CC BY
41
УДК 621.515.5-2
Г. В. Пухальская, А. Д. Коваль, С. В. Лоскутов, И. Л. Гликсон, Л. П. Степанова, О. Л. Лукьяненко
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ШАРИКАМИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Иисследовано влияние обработки лопаток компрессора из титановых сплавов стальными шариками в магнитном поле на параметры поверхностного слоя и прочностные характеристики лопаток. Установлено формирование благоприятных характеристик поверхностного слоя по сравнению с лопатками, упрочненными по серийной технологии. Предложенный способ упрочнения лопаток компрессора с тонкими кромками позволяет дифференцированно обрабатывать перо лопатки без искажения ее геометрии. Упрочнение лопаток стальными шариками в магнитном поле позволяет значительно повысить прочностные характеристики лопаток: предел выносливости повышается на 24 % по сравнению с лопатками, упрочненными УЗУ по серийной технологии.
Введение
Одним из сравнительно простых и эффективных методов оптимизации свойств поверхностного слоя деталей является поверхностное пластическое деформирование (ППД), позволяющее при минимальных затратах повысить сопротивление усталости [1]. Наибольший положительный эффект от ППД проявляется у деталей с концентраторами напряжения, эксплуатирующихся при умеренных температурах. Выбор метода ППД определяется конструкцией и размерами детали, требованиями, предъявляемыми к точности геометрических параметров детали и шероховатости поверхности, условиями эксплуатации и ресурсом. Применяемые в настоящее время методы поверхностного упрочнения лопаток ГТД имеют свои преимущества и недостатки, существенно отличаясь друг от друга способом упрочняющего воздействия и эффективностью [1-3].
В лопатках компрессора, имеющих тонкие кромки, достичь значительного повышения предела выносливости за счет применения интенсивных способов поверхностного упрочнения не удается, а в некоторых случаях при толщине кромок 0,2...0,3 мм имеет место снижение сопротивления усталости за счет повреждения кромок из-за сквозного наклепа, способствующего снижению пластических свойств материала [4].
Такая финишная обработка, как ультразвуковое упрочнение (УЗУ), применяемая в серийном производстве, не позволяет полностью достигнуть высоких показателей параметров выносливости. Это связано с тем, что после ультразвукового упрочнения в результате перенаклепа при соударении шариков с тонкими кромками на них образуются заусенцы, для устранения которых при-
меняется ручное полирование. Ручное полирование кромок значительно увеличивает трудоемкость изготовления лопаток, приводит к перераспределению остаточных напряжений и созданию на кромках поперечных рисок — технологических концентраторов напряжений. Это приводит в конечном итоге к резкому снижению эффективности ультразвукового упрочнения и в отдельных случаях к разупрочнению отдельных участков кромок лопаток.
В связи с этим особую значимость приобретает выбор рационального метода упрочнения лопаток компрессора из титановых сплавов, имеющих тонкие кромки, обеспечивающий следующие требования: недопустимость изменения геометрии лопатки; равномерность упрочнения по длине пера лопатки, исключая перенаклеп кромок; исключение ухудшения шероховатости поверхности.
На пути развития методов ППД на кафедре физики Запорожского национального технического университета была разработана лаборатор-но-экспериментальная установка для упрочняющей обработки поверхностей деталей машин стальными шариками в магнитном поле . Между полюсами электромагнита, который питается от источника постоянного тока, размещаются стальные шарики, которые при создании магнитного поля образуют квазиупругую среду, свойства которой можно варьировать, изменяя индукцию магнитного поля. При движении лопатки через рабочую зону стальные шарики взаимодействуют с поверхностью лопатки, оказывая при этом определенное контактное давление, в результате чего поверхностный слой пластически деформируется.
© Г. В. Пухальская, А. Д. Коваль, С. В. Лоскутов, И. Л. Гликсон, Л. П. Степанова, О. Л. Лукьяненко, 2009
Изучению влияния обработки лопаток из титановых сплавов стальными шариками в магнитном поле на формирование параметров поверхностного слоя и прочностные характеристики лопаток и посвящена данная работа.
Методика проведения экспериментов
Целью работы являлось изучение структурных и прочностных характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора из титановых сплавов, упрочненных стальными шариками в магнитном поле.
В качестве объекта исследований выбраны лопатки VI ступени компрессора двигателя Д-36 из титанового сплава ВТ3-1, имеющие наработку в эксплуатации и лопатки, обработанные по серийной технологии. Для устранения влияния эксплуатационных воздействий лопатки отожгли в вакууме (3,32 ± 0,05)10-3 Па при температуре (900 ± 3) °С в течение трех часов.
Микроструктуру изучали на сечениях образцов, вырезанных из лопаток, а также исследовалась микроструктура поверхностного слоя лопаток после различных режимов обработки. Для травления использовали раствор: 20 % ИБ, 20 % ИМ03 и 60 % воды. Исследования проводились на микроскопе МИМ-8 при увеличении 800 раз. Измерение параметров Иа и ^ выполняли с помощью профилометра «Рейошйег М3» вдоль оси и хорды пера лопатки. Замеры микротвердости производили на приборе ПМТ-3 при нагрузке на алмазную пирамиду 1 Н. Величину микротвердости определяли как среднее значение по десяти отпечаткам правильной формы. Степень наклепа рассчитывали по формуле [5]:
Н - Н
тг _ 21цтах -^цисх и н ~
Н
где Н
ц тах
цисх
микротвердость исследуемой по-
верхности, МПа; Нцисх — микротвердость поверхности эталона.
Исследование остаточных макронапряжений
на пере лопаток производили механическим методом, разработанным акад. Н. Н. Давиденковым с использованием формул из работы [6] для построения эпюр и прибора ПИОН-2.
Фрактографическое исследование проводили на оптическом стереоскопическом микроскопе МСП-2 и растровом электронном микроскопе 18М-Т300.
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 испытыва-
ли в резонансном режиме до появления макротрещины длиной 1-3 мм, что соответствовало падению частоты собственных колебаний на 2-3 %.
Результаты и их обсуждение
Принципиальная схема лабораторно-экспе-риментальной установки для упрочняющей обработки поверхностей деталей машин стальными шариками в магнитном поле представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки для обработки лопаток стальными шариками в магнитном поле:
1 — электромагнит; 2, 6 — источник тока; 3 — стальные шарики; 4 —лопатка; 5 — генератор механических колебаний
В качестве рабочих тел использовали шарики из стали ШХ15 диаметром 0,36, 0,63, 1,6 и 2,3 мм. Варьировалось время обработки, диаметр и количество шариков. Было произведено упрочнение восьми партий по 3 лопатки в каждой. Режимы обработки приведены в табл. 1.
Поскольку остаточные сжимающие напряжения и характер залегания их в поверхностном слое косвенно характеризуют сопротивление усталости лопаток, из каждой партии лопаток для исследований остаточных напряжений было отобрано по одной лопатке. С помощью механического метода были получены эпюры распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя спинки лопаток (рис. 2).
Как видно из рис. 2, наибольшие значения остаточных напряжений были получены в результате комплексной обработки лопаток 79, 65, 56.
В табл. 2 представлены результаты измерений параметров шероховатости спинки после обработки лопаток на различных режимах.
Наименьшие значения параметров шероховатости, измеренных вдоль оси, у лопаток 79, 65, 56 после комплексной обработки шариками, а также у лопаток 8 и 34. Увеличение измеренных вдоль хорды параметров шероховатости у лопаток 79 и 56, по сравнению с исходным состоянием, можно объяснить наличием поперечной составляющей колебаний, которая оказывает влияние на качество поверхностного слоя в направлении хорды.
Результаты исследований микроструктуры представлены на рис. 3.
Таблица 1 — Режимы обработки лопаток
Номер лопатки Параметры режима обработки
Обозначение режима обработки Сечение магнитопровода В, Тл d, мм V, Гц 2а, мм т, мин
7 Исходное состояние
56 1 КВ 0,32 2,3 50 5 10
2 КВ 0,32 1,6 50 5 10
3 УК 0,29 0,63 50 5 10
65 4 КВ 0,32 2,3 50 5 20
5 УК 0,29 0,63 50 3 20
79 6 КВ 0,32 1,6 50 5 25
3 УК 0,29 0,63 50 5 10
76 7 УК 0,29 0,63 50 3 30
39 8 КВ 0,32 1,6 50 5 30
63 9 КВ 0,32 2,3 50 5 15
8 10 УК 0,29 0,36 50 3 30
34 11 КВ 0,32 1,6 50 5 30
Примечание. КВ — квадратное сечение магнитопровода, 35'х35 мм2, рабочая зона — 35x35x13,5 мм3; УК — сечение магнитопровода — усеченный конус, с меньшим диаметром 6 мм и расстоянием 10,5 мм; В — индукция магнитного поля в рабочей зоне электромагнита при отсутствии шариков, Тл; й — диаметр шариков, мм; V — частота колебаний лопатки вдоль оси пера, Гц; а — амплитуда колебаний лопатки, мм; 7 — время обработки, мин. При обработке лопаток с номерами: 56, 65, 79, 76, 39, 8 дополнительно возбуждали колебания лопатки в направлении хорды.
+□, МПа
100 -,
-600 -I ■О, МПа
Рис. 2. Распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя лопаток после обработки шариками в магнитном поле: номера эпюр соответствуют номерам лопаток
Таблица 2 — Результаты измерения параметров шероховатости поверхностного слоя лопаток, обработанных стальными шариками в магнитном поле
Номер лопатки 7 56 65 79 76 39 63 8 34
Вдоль оси Иа, мкм 0,234 0,096 0,188 0,133 0,187 0,195 0,177 0,137 0,089
Иг, мкм 2,27 0,68 1,46 0,76 1,21 1,48 1,99 1,62 0,63
Вдоль хорды Иа, мкм 0,316 0,478 0,273 0,64 0,211 0,344 0,25 0,186 0,434
Иг, мкм 3,16 2,79 1,78 3,2 1,46 2,48 1,84 1,53 2,14
Рис. 3.
а -
исходи.
Микроструктура лопаток после обработки, х 800: в сечении лопатки; б — поверхностного слоя
Следует отметить значительные изменения в структуре поверхностного слоя толщиной около 20 мкм после обработки лопаток стальными шариками диаметром 2,3 мм (лопатка № 63). Наблюдаются деформированные зерна, что свидетельствует о сильной деформации поверхностного слоя. Обработка шариками меньшего диаметра не вносит существенных изменений в микроструктуру поверхностного слоя.
При комплексной обработке лопаток № 56, 65, 79 получена благоприятная эпюра остаточных напряжений - величина напряжений порядка 400-450 МПа, глубина залегания около 80 мкм; а также наименьшие значения параметров шероховатости вдоль оси лопатки; при этом анализ микроструктуры показал умеренную деформацию зерен поверхностного слоя. Обработка лопаток по режиму № 8 (лопатка № 39) обеспечивает наибольшую глубину залегания остаточных напряжений сжатия — около 100 мкм.
Исходя из проведенных исследований были выбраны режимы упрочнения (табл. 3), обеспечивающие приемлемые параметры шероховатости поверхностного слоя, максимальную величину и глубину залегания остаточных напряжений сжатия. Для оценки стабильности обработки и влияния комплексной обработки на характеристики поверхностного слоя на лабораторно-эксперимен-тальной установке обработаны три партии лопаток. Режимы обработки приведены в табл. 3.
При исследовании наклепа определяли микротвердость поверхностного слоя корыта лопаток. Результаты исследований представлены в табл. 4.
Результаты измерения микротвердости показывают, что степень наклепа увеличивается от 17 до 39 % в зависимости от режима обработки лопаток. Также можно отметить, что с увеличением уровня остаточных напряжений сжатия на поверхности - увеличивается величина микротвердости, и соответственно, степень наклепа (№ 59, 58).
Распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя спинки лопаток (рис. 4) показывает, что наибольшие значения остаточных напряжений сжатия были получены на лопатках, обработанных по режимам 1 и 3 (№ 59 и 58). Также по характеру полученных эпюр можно отметить нестабильность обработки.
В табл. 5 представлены результаты измерений параметров шероховатости корыта после обработки лопаток на различных режимах.
На всех лопатках наблюдается уменьшение параметров шероховатости, измеренных вдоль оси лопатки и увеличение вдоль хорды, по сравнению с исходным состоянием. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости полной механизации процесса обработки, так как колебания лопатки вдоль хорды производились вручную.
а
Таблица 3 — Режимы обработки лопаток
Обозначение режима обработки Параметры режима обработки
Номер лопатки Сечение магнитопровода B, Тл d, мм V, Гц 2a, мм т, мин
1 3,59,25,39 КВ 0,32 1,6 50 5 30
2 69,90,79 КВ 0,32 1,6 50 5 15
УК 0,29 0,63 50 5 5
3 58 КВ 0,32 1,6 50 5 15
УК 0,29 0,63 50 5 10
Примечание. КВ — квадратное сечение магнитопровода, 35x35 мм2, рабочая зона — 35x35x13,5 мм3; УК — сечение магнитопровода - усеченный конус, рабочая зона — 0 6x10,5 мм. При обработке дополнительно возбуждали колебания лопатки в направлении хорды.
Таблица 4 — Результаты исследований микротвердости поверхностного слоя лопаток
Номера лопаток Н, МПа U„,%
исходная 3321 -
59 4141 25
25 3890 17
69 3950 19
58 4608 39
+G, мПз
100
о -
Ii
■100
-200
■300
-400
-500
■600 -CT, МПз
Рис. 4. Распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя лопаток после обработки шариками в магнитном поле: номера эпюр соответствуют номерам лопаток
Таблица 5 — Результаты измерения параметров шероховатости поверхностного слоя лопаток, обработанных стальными шариками в магнитном поле
Номе р лопатки исх. 3 59 25 39 69 90 79 58
Вдоль оси Ra, мкм 0,351 0,297 0,149 0,268 0,195 0,241 0,243 0,133 0,254
Rz, мкм 2,95 2,54 0,9 1,59 1,48 1,64 1,43 0,76 1,59
Вдоль хорды Ra, мкм 0,291 0,566 0,426 0,44 0,344 0,657 0,413 0,64 0,513
Rz, мкм 2,82 4,1 2,12 2,43 2,48 3,6 2,14 3,2 2,89
Следует также отметить недостаточную обработку прикорневого участка, связанную с трудностью доступа рабочих тел в зону перехода пера лопатки к замку и возникновение зазоров, образующихся при движении лопаток.
Для оценки эффективности обработки лопаток компрессора стальными шариками в магнитном поле быша разработана и изготовлена опытно-промышленная установка с широким диапазоном варьирования параметров процесса (индукция магнитного поля, частота перемещений лопатки, диаметр шариков), влияющих на характеристики поверхностного слоя: шероховатость, степень наклепа, величину и глубину распространения остаточных напряжений. Для устранения отмеченных выше недостатков процесс обработки лопаток был полностью механизирован, изготовлены регулируемые сердечники в форме усеченного конуса из стали 9ХС (закалка до НЯС 55...60), которые концентрируют силовые линии магнитного поля в рабочей зоне, уплотняя рабочую среду и устраняя зазоры.
На опытно-промышленной установке были обработаны две партии лопаток, окончательно
обработанных виброполированием, по режиму № 1 (режим подобран экспериментально в процессе апробации установки исходя из условия полной и равномерной обработки пера лопатки, получения максимально благоприятной эпюры распределения остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое и микрогеометрии поверхности, соответствующей полированию). В лопатках одной партии (№ 20) перо обработано полностью; во второй партии (№ 33) обработана только прикорневая часть (зона действия максимальных вибронапряжений в эксплуатации). Для сравнения в качестве конкурирующей обработки использовали ультразвуковое упрочнение шариками (лопатки с наработкой и серийные). Режим обработки приведен в табл. 6.
Для избежания нарушения геометрии лопаток после обработки был произведен контроль исследуемых лопаток на приборе ПОМКЛ — 4 в различных сечениях.
На рис. 5 представлены эпюры распределения остаточных напряжений после соответствующей обработки.
Таблица 6 — Режим обработки лопаток
Обозначение режима обработки Параметры режима обработки
Номер лопатки Сечение магнитопровода В, Тл d, мм V, Гц 2а, мм т, мин
1 33;20 УК 0,52 1,6 15 16 30
УК 0,52 0,63 15 16 7
Примечание. УК — сечение магнитопровода — усеченный конус, рабочая зона — 06x7 мм. При обработке дополнительно возбуждали колебания лопатки в направлении хорды. СОЖ — масло индустриальное. Процесс упрочнения лопаток производили при включенном вентиляторе: обдувку катушек производили постоянно.
+ 0, МПа
ч
^ 4 а о ф и изо
чз
-СУ, МПа
Рис. 5. Распределение остаточных напряжений в лопатках после: 1 — ВП, 2 — ВП+УЗУ(серия); 3 — ВП+обработка по режиму №1; 4 — ВП+УЗУ (с наработкой)
Как видно из рис. 5, упрочнение стальными шариками в магнитном поле формирует в поверхностном слое пера лопаток благоприятную эпюру остаточных напряжений сжатия величиной до 380 МПа и глубиной залегания до 200 мкм, тогда как ультразвуковое упрочнение лопаток по серийной технологии обеспечивает уровень напряжений до 330 МПа на поверхности и глубиной до 40 мкм. Известно, что остаточные напряжения сжатия повышают сопротивление усталости сталей и сплавов, поэтому с помощью отде-лочно-упрочняющих операций стремятся управлять уровнем и характером эпюр остаточных напряжений, распределенных по сечению пера лопаток. Исходя из вышеизложенного можно предположить, что упрочнение лопаток компрессора стальными шариками в магнитном поле позволит повысить сопротивление лопаток усталостному разрушению.
Шероховатости поверхности являются технологическими концентраторами напряжений и существенно влияют на сопротивление усталости деталей. Установлено, что повышение высоты неровностей примерно в шесть раз приводит к увеличению технологического коэффициента концентрации напряжений почти в два раза [7].
В табл. 7 представлены результаты измерений параметров шероховатости лопаток (спинка), упрочненных по серийной технологии.
В табл. 8 представлены результаты измерений параметров шероховатости лопаток с наработкой (спинка и корыто), обработанных на опытной установке.
Исследование шероховатости серийных лопаток позволяет сделать вывод, что ультразвуковое упрочнение шариками не приводит к существенному улучшению параметров шероховатости. На всех лопатках, обработанных на опытно-промышленной установке, наблюдается значительное улучшение параметров шероховатости (вдоль оси и вдоль хорды) по сравнению с серийной технологией, а также в 2-3 раза происходит снижение параметров шероховатости по сравнению с исходными (ВП) лопатками. Также следует отметить, что улучшение качества поверхностного слоя происходит как по спинке, так и по корыту (как в направлении оси, так и в направлении хорды), что говорит о равномерности и стабильности процесса обработки (табл. 7, 8; рис. 6, 7).
Результаты измерения микротвердости (табл. 9) показывают, что степень наклепа увеличивается на 20 % (№ 33 — обработка только прикорневой части). Упрочнение всего пера (№ 20) приводит к повышению степени наклепа до 43 %. Упрочнение по серийной технологии приводит к повышению микротвердости поверхностного слоя на 33 %.
Для оценки влияния обработки лопаток стальными шариками в магнитном поле на усталостную прочность, были проведены испытания на усталость лопаток, упрочненных УЗУ (серийные и с наработкой), и лопаток, обработанных на опытно-промышленной установке.
Фрактографическое исследование провели на двух лопатках, обработанных по режиму № 1 (все перо) — №№ 15 и Г2, разрушившихся в процессе усталостных испытаний при разном уровне напряжений.
Таблица 7 — Результаты измерения параметров шероховатости поверхностного слоя лопаток
Номер лопатки исх. (ВП) С12(серия) (ВП+УЗУ) ВУ7(с наработкой) (ВП+УЗУ)
Спинка Вдоль оси Яа, мкм 0,351 0,250 0,213
мкм 2,95 1,409 1,357
Вдоль хорды Яа, мкм 0,291 0,135 0,132
Я^, мкм 2,82 0,751 0,733
Таблица 8 — Результаты измерения параметров шероховатости поверхностного слоя лопаток, обработанных на опытной установке
Номер лопатки исх. (ВП) 33 (прикорневая часть) 20 (перо)
Спинка Вдоль оси Яа, мкм 0,351 0,166 0,110
Яг, мкм 2,95 0,831 0,614
Вдоль хорды Яа, мкм 0,291 0,105 0,088
Яг, мкм 2,82 0,736 0,414
Корыто Вдоль оси Яа, мкм - 0,118 0,128
Яг, мкм - 0,703 0,945
Вдоль хорды Яа, мкм - 0,109 0,058
Яг, мкм - 0,839 0,353
Яэ, мкм
0,4
0.35
: I I
Б
I
ионвп) С12|бп.уз*) 55 20 ВУ7(ВП»УЗУ)
Рис. 6. Результаты измерения параметров шероховатости поверхностного слоя лопаток на спинке вдоль оси
Рис. 7. Результаты измерения параметров шероховатости поверхностного слоя лопаток на спинке вдоль хорды
Таблица 9 — Результаты исследований микротвердости поверхностного слоя лопаток
Номера лопаток Н, МПа и„, %
Исходная (ВП) 3443 -
33 4120 20
20 4905 43
ВУ7 4120 20
С12 4552 33
Таблица 10 — Результаты испытаний на усталость лопаток с наработкой (ВП+обработка по режиму № 1 — прикорневая часть)
№ п/п № лопатки Уровень нагружения с, МПа Кол-во циклов, №108 Результаты испытаний Примечание
1 31 500 47,28 Разр. Вых. кр 1 =13 мм
2 38 470 100,0 Н.р. -
3 33 470 100,0 Н.р. -
4 34 470 100,0 Н.р. -
5 39 470 100,0 Н.р. -
6 37 470 100,0 Н.р. -
Таблица 11 — Результаты испытаний на усталость лопаток с наработкой (ВП+обработка по режиму № 1 — все перо)
№ п/п № лопатки Уровень нагружения о, МПа Кол-во циклов, Л^х108 Результаты испытаний Примечание
1 13 590 47,28 Разр. Вых. кр 1 =16 мм
2 15 570 37,67 Разр. Вых. кр 1 =14 мм
3 18 550 60,58 Разр. Вх. кр 1 =4 мм
4 Г1 530 78,57 Разр. Вых. кр 1 =14 мм
5 Г2 500 46,94 Разр. Вых. кр 1 =14 мм
6 20 470 100,0 Нр. -
7 19 470 100,0 Нр. -
8 12 470 58,76 Разр. Вых. кр 1 =13 мм
9 16 440 100,0 Нр -
10 30 440 100,0 Нр -
11 35 440 100,0 Нр -
12 17 440 100,0 Нр -
13 14 440 100,0 Н.р -
Таблица 12 — Результаты испытаний на усталость лопаток с наработкой (ВП+УЗУ)
№ п/п № лопатки Уровень нагружения о, МПа Кол-во циклов, Результаты испытаний Примечание
1 ВУ1 500 25,77 Разр. Вых. кр 1 =10 мм
2 ВУ2 470 96,58 Разр. Вых. кр 1 =14 мм
3 ВУ4 440 100,0 Нр. -
4 ВУ6 440 100,0 Нр. -
5 ВУ5 440 80,81 Разр. Вых. кр 1 =12 мм
6 ВУ3 410 100,0 Нр. -
7 ВУ10 410 100,0 Нр. -
8 ВУ11 410 42,42 Разр. Вых. кр 1 =12 мм
9 ВУ8 380 100,0 Нр -
10 ВУ12 380 100,0 Нр -
11 ВУ13 380 100,0 Нр -
12 ВУ14 380 100,0 Нр -
13 ВУ15 380 100,0 Н.р -
Таблица 13 — Результаты испытаний на усталость серийных лопаток (ВП+УЗУ)
№ п/п № лопатки Уровень нагружения о, МПа Кол-во циклов, №108 Результаты испытаний Примечание
1 С1 50 33,0 Разр. -
2 С2 47 100,0 Н.р. -
3 С6 47 100,0 Н.р. -
4 С5 47 100,0 Н.р. -
5 С3 47 100,0 Н.р. -
6 С4 47 100,0 Н.р. -
б в
Рис. 8. Трещина (а, г) и фрактограмма очага разрушения (б, в) лопаток
Обе лопатки разрушились по выходной кромке пера на расстоянии 14 мм от подошвы хвостовика. Визуально трещины прямолинейные, ориентированные поперек пера лопаток. На каждой из лопаток в начале разрушения — на расстоянии до ~ 0,3 мм от выходной кромки наблюдается несколько самостоятельных трещин, направлен-
ных под разными (преимущественно острыми) углами к кромке. Одна из этих трещин, изменив направление на поперечное, получила преимущественное, магистральное развитие.
Строение изломов по вскрытым трещинам в начале разрушения разное (рис. 8). Микрорельеф фасеточный (рис. 8, б; в), такой же, как на участке
а
г
магистрального развития, нормальный для усталостного разрушения титановых сплавов. Технологические дефекты в исследованных изломах не обнаружили.
Проведенные испытания на усталость позволяют сделать вывод, что упрочнение лопаток компрессора стальными шариками в магнитном поле (обработка прикорневой зоны) приводит к повышению предела выносливости на 24 % по сравнению с аналогичными лопатками, упрочненными УЗУ. Предел выносливости лопаток с наработкой, восстановленных виброполированием и упрочненных стальными шариками в магнитном поле, равен пределу выносливости серийных лопаток, что говорит о благоприятном влиянии данной обработки на повышение прочностных характеристик лопаток, имеющих наработку в эксплуатации.
Выводы
1. Исследовано влияние обработки лопаток компрессора из титановых сплавов стальными шариками в магнитном поле на параметры поверхностного слоя и прочностные характеристики лопаток. Установлено формирование благоприятных характеристик поверхностного слоя по сравнению с лопатками, упрочненными по серийной технологии: существенное снижение параметров шероховатости, повышение микротвердости, формирование благоприятной эпюры остаточных напряжений сжатия.
2. Предложенный способ упрочнения лопаток компрессора с тонкими кромками позволяет дифференцированно (избирательно) обрабатывать перо лопатки: только прикорневую часть или только кромки лопаток - места наиболее вероятного зарождения усталостных трещин без искажения геометрии лопаток (перенаклепа кромок), а также позволяет регулировать интенсивность обработки отдельных участков пера лопатки.
3. Упрочнение лопаток стальными шариками в магнитном поле позволяет значительно повысить их прочностные характеристики: предел выносливости повышается на 24 % по сравнению с лопатками, упрочненными УЗУ по серийной технологии. Также данная обработка благоприятно влияет на повышение усталостной прочности лопаток с наработкой: предел выносливости восстановленных лопаток достигает уровня серийных.
Перечень ссылок
1. Кравчук В. С. Сопротивление деформированию и разрушению поверхностно-упрочненных деталей машин и элементов конструкций : Монография / В. С. Кравчук, Абу Айаш Юсеф, А В. Кравчук. — О.: Астропринт, 2000. — 160 с.
2. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием : Справочник — М.: Машиностроение, 1987.— 328 с.
3. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора. Часть 1.: Монография / [В. А. Богуслаев, Ф. М. Муравченко, П. Д. Жеманюк и др.]. — Запорожье : ОАО «Мотор Сич», 2003. — 396 с.
4. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД / Петухов А. Н. — М.: Машиностроение, 1993. — 240 с.: ил.
5. Чернышов В. В. Протягивание и упрочнение хвостовиков лопаток газотурбинных двигателей / Чернышов В. В., Рахманова М. С., Дейч Г. Б. — М.: Машиностроение. — 1971. — 276 с.
6. Биргер И. А. Остаточные напряжения / Бир-гер И. А. — М.: Машиностроение, 1963. — 232 с.
7. Брондз Л. Д. Влияние шероховатости поверхности на выносливость и эффективность упрочнения ППД титанового сплава ВТ6 / Брондз Л. Д. // Проблемы прочности. — 1980. — №8.— С. 31—34.
Поступила в редакцию 30.06.2009
Дослгджено вплив обробки лопаток компресора гз титанового сплаву сталевими кульками у магнтному полг на параметри поверхневого шару i характеристики мщностг лопаток. Встановлено формування сприятливих характеристик поверхневого шару по-ргвняно з лопатками, змщненими за сершною технологгею. Запропонований споаб змщнен-ня лопаток компресора з тонкими кромками дозволяе дифиренцьовано обробляти перо лопатки без викривлення геометры. Змщнення лопаток сталевими кульками у магнтному полг дозволяе суттево тдвищити характеристики мщностг лопаток: границя мщностг тдвищуеться на 24 % поргвняно з лопатками, змщненими УЗЗ за сершною технологгею.
The influence of treatment compressor's blade from titanium alloys by steel spheres into the magnetic field on parameters of coating surface and strengthening blade's behaviour has been researched. The forming of favourable behaviour of coating surface in comparison with blade strengthened by the serial technology has been specified. Proposed method of hardening compressor's blade with thin edge make it possible to differentially treated of blade without the distortion of geometry. The hardening of steel spheres into the magnetic field make it possible to raise strength properties of blade.
