Фрактографические методы определения остаточного ресурса дисков авиационных газотурбинных двигателей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕПЛОВЫЕ, ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ЛА

УДК 621.452-226:620.191

Ю. А. НОЖНИЦКИЙ, Н. В. ТУМАНОВ, С. А. ЧЕРКАСОВА, М. А. ЛАВРЕНТЬЕВА

ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГОРЕСУРСА ДИСКОВ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Изложены методы реконструкции кинетики трещин малоцикловой усталости в дисках авиадвигателей на основе электронномикроскопического фрактографического анализа. Приведены результаты верификации этих методов и их применения для определения остаточного ресурса дисков. Малоцикловая усталость; трещины; фрактография; усталостные бороздки

Диски компрессоров и турбин

авиадвигателей подвержены в основном малоцикловой усталости (МЦУ), причем период роста трещины МЦУ - остаточный ресурс диска

- может составлять значительную часть его общей циклической долговечности (до окончательного разрушения). В этих условиях надежное определение периода роста усталостной трещины и идентификация стадий до- и закритического роста позволяют обеспечить безопасную эксплуатацию

авиадвигателей в результате назначения таких интервалов дефектоскопического контроля, в течение которых трещина не успевает выйти за пределы докритического развития [1-2].

В настоящей работе изложены фрактографические методы определения периода роста трещины МЦУ в дисках компрессора и турбины двигателей гражданской и маневренной авиации. Суть методов заключается в реконструкции формирования во времени микрорельефа поверхности разрушения

(фракторельефа) и определении стадий до- и закритического роста на основании электронномикроскопического фрактографического анализа. Поскольку фракторельеф образуется на фронте развивающейся трещины, результатом такого исследования является реконструкция кинетики усталостной трещины (КУТ).

Фрактографические методы базируются на

концепции стадийности КУТ, в соответствии с которой каждому участку кинетической

диаграммы «скорость роста трещины усталости (СРТУ) V- размах коэффициента интенсивности напряжений (КИН) АК» соответствует

определенный механизм разрушения на фронте трещины и фракторельеф (рис. 1) [3]: на первой стадии действуют низкоэнергоемкие механизмы разрушения сколом (МРС), формирующие

фракторельеф в виде сколов (включая микро- и

квазисколы); на второй стадии (устойчивого, докритического роста) - высокоэнергоемкий

механизм периодического расслаивания-разрыва (МПРР) [2-4], приводящий к образованию на поверхности разрушения усталостных бороздок, расстояние между которыми (шаг бороздок) соответствует локальному продвижению фронта трещины в каждом цикле нагружения; на третьей стадии (неустойчивого, закритического роста) наряду с МПРР действует характерный для разрушения при однократном нагружении механизм роста и объединения микропор (МРОМ), в результате чего СРТУ резко возрастает и на поверхности разрушения появляются микроямки. Эти закономерности имеют универсальный характер и реализуются во многих металлических материалах при различных условиях нагружения.

В дисках, изготовленных из сплавов на основе никеля и железа (металлов с кубическими кристаллическими решетками), устойчивый рост трещин МЦУ реализуется в эксплуатационных условиях - при значительных выдержках под нагрузкой в циклах нагружения - и, как правило, воспроизводится в процессе эквивалентноциклических испытаний при существенно меньших выдержках. В этой ситуации МПРР действует вдоль всего фронта трещины, и при простых циклах нагружения, характерных для двигателей гражданской авиации, средний шаг усталостных бороздок S определяет подрастание трещины в каждом полетном или испытательном цикле, т.е. 3=й1/йЫ, где N - число циклов, I- длина (глубина) трещины. Тогда интегральная кинетическая зависимость

N (1) =\ —, (1)

1 $«)

где 10 - начальная длина (глубина) трещины, 8(1)- базовая кинетическая зависимость (шага бороздок от длины трещины).

Контактная информация: (495)552-90-37

На рис. 1 приведены результаты фрактографической реконструкции кинетики трещины МЦУ в диске турбины высокого давления (ТВД) (из никелевого сплава)

двигателя гражданской авиации. Трещина зародилась в полотне диска на поверхности отверстия под болт (рис. 1, а). Устойчивый рост трещины, соответствующий 2-й стадии кинетической диаграммы V-АK, происходил до глубины I = 3 мм: в этой области основным фракторельефом являются усталостные бороздки, шаг которых изменяется от 0,2 мкм (вблизи очага) до 2^3 мкм (при I = 3 мм) (рис. 1, б, в). Начиная с I = 3 мм, шаг бороздок резко увеличивается и появляются области с ямочным микрорельефом, свидетельствующие о начале неустойчивого роста трещины под действием МРОМ, т.е. о переходе к 3-й стадии диаграммы V-АK (рис. 1, г, д). Зависимость N(1)

(1) приведена на рис. 2, е: период роста

трещины составил «5500 циклов, т.е. 88 % общей циклической наработки диска (6266 циклов), при этом период устойчивого роста - 4200 циклов, а неустойчивого (от 3 до 12,4 мм) - 1300 циклов. Таким образом, период устойчивого роста составил 67 % циклической наработки диска и 76 % периода роста трещины: глубина области устойчивого роста трещины занимает 1/4 глубины трещины, а продолжительность устойчивого роста - 3/4 продолжительности развития трещины (рис. 1, ж).

При характерных для двигателей маневренной авиации сложных циклах нагружения, каждый из которых включает несколько простых циклов (подциклов) с различными размахами напряжений,

фракторельеф в дисках из указанных выше материалов имеет определенную специфику -он качественно различается в зависимости от того, образуются или нет усталостные бороздки в «малых» подциклах. На рис. 3, а показан фрагмент излома диска ТВД двигателя маневренной авиации. Трещина развивалась в области перехода от полотна к ободу в перемычке между отверстиями для подвода охлаждающего воздуха. До глубины трещины I «2 мм происходил устойчивый рост, который состоял из двух этапов. На первом этапе (до I« 1,5 мм) бороздки образовывались только в «больших» подциклах(«посадка-взлет»), и в каждом полете трещина подрастала на величину 8 (рис. 3, б). На втором этапе, когда размахи КИН в малых подциклах превысили пороговое значение АК1-2 (см. рис. 2), бороздки стали

формироваться и в малых подциклах. В этой ситуации полетному циклу отвечает блок бороздок, ширина (шаг) 8Б которого

соответствует продвижению фронта трещины в течение полета (рис. 3, в). Начиная с I «2 мм на поверхности излома появляются микроямки и величина 8б резко возрастает (рис. 3, г, д), что свидетельствует о переходе к неустойчивому ростутрещины. При построении базовой кинетической зависимостина первом

этапеустойчивого роста измерялся шаг бороздок, а на втором этапе устойчивого роста и на стадии неустойчивого роста - шаг блока бороздок. Соответствующая кривая регрессии (см. рис.3, д) использовалась при построении интегральной кинетической зависимости (1) (рис. 3, е). Как видно на рис. 3, е, период роста трещины от глубины I « 0,1 мм (при которой на поверхности излома выявляются первые измеримые усталостные бороздки) составил около 1600 полетных циклов, т.е. 80 % общей наработки диска (около 2000 полетных циклов), при этом период устойчивого роста (до I = 2 мм) -1200 циклов (75 % общего периода роста трещины от указанной начальной глубины и60 % общей наработки диска).

Для дисков из жаропрочных титановых сплавов, основу которых составляет а-фаза, имеющая менее симметричную (по сравнению с кубическими решетками никеля и железа) гексагональную кристаллическую решетку, типичной является ситуация, когда при развитии трещины МЦУ в эксплуатационных условиях на разных участках фронта трещины одновременно действуют два механизма разрушения - МРС и МПРР. В этом случае фракторельеф состоит из микросколов и усталостных бороздок, причем доля бороздчатого рельефа уменьшается по мере развития трещины и увеличения АК. При простых полетных циклах в каждом из них образуется одна усталостная бороздка, поэтому подсчет бороздок позволяет определить период роста трещины в полетных циклах. Исходными данными при этом являются следующие характеристики: число п последовательно

образовавшихся бороздок в каждой из / последовательно образовавшихся бороздчатых зон и значения длины трещины I, в конце этих зон. Тогда зависимость N(1) периода роста трещины от ее длины находится в результате аппроксимации значений

N (Ь)=Цп. (2)

1=1

а

1 I

Ь '-' .... : .• 1мм ]

* 2 ■ -Ч “ 'шь

мг.*‘. лЗс * |Им<

с - V; «ЯЙВвННВН 4 1

МП! ЯВИВШИ & поверхность отверстия

и

очаг разрушения

б

□ - бороздки □- бороздки+микроямки

в г

е

глубина трещины, мм

глубина трещины, мм

1000 2000 3000

Рис. І.Фрактографическая реконструкция КУТ в диске ТВД (из жаропрочного никелевого сплава) при простых циклах нагружения: а - излом по вскрытой трещине; б - фрактографическая схема; в, г - усталостные бороздки на стадиях устойчивого и неустойчивого роста трещины (участки 1 и 2 на рис. 1, а); д - базовая кинетическая зависимость (экспериментальные точки и кривая регрессии); е - интегральная кинетическая зависимость;

ж - кинетическая схема

Рис. 2. Схема типовой трехстадийной кинетической диаграммы и характерный фракторельеф трещин МЦУ на ее разных стадиях: 1 - сколы, 2 - бороздки, 3 - бороздки+микроямки

глубина трещины, мм глубина трещины, мм

Рис. 3. Фрактографическая реконструкция КУТ в диске ТВД (из жаропрочного никелевого сплава) при сложных циклах нагружения: а - фрагмент излома; б-г - фракторельеф на первом (б) и втором (в) этапах устойчивого роста и в начале стадии неустойчивого роста (г) (участки 1^3 на рис. 3, а); д, е - кинетические зависимости

Главную проблему при реализации метода представляет определение в условиях смешанного фракторельефа

(микросколы+бороздки) последовательности образования во времени зон с бороздками. Эта задача решается на основании анализа качественных (фронты трещины и ручьи микросколов) и количественных (усталостные бороздки) фрактографических характеристик с учетом описанной выше стадийности КУТ и фракторельефа.

В качестве примера на рис.4 и 5 приведены результаты фрактографической реконструкции кинетики усталостной трещины, распространявшейся в

эксплуатационных условиях в ободной части диска компрессора низкого давления (КНД) из титанового сплава ВТ3-1. На рис. 4 показаны 6 положений фронта трещины (1-й фронт соответствует выходу трещины на доступную для дефектоскопического контроля в условиях эксплуатации поверхность заднего торца обода диска, 6-й фронт - достижению

нижнего края этой поверхности), отмечены 13 последовательно образовавшихся участков с усталостными бороздками, на основании анализа которых определялась зависимость

(2), и приведены фрагменты двух таких участков.

При построении кинетических

зависимостей пг(Іг) и ^(І)(рис. 5) в качестве длины трещины І,, соответствующей окончанию і-й зоны с бороздками, принималась координата пересечения ближайшего из показанных на рис.4 фронтов, расположенного после этой зоны, с поверхностью заднего торца обода. За начало координатпринята точка пересечения 1-го фронта с указанной поверхностью. Как видно на рис. 5, б, период роста трещины от этого начального положения до длины І = 2 мм вдоль поверхности заднего торца обода составляет « 950 полетных циклов. От І = 2 мм (минимальный размер трещины, выявляемой методами дефектоскопического контроля в условиях эксплуатации) и до нижнего края заднего торца обода (6-й фронт, І6 « 4,2 мм) трещина развивалась еще

« 200 полетных циклов со средней скоростью « 1 мм/100 циклов.

Полученные результаты были

подтверждены данными непосредственного наблюдения за развитием аналогичной трещины на поверхности обода диска той же

конструкции при его испытаниях по типовому полетному циклу (ТПЦ). На рис.6, а показана трещина на поверхности заднего торца обода в начале испытаний, а на рис. 6, б - через 100 ТПЦ (трещина отмечена стрелкой,рядом с трещиной изображены маркеры ее длины, которые затем перенесены на линейку). Как видно, в нижней части заднего торца обода трещина развивалась со средней скоростью 1 мм/100 циклов, что совпадает со средней скоростью роста трещины в этой области в условиях эксплуатации, определенной на основании фрактографического

реконструирования КУТ (см. рис. 4). Фракторельеф при испытаниях по ТПЦ аналогичен фракторельефу при развитии трещины в эксплуатационных условиях. При этом реконструированное по изложенной выше методике продвижение фронта трещины вблизи поверхности заднего торца обода в течение первых 100 ТПЦ составляет около 1 мм (рис.6, в), т.е. совпадает с данными непосредственного наблюдения за развитием трещины на указанной поверхности.

Разработанные расчетно-экспериментальные подходы были успешно использованы при оценке остаточного ресурса и интервалов контроля дисков компрессоров и турбин ряда двигателей различного назначения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ножницкий Ю. А. Подтверждение ресурса авиационных газотурбинных двигателей и критических по последствиям разрушения деталей этих двигателей // Современные проблемы ресурса материалов и конструкций: тр. III школы-семинара. М.: МАМИ, 2009. С. 74-89.

2. Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А. Определение безопасных интервалов контроля критических деталей авиадвигателей // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения: тр. Междунар. конф. в 2-х томах. Т.2. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. С. 352-362.

3. Туманов Н. В. Стадийность кинетики усталостных трещин и механизм периодического расслаивания-разрыва // Деформация и разрушение материалов: тр. I Междунар. конф. в 2-х томах. Т.1. М.: ИМЕТ РАН, 2006. С. 85-87.

4. Туманов Н. В. Физико-механические аспекты устойчивого роста усталостных трещин // Вестник Моск. авиац. ин-та. 2011. Т.18, №2. С.132-136.

зона очагов

А_

Рис. 4. Фрактографическая реконструкция КУТ в диске КНД из жаропрочного титанового сплава: І-УІ - положения фронта трещины, 1-13 - последовательно образовавшиеся участки с усталостными бороздками (справа показаны фрагменты участков 2 и 10)

о

ч

СО

О

О

ю

о

ц

о

600

500

400

300

200

100

0

II

III • IV •

V V •

со

о

><

.0

ф

ц

о

с

о

ц

о

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

длина трещины на поверхности заднего торца обода, мм

Рис. 5. Фрактографическая реконструкция КУТ в диске КНД: базовая (а) и интегральная (б) кинетические зависимости

вторичным очаг

П!

зона очагов

дно паза

- - V"

- .І--' • ? ; I

^4)?' 11-100 тпц

Рис. 6. Исследование КУТ в диске КНД при испытаниях по ТПЦ: а, б - трещина на поверхности заднего торца обода в начале испытаний (а) и после 100 ТПЦ (б); в - фрактографическая реконструкция КУТ (І и ІІ - положения фронта трещины в начале испытаний и после 100 ТПЦ,

1-4 - исследованные участки с бороздками)

а

а

б

ОБ АВТОРАХ

Ножницкий Юрий Александрович,

начальник отделения прочности Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ). Диплом инженера-механика (МАИ, 1971).

Д-р техн. наук. Иссл. в обл. прочностной надежности авиадвигателей.

Туманов Николай Ваганович, начальник сектора отделения прочности ЦИАМ. Диплом инженера-механика (МЭИ, 1976). Канд. техн. наук. Иссл. в обл. механики и физики усталостного разрушения, вибронапряженности деталей

авиадвигателей.

Черкасова Светлана Александровна,

ведущий конструктор отделения прочности ЦИАМ. Диплом инженера-механика (МАТИ, 1973). Иссл. в обл. электронной фрактографии и металлографии деталей ГТД.

Лаврентьева Марина Александровна, ведущий конструктор отделения прочности ЦИАМ. Диплом физика (МГУ, 1978). Иссл. в обл. математического моделирования кинетики разрушения.