CC BY
128
УДК 621.892
Н.Б. Кротинов
ПОВЕРХНОСТНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Изложены способы поверхностного пластического упрочнения лопаток газотурбинных двигателей и результаты усталостных испытаний.
Ультразвуковое упрочнение свободными шариками, термопластическое упрочнение, лопатки газотурбинных двигателей, предел прочности
N.B. Krotinov
STRENGTHENING SURFACE PLASTIC BLADES IN GAS TURBINE ENGINES
The article describes the methods for surface hardening of plastic blades in gas turbine engines, and the results of fatigue tests.
Ultrasonic hardening of loose beads, thermoplastic hardening, blades of gas turbine engines, the tensile strength
Современная авиационная и газоперекачивающая отрасли широко используют в своей работе газотурбинные двигатели (ГТД). Основой этих двигателей является лопаточный аппарат, преобразующий энергию расширения газов сгораемого топлива в крутящий момент. Высокая температура газов, частички абразива, вибрация, воздействие центробежной силы и прочее приводят к значительным нагрузкам основных деталей двигателя и скорому их износу.
К основным деталям ГТД относятся лопатки. Они изготавливаются из дорогостоящих жаропрочных материалов, имеют сложную геометрию, высокие требования к точности и шероховатости поверхности, к погрешности балансировки и пр. Всё это определяет высокую стоимость их изготовления. Кроме того, воздействие высоких рабочих температурных и механических нагрузок ограничивает их ресурс до 12 тыс. часов эксплуатации, по истечении которых требуются их замена или восстановительный ремонт в больших количествах (90 шт. в одной ступени). Это, в свою очередь, определяет высокую стоимость их эксплуатации. Кроме того, нельзя забывать об исключительной ответственности лопаток, поломка которых в турбине приводит к катастрофическим последствиям. Поэтому особое внимание уделяется вопросам надежности как при производстве, так и при эксплуатации ГТД.
Увеличить долговечность и надёжность деталей ГТД можно различными способами, одним из которых является поверхностное упрочнение на финишных операциях изготовления и восстановительного ремонта. В связи со сложной геометрией и высокими требованиями к качеству поверхности технолог имеет в своём распоряжении очень ограниченную номенклатуру способов поверхностного пластического деформирования (ППД). Среди них наилучшим образом зарекомендовало себя ультразвуковое упрочнение свободными шариками (УЗУ).
Сущность УЗУ заключается в воздействии ультразвуковых колебаний на шарики, которые, колеблясь между корпусом контейнера и деталью, пластически её деформируют. Макрогеометрию детали УЗУ не меняет, микрогеометрию незначительно увеличивает. Его основные преимущества по сравнению с другими методами ППД, следующие:
- большая скорость шариков, приводимых в движение ультразвуковым резонатором, что обеспечивает высокую производительность процесса;
- равномерное упрочнение поверхности всей детали, имеющей сложную форму.
Наряду с этим способом используется также термопластическое упрочнение (ТПУ), предложенное проф. Б.А. Кравченко. Механизм формирования напряжений при ТПУ следующий. Деталь прогревается до температуры, не превышающей фазовых и структурных переходов (точка АсЗ), затем подвергается резкому душевому охлаждению. За счет разности температур поверхности и внутреннего слоя возникают термические напряжения, превышающие предел текучести, и поверхность пластически деформируется в расширенном объеме, тогда как внутренний слой еще находится в
разогретом состоянии и деформациям не подвержен. Далее, постепенно остывая, сжимается внутренний (основной) слой металла, сдавливая при этом поверхность. За счет различного удельного объема наружных и внутренних слоев формируются сжимающие остаточные напряжения. ТПУ воздействует на поверхность стрессом от резкого перепада температур, схожим с закалкой, однако в отличие от последней структура и фаза материала не изменяются. Макро- и микрогеометрию детали при условии соблюдения технологии этот способ не меняет.
Статистика выхода из строя лопаток говорит о преимущественно усталостном разрушении как верхней части (пера), так и нижней (замка) [1]. Причиной являются циклические напряжения, возникающие от неравномерного воздействия потока газа и недостаточной уравновешенности турбины. Противостоять этому помогают остаточные напряжения сжатия, сформированные упрочняющей обработкой. Они увеличивают сжимающие и уменьшают растягивающие напряжения симметричного цикла. Так как большинство жаропрочных сплавов являются неравнопрочными (предел прочности при сжатии выше, чем при растяжении), смещение цикла в сторону больших суммарных сжимающих напряжений увеличивает усталостную прочность.
Исходя из вышесказанного, лопатки обязательно испытывают на предел выносливости, нагружая симметричным циклом, на стендах, имитирующих работу турбины.
Для сравнения УЗУ и ТПУ были проведены усталостные испытания лопаток первой ступени турбины высокого давления газоперекачивающего комплекса ГТК10-4 (см. рис. 1 [2]).
а
с
е
к
р
с
а н е о н
с;
а
о
х
Рис. 1. Результаты испытаний лопаток первой ступени (материал ЭИ893) на многоцикловую усталость: 1 - исходные (не восстановленные) лопатки; 2 - лопатки, восстановленные при помощи УЗУ; 3 - лопатки, восстановленные при помощи ТПУ
Лопатки прошли восстановительный ремонт после эксплуатации по нескольким технологическим вариантам:
1) исходные (не восстановленные) лопатки;
2) лопатки, восстановленные по ремонтной технологии ПТП «Самарагазэнергоремонт», включающей устранение забоин путём их заплавки, подварку пластин на торце пера, термообработку (выдержка 5 часов при температуре печи 840...850 °С, охлаждение с печью до температуры 500°С, затем охлаждение на воздухе), полировку и ультразвуковое упрочнение свободными шариками (время обработки тобр.=4 мин, диаметр шариков 1 мм, частота колебаний f = 20 кГц, амплитуда колебаний £,=0,012 мм, масса шариков т = 0,3 кг);
3) лопатки, восстановленные по ремонтной технологии, предложенной исследователями Сам! ТУ, отличающейся от предыдущей только тем, что использовалось не ультразвуковое, а термопластическое упрочнение (температура нагрева ТШгр =750°С, давление охлаждающей жидкости Рохл=0,5 МПа).
В результате предел выносливости по первому варианту составил 140 МПа, по второму - 220 МПа, по третьему - 280 МПа, что говорит о несомненном преимуществе ТПУ в данных условиях.
Однако в эксплуатации наиболее важным является сохранение предела выносливости на допустимом уровне. Известно, что остаточные напряжения под воздействием высоких температур и механических нагрузок с течением времени релаксируют. Снижается, в свою очередь, и предел выносливости. Поэтому с лопатками исследования усталостной прочности были продолжены уже в условиях натурных испытаний.
На турбину высокого давления газоперекачивающего агрегата установили полный комплект лопаток (90 шт.), восстановленных по технологии СамГТУ. Затем через определённый период наработки турбина останавливалась, лопатки диагностировались на наличие дефектов, при необходимости
69
восстанавливались и возвращались в двигатель. Часть лопаток (по 12 штук) направлялась в лабораторию на исследования. Результаты исследований циклической прочности представлены на рис. 2 и 3.
го с
о
е
е
*
к а.
е
о
с; го
о X
500 400 300 200 100 0
2,5106
107 2,0 107 Число циклов, N
Рис. 2. Результаты испытаний на многоцикловую усталость лопаток первой ступени (материал ЭИ893): 12349 ч.н.+ТПУ+12186 ч.н.
а
С
е и н е
*
я
а н е о н ь л а н и
Я
о
Я
00
00
00
00
00
106 2,5 106 5 106 107 2,0 107
Число циклов, N
Рис. 3. Результаты испытаний на многоцикловую усталость лопаток первой ступени (материал ЭИ893): 12349 ч.н.+ТПУ+12186 ч.н.+ТПУ+6622 ч.н.
Исходя из этих данных, предел выносливости лопаток, упрочнённых ТПУ и прошедших эксплуатационный цикл 12186 часов наработки, не только не снизился, но даже возрос по сравнению с первоначальным (280 МПа и 320 МПа). Проф. Б.А. Кравченко объяснял это явление «эффектом тренировки» [3]. Напряженное поле, сформированное упрочняющей обработкой, создает барьер движению дислокаций к поверхности. Накапливаясь в подповерхностном слое, дислокации блокируют друг друга, препятствуя выходу на поверхность дислокационных нарушений, которые, как правило, являются очагами начальных трещин. Этот механизм поверхностной блокировки содействует повышению циклической прочности даже после того, когда остаточные напряжения релаксируют.
После дальнейшей эксплуатации в 6622 часа часть лопаток снова подверглась испытаниям, в результате которых выяснилось, что предел выносливости лопаток снизился до 260 МПа (рис. 3). Минимально допустимое значение предела выносливости лопаток этих агрегатов согласно ТУ составляет 240 МПа. Таким образом, после 31157 часов наработки усталостная прочность испытываемых лопаток не только не снизилась до предельно допустимого значения, но и находилась на уровне новых лопаток, упрочняемых УЗУ.
Исходя из вышеприведённых данных, термопластическое упрочнение доказало своё преимущество в реальных условиях эксплуатации и может быть рекомендовано как в случае восстановления их работоспособности, так и при производстве новых лопаток.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сулима А.М. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов / А.М. Сулима, М.И. Евстигнеев. М.: Машиностроение, 1974. 256 с.
2. Круцило В.Г. Увеличение сопротивления усталости лопаток газотурбинных двигателей термопластическим упрочнением / В.Г. Круцило, Н.Б. Кротинов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы доклада Междунар. науч.-техн. конф., 28-30 июня 2011 г.: в 2 ч. Ч. 1. Самара: СГАУ, 2011. С. 169-170.
3. Кравченко Б.А. Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей машин: монография / Б.А. Кравченко, В.Г. Круцило, Г.Н. Гутман. Самара: СамГТУ, 2000.
216 с.
Кротинов Николай Борисович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные станочные и инструментальные системы» Самарского государственного технического университета
Nikolay B. Krotinov -
Ph. D., Associate Professor Department of Automated Machine and Tooling Systems, Samara State Technical University
Статья поступила в редакцию 12.07.14, принята к опубликованию 25.09.14
