Влияние комплексной обработки на сопротивление усталости лопаток компрессора из сплава ВТ8М Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.785.53

В. А. Богуслаев, О. Л. Лукьяненко, Г. В. Пухальская, П. Д. Жеманюк

ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ИЗ СПЛАВА ВТ 8М

В статье рассмотрено влияние комплексной обработки (ионно-плазменное покрытие Т1М и ультразвуковое упрочнение шариками) на сопротивление усталости и формирование остаточных напряжений лопаток компрессора из сплава ВТ8М.

Двигатель ТВ3-117 работает в неблагоприятных условиях, при влете и посадке происходит соударение инородных тел с лопатками компрессора. Также они подвергаются воздействию высокочастотных знакопеременных нагрузок и центробежных сил.

Усталостные разрушения являются основным видом отказов лопаток в эксплуатации, которые инициируются эрозионными повреждениями и, в отдельных случаях, разрушениями кромок пера при соударении с инородными телами, которые попадают в тракт двигателя.

Поэтому повышение несущей способности (параметров выносливости и сопротивления воздействию эрозии) лопаток компрессора является актуальной задачей, решаемой комплексной обработкой на финишных операциях технологического процесса.

Решение такой задачи базируется на управлении формированием характеристик поверхностного слоя и параметров выносливости после нанесения ионно-плазменного износостойкого покрытия ИЫ с последующим поверхностным деформационным упрочнением.

Выход из строя детали с покрытием в процессе эксплуатации может происходить в результате отслаивания покрытия от основы (нарушение адгезионной прочности) или разрушения самого покрытия (когезионное растрескивание), а также под действием остаточных напряжений еще до начала эксплуатации [1].

Таблица 1 - Параметры выносливости лопаток

Одна из важнейших проблем для ГТД - это защита лопаток I ступени компрессора от эрозионных повреждений, резко снижающих сопротивление усталости.

Для увеличения стойкости лопаток к эрозии в настоящее время на некоторых двигателях (ТВ3-117ВМА-СБМ1) применяется покрытие нитрид титана (ИЫ), которое наносится вакуумным ионно-плазменным методом толщиной 2......4 мкм.

Целью работы являлось исследование влияния комплексной обработки (ультразвуковое упрочнение шариками + нитридтитановое покрытие, нанесенное методом КИБ) пера лопаток компрессора на сопротивление усталости, величину и знак остаточных напряжений.

Испытания на усталость лопаток проводили способом динамического возбуждения в них колебаний по первой изгибной форме на электродинамическом вибростенде ВЭДС-200.

Лопатки испытывали на усталость ускоренным методом "лестницы", который позволяет получить достоверные результаты при определении среднего значения предела выносливости | и его рассеяния на базе N = 2107 циклов.

В серийном производстве лопатки I ступ. компрессора из сплава ВТ8М окончательно обрабатываются виброполированием с последующим нанесением ионно-плазменного покрытия ИЫ на верхнюю половину пера для повышения эрозионной стойкости.

Испытаниям подвергали лопатки после непро-

© В. А. Богуслаев, О. Л. Лукьяненко, Г. В. Пухальская, П. Д. Жеманюк 2006 г. - 86 -

должительной наработки, восстановленных до уровня серийных лопаток виброполированием. Одна партия лопаток с наработкой 1839 ч была подвергнута комплексной обработке (УЗУ (5 мин) + КИБ) без восстановления характеристик поверхностного слоя виброполированием для получения сравнительных данных. Также была испытана партия лопаток после ультразвукового упрочнения (5 мин) с последующим нанесением покрытия на верхнюю половину пера, соответственно серийной технологии.

Анализ результатов испытаний на усталость табл. 1) показал, что наиболее высокие параметры выносливости обеспечивает УЗУ (5 мин) + КИБ: а— = 654 МПа. Для сравнения, напыление ИЫ лопаток после виброполирования обеспечивает получение более низких параметров выносливости: а— = 590 МПа, но несколько выше, чем после напыления верхней половины пера. В этом случае усталостные трещины зарождались ниже напыленного слоя. Следует отметить, что в этом случае наблюдается наибольшее рассеяние а^: V = 0,10 (коэффициент вариации).

Упрочнение лопаток при продолжительности 10 мин дает более низкие результаты из-за перенаклепа кромок и разупрочнения напыленного слоя. Применение УЗУ без восстановления параметров поверхностного слоя виброполированием также не дало положительных результатов.

Для исследования закономерностей упруго-пластического 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, высокая точность измерения КЭИ; возможность варьирования параметрами режима нагружения в процессе испытаний.

Условный предел текучести приповерхностного слоя определяли графическим способом по кривой в координатах "напряжение-деформация" с допуском на остаточную пластическую деформацию 0,02 %.

Значения усредненных значений пределов текучести (табл. 2) были получены из зависимости контактного напряжения от глубины индентирова-ния. Для всех значений напряжений текучести была принята глубина индентирования Ь = 100 мкм.

Таблица 2 - Усредненные значения предела текучести

Как видно из табл. 2, наибольшие значения усредненного предела текучести, измеренные методом кинетического индентирования, получены при комплексном упрочнении пера лопатки.

Остаточные напряжения определяли механическим методом - измерение прогиба консольно закрепленного образца, вырезанного из лопатки электроэрозионным методом, при последовательном снятии слоев металла электролитическим полированием на приборе ПИОН-2. Для определения знака и характера распределения остаточных напряжений в поверхностном слое пера лопаток после различных операций отделочно-упрочняющей обработки и ионно-плазменного азотирования исследовали образцы, вырезанные со стороны входной кромки и на расстоянии 5 мм от выходной кромки (примерно посредине пера) размером 50x8 мм.

Для оценки влияния методов отделочно-упроч-няющей и комплексной обработки на характер формирования остаточного напряженного состояния поверхностного слоя лопаток I ступ. компрессора сплава из ВТ 8М были получены эпюры остаточных напряжений механическим методом (рис. 1......3).

Эпюры построены по средним значениям величин остаточных напряжений, измеренных на трех лопатках, обработанных одним из финишных методов.

Из рис. 1 видно, что нанесение покрытия на виброполированную поверхность привело к увеличению уровня сжимающих напряжений у поверхности с 370 до 580 МПа.

Вероятно, это вызвано тем, что покрытия ИЫ имеет значительно больший удельный объем чем у сердцевины лопатки, и даже по сравнению с пластически деформированным поверхностным слоем.

Известно, что сжимающие остаточные напряжения образуются при деформационном упрочнении за счет увеличения удельного объема поверхностного наклепанного слоя, который стремится увеличить размеры по отношению к упруго-деформированной сердцевине, которая оказывает силовое воздействие на упрочненный материал.

Более интенсивное силовое взаимодействие с сердцевиной происходит в поверхностном слое пера лопатки при нанесении покрытия. Более высокий уровень сжимающих напряжений в лопат-

ках с покрытием по сравнению с ультразвуковым упрочнением объясняется его малой толщиной (45 мкм) - после УЗУ (10 мин) глубина упрочненного слоя достигает 110 мкм.

После УЗУ в течение 5 мин уровень сжимающих напряжений у поверхности увеличивается с 370 МПа (ВП) до 520 МПа, а глубина залегания с 25 до 40 мкм; после УЗУ (10 мин) - до 430 МПа и 110 мкм соответственно.

Последующее напыление КИБ повышает уровень сжимающих напряжений у поверхности до 720-660 МПа, что значительно выше, чем после ВП+КИБ. При этом глубина залегания напряжений практически не меняется.

Характерно, что ультразвуковое упрочнение покрытия привело к снижению уровня сжимающих напряжений до 660 МПа - УЗУ (5 мин) и 550 МПа -УЗУ (10 мин) и незначительному уменьшению глубины залегания.

Рис. 1. Эпюры распределения остаточных напряжений после: 1 - ВП; 2 - ВП + КИБ

Рис. 2. Эпюры распределения остаточных напряжений после: 1 - УЗУ (5 мин); 2 - УЗУ (5 мин)+ КИБ; 3 - КИБ + УЗУ (5 мин)

Рис. 3. Эпюры распределения остаточных напряжений после: 1 - УЗУ (10 мин); 2 - УЗУ (10 мин)+ КИБ; 3 - КИБ + УЗУ (10 мин)

Выводы

Испытания на усталость лопаток после комплексной обработки (УЗУ+КИБ) за счёт образования благоприятного сочетания характеристик поверхностного слоя приводит к значительному повышению сопротивления усталости. Предел выносливости ст-1 после комплексной обработки увеличивается с 616 МПа (серийные лопатки-ВП+КИБ верхней половины пера) до 654 МПа.

Исследования характеристик приповерхностных слоев кинетическим индентированием показало значительное повышение условного предела текучести после всех видов упрочняющей обработки. Так после комплексных видов обработки условный предел текучести увеличился с 1050 до 1475-1550 МПа.

Исследования остаточного напряженного состояния приповерхностного слоя показали, что после УЗУ (5 мин) уровень сжимающих напряжений увеличивается с 370 МПа (ВП) до 520 МПа. Последующее нанесение покрытия ИЫ повышает уровень сжимающих напряжений до 720 МПа.

Список литературы

1. Ляшенко Б.А. Несущая способность материалов и конструктивных элементов с защитными покрытиями в экстремальных условиях эксплуатации: Автореф. дис-и докт. техн. наук. -Киев, 1976. - 55 с.

2. Методы испытания и контроля исследования машиностроительных материалов / Под общ. ред. А. Т. Туманова. - М.: Машиностроение, 1974. - Т. 1. - 320 с.

3. Богуслаев В.А., Жеманюк П.Д., Яценко В.К. и др. Формирование характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора комплексной обработкой/Вестник двигателестроения, 2003. - №1. - С. 41-46.

4. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. - М.: Машиностроение, 1981. -

368с.

5. Серпецкий Б.А., Лоскутов СВ., Левитин В.В. и др. Повышение точности и производительности рентгенодифрактометрических измерений макроскопических напряжений //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Физи-

ческие методы исследования и контроля, 1998. - № 3 - С. 28-31.

Поступила в редакцию 30.06.2006 г.

В cmammi розглянуто вплив комплексно!' обробки (¡онно-плазмове покриття TiN та ультразвукове змiцнення кульками) на опiр вmомi та формування остаточних напружень лопаток компресора i3 сплава ВТ8М.

The article considers the influence of complex treatment (ion-plasma TiN coating with titanium nitride and ultrasonic shot blast hardening) on resistance to fatigue and occurance of residual stresses in compressor blades made from ВТ8М alloy.