CC BY
35
УДК 621.785.53
П. Д. Жеманюк, О. Л. Лукьяненко, Л. П. Степанова
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА
Аннотация: Рассмотрено влияние комплексного упрочнения лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8 на сопротивление ударному и усталостному разрушению.
Лопатки осевого компрессора вертолетного двигателя являются первыми деталями, которые соударяются с песком, градом и др. частицами, что в отдельных случаях вызывает разрушение кромок лопаток, появление эрозионных повреждений и может привести к усталостному разрушению.
Интенсивность протекания эрозионного процесса зависит в значительной мере от наличия износостойкого покрытия, подвергнутого деформационному упрочнению, для формирования благоприятных, с точки зрения сопротивления усталости, характеристик поверхностного слоя. Однако, до настоящего времени нет однозначного ответа на вопрос о взаимосвязи режимов комплексного упрочнения с прочностными характеристиками лопаток.
В связи с этим исследование эффективности комплексного способа защиты лопаток от эрозионного износа путем нанесения на перо тонкопленочных нитридтитановых покрытий, полученных на основе вакуум-плазменных технологий совместно с поверхностным пластическим деформированием, является актуальной задачей [1, 2].
Объектом исследования служили лопатки I ступени компресора двиг. ТВ3-117, у которых входная кромка и корыто в большей мере подвержены интенсивному эрозионному воздействию воздушного потока, содержащего твердые и жидкие частицы. В работе [3] установлено увеличение условного предела текучести и одновременное снижение пластических характеристик при нанесении нитридтитановых покрытий. Так ст0 2 увеличивается с 537 до 690 МПа, ств повышается с 945 до 1050 МПа, 8 снижается с 57 до 46 % (толщина покрытия ИЫ составляла 6,5 мкм). Это объясняется тем, что пленка имеет большую плотность и модуль упругости, равный Еп = 4,4105 МПа, и является дополнительным барьером, препятствующим выходу дислокаций на поверхность.
Целью работы являлось исследование влияния комплексной обработки (нитридтитановое покрытие и ультразвуковое упрочнение) пера лопаток I ступени компрессора на формирование характеристик поверхностного слоя, ударную прочность и сопротивление усталости.
Исследование характеристик поверхностного слоя лопаток связано с определёнными трудностями. Одним из перспективных направлений можно
© П. Д. Жеманюк, О. Л. Лукьяненко, Л. П. Степанова 2006 г.
считать применение и развитие метода кинетического макроиндентирования. Обнаружено, что непрерывное измерение одного из параметров испытания позволяет определять изменение модуля упругости и предела текучести материала по глубине приповерхностного слоя [4, 5]. Пластическая деформация при вдавливании локализуется в пределах определенных структурных элементов. При этом сопротивление контактным деформациям при постепенном непрерывном увеличении нагрузки на индентор отражает структурное состояние материалов на различных уровнях приповерхностного слоя [6].
Индентирование - это прежде всего контактное взаимодействие сопрягаемых тел, в результате которого формируется фактическая площадь контакта. В процессе изменения нагрузки на индентор происходит соответствующее изменение площади механического контакта. В процессе кинетического индентирования измеряемыми параметрами являются нагрузка на индентор, глубина вдавливания и время испытания.
Для исследования закономерностей упругопла-стического деформирования в процессе кинетического макроиндентирования была использована специальная экспериментальная установка, разработанная на кафедре физики Запорожского национального технического университета [5]. Особенностью созданной установки является совокупность следующих возможностей: непрерывное синхронное измерение времени испытаний, нагрузки, контактного электросопротивления (КЭС), термо-ЭДС контактного соединения в процессе нагружения и возможность варьирования параметрами режима нагружения в процессе испытаний.
С учетом жесткости испытательной машины фактическая глубина проникновения индентора в поверхностный слой для исследованных образцов составляла 48......153 мкм.
Условный предел текучести приповерхностного слоя определяли графическим способом по кривой в координатах «напряжение-деформация» с допуском на остаточную пластическую деформацию 0,02 %. Для проведения исследований по определению влияния комплексного упрочнения на изменение предела текучести были вырезаны образцы из пера лопаток (10x10) на расстоянии 30
мм от подошвы замка.
В табл. 1 и на рис. 1 и 2 представлены экспериментальные данные изменения упругопластичес-ких характеристик поверхностного слоя образцов после различных методов обработки. На рис. 1 показаны зависимости силы Р от глубины вдавливания Ь в виде ломаных линий. Отмечается нелинейность диаграммы Р(Ь) при малых нагрузках, когда приведенное напряжение в зане контакта близко к пределу упругости материала. В этом сказывается постепенность перехода от чисто упругой к упруго-пластической деформации. Кроме того, при очень малых глубинах вдавливания, достигающих всего нескольких мкм, на характере линии Р(Ь) и ее крутизне сказывается различие характеристик поверхностного слоя, текстуры и др. факторов [7].
Как видно из рис. 1 наибольшее значение силы вдавливания Р (Ь = 100 мкм) наблюдается у лопаток после упрочнения УЗУ (5 и 10 мин) с последующим нанесением нитридтитанового покрытия.
Значения усредненных значений пределов текучести (табл. 2) были получены из зависимости контактного напряжения от глубины индентирова-ния (рис. 2). Для всех значений напряжений текучести была принята глубина индентирования Ь = 100 мкм.
Как видно из табл. 1, наибольшие значения усредненного предела текучести, измеренные методом кинетического индентирования, получены при комплексном упрочнении пера лопатки.
р, н босо
тооо
600 и 5000 'ЛОА за по 2000 шею
2 у-
ь У
г к
га
чо
ьо
ВО
ШО
«20
СЛ Ь, мкм
Рис. 1. Зависимость силы от глубины индентировнаия после: 1 - ВП; 2 - ВП+УЗУ(5 мин)+КИБ; 3 - ВП+УЗУ(10 мин) +КИБ; 4 - отжига; 5 - ВП+КИБ; 6 - ВП+УЗУ(5 мин); 7 - ВП+УЗУ(10 мин)
<Рк, мпа
- г -о
- ь
- // \
О 20 40 60 80 100 120 П, мкм
ёк, МПа 1600
О 20 40 60 00 100 110 Ъ.кЖМ
Рис. 2. Зависимость контактного напряжения от глубины внедрения в приповерхностный слой лопатки после: 1 - отжига; 2 - ВП+УЗУ(5 мин); 3 - ВП+КИБ; 4 - ВП+УЗУ(10 мин); 5 - ВП; 6 - ВП+УЗУ(5 мин)+КИБ;
7 - ВП+УЗУ(10 мин)+КИБ
Таблица 1 - Усредненные значения предела текучести
Метод обработки а0!2, МПа Р7 70,2
Отжиг 910 1,0
ВП+УЗУ(5мин) 1340 1,47
ВП+КИБ 1250 1,37
ВП+УЗУ(10мин) 1380 1,52
ВП 1050 1,15
ВП+УЗУ(5мин)+КИБ 1475 1,62
ВП+УЗУ (10мин)+КИБ 1550 1,70
Для сравнительной оценки отделочно-упрочняю-щих методов (ВП, УЗУ) и комплексной обработки были исследованы структурно-фазовые изменения в поверхностном слое лопаток. Проведено изучение микроструктуры как самого материала лопатки, так и нит-ридтитанового покрытия. Для выявления структуры нитридтитанового покрытия образцы выдерживали в травителе продолжительное время, что приводило к перетравливанию границ между а- и р-фазами титановой основы сплава ВТ8. На рис. 3-6 показаны микроструктуры лопатки с покрытием, а также структура самого нитрида титана, выявленная после длительного травления.
Структура титановой основы лопатки характери-
зуется наличием зёрен а- и р-фаз, при этом в поверхностном слое лопатки зерна а-фазы имели более продолговатую, вытянутую форму вдоль оси лопатки по сравнению с внутренними слоями этих же образцов. Отличительная особенность структуры поверхностного слоя, по всей вероятности, связана с большей деформацией поверхности в процессе изготовления лопатки.
Слой покрытия нитрида титана имеет практически одинаковый характер по толщине после КИБ и предшествующего виброполирования. На рис. 3 и 4 с выявленной структурой покрытия видна характерная столбчатая форма кристаллитов в направлении их роста перпендикулярно поверхности лопаток, что подтверждает данные рентгеноструктур-ного анализа о наличии кристаллографической текстуры фазы нитрида титана.
Характерно, что для лопаток после комплексной обработки в такой последовательности ВП+КИБ+-УЗУ(10) в микроструктуре выявляются нарушения плотности покрытия вследствие его отслоения от поверхности лопатки (рис. 6, а, б). Следует отметить в микроструктуре этого же образца наличие сколов частичек покрытия, которые по-видимому, образовались в процессе растрескивания покрытия при изготовлении шлифа, что свидетельствует о повышенной хрупкости покрытия после обработки УЗУ на этом режиме.
б
Рис. 4. Микроструктура лопатки с покрытием после виброполирования (ВП+КИБ): а - поверхностный слой; б - поверхностный слой после перетравливания
б
Рис. 3. Микроструктура лопатки с покрытием после комплексной обработки ВП +УЗУ (10 мин): а - поверхностный слой; б - поверхностный слой после перетравлива-ния
б
Рис. 5. Микроструктура лопатки с покрытием после комплексной обработки (ВП+УЗУ(5мин)+КИБ): а - поверхностный слой; б - поверхностный слой после перетравливания
Известно, что напряжения во вращающихся лопатках суммируются алгебраически от силы удара, упрочнения и статических сил [8, 9]. При этом напряжения от центробежных сил обратны по знаку с остаточными сжимающими напряжениями, что благоприятно сказывается на прочности лопаток при соударении с инородным телом.
а
а
а
б
Рис. 6. Микроструктура поверхностного слоя лопатки с покрытием КИБ после виброполирования и последующей обработкой УЗУ (10 мин): а - поверхностный слой; б -поверхностный слой после перетравливания
В работе [10] приведены результаты испытаний на ударную прочность на центробежном копре, моделирующем условия соударения лопаток второй ступени компрессора из сплава ВТ8 с инородным телом. Установлено, что энергия удара бойка, затраченная на разрушение упрочненных лопаток на 41 % больше по сравнению с величиной энергии, затраченной на разрушение серийных лопаток (окончательная обработка - виброполирование). Характерно, что стабилизирующий отпуск, примененный для снятия остаточных сжимающих напряжений на упрочненных лопатках, привел к снижению энергии удара, необходимой для ударного разрушения.
Таким образом, упрочнение, а именно, остаточные сжимающие напряжения оказывают положительное влияние на ударную прочность лопаток компрессора, изготовленных из титановых сплавов.
Исследовали лопатки 1-й ступени компрессора (серийные и с различной наработкой) после отде-лочно-упрочняющей и комплексной обработки на специальном копре ударами бойка в сечения, расположенные на расстояниях 20 и 30 мм от подошвы хвостовика. После каждого метода обработки было испытано 3 лопатки.
Сопротивление лопаток ударному разрушению можно представить как энергию, состоящую из двух составляющих: работы деформации и работы разрушения. При этом предполагалось, что лопатка вначале деформируется, а затем разрушается без дальнейшей деформации. В действительности, часть лопаток с образовавшимися трещинами продолжала пластически деформироваться до разрушения после нанесения дополнительных
ударов. Работа деформации пропорциональна углу изгиба образца, который определяется по шкале на ударной установке. При испытаниях фиксировалась накопленная пластическая деформация по углу изгиба (ф, град.)с точностью ± 0,5°после каждого удара до полного разрушения или появления макротрещины. Экспериментальные значения изгиба лопаток представлены в табл. 2 и 3. В табл. 4 представлены средние значения углов изгиба, полученные в сечениях на расстояниях 20 мм от подошвы лопатки. На рис. 7 показано изменение углов пластического изгиба (1 = 30 мм) в зависимости от числа ударов; микроизломы испытанных лопаток представлены на рис. 8.
Полученные результаты ударных исследований свидетельствуют (табл. 2...4), что после всех видов отделочно-упрочняющей и комплексной обработки после второго (часть лопаток после третьего) удара в нижнее сечение (1 = 20 мм) часть лопаток пластически деформируется, а часть - деформируется с образованием трещины или разрушается. После первого удара только одна лопатка получила трещину, что свидетельствует о снижении ударной прочности после ультразвукового упрочнения в течение 10 мин.
Следует отметить, что наиболее прочными оказались серийные лопатки и лопатки с КИБ и УЗУ (5 мин) - ни одна лопатка не разрушилась после второго удара (1 =20 мм). При этом наибольший угол
изгиба (фх, град = 6,17°......7,33°) после первого
удара наблюдался у лопаток с покрытием ИЫ и с последующим ультразвуковым упрочнением. Эти лопатки оказались более пластичными, а менее пластичными оказались лопатки после УЗУ (10 мин). Практически после всех видов окончательной обработки пера, лопатки с трещинами пластически деформировались после третьего и четвертого ударов, что показывает их живучесть. Характерно, что после второго удара разрушались лопатки (появлялись трещины), обработанные УЗУ (10 мин) с последующим напылением ИЫ.
Таким образом, установлено, что ультразвуковое упрочнение в течение 10 мин снижает пластичность и сопротивление лопаток ударным нагрузкам; комплексная обработка УЗУ (5мин) + КИБ не приводит к снижению ударной прочности лопаток.
Другие результаты получены при ударных испытаниях бойком в верхнее сечение (1 = 30 мм).
Из рис. 7 видно, что наибольший угол пластического изгиба ф ° наблюдается у лопаток после УЗУ (5 мин) и ВП+КИБ.
Таблица 2 - Результаты ударных испытаний лопаток (1 = 20 мм от подошвы хвостовика)
Методы обработки ф1, град ф2, град фз, град ф4, град Примечание
6,5 10,5 15 -
Серийные (ВП) 6 9,5 14 17,5 п.р.
6 11,5 19 раз тр -
6,5 12 14
ВП+КИБ (верхняя половина пера) 6 12,5 тр - -
7 12 17,5 тр
5 7,5 10 17
ВП+УЗУ(5мин)+КИБ 4 7,5 9 п.р. п.р.
7 13,5 тр -
6,5 16,5 - -
ВП+УЗУ(10мин)=КИБ 6,5 10 14 18,5 п.р.
11 тр - - -
5 12 тр - -
ВП+УЗУ(10мин) 5 9 п.р. -
6,5 11,5 18 тр -
6 п.р. - -
ВП+УЗУ(5 мин) 6,5 12 п.р. п.р.
6 11 пр. пр.
7,5 13 п.р.
ВП+КИБ+УЗУ(5мин) 7,5 13 20,1 п.р.
7,0 12,5 пр.
6 12,5 тр -
ВП+КИБ 7,5 11 п.р.
7 12 17,5
Примечание: тр. - трещина; п.р. - полное разрушение.
Таблица 3 - Статистическая обработка результатов ударных испытаний лопаток (1 = 20 мм от подошвы хвостовика)
Методы обработки Ф1 град _* Ф2 г рад _* Ф3 град Ф4 град —Тр ф2 град —Тр Фз град —Тр Ф4 град Тр п2 % Тр пъ %
Серийные (ВП) 6,17 10,5 14 17,5 - 17 - - -
Серийные +КИБ, (верхняя половина пера) 6,67 12 - 15,75 - - -
ВП+УЗУ (5 мин) + КИБ 5,7 7,5 9,5 13,5 13,5 - - 33,3
ВП+УЗУ (10мин) + КИБ 6,5 10 14 18,5 16,5 - - 33,3
ВП+УЗУ (10мин) 5,5 10,25 12 18 - 6,7 100
ВП+УЗУ (5 мин) 6,17 11,5 16,5 - - - - 33,3
ВП+КИБ+УЗУ (5мин) 7,33 12,83 - - - - - - 100
ВП + КИБ 6,83 11,5 - - 12,5 17,5 - 33,3 66,7
Примечание: ф град - угол пластического изгиба после первого удара; ф2, град, ф*, град - углы пластического изгиба после второго и третьего ударов без учета разрушенных лопаток с образовавшимися трещинами; , град; фТр, град; ф^, град - углы пластического изгиба разрушенных лопаток и
лопаток с образовавшимися трещинами; п1^ , % - процентное отношение разрушенных лопаток и лопаток, получивших трещины, ко всем испытанным лопаткам после второго удара; пТр , % - то же после третьего удара.
Изломы лопаток после ударных испытаний ис- изломов осуществлялось 35-мм фотокамерой, ос-следовали с помощью микроскопа МБС-10 при нащенной специальной приставкой для макросъём-увеличении от 6 до 90. Фотографирование макро- ки.
Таблица 4 - Результаты ударных испытаний лопаток (1 = 30 мм от подошвы хвостовика)
Методы обработки Ф1, град Ф2, град Ф3, град Ф4, град
9 15 26
Серийные 9 8,5 17,5 16,5 34тр 27тр 32закл
Серийные + КИБ (верхняя половина пера) 10,5 11 12 19,5 20,5 23 27,5 28,5 32закл 34закл 36закл
11 19 27,5 34закл
ВП+УЗУ (5 мин) + КИБ 12 21 29 36,5закл
10 17,5 26 32закл
10 16 26,5 36,5закл
ВП+УЗУ(10мин) + КИБ 11,5 11 13,5тр 18,5 21,5 35,5закл
11 20 29закл
ВП+УЗУ (10мин) 10 11 20тр 19 29тр 28 35,5закл
12 24 31,5
ВП+УЗУ (5мин) 11 13 21 23 31Тр 32закл
ВП+КИБ+УЗУ (5мин) 11 11 23 19 28Тр 25 31закл
10 18 24 32закл
10 18 32,5тр
ВП+КИБ 12 21 30закл
11 19 32тр
Примечание: тр - трещина; п.р. - полное разрушение; закл - заклинивание.
30
20
> ;'Я
■А
/ у
/ У
<» п
Рис. 7. Изменение угла пластического изгиба после: 1 - ВП (серийные); 2 - ВП+УЗУ(5 мин); 3 - ВП+УЗУ(10 мин); 4 - ВП+КИБ+УЗУ(5 мин); 5 - ВП+КИБ (половина пера); 6 - ВП+УЗУ(5 мин)+КИБ; 7 - ВП+УЗУ(10 мин)+КИБ;
8 - ВП+КИБ
Изучение изломов разрушенных лопаток показало, что макроизломы состояли их двух зон: зоны с радиальными рубцами и зоны долома, имеющей вид тонкой малорельефной полосы, повторяющей очертания сечения лопатки со стороны спинки (рис. 8).
Рис. 8. Характерные зоны макроизломов лопатки ВП+УЗУ (5 мин): 1 - зона долома, 2 - зона радиальных рубцов
ВП + УЗУ (10 мин) + КИБ
ВП+КИБ
Рис. 9. Макроизломы лопаток ГТД
Известно, что радиальные рубцы на поверхности излома располагаются в направлении, перпендикулярном фронту распространения трещины. Поэтому центр или очаг разрушения можно определить продолжением радиальных рубцов до их пересечения. Определенные по указанной методике очаги разрушения находились для всех исследованных лопаток вблизи узкой кромки лопатки со стороны корыта (рис. 9).
Наличие очага разрушения в вышеуказанной зоне подтверждается конфигурацией трещин в лопатках, разрушенных не до конца, без разделения на две части (рис. 9).
Рис. 9. Трещины в лопатках после ударного нагружения
С помощью микроскопа МБС-10 (цена деления 0,05 мм) была измерена ширина зоны долома в изломах, упрочненных по различным вариантам. Измерялась максимальная и минимальная толщина, результаты измерений приведены в табл. 5.
Таблица 5 - Ширина зоны долома в изломе лопаток
Метод упрочнения Ширина зоны долома, мм
min max
УЗУ (5 мин)+КИБ 0,25 0,40
КИБ + УЗУ (5 мин) 0,45 1,00
ВП+УЗУ (10 мин) 0,15 0,30
ВП+УЗУ (10 мин) + КИБ 0,20 0,45
ВП+КИБ 0,20 0,50
ВП 0,15 0,50
ВП + УЗУ(5 мин) 0,10 0,40
«Па
1 1
4 (1 • *
Ф1 T * Ji L
! 1
\ 0 T' i
Ю1 10» в' 10' и, чи^
Рис. 10. Кривые усталости лопаток компрессора 1-й ступ. двиг. ТВ3-117 после: 1 - ВП+УЗУ (5 мин) +КИБ; 2 - ВП + КИБ верхней половины пера
Для оценки эффективности комплексного упрочнения на усталость по стандартной методике (база 100 млн циклов) лопаток с нитридтитановым покрытием ИЫ (предварительно обработанных ВП+УЗУ (5 мин) и серийных лопаток с покрытием ИЫ верхней половины пера после виброполирования без УЗУ (рис. 10). Как видно из рис. 10, предел выносливости лопаток после комплексной обработки достиг 620 МПа, что на 19 % выше, чем у серийных лопаток.
Таким образом, проведенные исследования показали эффективность комплексной обработки (нитридтитановое покрытие с предшествующим ультразвуковым упрочнением - 5 мин) лопаток компрессора двиг. ТВ3-117.
Список литературы
1. Комплексное упрочнение лопаток компрессора ./Богуслаев В.А., Жеманюк П.Д., Яценко В.К. и др. - Вестник двигателестроения, 2002. - №1 - С. 96-100.
2. Богуслаев В.А. Бень В.П., Яценко В.К. и др.
Восстановление несущей способности лопаток компрессора технологическими методами // Новi матерiали i технологи в металурги та ма-шинобудуваны, 2003. - №1. - С. 72-76.
3. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных материалов. - М.: Наука, 1983.
- 280 с.
4. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1963. - 232 с.
5. Серпецкий Б.А., Лоскутов СВ., Левитин В.В. и др. Повышение точности и производительности рентгенодифрактометрических измерений макроскопических напряжений //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Физические методы исследования и контроля, 1998.
- № 3 - С. 28-31.
6. Формирование характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора комплексной обработкой. Богуслаев В.А., Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Бень В.П., Лоскутов С.В. // Вестник двигателестроения, 2003. - № 1. - С. 41-46.
7. Дрозд М.С. Определение механических сводов металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965. - 243 с.
8. Жуков В.Б., Бень В.П., Яценко В.К. Влияние деформационного упрочнения на ударную прочность лопаток компрессора // Технологические системы, 2003 " № 1. - С. 3641.
9. Жуков В.Б., Пухальская Г.В. Влияние упрочнения на ударную прочность лопаток компрессора // Приднтровський науковий вюник, 1998. - № 115(182). - С. 33-43.
10. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Притченко В.Ф. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД // Изд. фирма "Манускрипт", Киев, 1993. - 332 с.
Поступила в редакцию 01.02.2006 г.
Анота^я: Розглянуто вплив комплексного зм1цнення лопаток компресора 3 титанового сплаву ВТ8 на опр ударному i втомному руйнуванню.
Abstract: Considered is the influence of complex strengthening compressor blades from titanium BT8 alloy on impact resistance and fatigue failure.
