CC BY
253
УДК 620.179.11
О ПРИЖОГАХ ЛОПАТОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ КОМПРЕССОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ КОНТРОЛЕ ИЗМЕРЕНИЕМ
РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА
Э.А. КОМАРОВ, В.М. САМОЙЛЕНКО, В.С. ОЛЕШКО
Излагается проблема прижогов лопаток из титановых сплавов компрессоров газотурбинных двигателей, предлагается контроль прижогов измерением работы выхода электрона с помощью прибора "Поверхность-11".
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, лопатки компрессора, прижог, измерение.
Актуальной задачей при производстве и ремонте газотурбинных двигателей (ГТД) является определение глубин прижогов лопаток из титановых сплавов их компрессоров в целях оперативного принятия решения о целесообразности удаления прижогов.
Лопатки компрессоров отечественных ГТД изготавливают из сплавов ВТ3-1, ВТ5-1, ВТ9, ОТ4-1 и других сплавов на основе титана. В процессе производства и ремонта ГТД лопатки их компрессоров обрабатывают шлифованием, полированием, глянцеванием. При этом у 11 % лопаток из титановых сплавов возникают прижоги [1]. Прижогами или ожогами называют дефекты в виде местных изменений структуры и фазового состава сплава в результате локального перегрева поверхности детали. Прижоги сопровождаются изменением механических свойств обработанной поверхности, возникновением поверхностных остаточных напряжений растяжения, которые могут привести к образованию трещин. Прижоги могут появляться и в процессе эксплуатации ГТД при касании торцов лопаток об уплотнительный материал статора компрессора. Выявленные прижоги подлежат удалению полированием лопатки. Однако появление новых прижогов на поверхности лопатки более не контролируется.
Основными причинами прижогов лопаток из титановых сплавов являются: свойства титана - низкая теплопроводность (в 13 раз ниже, чем у алюминия), высокая прочность, высокая физико-химическая активность к окислительным процессам, высокий коэффициент трения; специфические условия, возникающие при резании титановых сплавов - большая энергия резания, импульсное приложение сил резания, налипание металла на вершины зерен шлифовальных кругов. Появление прижогов в большой степени зависит от строгого соблюдения шлифовальщиком технологии обработки лопаток. Процент возникновения прижогов лопаток увеличивается при выполнении шлифования исполнителем с низкой квалификацией, при освоении производства или ремонта новых ГТД.
Слабые прижоги невооруженным глазом увидеть невозможно. По принятой в настоящее время в моторостроении и на авиаремонтных предприятиях технологии прижоги лопаток из титановых сплавов контролируют методом химического травления в водных растворах кислот, например, азотной и плавиковой. Прижоги выявляются в виде белых пятен и полос (рис. 1), которые появляются из-за различных скоростей травления в месте прижога по сравнению с неповрежденной поверхностью лопатки.
Контроль прижогов химическим травлением имеет недостатки. Данный метод контроля прижогов трудоемок, требует больших затрат, экологически опасен. Кроме того, по внешнему виду пятен выявленных прижогов невозможно оценить глубину прижога и целесообразность его удаления. При химическом травлении повышается чувствительность к концентраторам напряжений, чему способствует более быстрое растравление металла по границам зерен. Продукты же травления являются катализаторами межзеренной коррозии.
126
Э.А. Кочаров
В. М. Самойленко, В. С. Олешко
Определить глубину прижога также можно проведением металлографических исследований лопатки, но прежде данные лопатки необходимо разрезать в местах прижогов.
Рис. 1. Прижог рабочей лопатки из сплава ВТ3-1 компрессора изделия 88
Известен способ контроля прижогов [2], заключающийся в нанесении на поверхность объекта контроля (ОК) вещества, имеющего в своем составе 0,01-0,02 % родамина B, химически не реагирующего с металлом, электризующегося при растирании и светящегося в ультрафиолетовом свете. Однако с повышением яркости поверхности чувствительность данного способа снижается, а ведь полированные лопатки из титановых сплавов имеют светлую блестящую поверхность. Также здесь требуется точная дозировка компонентов метящего вещества, так как уменьшение содержания родамина В менее 0,01 % приводит к ухудшению яркости свечения и снижает эффективность контроля прижогов. Производительность данного способа невысока -время, затрачиваемое на выявление дефектов, составляет около 1 ч. Кроме того, данный способ контроля так же не позволяет судить о глубине прижога.
В работе [3] указывается на возможность обнаружения прижогов вихретоковым видом неразрушающего контроля. Так в ОАО "Саратовский подшипниковый завод" для контроля прижогов стальных подшипников качения использует прибор вихретокового контроля ПВК-К2. Однако приборы вихретокового контроля реагируют на объем дефектов, вследствие чего выявление вихретоковым контролем прижогов, имеющих глубину менее 0,5 мм, затруднено. Таким образом, насущной является разработка оперативного метода контроля прижогов - неразрушающего, недорогого, позволяющего определять глубину прижога, безопасного.
Между тем, в изучении прижогов деталей из сплавов на основе остаются еще вопросы. Более того в [4] можно встретить предположения, что дефекты на поверхности лопаток из титановых сплавов, выявляемые при химическом травлении в виде белых пятен и полос, не являются прижогами.
В целях выяснения данного вопроса нами проведены металлографические исследования лопаток из (а + в) -титанового сплава ВТ3-1 компрессоров изделий 21, 42 и 88 с применением инвертированного металлографического микроскопа "Axiovert 40 MAT", сканирующего электронного микроскопа "Tesla BS 301". Перед металлографическими исследованиями микрошли-
3 3 3
фы травились в течение 15 с в растворе состава: вода 650 см , HCl 350 см , HF 150 см . Исследования показали, что белые пятна на поверхности травленой лопатки действительно являются прижогами (рис. 2). При этом в сплаве ВТ3-1 изменяется структура - уменьшается размер зерен и изменяется фазовый состав - исчезает р -фаза титана (на рис. 2 показана темным цветом). При этом микротвердость, измеренная на установке ПМТ-3, увеличивалась на 17-32 %. Исследованные прижоги имели глубину от 0,5 до 4 мм.
Нами предлагается для выявления прижогов применять определение флуктуаций работы выхода электрона (РВЭ) на поверхности лопаток. Прижоги возникают в поверхностных слоях лопаток, явления в которых обусловлены технологией изготовления или ремонта, влиянием окружающей среды, характеризуются взаимным переплетением множества физических и химических процессов. Большое влияние на протекание данных процессов оказывает величина свободной поверхностной энергии твердого тела на границе раздела сред. Важнейшей характери-
стикой поверхностной энергии является РВЭ - энергия, необходимая для удаления электрона из сферы влияния атомов твердого тела. Знание величины РВЭ позволяет с большой точностью определить поверхностную энергию сплавов, проследить за изменением состояния их поверхностных слоев, выявлять зарождение и развитие в них дефектов.
Рис. 2. Прижог лопатки из сплава ВТ3-1, х 100
Наиболее распространенным методом определения РВЭ является метод контактной разности потенциалов (КРП), в котором РВЭ определяется посредством измерения КРП между электродом сравнения (с известной РВЭ) и исследуемым металлом. КРП возникает между двумя различными металлами при их сближении или соприкосновении. Преимущества измерения РВЭ методом КРП - высокая чувствительность (до 0,1 мВ), простота и высокая производительность измерения, то, что данный метод измерений является неразрушающим и косвенным (не оказывающим влияния на ОК).
В Военном учебно-научном центре Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» разработан прибор измерения КРП "Поверхность-11", общий вид опытного образца которого показан на рис. 3. Прибор состоит из 3 основных частей: датчика, блока обработки и индикации, зарядного устройства, которое на рис. 3 не показано.
В приборе "Поверхность-11" измерение КРП реализовано посредством динамического конденсатора, имеющего вибрирующий с частотой 410 Гц измерительный электрод. Функциональная схема прибора "Поверхность-11" представлена на рис. 4. Разработанная схема прибора "Поверхность-11" обеспечивает довольно высокую точность измерений - ошибка определения КРП составляет не более 1,5 мВ. Прибор имеет высокую производительность - продолжительность одного измерения составляет 4 с, что для измерителей КРП является хорошим показателем. Датчик прибора "Поверхность-11" с выносным щупом длиной 35 мм разрабатывался специально для выявления прижогов, расположенных на лопатках компрессоров, имеющих достаточно сложную для контроля форму. Датчик имеет измерительный электрод, представляющий собой круглую никелированную пластину диаметром 4 мм с РВЭ 4,5 эВ. Имеется возможность документирования и передачи результатов измерений на компьютер для последующей обработки.
Наличие и границы прижогов определяются по изменению КРП на границе перехода от неповрежденной части к прижогу при сканировании поверхности лопатки датчиком прибора "Поверхность-11". В месте прижога, по мере увеличения его интенсивности и глубины, КРП уменьшается более чем на 90 мВ, соответственно РВЭ на эту же величину увеличивается.
г
и
к
ЕҐ
£
Объект
контро-
ля
У силитель колебательной системы
Усилитель с Микропроцессор
предвари- основной -1/ Жидкокристалличе
тельной обработки ский индикатор
фильтрацией сигнала, отображения
полезного управления и информации
сигнала индикации
1_ V
Пуск
Стоп
Блок
питания
і і
Аккумуля-
тор
Рис. 4. Функциональная схема прибора "Поверхность-11"
Вывод: таким образом, проведенные нами исследования показали - белые пятна, появляющиеся на поверхности лопаток из титановых сплавов компрессоров ГТД, являются прижогами. Разработанный нами прибор "Поверхность-11" позволяет определить наличие прижога на поверхности лопатки - в месте прижога РВЭ увеличивается. В настоящее время проводятся экспериментальные исследования по определению зависимости РВЭ от интенсивности и глубины прижога, разрабатывается методика контроля прижогов лопаток из титановых сплавов в процессе производства и ремонта ГТД.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кочаров Э.А., Олешко В.С. Энергосберегающая технология контроля прижогов титановых лопаток компрессоров газотурбинных двигателей по флуктуациям работы выхода электрона // Наукоемкие технологии. - 2009. - Т. 10. - № 2. - С. 73-76.
2. Патент РФ № 2044302. Медведев М.Н., Мельникова Е.Н. Способ выявления прижогов на металлах, например на титане и его сплавах, и вещество для его осуществления. Дата подачи заявки 30.12.1992. Дата публикации 20.09.1995.
3. Волынская О.В. Применение прибора ПВК-К2 вихретокового контроля однородности поверхностного слоя для мониторинга шлифовальной обработки деталей подшипников // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: сб. статей международной научно-технической конференции. - Волжский: Волжский инженерно-строительный институт, филиал ВолгГАСА, 2001. - С. 156-157.
4. Евсин Е.А., Вараксин А.С., Кочепанова Н.К., Макаров В.Ф. Исследование процесса полирования профиля пера лопаток ГТ Д из титановых сплавов // Вестник Пермского государственного технического университета. Механические технологии материалов и конструкций. - 2003. - № 7. - С. 32-37.
ABOUT BURNS COMPRESSOR BLADE FROM TITANIUM ALLOYS OF GAS TURBINE ENGINE AND THEIR CONTROL MEASUREMENT OF ELECTRON WORK FUNCTION
Kocharov E.A., Samoylenko V.M., Oleshko V.S.
The problem occurrence of bums of titanium compressor blade are considered, bums-control by measurement of electron work function with the help of device " Surface-11" is offered.
Key words: gas turbine engine, blade compressor, burn, measurement
Сведения об авторах
Кочаров Эдуард Авакович, (1927-2010), окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1957), заслуженный изобретатель РФ, профессор, кандидат технических наук, автор более 370 научных работ, область научных интересов - физические методы в контроле материалов и разработке наукоемких технологий.
Самойленко Василий Михайлович, 1961 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1990), доктор технических наук, профессор кафедры механики (материалов и восстановления авиационной техники) ВУНЦ ВВС "ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", автор 60 научных работ, область научных интересов - технология производства и ремонт авиационной техники.
Олешко Владимир Станиславович, 1975 г.р., окончил ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского (2003), преподаватель кафедры механики (материалов и восстановления авиационной техники) ВУНЦ ВВС "ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", автор 15 научных работ, область научных интересов - технология производства и ремонт авиационной техники.
