Исследование влияния обработки лопаток из титановых сплавов в жидком азоте на структурные и прочностные характеристики Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 669.295+621.438

П. Д. Жеманюк, Г. В. Пухальская, А. Д. Коваль, Л. П. Степанова, А. В. Патюпкин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК ИЗ

ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ЖИДКОМ АЗОТЕ НА СТРУКТУРНЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Исследовано влияние обработки холодом лопаток из титановых сплавов на структурные и прочностные характеристики. Установлено существенное повышение твердости тонкого поверхностного слоя, уровня остаточных напряжений сжатия, микронапряжений; обработка холодом не приводит к существенным изменениям структуры. Обработка лопаток в жидком азоте приводит к повышению усталостной прочности.

Введение

Большинство отказов газотурбинных двигателей (ГТД) на этапе доводки и в эксплуатации, связанных с проблемами прочности, вызваны усталостными дефектами. Дефекты, приводящие к разрушениям, распределяются следующим образом: 29% — конструктивные, 17% — технологические, 11% — эксплуатационные; 43% — сочетание конструктивных, технологических и эксплуатационных [1].

Для конструкционных сталей и сплавов, применяемых в современных ГТД, характерна повышенная чувствительность к концентрации напряжений (надрезам, рискам, галтелям и т.д.) при воздействии на деталь переменных напряжений; наибольшей чувствительностью к концентрации напряжений обладают титановые сплавы.

Сопротивление усталости многих деталей определяется прочностью поверхностного слоя. Поэтому проблема формирования поверхностного слоя детали с высокой несущей способностью должна решаться уже на стадии проектирования конструкции, а затем — и при разработке технологического процесса.

Лопатки вертолетного двигателя ТВ3-117 работают в неблагоприятных условиях: при взлете и посадке происходит соударение лопаток с инородными телами в виде песчинок и других неметаллических частиц, что приводит к интенсивному эрозионному повреждению поверхности пера и последующему усталостному разрушению. Анализ компрессоров двигателей показал, что I ступень существенно отличается по количеству лопаток, имеющих забоины, от остальных ступеней. Лопатки с повреждениями глубиной не менее 0,3......0,5 мм равномерно распределены на всех

ступенях компрессора, кроме первой, где забоин примерно в 4 раза больше, чем на любой последующей ступени [2].

Существует большое количество экспериментальных данных, показывающих [2], что при на-

пряжениях, равных пределу выносливости или несколько ниже, на поверхности после достаточно большого числа циклов возникают микротрещины. Критический размер микротрещины определяет границу между зарождением и распространением трещины. При этом предел выносливости увеличивается с повышением прочности материала. Основные факторы, способствующие процессу зарождения и развития усталостных трещин на пере лопаток компрессора (особенно на кромках), возникают на финишных этапах изготовления и в эксплуатационных условиях.

Многие элементы современных машин и аппаратов работают в условиях умеренного (до 200 К) и глубокого (до 4 К) охлаждения. Это элементы установок сжижения и разделения газов, системы космических аппаратов, высотных самолетов, детали и узлы транспортных и горных машин, работающих в условиях Крайнего Севера и др. С понижением температуры большинство материалов становится более прочными и износостойкими. При 77 К (-187 °С) — температура кипения жидкого азота — предел прочности большинства металлов в 2......5 раз больше, чем при

комнатной температуре; прочность некоторых пластмасс увеличивается в 8 раз, стекла — в 12 раз.

Уменьшение пластичности и повышение твердости при низких температурах позволяет повысить эффективность механической обработки ряда материалов; улучшаются режущие свойства и повышается стойкость металлорежущего инструмента. Изменения структуры материала сопровождаются изменением его плотности, а также прочностных и других характеристик. Совершенствование техники получения низких температур позволяют применять холод в технологии машиностроения. Изучению влияния обработки лопаток из титановых сплавов в жидком азоте на структурные и прочностные характеристики и посвящена данная работа.

© П. Д. Жеманюк, Г. В. Пухальская, А. Д. Коваль, Л. П. Степанова, А. В. Патюпкин, 2009 ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2СЮ9

Методика проведения экспериментов

Целью работы являлось изучение структур-ных и прочностных характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора из титановых сплавов.

В качестве объекта исследований применяли лопатки I ступени компрессора двигателя ТВ3-117 серийные и с наработкой около 500 часов. Лопатки были окончательно обработаны виброполированием (ВП). Лопатки изготовлены из деформируемого титанового сплава ВТ8М. Этот сплав относится к группе двухфазных (a+ß) сплавов мартенситного класса (табл. 1).

Таблица 1 — Химический состав титанового сплава ВТ8М [3]

Сплав Массовая доля химических элементов, %

Ti Al Mo Si Fe Zr

ВТ8М осн. 5,5 4,0 0,25 < 0,3 < 0,3

Механические свойства сплава представлены в табл. 2.

Таблица 2 — Механические свойства титанового сплава ВТ8М [3]

Сплав МПа МПа 85, % % КСи, кДж/м2

ВТ8М 970 980... 1180 10 35 400

Микротвердость поверхности пера лопаток, выдержанных различное время в жидком азоте, определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на алмазную пирамиду 0,5 Н.

Для проведения ренггеноструктурных исследований из средней части лопаток были вырезаны образцы длиной 20 мм. Съемка дифракто-грамм осуществлялась в медном монохроматическом излучении на модернизированном диф-рактометре ДРОН-1 с регистрацией дифракционных линий и обработкой данных на компьютере, сопряженном с дифрактометром с помощью специального устройства. Дифрактограммы снимались в полном диапазоне углов в интервале 29 -28°......152°. Съемка производилась с поверхности входной кромки и спинки в их плоских участках пера лопатки. Фазовый состав структуры поверхностного слоя проводили по стандартной методике [4]. Количество р-фазы определяли по соотношению интегральных интенсивностей линий (102) а-фазы и (200) р-фазы с учетом всех факторов, влияющих на интенсивность дифракционных линий. Уровень микронапряжений оценивали по ширине линии (213) а-фазы.

Микроструктуру поверхностных слоев выявляли на оптическом микроскопе МИМ-8 в поперечном сечении лопаток в травителе состава: 20 мл ИБ; 20 мл ИМОз; 60 мл Н^О. Исследовали микроструктуру поверхностного слоя и сердцевины.

Исследование остаточных макронапряжений на пере лопаток производили механическим методом, разработанным акад. Н. Н. Давиденковым с использованием формул из работы [5] для построения эпюр и прибора ПИОН-2.

Испытания на усталость выполняли стандартным методом на базе 100 млн. циклов способом динамического возбуждения в них колебаний по первой изгибной форме на электродинамическом вибростенде ВЭДС-200. Лопатки испытывали в резонансном режиме до появления макротрещины длиной 1......3 мм, что соответствовало падению

частоты собственных колебаний на 2......3%.

Результаты и их обсуждение

Для исследования влияния обработки холодом на изменение напряженного состояния лопатки с наработкой были выдержаны в жидком азоте продолжительностью от 0,5 до 2,5 часов с интервалом в 0,5 часа (рис. 1). Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что уровень остаточных напряжений сжатия увеличивается на поверхности с 330 МПа — исходные лопатки до 440 МПа — эпюра № 2 (выдержка в азоте 1,5 часа). Также увеличивается и глубина залегания остаточных напряжений — с 30 до 100 мкм. Известно, что остаточные напряжения сжатия повышают сопротивление усталости сталей и сплавов.

Результаты исследования микротвердости (табл. 3) показывают, что твердость тонкого поверхностного слоя существенно возрастает с увеличением времени выдержки лопаток в жидком азоте. Микротвердость увеличивается на 38% по сравнению с исходной, что должно благоприятно сказаться на повышении прочностных характеристик лопаток.

Таблица 3 — Результаты исследования микротвердости образцов лопаток с наработкой

№ образца Время выдержки в жидком азоте, ч Яц, МПа

Исходная ВП 3850

5 0,5 4070

6 1 4440

48 1,5 4800

47-3 2,5 5320

Исходя из полученных результатов для проведения дальнейших исследований как наиболее благоприятное время выдержки лопаток в жидком азоте было выбрано 1,5 часа, позволяющее

получить наиболее благоприятную эпюру распределения остаточных напряжений сжатия и довольно высокую микротвердость поверхностного слоя — 4800 МПа.

Исследование остаточных макронапряжений на серийных лопатках, выдержанных

в жидком азоте в течение 1,5 ч, показало (рис. 2) увеличение уровня остаточных напряжений сжатия с 210 до 350 МПа, что свидетельствует о благоприятном воздействии холода на напряженное состояние лопаток.

б

Рис. 1. Распределение остаточных напряжений в лопатках с наработкой после обработки холодом

а — 1 — ВП; 2 — 0,5 ч; 3 — 1 ч; б — 1 —ВП; 2 — 1,5 ч; 3 — 2 ч; 4 — 2,5 ч

ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009 — 121 —

f

w

- Я .гтз-- щ-гх1

Рис. 2. Распределение остаточных напряжений в серийных лопатках

1 — ВП; 2 — обработка холодом (1,5 ч)

Было проведено исследование изменений в тонкой структуре поверхностного слоя титанового сплава ВТ8М (серийные и лопатки с наработкой) при обработке холодом (табл.4).

Таблица 4 — Ширина линий и количество Р-фазы

Структура титановой основы лопатки характеризуется наличием зерен а- и ß-фаз: зерна а-фазы имеют светлую продолговатую форму. Микроструктура поверхностного слоя имеет небольшие отличия от микроструктуры сердцевины, что связано с воздействием как эксплуатационных факторов, так и с влиянием обработки холодом на структуру тонкого поверхностного слоя. Так, на лопатках с наработкой (около 500 часов) величина зерен больше, чем на серийных. Выдержка лопаток в жидком азоте в течение 1,5 часа приводит к небольшому уменьшению размеров зерен тонкого поверхностного слоя и незначительному увеличению количества ß-фазы, что должно положительно сказаться на улучшении пластических свойств. Следует также отметить, что существенных изменений в микроструктуре лопаток при обработке холодом не происходит.

Для оценки влияния обработки холодом на усталостную прочность были проведены испытания на усталость серийных лопаток и лопаток с наработкой (табл. 5...8).

Таблица 5 — Результаты испытаний на усталость серийных лопаток после виброполирования

Образец Кол-во ß-фазы, % Ширина линии, радианы

Серийный 7,9 4,6510-2

Серийный + холод 9,4 6,49-10-2

Наработка 3,1 5,58-10-2

Наработка + холод 5,3 7,6810-2

Шифр лопатки Напряжение испытания, МПа Число циклов, млн. Примечание

3 500 100,0 Н. р.

5 500 100,0 Н. р.

6 530 100,0 Н. р.

1 560 34,83 Разр. по вх. кр. 42 мм

2 530 100,0 Н. р.

4 530 100,0 Н. р.

Анализ полученных данных показал, что фазовый состав изученных образцов при обработке холодом как в серийной, так и в лопатке после наработки изменяется незначительно. Также можно отметить, что в процессе наработки количество р-фазы несколько уменьшается. Выявлено, что при обработке холодом как в серийной, так и в лопатке после наработки количество р-фазы незначительно увеличивается (см. табл. 4).

Существенно увеличилась ширина дифракционной линии после обработки холодом. Увеличение ширины линии при выдержке в жидком азоте свидетельствует о существенном повышении уровня микронапряжений как для серийных лопаток, так и для лопаток с наработкой. Увеличение уровня микронапряжений является одним из факторов, ведущих к упрочнению поверхностного слоя [6].

Микроструктуру изучали на сечениях образцов, вырезанных из лопаток (серийные + с наработкой), а также на образцах, вырезанных из лопаток, обработанных холодом в течение 1,5 часа. Результаты исследований представлены на рис. 3.

Таблица 6 — Результаты испытаний на усталость серийных лопаток после ВП + обработка холодом (1,5 часа)

Шифр лопатки Напряжение испытания, МПа Число циклов, млн. Примечание

Х1 500 100 Н. р.

Х2 530 100 Н. р.

Х3 560 100 Н. р.

Х4 590 100 Нр.

Х5 620 100, Н. р.

Х6 650 0,075 Разр. по вх. кр. L = 32 мм

Х7 620 26,58 Разр. по вх. кр. L = 42 мм

Х10 620 0,535 Разр. по сп. L = 22 мм

Х9 590 100 Н. р.

Х8 590 100 Н. р.

серийная лопатка

лопатка с наработкой

лопатка с наработкой, выдержанная в жидком азоте 1,5 часа

в г

Рис. 3. Микроструктура поперечного сечения лопатки, х 600 а, в — поверхностный слой; б, г — сердцевина

1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009

— 123 —

Таблица 7 — Результаты испытаний на усталость лопаток с наработкой после виброполирования

Шифр лопатки Напряжение испытания, МПа Число циклов, млн Примечание

UX2 45 100,0 Н. р.

UX1 48 72,354 Разр. по вх. кр. L = 3 мм

UX3 45 100,0 Н. р.

Таблица 8 — Результаты испытаний на усталость лопаток с наработкой после ВП + холод (1,5 часа)

Шифр лопатки Напряжение испытания, МПа Число циклов, млн Примечание

Х-9 550 31,07 Разр. по вх. кр. L = 22 мм

Х-8 520 39,86 Разр. по вх. кр. L = 27 мм

Х-1 500 100,0 Н. р.

Х-7 510 100,0 Н. р.

Х-3 510 100,0 Н. р.

Выводы

1. Исследовано влияние обработки холодом как серийных лопаток, так и лопаток с наработкой на структурные и прочностные характеристики. Установлено существенное повышение твердости тонкого поверхностного слоя, уровня остаточных напряжений сжатия, микронапряжений.

2. Исследование микроструктуры поверхностного слоя и фазового состава показало, что обработка холодом не приводит к существенным изменениям структуры: незначительно увеличивается количество р-фазы и уменьшается размер зерна.

3. Совокупное влияние повышения микротвердости поверхностного слоя, уровня остаточных сжимающих напряжений, увеличения микронапряжений приводит при обработке холодом лопаток из титанового сплава к повышению усталостной прочности: предел выносливости повышается в среднем на 12%.

Перечень ссылок

1. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД / А. Н. Петухов. — М. : Машиностроение, 1993. — 240 с.: ил.

2. Отделочно -упрочняющая обработка деталей ГТД / [В. А. Богуслаев, В. К. Яценко, П. Д. Же-манюк и др.]. — Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2005. — 559 с.

3 Титановые сплавы в машиностроении / [Б. Б.Чечулин, С. С. Ушков, И. Н. Разуваев и др.]. — Л. : Машиностроение, 1977. — 247 с.

4. Русаков А. А. Рентгенография металлов / А. А. Русаков. — М. : Атомиздат, 1977. — 480 с.

5. Биргер И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. — М. : Машиностроение, 1963. —232с.

6. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД / [В. А. Богуслаев, Ф. М. Муравченко, П. Д. Же-манюк и др.]. — Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2003. — 396 с.

Поступила в редакцию 16.02.1009

До^джено вплив обробки холодом лопаток i3 титанового сплаву на характеристики структури i м^ости Встановлено значне тдвищення твердостi тонкого поверхневого шару, рiвня залишкових напруг стиску, мжронапруг; обробка холодом не призводить до суттевих змт структури. Обробка лопаток в рiдкому азотi призводить до тдвищення втомноi м^ости

The article represents a study of cold treatment effect on structure and strength characteristic of titanium alloy blades. A substantial increase in hardness of a thin surface layer, residual compression stresses, and micro stresses is established. A liquid nitrogen blade treatment results in rising fatigue strength.