CC BY
72
УДК 629.7.015.4
А.Н. ПЕТУХОВ
ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И.Баранова», «ЦИАМ», Россия
ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК МЦУ И МНЦУ ДЕФОРМИРУЕМЫХ И ГРАНУЛИРОВАННЫХ СПЛАВОВ
ДЛЯ ДИСКОВ ГТД ПРИ НАЛИЧИИ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР
Приведен анализ экспериментальных исследований результатов испытаний на малоцикловую усталость МЦУ при частоте нагружения/< 10 Гц и многоцикловую усталость МнЦУ при частоте нагружения > 10 Гц деформируемых и гранулированных никелевых сплавов для дисков турбин ГТД при наличии концентрации напряжений аа = 1,03..,35 в широком диапазоне температур от 20 до 800° С и асимметрии цикла нагружений от Я = -1 до Я = 0. Показано, что режимы термообработки (снижение температуры старения, увеличение длительности термообработки) существенно влияют на кратковременные характеристики прочности сплава. Для долговечностей N = 5-104 до 2 107 при Тисп = 650° принципиальной разницы в кривых МнЦУ для гладких образцов в условиях асимметрий цикла нагружения Я = 0 и Я = -1 и МЦУ для Я = -1 не наблюдается.
Ключевые слова: малоцикловая усталость МЦУ, многоцикловая усталость МнЦУ, деформируемые сплавы, гранулированные сплавы, концентрация напряжений, асимметрия цикла нагружения, предел выносливостии МнЦУ, предельная амплитуда напряжений МЦУ для заданной долговечности ст^
Введение
Диски турбин ГТД относятся к основным деталям ГТД, разрушение которых сопровождается образованием фрагментов, удержание которых корпусом не гарантируется. При расчетах на прочность часто пользуются характеристиками свойств, применяемых материалов, получаемых при испытаниях стандартных образцов, изготовленных из прутков, а не из заготовок.
1. Механические характеристики
В статье приводятся результаты испытаний сплавов при разных видах нагружения, характерных для дисков (растяжение, изгиб) и разных степенях асимметрии цикла нагружения (Я = 0; Я = -1) и долговечностях : МЦУ до N =105 циклов, МнЦУ не менее N = 5.107 циклов в диапазоне температур 20-800°. В табл. 1 приведены данные о механических характеристиках жаропрочного сплавов ЭИ698 и
ЭП741НП. Порошковый сплав применяется до температуры 750 °С. Из данных, приведенных в табл. 2, следует, что с повышением температуры испытаний снижается величина предела выносливости, но при этом уменьшается и чувствительность к концентрации напряжений у сплава ЭИ698.
Таблица 1 — Механические характеристики прочности сплава ЭП741НП из прутка
Т исп ° В ° 0,2 S 5 ¥ HB
20 1300 900 14 - 3.15-45
Значения этих характеристик у сплава ЭИ698 выше, чем у сплава ЭИ437БУ, эксплуатируемого при до Тэ < 700 °С. В табл. 2 приведены механические свойства жаропрочного порошкового сплава ЭП741П, полученные при в температурах Тисп= 20 и 750 °С. Образцы вырезались из заготовки Ш 480 мм для диска турбины.
Таблица 2 — Механические характеристики прочности сплавов типа ЭП741П при температурах Тисп = 20 и 750 °С (из заготовки диска 0 480 мм)
Т исп ° В ° пц ° 0,2 S 5 ¥ HB а н
20 1350... 1400 690.710 820.850 25.33 29.34 3.2.3.4 -
750 1000...1030 610.640 750.780 30.38 33.40 - 7.5
© А.Н. Петухов, 2013
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2013
Механические характеристики прочности из заготовки диска из сплава ЭП741П, оказа-(ств, стпц, стд 2, 85, у) для образцов, вырезанных лись выше (табл .3).
Таблица 3 — Механические характеристики прочности сплава ЭП741П (ХН60КМВТЮБ) при температурах Тисп = 20 и 650 °С в зависимости от режимов термообработки, полученные на образцах, вырезанных из шайбы 0 480 мм
Термообработка Т "С исп, сВ МПа Стпц, МПа ст02 МПа 85, % % НВ, 0 мм V
Старение Т = 910 "С, 2 ч 0 1250-1350 680-620 820-850 20-25 20-25 3.2-3.45 4-7
650 1000-1030 600-620 750-780 18-20 18-22 - 6
Старение Т = 870 "С, 32 ч 20 1250-1350 850-1020 950-1000 15-22 18-20 3.2-3.4 4-6
650 1100-1150 - 900-950 0 20 - -
Показано, что режимы термообработки (снижение температуры старения, увеличение длительности термообработки) существенно влияют на кратковременные характеристики прочности сплава. При температуре старения в течение 32 ч при Т = 870 °С незначительно изменяются ств, НВ и ан , снижаются 85 и у, но растут значения стпц и Ст0 22. Чувствительность к концентрации напряжений
в таблице 4 приведены сведения о чувствительности к концентрации напряжений сплавов ЭИ698 и ЭП741НП при симметричном изгибе с вращением (МнЦУ) в диапазоне температур Тисп = 20...650 С.
Таблица 4 — Данные о чувствительности к концентрации напряжений сплавов ЭИ698 и ЭП741НП для МнЦУ при симметричном изгиб с вращением: 5 = 200 Гц, Кб = 5. 107 циклов в диапазоне температур Тисп = 20.650 °С
Сплав Т исп' °С Ст_1; МПа «а КСТ Яст
1.0 1.0 —
20 410 1.5 1.64 > 1,0
3.0 2.48 0.74
1.0 1.0 —
ЭИ698 400 315 1.5 1.285 0.57
3.0 1.70 0.35
1.0 1.0 —
600 360 1.5 1.44 0.88
3.0 1.89 0.45
20 470 1 1 —
550 445 1 1 —
ЭП741НП 650 500 1 1 —
3 2.08 0.54
Сравнивая данные, представленные в таблице 4, можно отметить, что при Тисп= 600 °С сплавы ЭИ968 и ЭП741НП, а при Тисп = 650 °С сплав ЭП741НП по чувствительности к концентрации напряжений близки.
3. Влияние асимметрии цикла на МЦУ и
МнЦУ
Гладкие образцы и образцы с надрезом, изготовленные из заготовки диска (сплав
ЭП741П) были испытания на МЦУ и на установке типа УРС 10-30000 были выполнены при отнулевом (мягком) цикле нагружения Я = 0 и температурах 20 °С, 650 °С, 750 "Си при 800 °С. Результаты испытаний при 650 "С гладких образцов из сплава ЭП741 на малоцикловую усталость (МЦУ) при отнулевом цикле нагружения Я = 0 показали, что долговечность образцов при максимальных напряжениях ст-к = 960 МПа составила N = 5.103 циклов, а при снижении напряжений до ст— = 940 МПа, т.е. менее чем на 5%, хотя долговечность возросла до N = 104 циклов. Из результатов испытаний, представленных на рис. 1, следует, что при Тисп=600 "С и невысокой концентрации напряжений аа = 1.9, чувствительность к концентрации напряжений у сплава проявляется лишь при долговечности N > 103 циклов, снижаясь по параметру ст— для N = 103 примерно на 10%, а для N = 104 около 20%.
При Тисп=750 " и 800 "С чувствительность к концентрации напряжений у сплава для аа = 1,9 и значения CTN одинаковы.
Аналогичное явление наблюдается у сплава при концентрации напряжений для аа=3,35 температурах 600" и 750 "С.
На установке типа УРС 10-30000 для сплава ЭП741П получены кривые МЦУ и МнЦУ при Я = 0 и Я = -1 на образцах гладких и с надрезом (см. рис. 2), которые свидетельствуют о том, что для долговечностей N = 103 и N = 3 104 при отнулевом цикле Я = 0 МЦУ значения CTN примерно на 40% выше, чем для симметричного цикла Я = -1.
Для долговечностей N = 5104 до 2107 при Тисп= 650" принципиальной разницы в кривых МнЦУ для гладких образцов в условиях асимметрий цикла нагружения Я = 0 и Я = -1 и МЦУ для Я = -1 не наблюдается.
Из анализа результатов испытаний на МЦУ и МнЦУ, представленных на рис. 2 следует, что в условиях симметричного цикла Я = -1 при Тп = 650 "С вид кривых для гладких образцов
Рис . 1. Кривые МЦУ сплава ЭП741П, полученные при Я = 0, для образцов гладких и с надрезом
Рис. 2. Кривые МЦУ и МнЦУ для гладких образцов из сплава ЭП741 для Я = 0 и Я = -1 при
Тисп = 650 °С
(аа=1.0) не изменяется, хотя в тех же условиях значения пределов выносливости для МнЦУ при концентрации напряжений аа = 3.35 при долговечностях 105.108 циклов снижаются примерно в 3 раза следует:
- для 20 °С предельная амплитуда для долговечности N = 5 103 циклов составила стм = 1300 МПа, а для N = 104 циклов предельная амплитуда составила CTN = 1200 МПа, т.е. снизилась менее чем на 10%;
-для 650 °С для долговечности N = 5103 циклов предельная амплитуда составила CTN = 920 МПа;
-для долговечности N = 104 циклов предельная амплитуда составила CTN = 840 МПа, т.е. снизилась менее чем на 10%;
-для 750 °С для долговечности N = 5103 циклов предельная амплитуда составила CTN = 800 МПа;
-для долговечности N = 104 циклов предельная амплитуда составила CTN = 730 МПа, т.е. снизилась менее чем на 9%.
Можно отметить, что наиболее резкое снижение, примерно на 40%, величины предельной амплитуды CTN наблюдается с повышением температуры испытаний от 20 до 650 °С, а при росте Тисп от 650 до 750 °С снижение CTN составляет 10.15 %.
В табл. 5 приведены аа данные об испытаниях на МЦУ образцов (гладких аа = 1,0 и с надрезом аа = 1,9 и аа = 3,35) из более жаропрочно-
го сплава ЭП741НП для цикла нагружения Я = 0, типичного для дисков, и Т исп =20, 600, 650, 750 и 800 °С. Из анализа результатов испытаний (табл. 5) на малоцикловую усталость (МЦУ) гладких образцов из сплава ЭП741НП при отнулевом цикле нагружения (Я = 0) при температурах испытаний Тисп = 20.750 °С следует, что при Тисп = 650 °С и 750 °С с увеличением N от 5 103 до 104 цикл значения величины CTN сснижаются менее, чем на 10%.
Значения предельных амплитуд CTN для Тисп =20 и 600 °С при Я = 0 и ас = 1.0 для N = 104 циклов отличаются менее, чем на 10%. Различие CTN предельных амплитуд для долговечности N = 104 при значениях аа = 1.0 (гладкий образец) и аа = 1.9 (с концентрацией напряжений) составляет менее 15%. В диапазоне значений аа = 1.0.= 1.9 при 750 °С в широком промежутке долговечностей от 103 до 5104 циклов отличий в CTN не наблюдается.
Однако с ростом величины коэффициента концентрации напряжений аа = 3.35 чувствительность сплава ЭП741НП к концентрации напряжений в условиях МЦУ резко увеличивается, что проявляется в снижении значений предельных амплитуд CTN для всех исследованных температур 600.800 °С в диапазоне долговечностей от N = 103 до 5-104 циклов.
Таблица 5 — Результаты испытаний на МЦУ образцов (гладких и с надрезом) из сплава ЭП741НП при температурах Тисп = 600.800 °С для степени асимметрии цикла нагружения Я = 0
Тип образца Т , 'С исп ' Значения ^ для чисел циклов N = 103.. .5-104
10 3 2-103 5103 10 4 5104
гладкий 20 - - 1300 1200 -
гладкий 600 1240 1220 1180 1170 1120
а „ = 1.9 1220 1150 1090 1020 910
а а = 3.35 750 580 525 500 450
гладкий 650 - - 920 830 -
а а = 3.35 - - 480 430 -
гладкий 750 1000 850 800-775 740-720 680
а а = 19 1000 850 775 740 680
а а =3.35 750 580 530 500 450
гладкий 800 1000 850 780 740 680
а а = 3.35 640 490 440 430 400
Результаты этихиспытаний в виде кривыхМЦУ представлены на рис. 1. На графике видно, что до Тисп = 600 'С у кривых малоцикловой усталости для образцов с концентраторами напряжений аа = 1.0.1.9 в диапазоне долговечностей N = 103.105 отсутствует перелом. Но, начиная с Тисп = 750 °С, в промежутке долговечностей
N = 103.3 103 циклов у кривой МЦУ появляется точка перелома. При повышении аа коэффициента концентрации напряжений до аа = 3.35 в диапазоне температур испытаний Тисп = 600 .800 'С на долговечности N = 2103 циклов проявляется точка перелома кривой МЦУ.
Литература
1. Балашов Б.Ф. Усталостная прочность жаропрочных сплавов в связи с концентрацией напряжений, асимметрией цикла нагруже-ния и поверхностным наклепом [Текст] / Б.Ф Балашов, А.Н. Петухов // Проблемы прочности. - 1967. - №4. - С.82-86.
2. Балашов Б.Ф. Усталостная прочность дисков газовых турбин [Текст] / Б.Ф Балашов, А.Н. Петухов // Прочность элементов роторов турбомашин. Тр. 2-го Республ. сем.. - К.: Наук. думка. - 1980. - С.198-205.
3. Балашова Б.Ф. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей [Текст]: моногр. /Б.Ф. Балашова, И.А. Биргера, Р.А. Дульнев, Т.П. Захарова, Л.А. Козлов, А.Н. Петухов, Р.Н. Сизова // М.: Машиностроение, 1981. — 222 с.
4. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД [Текст]: моногр. /А.Н. Петухов // М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.
5. Петухов А.Н. Актуальные проблемы конструкционной прочности, решаемые при создании современных ГТД и ЭУ [Текст]: /А.Н. Петухов.// Вопросы авиационной науки и техники: Сер. Авиационное двига-телестроение. - 2003.- Вып.1(1323). - С.5-30. (ЦИАМ).
6. Петухов А.Н. Современные принципы проектирования дисков ГТД большого ресурса и методы обеспечения их прочности и надежности [Текст]: учеб. пособие / А.Н. Петухов. - М.: ИЦ. МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2003. - 50 с.
7. Петухов А.Н. Некоторые тенденции развития конструкций роторов ГТД, новых технологий и вопросы конструкционной прочности [Текст] /А.Н. Петухов // Вестник двигателе-строения. -2003. - №3. - С. 130-134.
8. Петухов А.Н. Сопротивление многоцикловой усталости и методы повышения пределов выносливости деталей ГТД и ЭУ[Текст] /А.Н. Петухов // Конверсия в машиностроении. — 2005. - №4-5 (71-72). — С. 83-88.
9. Conversion in machine building of Russia [text].- 2005. -№4-5 (71-72). - С. 83-88.
10. Захарова Т.П. Закономерности малоцикловой усталости дисков авиационных двигателей [Текст] / Т.П. Захарова, В.В. Кутырев // Конверсия в машиностроении. - 2005.- №3. - С. 58-60.
11. Петухов А.Н. Требования к конструкционной прочности материалов и технологическим процессам, обеспечивающим в эксплуатации ГТД и ЭУ высокие надежность и ресурс [Текст] / А.Н. Петухов // Конверсия в машиностроении. — 2006. -№4 (77). - С. 63-65.
12. Кутырев В.В. Разрушение дисков турбомашин и обоснование допускаемых запасов прочности [Текст] /В.В. Кутырев // Конверсия в машиностроении. — 2006. -№4 (79); №6 — С.14-16.
13. Петухов А.Н. Многоцикловая усталость материалов и деталей ГТД. [Текст] / А.Н. Петухов // Надежность и долговечность машин и сооружений: Междунар. науч.-техн. сб: — К.: 2008. - № 30. -С114-122."
14. Петухов А.Н. Актуальные вопросы многоцикловой усталости конструкционных материалов для прогнозирования ресурса деталей ГТД [Текст] / А.Н. Петухов // Современные проблемы ресурса материалов и конструкций: Тр. III шк.-сем.- М.: МАМИ. - 2009.- С.105-118.
Поступила в редакцию 01.06.2013
A.M. Петухов. Особливое™ характеристик МЦВ i БЦВ сплав1в, що деформують-ся та гранульованих сплав1в для дисшв ГТД за наявшстю концентрацп напружень в широкому дiапазонi температур
Наведено анализ експериментальних досл1джень результат1в випробуванъ на малоци-клову втому МЦВ при частот1 навантаження f < 10 Гц та багатоциклову втому БЦВ при частот1 навантаження > 10 Гц сплавав, що деформуються та гранульованих шкелевих сплавав для диск1в турбт ГТД при наявност1 концентрацп напружень as = 1,0...3,35 в широкому д1апазош температур в1д 20 до 800 С i асиметри циклу навантажень в1д R = -1 до R =0. Показано, що режими термообробки (зниження температури стартня, збыьшення тривалостi термообробки) суттево впливають на короткочасш характеристики мiцностi сплаву. Для довготривалостей N = 5104 до 2107 при Тисп= 650' принциповог рiзницi в кривих БЦВ для гладких зраз^в в умовах асиметрй циклу навантаження R = 0 i R = -1 i МЦВ для R = -1 не спостергаеться.
Ключов1 слова: малоциклова втома МЦВ, багатоциклова втома БЦВ, сплави, що деформуються, гранульоваш сплави, концентращя напружень, асиметрiя циклу навантаження, границя ^m^^i БЦВ, гранична амплтуда напружень МЦВ для заданог довлготривалостi aN
Anatoliy Petuhov. Characteristics and features LCF and HCF deformability and granular alloy wheels for GTE if stress concentration in a wide range of temperatures
The analysis of the test results of experimental studies on low-cycle fatigue LCF loading at a frequency off < 10 Hz and high-cycle fatigue loading HCF at a frequency of > 10 Hz deformed and granulated nickel alloys for turbine engine turbine disks in the presence of stress concentration as = 1,0 ... 3,35 in a wide range of temperatures from 20 to 800 'C loading cycle and asymmetry of R = -1 to R = 0. It is shown that the conditions of heat treatment (aging temperature decrease, increasing the duration of heat treatment) is significantly affect short-term strength of the alloy characteristics. For durability N = 5104 to 2107 at Tev = 650° basic difference in HCF curves for smooth specimens in a loading cycle asymmetry R = 0 and R = -1 and LCF for R = -1 are observed.
Key words: low-cycle fatigue LCF, high-cycle fatigue HCF, wrought alloys, granular alloys, the stress concentration, the asymmetry of loading cycle, the endurance limit HCF, limiting the amplitude of voltage for a given LCF life a^
