РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Описание объекта исследования
В качестве объекта исследований применяли серийные лопатки и лопатки после эксплуатационной наработки - 960 ч и 2397 ч. Серийные лопатки и лопатки с наработкой были окончательно обработаны виброполированием и имели практически одинаковые параметры выносливости.
По результатам исследований ?91? длительная эксплуатационная наработка существенно меняет характеристики поверхностного слоя лопаток компрессора, что приводит к снижению сопротивления усталости. Для повышения несущей способности необходимо применить эрозионностойкие диффузионные покрытия.
Лопатки для испытаний подбирали в ОАО "Мотор Сич" согласно требованиям, предъявляемым к лопаткам при установке их на двигатель, что обеспечивало однородность признаков и способствовало уменьшению разброса экспериментальных результатов.
Лопатки I-й ступ. компрессора (рис. 2.1) изготовлены из деформируемых титанового сплава ВТ8М,который заменил сплав ВТ8. Эти сплавы относятся к группе двухфазовых (?+?) сплавов мартенситного класса.
Рис. 2.1. Лопатка I ступ. компрессора двиг. ТВЗ-117 (схема профиля).
Легирующие компоненты (табл. 2.1.) двухфазных титановых сплавов можно разделить на ?-стабилизаторы (Al, C, O, N), ? - эвтектоидные стабилизаторы (Fe) и изоморфные ? - стабилизаторы (Mo, V) ?92?.
Таблица 2.1 -
Химический состав двухфазных титановых сплавов
СплавМассовая доля химических элементов, %TiAlMoSiFeZrВТ8осн.6,53,30,30-ВТ8Мосн.5,54,00,250,30,3 При температуре ниже 882 ?С титан имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.
Легирование титана химическими элементами, являющимися ? - стабилизаторами, позволяет добиться существования обеих ? и ? - фаз при комнатной температуре.
Характерно, что разность удельных объемов кристаллических решеток ? и ? - модификаций титановых сплавов относительно невелика - около 0,17%. При этом, укрупнение частиц ?-фазы приводит к повышению пластичности, ударной вязкости, вязкости разрушения, длительной прочности и сопротивления усталости.
В состав сплава входят как ?- стабилизирующие элементы так и ?- стабилизаторы. Алюминий стабилизирует и упрочняет ?- фазу, повышает температуру эвтектоидного превращения, уменьшает плотность сплава и повышает предел текучести. Молибден является ?- стабилизирующим элементом, который приводит к увеличению количества ?- фазы во время термообработки, повышает характеристики прочности и жаропрочности, особенно при наличии кремния ?93?.
Эвтектоидообразующие элементы хром и кремний упрочняют ? и ?- фа-зы, повышают характеристики прочности и жаропрочности при умеренных температурах, уменьшают термическую стабильность сплава. Несмотря на то, что алюминий увеличивает стабильность ?- фазы, он также влияет на растворение в ?- фазе ?- стабилизирующих элементов хрома и молибдена. В результате этого, концентрация этих легирующих элементов в ?- фазе увеличивается, что приводит к повышению ее стойкости (табл. 2.2) ?93?.
Таблица 2.2 -
Механические свойства титановых сплавов
Сплав?5, %?5, %КСИ, кДж/м2ВТ8950980...1180112830ВТ8М970980...1180103540
Характерной особенностью лопаток компрессора является наличие тонких кромок (рис 2.2).
Рис. 2.2. Изменение геометрических параметров пера лопатки по длине.
Радиусы скругления кромок R1 и R2 по длине изменяются от 0,608 до 0,120 и от 0,128 до 0,1 мм, максимальная толщина Сmax - 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.
Твердость пера лопатки HRCэ 32...38,5. Группа контроля 4 по ОСТ1 00021-78.
2.2. Методика и оборудование для испытаний на усталость
лопаток ГТД
Испытания на усталость лопаток проводили способом динамического возбуждения в них колебаний по первой изгибной форме на электродинамическом вибростенде ВЭДС-200, оснащенном устройством автоматического поддержания заданных динамических нагрузок и выводом информации на печать.
В эксплуатации напряжения в лопатках по первой изгибной форме значительно выше, чем по другим формам колебаний.
Известно, что напряжения по крутильной форме с частотой f=2000...2100 Гц равны max=?22 МПа, по второй изгибной форме с частотой f=2500...2860 Гц - max=?1,5 МПа, по высокочастотной форме с частотой f=8000...9350 Гц - max=?44 МПа.
Рис. 2.3. Установка для исследования НДС лопатки
1 - тензодатчики; 8 - захват приспособления;
2 - коммутатор; 9 - конечный усилитель;
3 - тензоусилитель ТУП-4; 10 - предусилитель;
4 - милливольтметр В7-27; 11 - генератор;
5 - вибростенд ВЗДС-200; 12 - частотомер ЧЗ-32;
6 - лопатка; 13 - микроскоп.
7 - стойка;
Лопатка на вибростенде (рис. 2.3) крепится в специальном замке и испытывается в резонансном режиме. В процессе испытаний уровень заданного напряжения контролируется с помощью бинокулярного микроскопа МБС-9 по размаху колебаний пера лопатки. Опыт исследований показывает, что определение предела выносливости на стандартных образцах для оценки влияния технологических факторов на сопротивление усталости лопаток компрессора может привести к значительному искажению результатов. Лопатка имеет сложный профиль с переменным сечением пера и тонкими кромками, что практически невозможно воспроизвести на образцах. Однако проведение массовых испытаний натурных лопаток компрессора из титановых сплавов на базе N = 108 циклов является трудновыполнимой и дорогостоящей задачей. Поэтому такие длительные испытания целесообразно применять для окончательной оценки эффективности финишных отделочно-упрочняющих методов. Для выбора оптимального режима нанесения диффузионных покрытий и деформационного упрочнения, оценки эффективности те