РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Основным критерием оценки эффективности технологии получения лопаток является сопротивление усталостному разрушению, как основному виду повреждаемости данной детали.
Факторы, влияющие на сопротивление усталости лопаток компрессора, применительно к особенностям геометрии пера, технологии изготовления и повреждаемости, можно условно разбить на три группы:
- макро- и микрогеометрические;
- свойства поверхностного слоя;
- особенности методов отделочно-упрочняющей обработки и выбор их рациональных режимов.
К первой группе факторов следует отнести геометрические параметры лопаток, в том числе радиусы кромок; соотношение уровней напряжений на кромках и спинке лопатки; уровень концентрации напряжений от следов обработки.
Ко второй группе факторов следует отнести свойства поверхностного слоя, состояние которого, с учетом наследственного влияния предшествующей обработки, можно представить следующими параметрами: шероховатостью поверхности, степенью и глубиной наклепа, уровнем и глубиной распределения остаточных напряжений.
К третьей группе факторов, оказывающих непосредственное влияние на формирование свойств поверхностного слоя и выносливость, относятся методы и режимы отделочно-упрочняющей обработки пера лопаток.
2.1. Описание конструкции и материала объекта исследований
Объектом исследований являлись рабочие лопатки компрессоров, изготовленные по серийной технологии и лопатки, полученные методом высокоскоростного фрезерования.
Характерной особенностью лопаток компрессоров является наличие у них относительно тонкого пера, со значительным перепадом по толщине от периферийного к прикорневому сечению, имеющему малую кривизну.
Рабочие лопатки компрессора подбирали согласно требованиям, предъявляемым в ГП ЗМКБ "Ивченко-Прогресс", при установке их на двигатель, что обеспечивало однородность признаков и способствовало уменьшению разброса экспериментальных результатов.
В качестве типового представителя для исследований была выбрана лопатка II-й ступени компрессора высокого давления (КВД) авиадвигателя Д-36 (рис. 2.1) изготовленная из деформируемого титанового сплава ВТ8. Этот сплав относится к группе двухфазовых (?+?) сплавов мартенситного класса.
Рис. 2.1. Рабочая лопатка II ступени КВД авиадвигателя Д-36 (схема профиля).
Титан является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение при температуре 882°С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная (ГПУ) кристаллическая решетка б-титана, а выше - объемно центрированная кубическая (ОЦК) решетка в-титана [27].
Легирование титана химическими элементами, являющимися ?- стабилизаторами, позволяет добиться существования обеих ? и ?- фаз при комнатной температуре. Легирующие компоненты двухфазных титановых сплавов можно разделить на ?- стабилизаторы (Al, C, O, N), ?- эвтектоидные стабилизаторы (Fe) и изоморфные ?- стабилизаторы (Mo, V) ?124?
Титан упрочняется легированием б- и в-стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (б+в)-сплавов. Преимущество двухфазных (б+в)-сплавов - способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет повысить прочность и жаропрочность.
В состав сплава (табл. 2.1) 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 ?27?.
Таблица 2.1 -
Химический состав двухфазного титанового сплава ВТ8
СплавМассовая доля химических элементов, %TiAlMoSiZnCFeONHне болееВТ8основа6,0...7,32,8...3,80,2...0,4<0,50,10,30,150,050,015
Эвтектоидообразующий элемент кремний упрочняет ? и ? - фазы, повышает характеристики прочности и жаропрочности при умеренных температурах, а также уменьшает термическую стабильность сплава. Несмотря на то, что алюминий увеличивает стабильность ?- фазы, он также влияет на растворение в ?-фазе ?- стабилизирующего элемента молибдена. В результате этого, концентрация этих легирующих элементов в ?- фазе увеличивается, что приводит к повышению ее стойкости ?27?.
Механические свойства сплава представлены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 -
Механические свойства титанового сплава ВТ8
СплавТвердость, МПа?, %?, %КСИ, кДж/м2ВТ83,0...3,7НВ950...12006...1116...3030
Точность изготовления пера лопаток регламентируется отраслевым стандартом [125].
На рис. 2.2 показано изменение геометрических параметров лопатки по высоте. Радиусы скругления кромок R1 и R2 по длине изменяются от 0,158 до 0,086 и от 0,161 до 0,1 мм, максимальная толщина Сmax - от 1,622 до 1,004 мм соответственно. На расстоянии 3мм от края кромки толщина лопатки С1 и С2 находится в пределах 1,398...0,867 и 0,820...0,510 мм соответственно.
Рис. 2.2. Изменение геометрических параметров пера лопатки по высоте.
Малоразмерные лопатки относятся к группе контроля 2. Твердость пера лопатки HRCэ 32...38,5. Шероховатость пера должна быть 0,2 ? Ra ? 0,4 мкм, остаточные напряжения сжатия ?ост ? 500МПа при глубине распространения не менее 30 мкм, степень наклепа до 41%, частота собственных колебаний по первой изгибной форме 1000...1200 Гц, предел выносливости ?-1 ? 400МПа.
2.2. Оборудование для ВСФ
В данной работе при изготовлении лопаток компрессора, для последующего их исследования, применяли 5-ти координатный высокоскоростной обрабатывающий центр Starrag-051B/C (рис. 2.3 - 2.5), изготовленный швейцарским предприятием Starrag Heckert AG.
Рис. 2.3. Внешний вид обрабатывающего центра