CC BY
92
УДК 621.785
Канд. техн. наук П. Д. Жеманюк1, канд. техн. наук Г. В. Пухальская2, д-р техн. наук А. Д. Коваль2, канд. техн. наук В. В. Ткаченко1,
канд. техн. наук Л. П. Степанова2
1 ОАО «Мотор Сич», 2 Национальный технический университет,
г. Запорожье
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УПРОЧНЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА С ТОНКИМИ КРОМКАМИ СТЕКЛЯННЫМИ МИКРОШАРИКАМИ*
Рассмотрено влияние упрочнения стеклянными микрошариками и комплексного упрочнения стальными макрошариками в ультразвуковом поле с последующей обдувкой стеклянными микрошариками на характеристики поверхностного слоя и сопротивление усталости лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8М.
Введение
Наблюдаемый в последние годы повышенный интерес двигателестроительных фирм к разработке и применению более эффективных методов упрочнения деталей газотурбинных двигателей (ГТД) связан, главным образом, с большими материальными потерями вследствие досрочного снятия двигателей с эксплуатации из-за повреждения лопаток вентилятора и ком -прессора от попадания на вход двигателей посторонних предметов.
Статистический анализ показывает, что количество двигателей, досрочно снимаемых с эксплуатации по причине повреждения посторонними предметами, включая птиц, составляет в военной авиации 40.. .50 % от общего числа досрочно снятых двигателей [1].
Типичными эксплуатационными повреждениями лопаток являются забоины, погнутости, вмятины входных кромок. Общей конструктивной особенностью профильных частей лопаток компрессора является их тонкостенность: отношение максимальной толщины профиля С к хорде В для сечения у корня профиля лопатки (с") = С 7в = 0,06.0,1 [2].
у шах' отн шах пр 7
Один из эффективных способов снижения повреждаемости лопаток компрессора связан с конструкцией лопатки - увеличением у нее радиусов входной кромки. Как показали исследования, максимальное снижение предела выносливости наблюдается, когда величина глубины повреждения приближается к величине радиуса кромки лопатки, т.е. при глубине 0,5 мм толщина входной кромки должна быть не менее 1 мм. Возникает техническое противоречие, т.к. с точки зрения аэродинамики для получения высоких КПД требуются тонкие кромки [3]. Экспериментально-аналитические методы решения этой проблемы в данном случае очень трудоемки и малоэффективны.
Для повышения несущей способности лопаток ком -прессора в отрасли широко применяются отделочно-упрочняющие методы, позволяющие формировать благоприятное сочетание характеристик поверхностного слоя: параметров шероховатости, наклепа, остаточных напряжений и текстуры. Роль поверхностного слоя для профильной части лопаток компрессора в формировании несущей способности велика, так как толщина этого слоя соизмерима с толщиной поперечного сечения лопаток, особенно кромок. Оптимальная глубина пластически деформированного слоя составляет около 0,15 t , где t - толщина детали [2].
Широко применяемое в двигателестроении поверхностное пластическое деформирование (ППД) представляет собой совокупность процессов, позволяющих, как правило, снизить шероховатость поверхности детали, создать поверхностный слой с благоприятными (сжимающими) остаточными напряжениями, получить в нем более однородную структуру, создать необходимый рельеф поверхности, снизить влияние на сопротивление усталости концентраторов напряжений и др., что способствует повышению сопротивления усталости материала детали [4].
Исследования титановых сплавов показали, что стандартные гладкие образцы имеют ст-1 и 0,5 ств, а для лопаток ст 1 = 0,25ств. При наличии специальных упрочняющих обработок, включая ППД, удается повысить ст 1 до 0,4 ств [2]. Для нейтрализации технологических микродефектов в серийном производстве на окончательных операциях при изготовлении лопаток компрессора применяется ультразвуковое упрочнение шариками (УЗУ).
Такая финишная обработка, как ультразвуковое упрочнение, не позволяет в отдельных случаях полностью достигнуть высоких показателей параметров
* Данная работа является дальнейшим развитием идей, предложенных д.т.н., проф.\В. К. Яценко\ © П. Д. Жеманюк, Г. В. Пухальская, А. Д. Коваль, В. В. Ткаченко, Л. П. Степанова, 2007
выносливости. Это связано с тем, что после УЗУ в результате перенаклепа при соударении шариков с тонкими кромками на них образуются заусенцы, для устранения которых применяется 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 уль -тразвукового упрочнения и в отдельных случаях к разупрочнению отдельных участков кромок лопаток.
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 [2]. Избежать этого недостатка удается применением в качестве упрочняющих тел стеклянных микрошариков.
Одной из прогрессивных технологий повышения несущей способности деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, является комплексное упрочнение шариками. В литературных источниках имеются сведения о применении технологии комплексного (комбинированного) упрочнения шариками для формирования благоприятных характеристик поверхностного слоя деталей из различных материалов [5, 6, 7]. Несмотря на это, существенными факторами, сдерживающими внедрение данного метода упрочнения в производство деталей авиационных двигателей, являются противоречивость имеющейся информации и недостаточность исследований влияния пластической деформации тонкого поверхностного слоя при ППД на его способность сопротивляться усталостному разрушению.
Целью данной работы являлась оценка эффективности упрочнения лопаток компрессора из титановых сплавов стеклянными микрошариками и разработка технологии комплексного упрочнения лопаток с тонкими кромками. Для достижения поставленной цели были решены задачи упрочнения поверхностного слоя лопаток макро- и микрошариками с оптимальными режимами, оценка параметров качества поверхностного слоя и их испытания на усталость.
Методика эксперимента
В качестве объекта исследований применяли серийные лопатки 1-й ступ. компрессора двиг. ТВ3-117. Серийные лопатки были окончательно обработаны виброполированием (ВП). Лопатки 1-й ступ. компрессора изготовлены из деформируемого титанового сплава ВТ8М. Этот сплав относится к группе двухфазных (а + р) сплавов мартенситного класса (табл. 1).
Механические свойства сплава представлены в табл. 2.
Таблица 1 - Химический состав титанового сплава ВТ8М [8]
Сплав Массовая доля химических элементов, %
Л А1 Мо Ре 7г
ВТ8М осн. 5,5 4,0 0,25 < 0,3 < 0,3
Таблица 2 - Механические свойства титанового сплава ВТ8М [8]
Сплав ст0 2, МПа ав, МПа 55, % % КСи, кДж/м2
ВТ8М 970 980.1180 10 35 400
Характерной особенностью лопаток компрессора является наличие тонких кромок. Радиусы скругления кромок Я1 и Я2 по длине изменяются соответственно от 0,608 до 0,120 и от 0,128 до 0,1 мм, максимальная толщина Сшах - от 0,35 до 1,05 мм соответственно. На расстоянии 1мм от края кромки толщина лопатки С1 и С2 находится в пределах 0,795...1,2 и 0,774.0,27 мм соответственно.
Ультразвуковое упрочнение макрошариками из стали ШХ15 диаметром 1,6 мм выполняли в специальных концентраторах на оптимальных режимах: масса шариков 400 г; время упрочнения 5 мин.
Упрочнение стеклянными микрошариками диаметром 40.70 мкм проводили в герметичной камере по оптимальным режимам. Расстояние от сопла - 15 мм, давление на выходе 5 атм, время упрочнения 40 с, что соответствовало упрочнению в течение 15 с в зоне факела эффективного распыла.
Шероховатость поверхности измеряли при помощи электронного петрографа «РегШошйг М3».
Микротвердость поверхности пера лопаток, обработанных различными методами, определяли на образцах, вырезанных из кромок и средней части спинки. 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:
Н и - Н и
Н -и-100%,
НИ
где НП - микротвердость поверхности исследуемого образца, МПа;
НИ - микротвердость образца эталона, МПа.
Исследование остаточных напряжений на пере лопаток производили механическим методом, разработанным акад. Н. Н. Давиденковым с использованием формул из работы [9] для построения эпюр.
Для проведения рентгеноструктурных исследований из лопатки вырезаны образцы длиной 20 мм и
шириной 9 мм. Образцы имели такую маркировку (см. табл. 4): Н - образец у корня лопатки; С - середина пера; В - верхняя часть лопатки. Съемка производилась в монохроматическом излучении на дифрактомет-ре ДРОН-1 с компьютерной регистрацией и обработкой данных. Сканирование осуществлялось с шагом 0,01 градуса. Ширина щелей, ограничивающих пучок рентгеновских лучей, составляла 2 мм, высота облучаемого участка - 12 мм. Степень текстурованности оценивали с использованием параметра к = /103//110, который представляет собой отношение интенсивнос-тей дифракционной линии 103 (в числителе) к интенсивности линии 110 (в знаменателе). Как дополнительный, рассматривали параметр г = /004//110 для которого в числителе - интенсивность линии 004, как отражения 4-го порядка от плоскостей (0001), а в знаменателе -интенсивность линии 110. Уровень микронапряжений в образцах оценивали по линии 213 а-фазы.
Испытания на усталость выполняли стандартным методом на базе 100 млн. циклов способом динамического возбуждения в них колебаний по первой из-гибной форме на электродинамическом вибростенде ВЭДС-200. Лопатки испытывали в резонансном режиме до появления макротрещины длиной 1-3 мм, что соответствовало падению частоты собственных коле -баний на 2-3 %.
Результаты и их обсуждение
Величина шероховатостей и характер микрорельефа являются одной из основных характеристик поверхностного слоя, оказывающих значительное влияние на уровень технологической концентрации напряжений на пере лопаток компрессора (спинка, корыто, входная и выходная кромки). Отдельные риски, особенно поперечные риски на тонких кромках лопаток, могут явиться местом зарождения усталостных трещин.
Профилограммы и параметры шероховатости поверхности, представленные на рис. 1 и в табл. 3, показали, что наиболее благоприятный микрорельеф и низкие значения параметра Яа были получены на лопатках , подвергнутых упрочнению стеклянными микрошариками. Значение Яа снизилось с 0,37 до 0,25 мкм. Применение комбинированной обработки - УЗУ (5 мин) + обдувка стеклянными микрошариками не привели к ухудшению качества поверхности.
Рис. 1. Профиллограммы поверхностей пера лопаток после:
а - ВП; б - ВП+стеклянные микрошарики; в - ВП+УЗУ (5 мин) + стеклянные микрошарики
Таблица 3 - Параметры шероховатости пера лопаток
Метод обработки ВП ВП+стеклянные микрошарики ВП + УЗУ (5 мин) + стеклянные микрошарики
Яа, мкм 0,37 0,25 0,26
Исследования микротвердости показали, что после виброполирования микротвердость составляет в среднем 4390 МПа, а после упрочнения стеклянными микрошариками - 5320 МПа; степень наклепа достигает 21 %. Характерно, что по длине лопатки микротвердость меняется незначительно, в пределах рассеяния.
Следует отметить, что сжимающие напряжения снижают уровень знакопеременных растягивающих напряжений, а также тормозят процесс зарождения усталостных трещин на кромках лопаток при наличии эксплуатационных повреждений. Для оценки влияния упрочняющей обработки на напряженное состояние лопаток были проведены исследования величины и характера распределения остаточных напряжений после каждого из методов обработки (рис. 2). Анализ результатов показывает, что после обдувки стеклянными микрошариками уровень напряжений сжатия уве -личивается на поверхности с 378 МПа до 430 МПа, а глубина залегания с 25 до 35 мкм. Более интенсивное силовое воздействие при комбинированной обработке приводит к значительному увеличению глубины залегания с 25 до 55 мкм, причем высокий уровень остаточных напряжений сжатия сохраняется на глубине до 20 мкм, что должно оказать существенное влияние на повышение сопротивления усталости лопаток компрессора.
Проведено сравнительное исследование структурных характеристик поверхностных слоев лопатки, изготовленной из сплава ВТ 8М, после виброполирования и дополнительной обработки внешней кромки стеклянными микрошариками. Ширина обработанного участка кромки составляла 4,5 мм, что легко оценивалось визуально, так как после обработки шариками этот участок выделяется интенсивным темным цветом по сравнению с частью кромки после виброполирова -ния. Полученные данные приведены в таблице 4.
Анализ полученных данных (рис. 3-5, табл. 4) позволяет отметить существенное изменение текстуры в образцах по длине лопатки как после ВП, так и последующей обработки стеклянными микрошариками. Увеличивается количество зерен с базисной ориентацией и близкой к ней пирамидальной компоненты текстуры. В верхней части лопатки после виброполирования параметр к равнялся 12,0 по сравнению с образцом, вырезанным у корня лопатки, для которого к равен 3,1. Аналогично и параметр г увеличился с 0,8 до 3,9.
Рис. 2. Распределение остаточных напряжений после: 1 - ВП; 2 - ВП + стеклянные микрошарики; 3 - ВП + УЗУ (5 мин) + стеклянные микрошарики
Таблица 4 - Параметры к = /103//110 и е = /004//110, характеризующие текстурованность, а также ширина линии 103 (в градусах) после различных обработок
Обработка Виброполирование ВП + обработка стеклянными микрошариками
Маркировка, участок вырезки образца
к е Ь, град к е Ь, град
В - верхняя часть лопатки 12,0 3,9 1,99 4,7 0,6 3,01
С - середина пера 7,8 2,7 2,69 4,3 0,4 2,99
Н - у корня лопатки 3,1 0,8 2,5 1 2,9 0,3 3,45
-90 '95' 100105110115120125130135 ^"40145150155160
т
Рис. 3. Дифрактограммы, снятые у корня лопатки (образец Н), после виброполирования (А) и ВП + обработка стеклянными
микрошариками (Б)
26
26
А Б
Рис. 4. Дифрактограммы, снятые с середины пера (образец С), после ВП (А) и ВП + обработка стеклянными микрошариками (Б)
105-100-Ё 95-: 908580-Е 75-; 704 1 65) 605 55-Е I 50-• 45-^ : 40354 30-Ё 252015 10
,1
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160
Рис. 5. Дифрактограммы, снятые с верхней части лопатки (образец В), после ВП (А) и ВП + обработка стеклянными микрошариками (Б)
26
26
Возможным объяснением наблюдаемой тенденции изменения параметров к и е являются изменения, которые происходят в структуре в процессе формирования профиля и формы лопатки. Верхняя ее часть подвергалась большей деформации, поэтому наблюдается увеличение количества зерен, ориентированных базисными плоскостями (0001) и пирамидальными
(1013) по сравнению с образцом Н у корня лопатки, для которого к равняется 3,1, а г = 0,8.
Такая же тенденция изменения параметров к и г сохраняется и после обработки шариками. Уменьшение же абсолютного значения параметров к и г, по-видимому, связано с масштабным фактором, так как шариками обрабатывали непосредственно кромку шириной около 4,5 мм. В то же время следует отметить меньшее различие в характере изменения пара-
метров к и г, т. е сближение их значений по длине лопатки (параметр к увеличивался с 2,9 до 4,7, а г - с 0,3 до 0,6). По-видимому, при обработке микрошариками происходит дополнительная деформация с вовлечением в этот процесс в поверхностном слое зерен, ориентированных призматическими плоскостями (1120). И как следствие, наблюдалось выравнивание рассмотренных показателей по длине лопатки после обработки стеклянными микрошариками, что должно положительно сказаться на улучшении параметров, характеризующих прочностные свойства лопаток.
Данные по определению ширины дифракционной линии (213) также приведены в таблице. После обработки шариками ширина линии увеличивается для всех трех образцов, вырезанных с различных участков лопатки. Последнее свидетельствует о существенных
изменениях в структуре поверхностного слоя, когда в процессе деформации увеличивается количество дефектов, происходит усложнение дислокационной структуры и, как следствие, увеличение уровня микронапряжений. В верхней части лопатки их значение несколько меньше, что подтверждается и ранее полученными значениями макронапряжений, измеренных механическим методом, когда наблюдали снижение уровня сжимающих напряжений с уменьшением толщины образца. Известно, что расширению пластически деформированного поверхностного слоя с небольшим удельным объемом препятствует упругоде формированная сердцевина. Если толщина образца уменьшилась, то полученный уровень сжимающих напряжений снижался. По-видимому, подобная картина наблюдалась и в нашем случае.
Для оценки эффективности упрочняющей обработки были проведены испытания на усталость по стандартной методике (Ыб = 100 млн. циклов) серийных лопаток, окончательно обработанных стеклянными микрошариками и обработанных комплексным методом: УЗУ (5 мин) + обдувка стеклянными микрошариками.
Исследования на усталость позволили установить, что упрочнение поверхности стеклянными микрошариками приводит к повышению предела выносливости на 30 %, а комбинированная обработка - на 35 % по сравнению с лопатками, обработанными по серийной технологии окончательно виброполированием, что в конечном итоге способствует повышению несущей способности лопаток компрессора.
Таблица 5 - Результаты испытаний на усталость лопаток после упрочнения стеклянными микрошариками
Шифр лопаток Напряжение испытания, МПа Число циклов, млн. Примечание
С 21 480 100 Н. р.
С 22 500 100 Н. р.
С 23 520 100 Н. р.
С 3 550 100 Н. р.
С 2 600 100 Н. р.
С 4 620 58 Разр. по вх. кр. Ь = 22 мм
С 24 600 100 Н. р.
С 25 620 40,5 Разр. по вх. кр. Ь = 27 мм
Таблица 6 - Результаты испытаний на усталость лопаток после УЗУ (5 мин) + обдувка стеклянными микрошариками
Шифр лопаток Напряжение испытания, МПа Число циклов, млн. Примечание
С 5 520 100 Н. р.
С 6 550 100 Н. р.
С 18 600 100 Н. р.
С 19 650 27,4 Разр. по вх. кр. Ь = 31 мм
С 16 620 100 Н. р.
С 17 630 100 Н. р.
3-07 630 55,6 Разр. по вх. кр. Ь = 20 мм
6-07 620 100 Н. р.
Выводы
1. Таким образом, упрочнение лопаток компрессора стеклянными микрошариками обеспечивает формирование благоприятных характеристик поверхностного слоя и не сопровождается перенаклепом кромок, что имеет место при УЗУ; эффективно нейтрализует технологические микродефекты поверхностного слоя, образованные на предыдущих стадиях технологического процесса, а также сопровождается значительным увеличением предела выносливости и не требует пос-
ледующей доводки тонких кромок ручным полированием.
2. Разработанная технология комплексного упрочнения поверхностного слоя лопаток компрессора, включающая последовательную обработку макро- и микрошариками, является эффективной финишной операцией, которая позволяет обеспечить заданный ресурс лопаток и повысить несущую способность: параметры выносливости и сопротивление эрозионным повреждениям.
Перечень ссылок
1. Ножницкий Ю.А., Фишгойт А.В., Ткаченко Р.И., Теп-лова С.В. Разработка и применение новых методов упрочнения деталей ГТД, основанных на пластическом деформировании поверхностных слоев (обзор) // Вестник двигателестроения, 2006. - № 2. - С. 8-16.
2. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. -М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.
3. Михайлов А. Л. Проектирование и вибродиагностика деталей ГТД на основе исследования объемного напряженно-деформированного состояния / Под ред. Д-ра техн. Наук, профессора В.М. Чепкина. - Рыбинск: РГА-ТА, 2005. - С. 156.
4. Петухов А.Н. Особенности формирования свойств поверхностного слоя основных деталей ГТД при применении традиционных и современных методов упрочнения // Вестник двигателестроения, 2006. - № 2. -С. 20-24.
5. Матлин М.М., Лебский С. Л. Комбинирование поверхностное пластическое деформирование деталей дробью // Вестник машиностроения. 2000. - № 1. - С. 54-56.
6. J. Solis Romero The Effect of Saturation and Duplex Peening on Fatigue Resistance of the 2024-T351 Aluminium Alloy // Metal Finishing News. - 2004. - Vol. 5, July Issue. -p. 38-40.
7. Ishigami, H., et al., A Study on Stress, Reflection and Double Shot Peening to Increase Compressive Residual Stress // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. - 2000. - № 23. - p. 959-963.
8. Чечулин Б.Б., Ушков С.С., Разуваев И.Н. др. Титановые сплавы в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1977. - 247 с.
9. Биргер И. А. Остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1963. - 232 с.
Одержано 10.08.2007
Розглянуто вплив змщнення скляними мжрокульками та комплексне змщнення сталевими мiкрокульками в ультразвуковому полi з подальшою обдувкою мжрокульками на характеристики поверхневого шару та опiр втомi лопаток компресора i-з титанового сплаву ВТ8М.
The influence of hardening by glass microballs and complex hardening in ultrasonics and further blasting by glass microballs on layer surface characteristics and BT8M titanium alloy compressor blades fatigue resistance was shown.
