научная статья по теме ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СОЗДАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБРАБОТКАМИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СОЗДАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБРАБОТКАМИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 4, 2014

УДК 621.91.01

© 2014 г. Яковлев М.Г.

ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СОЗДАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБРАБОТКАМИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва

Статья посвящена сопоставлению результатов измерений остаточных напряжений и исследований на усталостную прочность деталей газотурбинных двигателей после финишных обработок: шлифованием, полированием, поверхностным пластическим деформированием.

В производстве для обеспечения надежности изделия, в технологических процессах при их разработке и функционировании, в конструкторской и технологической документации учитывают и контролируют такие параметры качества, как шероховатость, наклеп и остаточные напряжения ст в объеме и в поверхностном слое детали [1, 2]. Остаточные напряжения возникают в объеме или в поверхностных слоях детали в результате неравномерной упругопластической деформации, в процессе формирования заготовки, обработки детали или упрочнения ее поверхностных слоев. Остаточные напряжения в разных частях детали находятся в равновесии, и нарушение этого равновесия ведет либо к их перераспределению, либо к изменению формы детали, ее короблению.

В зависимости от условий обработки поверхности, остаточные напряжения в поверхностных слоях могут иметь различную величину по разным направлениям вдоль поверхности. Для обеспечения надежности изделия, в технологических процессах при их разработке и функционировании, в конструкторской и технологической документации необходимо учитывать и контролировать остаточные напряжения в поверхностном слое детали. Эти требования подлежат проверке при сертификации производства.

В 1973 г. ЦИАМ разработал "Руководство по нормированию остаточных напряжений в поверхностных слоях" опытных и серийных деталей газотурбинных двигателей (ГТД). Требования этого руководства действительны по настоящее время.

Устанавливаемые нормы регламентируют: величину максимальных напряжений

max _

сжатия в поверхностном слое стсж ; глубину распространения остаточных напряже-

max

ний b; величину максимальных подслойных растягивающих напряжений стр .

Это руководство регламентирует методику определения и назначения норм на остаточные напряжения, проведения контроля и оценки его результатов для деталей двигателей. На основании этого "Руководства", с учетом опыта доводки, эксплуатации изделий и испытания деталей на прочность, на каждом предприятии-изготовителе на-

а, МПа 100

а, МПа

800 г

■300

■700

■500

0 100

400

600

200 -

500000

.......

0

50 100 150 200

10000000 N цикл

Ь, мкм

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 1. Усредненные эпюры остаточных напряжений в дисках: 1 — материал ЭИ698 финишная операция полирование; 2 — материал ЭИ698, финишная операция упрочнение ППД; 3 — материал ЭП742, финишная операция полирование; 4 — материал ЭП742, финишная операция упрочнение ППД Рис. 2. Кривые усталости образцов при испытаниях при 20°: 1 — материал ЭИ698, финишная операция полирование; 2 — материал ЭИ698, финишная операция упрочнение ППД; 3 — материал ЭП742, финишная операция полирование; 4 — материал ЭП742, финишная операция упрочнение ППД

значаются нормы на допускаемые величины нормируемых параметров. Нормы утверждаются главным инженером и главным конструктором предприятия-изготовителя.

При установлении четкой связи остаточных напряжений с пределом выносливости можно исключить усталостные испытания, или проводить их только для подтверждения правильности выбора оптимальной технологии и режимов обработки, осуществленного по параметрам остаточных напряжений [3]. Это существенно сократит трудоемкость исследований и повысит их достоверность.

Анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании дисков ГТД. Наиболее распространенный материал, из которого изготавливают высоко нагруженные диски ГТД, является ЭИ698. С 1990 г. ведется активное внедрение новых никелевых сплавов ЭП742 и ЭП741 при изготовлении дисков ГТД.

Результаты испытаний образцов из материала ЭИ698. На рис. 1 приведены среднестатистические результаты измерения поверхностных остаточных напряжений в диске после финишных операций полирования и упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД) на дробемете.

Для определения эффективности упрочнения по критерию выносливости и определения его связи с остаточными напряжениями были проведены усталостные испытания. Эксперименты проводили на стенде ВЭДС-400 при температурах 20° и 635° на базе 2 • 107 циклов. Из результатов исследований, приведенных на рис. 2 видно, что предел выносливости упрочненных образцов составляет 290 МПа, а не упрочненных 240 МПа. Прирост предела выносливости составляет 20%.

Испытания при рабочих температурах 635° показали, что предел выносливости не упрочненных и упрочненных образцов практически одинаков и составляет 240 МПа. В результате испытаний на усталость можно сделать следующий вывод. Если упрочнение практически не повышает предела выносливости при высоких рабочих температурах, то существенно уменьшает разброс по числу циклов на всех уровнях напряжений. Это говорит о повышении стабильности технологического процесса и как следствие повышении надежности изделий.

Из рис. 1 и 2 видно, что площадь эпюры сжимающих остаточных напряжений и предел выносливости образцов из материала ЭИ698 после упрочнения методом ППД больше, чем после операции полирования. Это указывает на существование качествен-

а, МПа

а, МПа 550 г

100 г 0 100

■300

500

■800

300

J_I_I I I

0

50

150

250

1

10

N ■ 106, цикл

Ь, мкм

Рис. 3

Рис. 4

ной связи, выраженной в зависимости площади под эпюрой остаточных напряжений и пределом выносливости образцов.

Результаты испытаний образцов из материала ЭП742. На рис. 1 также представлены усредненные значения поверхностных остаточных напряжений в диске после финишной операции полирования и операции ППД на дробемете.

Для определения эффективности упрочнения по критерию выносливости и определения его связи с остаточными напряжениями были проведены усталостные испытания. Исследования проводили при температурах 20° и 700° на базе 5 • 106 циклов с частотой f = 83 Гц на образцах с надрезом.

На рис. 2 приведены результаты испытаний при комнатной температуре, из которых видно, что предел выносливости упрочненных образцов составляет 500 МПа, а не упрочненных 370 МПа. Прирост предела выносливости составляет 35%.

Результаты испытаний при рабочих температурах 700° выявили, что предел выносливости упрочненных образцов составляет 330 МПа, а не упрочненных 290 МПа. Прирост предела выносливости составляет 13%. Упрочнение повышает предел выносливости на всех уровнях напряжений, но с ростом рабочих температур деталей эффект упрочнения снижается.

По данным рис. 1 и 2 можно сделать вывод, что для деталей из материала ЭП742 площадь эпюры сжимающих остаточных напряжений и предел выносливости образцов после упрочнения методом ППД больше, чем после операции полирования. Это подтверждает гипотезу о существовании качественной связи, выраженной в зависимости площади под эпюрой остаточных напряжений и пределом выносливости образцов.

Результаты испытаний образцов из материала ЭП741. На рис. 3 представлены результаты измерения остаточных напряжений в поверхностном слое диска после финишной операции полирования (1) и операции упрочнения ППД (2). Также были проведены усталостные испытания при температуре 510° на базе 107 циклов.

На рис. 4 представлены результаты испытаний, из которых видно, что предел выносливости упрочненных образцов (2) составляет 380 МПа, а не упрочненных (1) составляет 360 МПа. Прирост предела выносливости составляет 5,5%.

Сравнительно невысокое повышение предела выносливости образцов, упрочненных ППД, можно объяснить: испытанием гладких образцов, а не образцов с концентратором напряжений, эффективность упрочнения которых была бы значительно выше; высокой чистотой обработки полированием исходных образцов (0,17 мкм — полирование и 0,83 мкм — упрочнение).

Из рис. 3 и 4 видно, что площадь эпюры сжимающих остаточных напряжений и предел выносливости образцов после упрочнения методом ППД больше, чем после

а, МПа

680 г

а, МПа

580

300

480

100 0 100

380

300

1 0

280

500 600

180

0 20 60

140 180

Ь, мкм

104 105 106 107 2 ■ 107 N цикл

Рис. 5

Рис. 6

операции полирования. Это подтверждает ранее полученные данные и гипотезу о том, что существует качественная связь, выраженная в зависимости площади под эпюрой остаточных напряжений и пределом выносливости образцов.

Исследования остаточных напряжений и усталостной прочности на образцах из титанового сплава ВТ6, применяемого для изготовления лопаток и моноколес компрессоров ГТД. В настоящее время на всех ведущих авиазаводах мира для повышения мощности ГТД внедряются в производство моноколеса (диск и лопатки единое целое). Наиболее распространенный материал из которого изготавливают моноколеса является титановый сплав ВТ6. Финишной операцией изготовления моноколеса является поверхностное пластическое деформирование стальными шариками в ультразвуковом поле. В процессе обработки дробь разгоняется элементами оснастки, колеблющимися с ультразвуковой частотой, шарики подводятся к поверхности под произвольными углами и создают пластически деформированный слой не прямыми ударами.

Результаты исследования остаточных напряжений. На рис. 5 представлены результаты измерения остаточных напряжений в образцах из материала ВТ6 после финишных операций упрочнения (2) и полирования (1) соответственно.

Усталостные испытания. Сравнительные усталостные испытания проведены на двух партиях образцов до и после упрочняющей обработки. Исследования проведены на вибростенде ВЭДС-400 на знакопеременный изгиб с частотой собственных колебаний образцов ~630 Гц на базе 2 • 107 циклов. Партия образцов после полирования без упрочнения показала предел выносливости ст_1 = 180 МПа. Партия образцов после упрочнения показала предел выносливости ст_1 = 500 МПа.

Предел выносливости вырос почти в три раза, что является убедительным показател

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком