CC BY
186
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
цветная дефектоскопия по окончании КУИ. Лопатки успешно прошли КУИ, по результатам цветной дефектоскопии замечаний не имеют.
Библиографический список
1. Бокштейн, Б. С. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах / Б. С. Бокштейн, С. З. Бокштейн, А. А. Жу-ховицкий. — М. : Металлургия, 1974. —280 с.
ТРИФОНОВ Виктор Васильевич, аспирант кафедры «Авиа- и ракетостроение» Омского государственного технического университета, ведущий конструктор ОМО им. П. И. Баранова.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 30.10.2013 г.
© В. В. Трифонов
УДК 621.1.016 В. В. ТРИФОНОВ
Омский государственный технический университет
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ДОАЛИТИРОВАНИЯ
НА РАБОЧИХ ЛОПАТКАХ ТУРБИНЫ
В статье рассмотрены проблемы по обеспечению надежности и долговечности рабочих лопаток турбины ГТД. Определены недостатки технологии ремонта алитирован-ного покрытия. На основании существующей точки зрения на механизмы диффузионных процессов, а также принципов работы ГТД предложена технология доалитирования лопаток без снятия остатков покрытия.
Ключесвые слова: алитирование, технология, диффузия, лопатки турбин.
На основании статистических исследований была выявлена значимая проблема в области надежности и долговечности газотурбинного двигателя, касающаяся, в частности, сокращения срока службы рабочих лопаток 1-й и 2-й ступени турбины в процессе ремонта на предприятиях-изготовителях и авиационноремонтных предприятиях.
Согласно существующей методологии восстановления покрытия лопаток при нарушении (местное отсутствие, превышающее нормы на ремонт, снижение толщины алитированного слоя, несоответствие микроструктуры), требуется производить механическое снятие остатков слоя с последующим шликер-ным алитированием.
Довольно значимо — снятие покрытия вместе с основным материалом, это приводит к нарушению геометрии рабочих лопаток, снижению прочностных характеристик, долговечности (проведение двух подобных ремонтов приводит к занижению ответственных размеров до критических значений, не позволяющих дальнейшее использование лопаток при установке на ремонтный двигатель).
Таким образом, снятие остатков алитированного слоя означает сокращение срока службы лопатки с 1800 до 1300 часов.
Для устранения данной проблемы предложен вариант технологии, согласно которому необходимо производить «доалитирование», то есть нанесение алитированного слоя поверх «старого».
Логика подобного варианта восстановления али-тированного слоя основана на принципах работы диффузионного покрытия.
Согласно [1], алитирование — один из видов химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхности изделий алюминием. При диффузионном алитировании до-
стигается: высокая концентрация алюминия на поверхности изделий от 9 до 70 %; прочная связь диффузионного слоя с металлом основы; равномерное покрытие всех частей поверхности изделий; толщина диффузионного слоя от 0,02 до 2,5 мм; увеличение размеров изделий от 0,01 до 0,5 мм; поверхностная твердость до700 НУ.
В настоящее время механизмы диффузии исследованы в недостаточной степени, несмотря на большое количество термодинамических экспериментов, благодаря которым получены константы для большинства значимых в производстве процессов — все же четкой картины механизма диффузии не составлено.
По текущим представлениям наиболее важными являются вакансионный механизм и диффузия по границам зерен [2]. Именно эти два механизма дают возможность говорить о «подготовленности эксплуатацией» алитированного слоя рабочих лопаток турбины под восстановление «доалитированием».
Рассмотрим более подробно процессы, происходящие со слоем алитирования на рабочих лопатках при их работе на газотурбинном двигателе.
Средняя продолжительность полета для АЛ21-Ф-3 составляет около одного часа, при этом температура материала рабочих лопаток 1-й ступени может достигать 1100 °С на поверхности. Для сведения следует отметить, что в производстве диффузионное насыщение алюминием никелевого жаропрочного сплава происходит в течение двух часов при температуре 950 °С.
В процессе работы на ГТД в условиях высоких температур, давлений и скоростей рабочего тела лопатки испытывают воздействие агрессивных продуктов сгорания топлива, в результате чего подвергаются газовой коррозии и эрозии.
При эрозионном износе с поверхности лопаток происходит унос алитированного слоя, что приводит к обеднению покрытия — снижение глубины и качества, нарушается защитная окисная пленка. В результате нарушения сплошности пленки окиси алюминия, под воздействием агрессивной среды происходит разрушение.
В процессе адсорбции алюминия никелем при 950° происходит диффузия алюминия вглубь, а никеля — к поверхности никелевого образца.
В начальный период работы алитированный слой существенно не изменяется. С увеличением длительности испытания первая зона алитированного слоя обедняется алюминием за счет образования на поверхности окислов и за счет диффузии алюминия в основной металл. После 900 часов содержание его в первой зоне снижается в два раза по сравнению с исходным состоянием [3]. Сильно увеличивается протяженность второй зоны слоя. Следует отметить, что диффузия легирующих элементов из второй зоны слоя происходит в основной металл, а не к поверхности, то есть не в первую зону слоя. Отдельные включения во второй зоне становятся более крупными и вытягиваются в направлении основного металла.
Таким образом, становится ясно, что уже к третьему своему межремонтному ресурсу 900 — 1000 часов приповерхностные слои сильно обеднены алюминием на всю глубину алитированного слоя, это означает, во-первых, достаточно высокий химический потенциал, за счет образования вакансий, а во-вторых, низкую концентрацию алюминия.
Это два основных условия, которые необходимы для успешного диффузионного насыщения.
Также при работе под воздействием температурных колебаний, центробежных нагрузок, изгибных напряжений от потока рабочего тела газовоздушного тракта происходит вытяжка лопаток, деформация
кристаллов, благодаря чему открывается путь для диффузии по границам зерен.
Указанные факторы являются определяющими для возможности проведения «доалитирования» взамен переалитирования, что имеет помимо всего прочего и существенный эконономический эффект. Применение такой технологии позволит сократить цикл ремонта в 4 раза, сохранит материальную часть двигателей. При этом не стоит забывать, что ремонт турбинных лопаток — наиболее продолжительный среди всех узлов, именно он диктует сроки ремонта всего двигателя в целом. Следовательно, введение «доалитирования» лопаток позволит увеличить годовые объемы проводимого ремонта.
Библиографический список
1. Методические указания РД50-412-83. Надежность в технике. Упрочнение деталей машин. Выбор режимов алитирова-ния по долговечности. Общие требования. — М. : Издательство стандартов, 1984. — 27 с.
2. Бокштейн, Б. С. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах / Б. С. Бокштейн, С. З. Бокштейн, А. А. Жу-ховицкий. — М. : Металлургия, 1974. —280 с.
3. Гордеева, Т. А. Влияние условий испытания на состояние поверхностного слоя лопаток соплового аппарата / Т. А. Гордеева, С. Т. Кишкин // Температуроустойчивые защитные покрытия : тр. III семинара по жаростойким покрытиям. — Л. : Наука, 1968. - С. 165-172.
ТРИФОНОВ Виктор Васильевич, аспирант кафедры «Авиа- и ракетостроение» Омского государственного технического университета, ведущий конструктор ОМО им. П. И. Баранова.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 30.10.2013 г.
© В. В. Трифонов
УДК 621.77.01:621.73.01
А. Е. ШИРОКОВ В. Г. ШТЕЛЕ
Омский государственный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ В ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
В статье предложена новая схема для определения контактного трения с использованием компьютерного моделирования. Увеличена чувствительность данной технологической схемы относительно предьщущих схем, что способствует повышению точности проведения физического эксперимента и получения сведений о коэффициенте трения. Ключевые слова: коэффициент трения, штамповка, моделирование.
Существенное значение для развития теории и технологии обработки металлов давлением имеет совершенствование методик исследования контактного трения. Полученные сведения о контактном трении позволяют решать ряд практических вопросов:
— увеличение точности и качества поверхности заготовок;
— разработки и освоения эффективных технологических смазочных материалов;
— обеспечения стойкости и надежности работы деформирующего инструмента и т. д.
При точном определении и задании граничных условий на контактных поверхностях в значительной степени возрастает точность результатов теоретического анализа силовых и деформационных режимов процессов формоизменения.
Для процессов объемной штамповки и выдавливания характерны высокие значения контактных дав-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
