CC BY
28
УДК 681.3.016
А. Г. Сахно
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ДИСКОВ КОМПРЕССОРА ИЗ СПЛАВА ХН73МБТЮ-ВД ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ТЕМПЕРАТУР
Применение ультразвукового упрочнения после протягивания пазов способствует повышению предела выносливости на 20......25%. При этом последующая длительная термическая выдержка снижает характеристики выносливости упрочненных образцов до уровня, не ниже исходного.
В конструкции газотурбинных двигателей (ГТД) наиболее нагруженными являются детали, долговечность которых определяет ресурс всего изделия. Повышение эффективности современных ГТД сопровождается усилением нагруженности этих деталей. В частности, диски осевых компрессоров, эксплуатируемые в условиях умеренно-повышеных температур (500-600 °С), работают при высоких окружных скоростях и, вследствие этого, испытывают действие больших центробежных сил при значительном влиянии многоцикловых переменных напряжений. Поэтому обеспечение высокой надежности и повышение выносливости является важнейшим требованием, предъявляемым к дискам ГТД. Кроме того, при увеличении ресурса двигателей особую актуальность приобретает прогнозирование выносливости дисков.
Одной из деталей ротора, ограничивающей срок службы двигателя Д-36, является диск VI ступени компрессора высокого давления (КВД), изготавливаемый из сплава ХН73МБТЮ-ВД. Сплав имеет высокие характеристики прочности и пластичности и способен сохранять эти свойства при длительной работе в условиях повышенных температур. Тем не менее, неоднократно имел место досрочный съем двигателя с эксплуатации по причине исчерпания дисками своего ресурса в результате образования усталостных трещин на поверхности межпазовых выступов.
Цель работы - повышение несущей способности дисков VI ступени КВД из сплава ХН73МБТЮ-ВД за счет рационального применения методов финишной обработки при помощи рекомендаций, разработанных на основе исследования закономерностей изменения свойств поверхностного слоя и характеристик выносливости межпазовых выступов при влиянии технологического и температурно-эксплуатационных факторов.
Задачи исследования
При выполнении работы руководствовались системным подходом к проведению исследований на
© А. Г. Сахно, 2008
основе изучения основных закономерностей и установления зависимостей состояния поверхностного слоя, его микроструктуры, содержания экзогенных неметаллических включений (абразивных частиц), - во взаимной связи с характеристиками выносливости межпазовых выступов при варьировании методами финишной обработки дисков и тем-пературно-временным фактором.
В качестве конкурирующих методов финишной обработки, которые в различное время были рекомендованы к применению при изготовлении детали на заключительном этапе техпроцесса (после протягивания пазов), использовали следующие: 1) слесарная обработка по притуплению кромок пазов с последующим полированием торцев обода; 2) обработка в псевдосженном слое абразива (ПСА); 3) ультразвуковое упрочнение шариками (УЗУ).
Термоэкспозицию для имитации длительного воздействия температур эксплуатации проводили по следующему режиму: 550 +10 °С, воздух, 500 ч непрерывно.
Задачи исследования состояли в изучении изменения свойств поверхностного слоя и характеристик выносливости межпазовых выступов после следующих вариантов обработки:
1 - протягивание + слесарная обработка кромок;
2 - п. 1 + обработка ПСА;
3 - п. 1 + УЗУ;
4 - п. 1 + длительная термоэкспозиция;
5 - п. 2 + длительная термоэкспозиция;
6 - п. 3 + длительная термоэкспозиция.
Методики исследования
Определение характеристик выносливости обо-дной части диска VI ступени КВД двигателя Д-36 производили согласно отработанной методике [1] при проведении испытаний на усталость натурных образцов - межпазовых выступов, вырезанных из диска, в условиях консольного изгиба при симметричном цикле нагружения.
Применение данной методики позволяет получать
из одного диска до 39 образцов и моделировать накопление усталостных повреждений в острых углах межпазовых выступов. В качестве оборудования использовали электродинамический стенд ВЭДС-200, а также специальную оснастку для крепления образца.
Испытания проводили согласно ГОСТ 25.502-79 «Методы механических испытаний. Методы испытания на усталость». Определяли предел выносливости ст-1 на базе N б = 2 • 107 циклов для трех не-разрушившихся образцов при заданном уровне напряжения цикла ста. Оценку разрушения образца производили по появлению усталостной трещины
длиной 0,2......0,4 мм, а также косвенным методом
- по интенсивности снижения частоты собственных колебаний [2].
Производили сравнительную оценку степени наклепа поверхностей плоских образцов, вырезанных из диска, подвергавшихся различным методам финишной обработки. Степень наклепа определяли измерением микротвердости на приборе ПМТ-3 под нагрузкой Р = 0,5 Н поверхностей указанных образцов и образцов-эталонов и рассчитывали по известной формуле [3]:
и н =
Нцтах - Нци Нцисх
где Нц тах - микротвердость поверхности исследуемого образца, МПа; Нц исхх - микротвердость образца-эталона, МПа.
В качестве образцов-эталонов использовали один из образцов, прошедших электрополирование на глубину 0,4 мм, а также шлиф с электрополированной поверхностью, изготовленный из сердцевины ободной части диска. Различие в микротвердости этих двух эталонов не превышало 5 %. Значения
Нц определяли по таблицам и графикам [4] после определения среднеарифметической величины диагонали отпечатка по 15-ти отпечаткам индентора в различных точках донышка паза. Кроме того, при определении средних значений микротвердости по результатам измерения на различных участках поверхности, производили оценку рассеивания значений Нц по среднеквадратическому отклонению
5 н ц от среднего значения и по коэффициенту вариации V согласно общеизвестной методике [5].
Оценку содержания и распределения экзогенных неметаллических включений (частиц абразива) на поверхности пазов диска производили согласно ГОСТ 1778-70 по так называемому «методу П». Определение количества частиц осуществляли по
свечению в ультрафиолетовом излучении на приборе ЛЮМА-М. Однако для получения качественной картинки и определения размеров частиц более приемлемым оказались исследования поверхностей образцов в поляризованном свете на микроскопе МИМ-8. При этом оптимальным являлось увеличение х 200, цена деления окулярной шкалы составляла 6,6 мкм. Поляризационные фильтры устанавливались «на темноту» (поверхность металла темная, светящиеся абразивные частицы - желтые). Определяли количество включений на площади объекта 100 мм2, распределение включений по размерным группам, а также средний процент занимаемой включениями площади поверхности по 20-ти полям зрения. Размер включения определяли как среднюю величину при измерениях частицы во взаимно перпендикулярных направлениях.
Определяли изменение микроструктуры тонкого поверхностного слоя пазов диска из сплава ХН73МБТЮ-ВД при различных методах финишной обработки.
Исследование микроструктуры производили с помощью электронного растрового микроскопа 18ТЫ-300 фирмы 1БОЬ (Япония). Объектом исследования является тонкий поверхностный слой на шлифах образцов, вырезанных из донной части паза, которые были обработаны по различной технологии. Перед проведением исследований шлифов производили их декорирование (850 °С, 2 ч, вакуум) для получения качественного и контрастного изображения структуры.
Оценивали состояние поверхности, величину частиц упрочняющей у' -фазы, а также их количество и распределение в поверхностном слое до
10......15 мкм. Распределение и количество частиц
у' -фазы определяли по 21 полю зрения площадью 11 мкм2 на общей площади объекта порядка 230 мкм2 (увеличение составляло х 4500......х 7500).
Анализ результатов исследования
Исследования микротвердости на поверхностях пазов показали (табл. 1), что протягивание приводит не только к ощутимому повышению степени
наклепа и н, но и к некоторому увеличению рассеивания значений Яц. Применение обработки ПСА также способствует дополнительному повышению степени наклепа, но одновременно с этим приводит и к более существенному рассеиванию микротвердости на различных участках поверхности паза. При этом коэффициент вариации значений микротвердости по сравнению с протягиванием увеличивается в 1,5 раза, а по сравнению с поверхностью эталона -более, чем в 3 раза.
Таблица 1 - Результаты исследования свойств поверхностного слоя межпазовых выступов диска
№ п/п Вариант технологии МПа МПа V ин %
1 Протягивание пазов + слесарная обработка кромок 5387 600 0,111 35
2 Обработка по п. 1 + ПСА 5744 965 0,168 44
3 Обработка по п. 1 + 550 оС, 500 ч 5074 831 0,164 27/24
4 Обработка по п. 2 + 550 оС, 500 ч 5921 1002 0,169 49/44
5 Обработка по п. 1 + УЗУ 5096 479 0,094 28
6 Обработка по п. 5 + 550 оС, 500 ч 5137 434 0,085 29/25
7 Эталон 1: образец из сердцевины обода диска 3983 202 0,051 -
8 Эталон 2: образец из сердцевины обода диска + 550 оС, 500 ч 4099 312 0,076 -
Длительные выдержки при повышенной температуре после протягивания способствовали тому, что возрастает уровень рассеивания поверхностной деформации при весьма незначительном снижении
Термоэкспозиция, проведенная после обработки ПСА, привела к повышению абсолютного значения степени наклепа практически до 50 % при сохранении высокого уровня характеристик рассеивания микротвердости. При этом нужно отметить, что в результате алгебраического суммирования величин рассеивания И|, на поверхности и под поверхностным слоем (в сердцевине) величина рассеивания степени наклепа ин может возрастать гораздо сильнее, так как существует вероятность того, что под локальным участком поверхности с максимальной микротвердостью будет находится слой металла с минимальным значением Н| (или наоборот). Такая неоднородность поверхностной деформации, несомненно, может оказать влияние на общий уровень несущей способности дисков.
Применение УЗУ способствует не только снижению рассеивания значений Н| до вполне приемлемой величины по сравнению с обработкой ПСА, но и не приводит к черезмерному повышению поверхностного наклепа. Последующая же выдержка в течение 500 ч при повышенной температуре не
оказывает какого-либо заметного влияния на значение ин (шестой вариант).
Содержание абразивных частиц (табл. 2) на поверхности эталона (электрополирование), а также на поверхности пазов после протягивания и УЗУ в одинаковой степени незначительно и составляет 0,009 %, что вполне эквивалентно допускаемому значению суммарного содержания вредных примесей согласно ТУ на заданный сплав.
Применение обработки ПСА приводит к чрезмерно высокому содержанию экзогенных неметаллических включений и занимаемой абразивными частицами поверхности.
Значительный интерес представляла потенциальная возможность устранения частиц абразива с помощью обработки шариками в ультразвуковом поле для тех случаев, когда по ряду причин обработку ПСА исключить из техпроцесса невозможно. В связи с этим был введен дополнительный вариант «протягивание + ПСА + УЗУ».
Исследования позволили установить, что применение УЗУ после обработки ПСА способствует значительному снижению количества неметаллических включений во всех интервалах размерных групп и к общему уменьшению занимаемой частицами поверхности почти в 10 раз.
Результаты исследования (табл. 3) позволяют говорить о некоторых отличиях микроструктуры тонкого поверхностного слоя в зависимости от применяемой финишной обработки.
№ п/п Вариант технологии Количество включений на 100 мм2 площади Процент занимаемой включениями площади
Размерные группы
3...6 6.12 12.25 25.50 50.100
1 Протягивание - - - - - 0,009
2 Протягивание + УЗУ - - - - - 0,009
3 Протягивание + обработка ПСА 117 468 687 511 8 0,51
4 Обработка по п.3 + УЗУ (60с) 44 73 146 44 0 0,05
5 Эталон (электрополирование) - - - - - 0,009
Таблица 2 - Распределение абразивных включений по размерным группам и процент занимаемой площади при различной финишной обработке
Таблица 3 - Количество у' -фазы в поверхностном слое (0......10 мкм).
(Площадь среза ~ 10х 23 = 230 мкм2, по 21 полю зрения площадью 11 мкм2)
№ п/п Вариант технологии Среднее количество частиц на площади 11 мкм2 X , шт 5х, шт V Средний размер частиц у', d ,мкм Содержание у' -фазы на поверхности шлифа, %
1 Протягивания паза 46,0 7,58 0,165 0,152 7,6
2 п. 1 + ПСА 52,4 9,48 0,181 0,202 15,3
3 п. 1 + УЗУ 64,3 3,16 0,049 0,185 15,7
4 п. 1 + термоэкспозиция (550 оС, воздух, 500 ч) 74,3 11,47 0,154 0,177 16,6
5 п. 2 + термоэкспозиция (550 оС, воздух, 500 ч) 72,6 10,71 0,146 0,257 34,2
6 п. 3 + термоэкспозиция (550 оС, воздух, 500 ч) 70,0 4,05 0,058 0,313 48,9
В исходном образце после протягивания характерным является наличие мелких частиц у' -фазы. Различие в их количестве по глубине тонкого слоя 3......10
мкм незначительно (в пределах 10 %).
Для образца после протягивания с последующей обработкой ПСА характерно некоторое увеличение размера и количества частиц у' -фазы. Сама поверхность нашаржирована абразивом в виде белого налета толщиной в среднем порядка 2,5 мкм. Различие в количестве у' -частиц по глубине исследованного слоя составило в среднем 20 %. Местами наблюдается слияние частиц.
Применение УЗУ после протягивания (третий вариант) также способствовало подрастанию частиц у' -фазы, но в несколько меньшей степени, чем после второго варианта. При этом в еще большей степени (на 40 %) увеличилось их количество в сравнении с вариантом после протягивания и существенно снизилось рассеивание в их распределении как по глубине, так и вдоль исследованного слоя.
К существенным качественным и количественным изменениям микроструктуры привела термоэкспозиция в течение 500 ч при температуре эксплуатации (4......6 варианты). Здесь наблюдается общая тенденция к увеличению как размеров у' -частиц, так и их количества. Это особенно характерно в случае применения длительной выдержки после ПСА и УЗУ. В частности, термоэкспозиция после ПСА привела к увеличению количества частиц по сравнению со вторым вариантом на 40 %, а их размера - на 27 %. После УЗУ данная термообработка при практически неизменном количестве у' -частиц способствовала весьма значительному увеличению их размера (в 1,7 раза).
Расчет количества частиц и процентного содержания у' -фазы (определяемого в данном случае по отношению площади поверхности, занимаемой частицами, к базовой исследуемой площади шлифа),
а также их распределение оценивали по 21 полю зрения. При этом установлены следующие закономерности изменения микроструктуры в поверхностном слое.
Применение обработки ПСА (второй вариант) способствовало почти двукратному увеличению содержания частиц у' -фазы по сравнению с базовым после протягивания, но одновременно с этим -к еще большему повышению рассеивания (по коэффициенту вариации V) в их распределении по различным полям зрения.
Упрочнение шариками после протягивания повысило содержание у' -фазы в поверхностном слое практически в той же степени, что и обработка ПСА во втором варианте, но при этом значительно уменьшился и коэффициент вариации, что свидетельствует о более однородном распределении дисперсных частиц.
В случае применения длительных выдержек при температуре эксплуатации для четверного и пятого вариантов наблюдается приблизительно пропорциональное двукратное повышение содержания у' -частиц и их количества. Однако термоэкспозиция, проведенная после УЗУ (шестой вариант), способствовала повышению содержания фазы у' в основном за счет увеличения размеров частиц при практически неизменном их количестве.
В целом, необходимо отметить, что финишная обработка может существенно влиять на микроструктуру тонкого поверхностного слоя и приводить к ее изменениям, которые не характерны для сердцевины сплава в исследованном температурно-вре-менном режиме. При этом обработка шариками в ультразвуковом поле способствует формированию более однородного распределения частиц у' -фазы.
На рис. 1, 2 и в табл. 4 приведены обобщенные результаты исследований характеристик выносливости восьми партий натурных образцов из двух дисков VI ступени КВД (всего по шести вариантам обработки).
Рис. 1. Обобщенные кривые выносливости образцов из первого диска: 1 - п. 1; 2 - п. 1 + ПСА; 3 - п. 1 + 550 °С, 500 ч; 4 - п .2 + 550 °С, 500 ч
Табл № п/п ица 4 - Характеристики выносливости обра Вариант технологии щов дис ст-ъ МПа Циклическая дролговечность N -107 цикл, при ст а = 330 МПа ишах
1 Протягивание пазов + слесарная обработка 195 0,87
2 Обработка по п. 1 + ПСА 195 0,28.0,75
3 Обработка по п. 1 + УЗУ 242,5 1,25
4 Обработка по п. 1 + 550 оС, 500ч 175 0,25
5 Обработка по п. 2 + 550 оС, 500ч 175 0,14.0,18
6 Обработка по п. 3 + 550 оС, 500ч 195 0,73
На графике рис. 1 отчетливо наблюдается закономерность, выраженная в том, что обработка ПСА, не изменяя предела выносливости, «разворачивает» кривую усталости 2 в область меньших долговечностей. Применение длительной термоэкспозиции приводит
к снижению ст-1 для двух вариантов обработки в одинаковой степени и «смещает» кривые усталости в область меньших долговечностей. При этом относительное угловое расположение между двумя кривыми сохраняется.
О характере влияния обработки ПСА и длительной термоэкспозиции свидетельствуют результаты
испытания и другой серии образцов из второго диска (рис. 2). Пределы выносливости и относительное расположение кривых 1,3 (рис. 2) для обработки ПСА и обработки ПСА с последующей термоэкспозицией практически идентичны соответствующим вариантам обработки, представленным кривыми 2,4 на рис. 1 из первой серии образцов. Необходимо отметить также характерные для обработки ПСА невысокие значения циклических долговечностей до появления трещины при испытаниях на максимальном уровне напряжений цикла сташах , которые снижаются в еще большей степени при последующем воздействии температуры.
Рис. 2. Обобщенные кривые выносливости образцов из второго диска: 1 - п. 1 + ПСА; 2 - п. 1 + УЗУ; 3 - п. 1 + ПСА + 550 °С, 500 ч; 4 - п.1 + УЗУ + 550 °С, 500 ч
Данные закономерности снижения характеристик выносливости объясняются неоднородностью поверхностной деформации и микроструктуры поверхностного слоя, наличием в нем частиц абразива, которые внедряются в поверхность при обработке ПСА, и дополнительным воздействием на сплав температурно-временного фактора. Внедренные в поверхность абразивные частицы способствуют увеличению микродеформаций на локальных участках и повышению местной концентрации напряжений, которые могут возрастать до критически опасного уровня при воздействии циклически изменяющихся нагрузок и инициировать зарождение микротрещин. При этом в поверхностном слое с высокой степенью наклепа (после ПСА) более интенсивно могут протекать и процессы достаривания жаропрочного сплава от длительного воздействия температур и напряжений, в результате чего снижаются пластические свойства и повышается склонность к ох-рупчиванию материала.
Это предположение подтверждается тем, что в результате осмотра образцов после испытания на усталость на многих из них были обнаружены ско-
лы частиц в местах начального образования трещин, которые свидетельствуют о хрупком повреждении поверхностей межпазовых выступов. При этом такие повреждения были характерны особенно для образцов после испытания на высоких уровнях ст а. Характер разрушения, которое начиналось через менее чем 300 тыс. циклов, очевидно свидетельствует о высоком уровне концентрации напряжений в локальных областях материала, а состояние поверхности межпазовых выступов при этом эквивалентно состоянию образцов с начальной трещиной.
Применение деформационного упрочнения шариками в ультразвуковом поле, способствует не только повышению однородности поверхностной деформации и микроструктуры поверхностного слоя, но и некоторому снижению степени наклепа (табл. 1). Это объясняется, наряду с рациональным подбором режимов упрочнения, более однородным и упорядоченным респределением частиц у' -фазы, сформированным в поверхностном слое в процессе обработки шариками. Результатом этого, при более однородном пространственном распределении у' -частиц, является и более однородное распределе-
ние дислокаций в объеме зерен сплава [6], что устраняет возможность локализации деформации и, как следствие, возможность более раннего разрушения.
Данные положения большей частью подтверждают и результаты исследования характеристик выносливости.
Очевиден факт существенного повышения предела выносливости в случае применения УЗУ (рис.2, кривая 2) по сравнению с первым вариантом обработки. При этом наблюдается и значительное повышение циклической долговечности N до появления трещины при испытании на уровне напряжений ст а шах (табл. 4). Такое различие в значениях N обусловлено тем, что при данном уровне, когда знакопеременному деформированию подвергаются значительно большие объемы материала, одним из решающих факторов является величина и глубина залегания в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия за счет применения УЗУ [7], которые увеличивают стадию зарождения и роста усталостной трещины. Другим фактором, способствующим повышению сопротивления усталости детали, является более однородное и упорядоченное распределение частиц у' -фазы в поверхностном слое. При этом замедление роста трещины происходит за счет того, что пластическая деформация сплава осуществляется перерезанием дислокациями когерентно связанных с матрицей у' -частиц с образованием в них дефектов упаковки при одновременном действии механизма преодоления частиц обходом в плоскости скольжения [6].
Длительная термоэкспозиция в течение 500 ч приводит к снижению предела выносливости обоих вариантов обработки (рис. 2, кривые 3, 4). Однако применение УЗУ (кривая 4) способствует тому, что предел выносливости при этом не опускается ниже исходного уровня, характерного для неупрочненных партий перед термоэкспозицией. Эта закономерность справедлива и в отношении величины циклической долговечности до появления трещины при испытании на уровне ст а шах (табл. 4).
Закономерности изменения свойств поверхностного слоя и сопротивления усталости межпазовых выступов являются свидетельством и подтверждением того, что улучшение характеристик выносливости в случае применения УЗУ достигается не за счет поверхностного наклепа и не только путем устранения поверхностных дефектов (следов механической обработки, частиц абразива и т. п.), а в основном за счет остаточных напряжений сжатия, возникающих в поверхностных слоях при многократных «мягких» соударениях шариков с поверхностью, и получения однородной структуры, в том числе
дислокационной [7].
В пользу этого утверждения говорит и тот факт, что длительная термоэкспозиция после УЗУ, не приводя к изменению степени наклепа, снижает характеристики выносливости до уровня, не ниже исходного, что объясняется уменьшением величины остаточных напряжений сжатия при их релаксации под воздействием температуры.
Результаты проведенных испытаний на усталость натурных образцов диска несколько отличны от выводов ряда исследований, при которых не зафиксировано какого-либо заметного влияния температурного интервала 500...600 °С на выносливость большинства деформируемых жаропрочных сплавов (ЭИ 437, ЭИ698 и др.). В частности, в работе [8], где весьма убедительно показана взаимосвязь микроструктуры и механических свойств сплава ЭИ698 в различных температурно-временных интервалах на образцах стандартного типа, приводятся данные, свидетельствующие о некотором повышении характеристик прочности и выносливости в области температур 600......700 °С за счет дополнительного выделения мелкодисперсных частиц у' -фазы при достаривании сплава в течение 500 ч. При этом указывается [8], что процесс дополнительного выделения у' -частиц может интенсифицировать при длительном старении образцов под напряжением, а снижение характеристик прочности и выносливости в результате коагуляции и растворения упрочняющей фазы проявляется лишь в интервале температур 750......800 °С. В качестве исключения признается [8], что к снижению сопротивления усталости сплава при охрупчивании приводит его чувствительность к надрезу при температуре порядка 700 °С. Однако объяснение механизма этого явления отсутствует.
Очевидно, особенность состоит в том, что на данный сплав влияние оказывает не столько сам по себе недрез, сколько качаство исполнения и технология его обработки. Общеизвестным является факт, что поверхностный наклеп снижает характеристики пластичности и может приводить к охрупчиванию материала. Отсюда - снижение характеристик выносливости у образцов с надрезом при 700 °С, когда в поверхностном слое с повышенной степенью наклепа и изначально низкими характеристиками пластичности, последние снижаются в еще большей степени при дополнительном выделении дисперсных частиц, упрочняющих сплав в процессе достарива-ния, а также в начальном периоде циклического на-гружения, когда также могут преобладать процессы упрочнения.
В связи с этим справедливым будет следующее объяснение полученных результатов исследования.
При старении сплава под механическим напря-
жением интенсифицируется структурная кинетика во времени и при более низких температурах, которые необходимы для протекания структурных изменений без приложенной нагрузки. В той же степени могут интенсифицироватся процессы достаривания (с дополнительным выделением Y -фазы и изменением размера ее частиц) и в тонких поверхностных слоях с повышенным напряженно-деформированным состоянием, т.е. с высокой степенью наклепа и наличием остаточных напряжений. Кроме этого необходимо учитывать возможное влияние локального тем-пературно-силового градиента, возникающего в тонких слоях в процессе механической и финишной обработки. В результате протекания указанных процессов поверхностный слой сплава после протягивания пазов представляет собой термодинамически неустойчивую систему, радикальным образом отличающуюся от основного материала.
Подтверждением этому могут служить значения микротвердости, которые при различной финишной обработке изменяются различным образом под воздействием длительной термоэкспозиции, в то время как для сердцевины детали эта характеристика практически неизменна (отличие составляет 2-3 %).
Подобная тенденция наблюдается и в отношении микроструктуры, когда, в частности, наблюдается
не только дополнительное выделение Y -частиц, но и некоторое их увеличение, что является характерным для данного сплава лишь при температурах выше 700 °С. В то же время микроструктура сердцевины сплава в результате длительной термоэкспозиции при 550 °С осталась неизменной, что вполне согласуется с известными исследованиями.
Таким образом недооценка состояния поверхностного слоя и его свойств в различных температур-но-временных интервалах может приводить к тому, что диски, изготовленные из сплава со стабильными свойствами и запасом механических характеристик, достаточных, на первый взгляд, для работы в заданных условиях, могут преждевременно выходить из строя и лимитировать ресурс всего двигателя.
Выводы
Исследования основных закономерностей формирования комплекса свойств поверхностного слоя и изменения характеристик выносливости межпазовых выступов дисков VI ступени КВД из сплава ХН73МБТЮ-ВД позволили установить следующее.
1. Достаточное количество локальных дефектов и отклонений, неоднородность свойств различных участков поверхностей пазов дисков предопределяет большое рассеивание физико-механических характеристик материала детали и повышает вероятность
зарождения усталостной трещины.
2. Применение обработки ПСА сопровождается внедрением в поверхностный слой детали частиц абразива, приводит к неоднородности микроструктуры и напряженно-деформационного состояния различных участков поверхностей пазов, способствует повышению локальной концентрации напряжений.
3. Влияния обработки ПСА на предел выносливости межпазовых выступов не выявлено, однако установлено снижение циклической долговечности до появления трещины при испытаниях на максимальном уровне исследованного интервала напряжений цикла.
4. Упрочнение шариками в ультразвуковом поле после протягивания пазов повышает однородность микроструктуры и напряженно-деформированого состояния тонких поверхностных слоев, способствует повышению исходного предела выносливости на 20......25 % и увеличению значений циклических долговечностей до появления трещины при испытаниях на максимальном уровне исследованного интервала напряжений цикла.
5. Применение термоэкспозиции 550 °С,500 ч приводит к снижению исходного предела выносливости образцов после протягивания и после протягивания + ПСА на 11 %, уменьшает значения циклических долговечностей до появления трещины.
6. Применение термоэкспозиции 550 °С, 500 ч после УЗУ также уменьшает характеристики выносливости, однако при этом предел выносливости и циклическая долговечность до появления трещины не опускается ниже исходного уровня, характерного для образцов после протягивания до изотермической выдержки.
7. Применение УЗУ после обработки ПСА приводит к значительному уменьшению содержания абразивных частиц на поверхности пазов диска.
В целом, исследования показали, что упрочнение шариками в ультразвуковом поле оказывает на поверхностный слой дискового сплава ХН73МБТЮ-ВД комплексное благоприятное влияние, способствует формированию стабильных свойств и повышению исходных характеристик выносливости перед эксплуатацией дисков.
Перечень ссылок
1. Яценко В. К., Сахно А.Г. Оценка усталостной прочности межпазовых выступов дисков компрессора //Авиац. промышленность. - 1990. -№11. - С. 24-26.
2. Сахно А.Г., Яценко В.К., Стебельков И.А. Оптимизация режима ультразвукового упрочнения //Авиац. промышленность. - 1903. - № 2 - С. 12-13.
3. Чернышов В.В., Рахмарова М.С., Дейч Г.Б. Протягивание и упрочнение хвостовиков лопаток газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение. - 1971. - 276 с.
4. Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микротвердость металлов и полупроводников 2-е изд. - М.: Металлургия. - 1969. - 248 с.
5. Степанов М.Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний. - М.: Машиностроение. 1972. - 231 с.
6. Барановский А.Н., Буйнов Н.Н., Романов Р.Р., Укусников А.Н. Закономерности изменения тонкой структуры и свойств при ступенчатом старении и получении сплавов типа нимоник. - В кн. Жаропрочные и жаростойкие стали и спла-
вы на никелевой основе. - М.: Наука. - 1984. -248 с.
7. Кулемин А.В., Кононов В.В., Стебельков И.А. Повышение усталостной прочности деталей путем ультразвуковой обработки // Пробл. прочности. - 1981. - № 1. - С. 70-74.
8. Коднер М.Я., Желдубовский А.В., Палиенко Е.Я., Погребняк А. Д. Исследование влияния температуры на механические свойства жаропрочного сплава ЭИ698ВД // Пробл. прочности, 1982. - № 4. - С. 104-109.
Поступила в редакцию 28.05.2008
Застосування ультразвукового змщнення тсля простягання na3ie сприяе тдвищенню межi витривалостi на 20...25 %. При цьому подальша тривала термiчна витримка знижуе характеристики витривалостi змщнених зразюв до рiвня, не нижче за вихгдний.
Application of the ultrasonic strengthening after reaching of slots increases endurance on 20......25
%. Thus the following prolonged termal expouser reduces characteristics of endurance of the strengthened samples to the level, not below initial.
