CC BY
50
ö)
£/, HM o.lttl
Dtl4fi 0.HS9 ЛИИ
Q.H57 -
0,1 0.1 0,3 0,л sin^v
Рис. 5. Изменение межплоскостного расстояния й от на диске в зоне очага разрушения (место измерения — полотно диска): а — ф = 0; б— ф = 45°; в — ф = 90°
проведения дробеструйной обработки (упрочнение) поверхности паза обеспечивает требуемый ресурс диска.
2. Представлены новые результаты по исследованию напряженно-деформированного состояния неразрушающим методом рентгеновской тензометрии на дисках компрессора из сплава ВТЗ-1 с использованием современных методик
расчета остаточных напряжений и компонентов тензора напряжений.
3. Разработка методике использованием автоматизированного рентгеновского дифрактометра Х5ТЯЕ55 3000 03 Я по:', полила внедрить новые технологии исследования и контроля остаточных напряжений в дисках компрессора (новых и ремонтных ) в производстве ГТД на ОАО «НПО»Сатурн».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методы исследования состояния материала деталей ГТРД и его изменений при эксплуатации. Технологическая рекомендация ТР4-526 [Текст] / ВИАМ,- Мл Изд-во ВИАМ, 1962,- С. 6-13.
2. Kraus, I. Rentgenova tenzometie [Текст] / ВИАМ // 1. Kraus, V.V. Trofimov.— Praha: Academia, 1988.— 248 stran (чешек.)
3. Трофимов, B.B. В мире неразрушающего контроля [Текст] / В.В. Трофимов, А.Я. Башкарев, Иво Краус,— В мире неразрушающего контроля,— 2005. N°"l.- С. 28-32.
4. Васильев, Д.М. Современное состояние рентгеновского способа измерения макронапряжений (обзор) [Текст] / Д.М. Васильев, В.В. Трофимов // Заводская лаборатория,— 1984. Т. 50. N° 7,— С. 20-29.
5. ХРА 09-285. Методы испытаний для анализа
остаточных напряжений дифракцией рентгеновских лучей [Текст] / AFNOR (французская ассоциация по стандартизации).— 1999.
6. Fitzpatrick, М.Е. [Текст| / М.Е. Fitzpatrick, А.Т. Fry, P. Holdway |and all]. Measurement Good Practice Guide. 2005. № 52. P. 1-68.
7. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods Viktor Hauk |Текст].— Elsevier 1997, 283 p.
8. Handbook of Measurement of Residual Stresses |Текст] / Society for Experimental Mechanics inc. Jian Lu.- The Fairmont Press Inc.- 1996,- C. 89-90.
9. Lonsdale, D. The development of transportable X-ray diffractometer for measurement of stress [Текст] / D. Lonsdale, P.Doig // Proc. of the Second International Conf. on Residual Stresses.— Nancy, France.— 23—25 Nov. 1988.
УДК 539.261:539.531
H.A. Яблокова
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ГТД РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫМ И МЕХАНИЧЕСКИМ МЕТОДАМИ
При обработке глубинным шлифованием ностном слое. Они влияют на динамическую
(ГШ) на прочность деталей газотурбинных двигателей большое влияние оказывают остаточные напряжения (ОН), образующиеся в поверх-
и коррозионную прочность, стабильность размеров и формы деталей, а также на точность обработки.
1 1 7
Целью работы было создание методик для исследования ОН на лопатках газотурбинных двигателей (ГТД) из сплава ЖС6К после различных режимов обработки глубинным шлифованием с применением методов рентгеноструктурного анализа (РСА). Выбрать оптимальный режим ГШ, для которого вдоль направления обработки и перпендикулярно ему действуют остаточные напряжения сжатия, близкие по величине.
Традиционные методы контроля качества лопаток, применяемые на предприятиях, включают в себя: исследование остаточных напряжений механическим методом (прибор ПИОН-2) с травлением поверхностных слоев по глубине; измерение микротвердости (НУ)\ анализ элементного состава на поверхности лопатки; измерение шероховатости поверхности а также степени и глубины наклепа (Н и А) прибором ПМТ-3.
Степень наклепа определяется соотношени-
НУ — НУ ем Н =-поверх-Измерение микротвер-
^^глуб
дости проводится вдавливанием алмазной пирамиды по ГОСТ 9450. Глубина наклепа определяется как расстояние от поверхности до ненаклепанного слоя.
В нашей работе на лопатках после ГШ проведены измерения остаточных напряжений на поверхности рентгеноструктурным методом с применением дифрактометра Х8ТЯЕ88 3000 ОЗЛ без разрезки лопатки с удалением поверхностных слоев до 10 мкм. Удаление слоев выполнялось электрополированием. База измерения составляет 3 мм.
Исходные данные по режимам обработки замков и полок лопаток методом ГШ на станке ЛШ-220 с применением высокопористых шлифовальных кругов с рабочей скоростью подачи 100 м/с приведены в таблице. На станке использовалась непрерывная правка шлифовального круга алмазными прецизионными роликами.
При определении остаточных напряжений рентгеноструктурным методом регистрируются параметры отражающей плоскости (311) фазы у' — №3А1. Угол Вульфа— Брэгга 29(ЗИ) = 152153°; излучение — МпКа; угол наклона ' = = ±10°, осцилляции по ' = ±4°, осцилляции по ф = ±10 °, конфигурация гониометра для у- режима.
Массовый коэффициент ослабления рентгеновских лучей для сплава ЖС6К определяется соотношением
Режимы ГШ внутренней поверхности полки лопаток ГТД
Параметры режимов глубинного шлифования*
Название и номер детали Скорость правки круга А, мкм/об. круга Глубина t съема материала, мм
Лопатка 1 (образец 1) 0,4 1 проход — / = 7
Лопатка 2 (образец 2) 0,7 1 проход — / = 7
Лопатка 3 (образец 3) 1,0 1 проход — / = 7
Лопатка 4 0,4 1 проход — / = 1
Лопатка 5 0,4 1 проход — / = 7, 2 проход — / = 0,01, 3 проход — / = 0,01
Лопатка 6 0,4 1 проход — / = 7, 2 проход — / = 0,02
Лопатка 7 (образец 7) 0,4 1 проход — 1=2
* Во всех режимах скорость круга V = 22 м/с, скорость подачи детали 5= 100 мм/мин.
К i Vi
где/ — число компонентов соединения; a¡ — весовая доля компонента; р;. — плотность каждого компонента сплава ЖС6К.
Эффективная глубина проникновения рентгеновских лучей в материал ЖС6К для 9- режима измерений на дифрактометре определяется по формуле
eos 29 eos' ^sin 9(cos29-l)
Постоянные упругости: модуль нормальной упругости Е— 196200 МПа; коэффициент Пуассона v = 0,29.
Условия проведения эксперимента
Размеры образцов для измерения остаточных напряжений на приборе ПИОН-2 составляют 4x40x2 мм. Место измерения остаточных напряжений на лопатках — внутренняя поверхность полки лопатки после обработки методам ГШ. Шероховатость поверхности Ra на лопатках в зависимости от режимов ГШ составляет 0,2— 0,8 мкм. Для исследования микроструктуры из полок лопаток по месту обработки были приготовлены поперечные шлифы. На поверхности шлифа изменения микроструктуры не обнаружены. Элементный состав материала лопатки на поверхности, определенный на микроанализаторе Inca, соответствует составу сплава ЖС6К по ТУ. Линейный коэффициент ослабления рентгеновских лучей составляет для сплава ЖС6К || = 148 1/мм; эффективная глубина проникновения рентгеновских лучей Z в сплав ЖС6К с использованием рентгеновской трубки с марганцевым излучением: ZMaKc(y = 0) = 3,3 мкм,
^мин(у = 40)= 2>5 мкм •
Результаты исследования
При измерении остаточных напряжений на лопатке 7 (табл. 1) использовались механический метод прогибов (прибор ПИОН-2) и метод ренгеноструктурного анализа с помощью диф-рактометра XSTRESS 3000 G3. Направление измерения механическим методом совпадало с направлением обработки ГШ, а рентгенострук-турным методом измерения проводились как вдоль, так и перпендикулярно направлению обработки ГШ.
Остаточные напряжения сжатия на лопатке 7, измеренные рентгеноструктурным методом в направлении вдоль линий обработки ГШ, составили 300 МПа, а в поперечном направлении — 650 МПа. На образце 7, полученном после разрезки лопатки 7, величина остаточных напряжений сжатия вдоль направления обработки методом ГШ составила 240 МПа. При подготовке образца 7 для измерений на приборе ПИОН-2 проведено утонение образца, и после разрезки произошло снижение остаточных напряжений. Механическим методом травления в образце 7 на глубине 2—5 мкм вдоль направления обработки методом ГШ определены остаточные напряжения сжатия в диапазоне от —210 до —280 МПа. Градиент напряжений сжатия на глубине 2— 5 мкм при измерении механическим методом составляет —70 МПа и соответствует требованиям технологии обработки данной лопатки методом ГШ. Сравнительный анализ остаточных напряжений на лопатке 7, полученных рентгеноструктурным и механическим методами, показал, что результаты измерений этими двумя методами достаточно схожи.
Для определения оптимальной скорости правки круга А проведена обработка лопаток 1, 2, 3 методом глубинного шлифования при одинаковых Ук = 22 м/с, 5= 100 мм/мин, 1 проход — / = 7 мм, но разных скоростях правки круга А (лопатка 1 — 0,4 мкм/об.круга; лопатка 2 — 0,7 мкм/об.круга; лопатка 3 — 1 мкм/об.круга). Для этих режимов исследованы зависимости остаточных напряжений, параметра Е)¥НМ(условное обозначение ширины рентгеновского пика на половине высоты интенсивности), микротвердости НК глубины наклепа А и степени наклепа Н от скорости правки круга А при измерениях вдоль направления обработки ГШ (рис. 1).
На рис. 2 представлены распределения остаточных напряжений по глубине на образцах после ГШ с разной скоростью правки круга, измеренные механическим методом травления с использованием прибора ПИОН-2. При определении ОН на лопатках в поверхностном слое 10 мкм после обработки ГШ найдены градиенты напряжений, составляющие величину от 0 до 250 М Па.
С увеличением скорости правки круга величины остаточных напряжений, микротвердости и параметра /Ж/Шувеличиваются. Максимальные напряжения сжатия и благоприятное распре-
б)
град
. .а - , . -1 1
J ■ -А' А.м
т,И1а
iCC
ОД СД ОД СД 1 ]Д • . FWHM . * ■ HIT
в) „
ojca
6/Л
O.J О/« OA 1 1J
Рис. 1. Зависимость функций стРСА (a), FWHM и HV (б), Н и А (<?) от скорости правки круга Л
деление остаточных напряжений на лопатках после ГШ получены при выборе скорости правки круга в диапазоне 0,4—0,7 мкм/об.круга. Скорость правки круга, равная 1 мкм/об.круга, не рекомендуется применять в технологиях ГШ в материалах лопаток из сплава ЖС6К, так как вдоль направления ГШ поверхности исследуемой лопатки определены остаточные напряжения растяжения.
При определении ОН методом РСА на исследуемых лопатках (образцах) 1—3 проведена коррекция величины ОН в зависимости от глубины при последовательном стравливании поверхностных слоев [3,4].
Исследовано влияние глубины резания при ГШ на величину остаточных напряжений, микротвердость, глубину, степень наклепа и параметр Г)¥НМ на поверхности лопатки (рис. 3). Уменьшение остаточных напряжений связано с тем, что при большой глубине шлифования превалирующее воздействие на формирование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор [1,5]. Поэтому повышение температуры в зоне шлифования поверхности (в случае шлифовочных прижогов) приводит к уменьшению ОН сжатия или даже к формированию растяжения на поверхности ОН.
°мсх, МПа ймсх, мкм
) ^г^
Рис. 2. Распределение остаточных напряжений
стмех по глубине поверхностного слоя й мех (-«— образец 1; -■— образец 2; -±— образец 3)
Уменьшение глубины резания приводит к созданию на поверхности лопаток упрочненного слоя, при этом увеличиваются величина остаточных напряжений сжатия, микротвердость и параметр FWHM.
На рис. 4 представлены зависимости остаточных напряжений на лопатках после глубинного шлифования от числа проходов п. Анализ показывает, что на первых проходах с большей глубиной резания величина остаточных напряжений сжатия достигает —600 МПа, а при последующих проходах с уменьшением глубины резания и увеличения числа проходов шлифования величина остаточных напряжений увеличивается.
На дефектных лопатках из аналогичного сплава, бракованных по наличию прижогов в зоне ГШ, определено следующее распределение остаточных напряжений: вдоль направления обработки методом ГШ — напряжения растяжения, их величины порядка 180 МПа, а перпендикулярно направлению обработки методом ГШ — напряжения сжатия величиной 1140 МПа. При-жоги на лопатках служат браковочным критерием лопатки и режимов обработки ГШ. Мы показали, что прижоги формируют на поверхности лопаток ОН растяжения, причем величины ОН, измеренных в направлениях вдоль и перпендикулярно обработки ГШ, отличаются значительно. Такое напряженное состояние на поверхности лопаток приводит к снижению ресурса лопаток при эксплуатации.
При исследовании лопаток после глубинного шлифования по режимам, охарактеризованным в табл. 1, не выявлены факторы, ограничивающие применение методов рентгеноструктурного анализа. Для объективного исследования остаточных напряжений на поверхности лопаток из сплава ЖС6К рекомендуется проведение коррекции величины ОН при травлении поверхности на глубину до 10 мкм.
ö)
g -200 -600
б
(fi -1000
0 2 4 6 '
-4- - вдоль направления ГШ - поперек направления ГШ
в)
h, мм
Н,%
0,04 0,03 0,02 0,01
■ А , А
1
[, мм
2
■ -А- - h
Рис. 3. 1рафики зависимости остаточных напряжений, параметра Р\¥НМ, микротвердости от глубины / резания: стРСА(/) (а), Р\¥НМ, НУ (б), А, Н(в). Режимы шлифования: Укр = 22 м/с, 5 = 100 мм/мин, А = 0,4 мкм/об.кр.
ö)
б)
FWHM,
HV,
е)
200 -200
-1000 -1400
г:::::--:.....1
j......... ... -МГТа
■........1 1 - - ' п
■ - вдоль направления ГШ
■ - поперек направления ГШ
12 3
■ -à: - FWHM - - микротвердость
- -А- - H
Рис. 4. Графики зависимости функций от числа проходов и: стРСА(и) (а); Г1¥НМ и НУ { Н и А (в). Режимы шлифования: Укр = 22 м/с, 5 = 100 мм/мин, А = 0,4 мкм/об.кр; п = 1 (лопатка 1), п = 3 (лопатка 5), п = 2 (лопатка 6)
Основные результаты работы:
1. Установлены оптимальные значения ОН на исследованных лопатках после-различных режимов ГШ; они составляют от—350 до—550 МПа вдоль направления обработки ГШ и —(500—800) МПа в направлении, перпендикулярном этому.
2. На лопатках, бракованных по наличию прижогов в зоне ГШ, наблюдается смена знака ОН при измерении в направлениях вдоль и перпендикулярно обработки ГШ. Образование растягивающих ОН на поверхности лопатки из жаропрочного сплава ЖС6К при обработке ГШ произошло в результате локального разогрева и повышенных тепловых напряжений.
3. Совместное исследование ОН, параметров ГШ и наклепа показало доминирующее влияние силового фактора на образование сжимающих остаточных напряжений.
4. Определена зависимость между величиной микротвердости, измеренной прибором ПИОН-2, и рентгеноструктурным параметром Г)¥НМ (ширина рентгеновского пика для отражающей плоскости (311)) фазы у' — №3А1 для сплава ЖС6К. С увеличением микротвердости параметр Г)¥НМ увеличивается. Параметр Г)¥НМ можно использовать для оценки микротвердости на поверхности деталей ГТД нераз-рушающим методом.
5. Показано, что после ГШ на лопатках в поверхностном слое глубиной 5—10 мкм могут формироваться большие градиенты напряжений. Поэтому при исследовании ОН методом РСА рекомендуется проводить коррекцию по глубине, устраняющую неопределенность измерения ОН из-за больших градиентов напряжений в поверхностном слое лопаток после обработки ГШ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Братухин, А.Г. Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов |Текст| / А.Г. Братухин, Ю.Е. Решетников, А.А. Иноземцев,— М.: Авиатехинформ, 1999.— С. 302^324.
2. Residual Stress Measurement by Х-Ray Diffraction |Тскст|,— SAE J784a, second edition.^ Chapter 7.3.— P.61.
3. kraus. I. Rentgenova tenzometie |Текст| / 1. Kraus, V.V. Trofimov.— Academia Praha,1988. 248 st. (чешек.)
4. Suominen, L. Selected methods of evaluating residual stress gradients measured by X-ray diffraction traditional, full tensor, and wavelet |Текст| / L. Suominen, D. Carr / Copyright(c)JCPDS-lnternational Centre for Diffraction // Advances in X-ray Analysis.— 2000. Vol.43.
5. Полетаев, B.A. Глубинное шлифование лопаток |Текст| / B.A. Полетаев, Д.И. Волков.^ М.: Машиностроение, 2009.
