очага разрушения в разрушенной лопатке близка к зоне расположения максимальной вибрационной напряжённости от частот колебаний 1550 Гц, 1700 Гц, (1740-1760) Гц и 1950 Гц.
Применительно к анализируемой лопатке известно, что частоты вынужденных колебаний от набегающего потока, например, от четвёртой и пятой гармоник находятся в диапазоне соответственно (1599-1664) Гц и (1998-2080) Гц.
Из этого следует, что в пределах погрешности измерений 2% лопатки могут испытывать резонансные колебания от набегающего потока во время рабочего режима нагружения.
3. Обсуждение результатов исследования
Расположение очагов усталостного разрушения диска под поверхностью является характерным и типичным случаем зарождения трещин области СВМУ. На момент разрушения лопатка наработала 435,33 часов. За это время, например, в условиях резонансного нагружения лопатки с частотой 1550 Гц её долговечность составила 3600х(1550)х435,33 = 2,43х109 циклов. Это в полной мере соответствует области СВМУ. Для более высоких резонансных частот колебаний наработка на момент разрушения окажется ещё выше.
Отсутствие "Мо" по гладким очаговым фасеткам указывает на существование в материале лопатки локальной ликвационной неоднородности. Однако это не может служить причиной разрушения рабочего колеса при небольшой наработке в эксплуатации 453,33 часа. Для этого необходимо иметь высокий уровень напряжений. Статистически аналогичная неоднородность всегда имеет место в титановых дисках при существующей технологии. Однако за длительное время эксплуатации двигателей ещё ни разу не было случая, чтобы титановый диск разрушился из-за отсутствия в очаге разрушения "Мо". Более того, не было случаев разрушения лопаток, у которых в очагах разрушения было бы выявлено отсутствие "Мо".
Из сказанного следует, что во всех случаях разрушений в эксплуатации титановых дисков или лопаток решающую роль играло их напряжённое состояние, обусловленное внешней нагрузкой высокого уровня. Поэтому разрушение вентиляторного диска из-за отделения от него одной лопатки следует связывать с его высокой напряжённостью в результате возникновения резонансных колебаний.
Результаты проведенных ранее испытаний при высокочастотном нагружении титанового сплава ВТ3-1 показали, что его долговечность до разрушения около 5х109 циклов может быть достигнута при уровне напряжения около 350 МПа [2]. В этом случае накопление повреждений с формированием очагов разрушения под поверхностью происходит именно в тех областях металла, где они наименее обогащены молибденом "Мо". Именно поэтому в рассматриваемом случае разрушения лопатки диска выявлено две области сформированных очагов в виде гладких фасеток по глобулам глобулярной структуры.
Рабочее колесо первой ступени компрессора находится в условиях нормальной эксплуатации в таком вибронапряжённом состоянии, что в пределах заданного ресурса 1000 часов одна
106
Г.Г. Белоусов
А.Д. Никитин, А.А. Шанявский
или несколько лопаток могут испытывать резонансные частоты колебаний. Это приводит к разрушению лопаток в области СВМУ по зонам, обеднённым по химическому составу основными легирующими элементами.
Важно подчеркнуть, что в очаге разрушения около поверхности плоскость сформированного излома несколько развернута по отношению к остальной поверхности излома. Это указывает на то, что в момент зарождения трещины решающую роль играли не только изгибные, но и крутильные колебания лопатки. Такая ситуация возможна для совмещённых форм колебаний лопаток, что было выявлено в процессе исследования форм их собственных колебаний.
В рассматриваемой области сверхмногоцикловой усталости в силу неоднородности материала, вариаций интенсивности внешнего воздействия, различий в резонансных характеристиках по разным формам и частотам колебаний лопаток как самостоятельных элементов конструкции по окружности обода рабочего колеса разброс по располагаемой долговечности у лопаток в одном колесе может быть более чем на порядок. Это значит, что одна лопатка может разрушиться при долговечности около 109 циклов, а другая, для благоприятного сочетания условий её напряжённости, при 1010 циклов.
Напротив, для ещё более неблагоприятного сочетания рассмотренных выше факторов, влияющих на работу лопаток, разрушение одной из них может произойти ещё раньше, чем исследуемой лопатки рабочего колеса при наработке 435,33 часов. Поэтому применительно к исследованному рабочему колесу в результате выполненного комплекса работ нельзя определённым образом ответить на вопрос о том, каким ресурсом оно располагает. Наиболее вероятно, ресурс без разрушения лопаток составляет не более 200 часов. Однако для окончательного решения этого вопроса следует провести специальный комплекс работ.
Выводы
1. Разрушение лопаток рабочего колеса вентилятора двигателя происходит в области СВМУ из-за попадания лопаток в режим резонансных колебаний на рабочих режимах работы двигателя.
2. Существующая технология изготовления титановых дисков из сплавов ВТ3-1 и ВТ8 допускает существование в них локальной неоднородности "Мо" в пределах а—фазы, что снижает локальное напряжённое состояние материала и способствует снижению долговечности материала при зарождении трещин в области СВМУ.
3. Широкохордовые лопатки диска вентилятора двигателя могут испытывать различные формы колебаний по различным частотам, причём одна форма резонансных колебаний может переходить в другую при изменении частоты вынужденных колебаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях: монография. - Уфа.
2. Nikitin A., Shanyavskiy A., Palin-Luck T., Bathias C. Book of Abstracts of ECF19, Kazan, Russia, 26-31 August, 2012, P. 214.
MODEL OF IN-SERVICE FATIGUE CRACKING OF TITANIUM FAN DISK OF ENGINE TA 12-60
Belousov G.G.|, Nikitin A.D., Shanyavskiy A.A.
Nature of fatigue crack origination in engine ТА 12-60fandisk of VT8 titanium alloy has been considered. It was shown that crack origination takes place subsurface in Very-high-Cycle-Fatigue regime by facets which have not evidence in "Mo". Experimental results attested they-self that disk blades experienced resonance vibrations in the range frequency of
the actingair stream. It creates enough stress level for blades failure in the design service goal at the durability 109 - 1010cycles.
Key words: fatigue, titanium disk, subsurface, cracking, molybdenum, resonance.
Сведения об авторах
Белоусов Григорий Геннадиевич, 1947 г.р., окончил МАТИ (1975), кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 70 научных работ, область научных интересов - сопротивление усталости лопаток компрессоров с повреждениями, оптиковизуальные методы контроля проточной части и ремонт авиадвигателей в условиях эксплуатации.
Никитин Александр Дмитриевич, 1988 г.р., окончил МАТИ (2010), аспирант кафедры физики МГТУ ГА, автор 2 научных работ, область научных интересов - синергетика, физика и механика разрушения металлов.
Шанявский Андрей Андреевич, 1946 г.р., окончил МАИ им. Серго Орджоникидзе (1970), доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, начальник отдела "Металлофизические исследования авиационных материалов" ГосЦентра безопасности полётов, автор более 360 научных работ, область научных интересов - исследование механизмов и моделирование процессов разрушения элементов авиационных конструкций на основе подходов синергетики.
