2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..................................................................5
1. Аналитический обзор....................................................9
1.1. Основные методы деформационного упрочнения поверхностного
слоя элементов конструкций.........................................9
1.2.Упрочнение поверхностного слоя элементов конструкций за счет неравномерного распределения температуры..............................16
1.3.Влияние термопластического упрочнения на эксплуатационные характеристики материала........................................21
1.4.Влияние параметров термопластического упрочнения на напряженное состояние поверхностного слоя элементов конструкций...................25
1.5.Термопластическое упрочнение турбинных лопаток....................31
Выводы по разделу 1...................................................37
2. Численное решение задач и анализ особенностей термопластического упрочнения при плоском напряженном состоянии..........................39
2.1. Обзор программы АЫ8У8............................................39
2.1.1. Препроцессорная подготовка................................ 40
2.1.2. Получение решения..........................................40
2.1.3. Постпроцессорная обработка.................................43
2.1.4. Метод конечных элементов в программе АШУЗ..................44
2.2. Основные соотношения для температурной задачи, используемые в программе АШУБ..................................................45
2.3. Основные механические определяющие соотношения для материала, используемые в программе АЛБУБ........................................49
2.4. Разработка методов расчета и анализ результатов при термопластическом упрочнении тел канонической формы в условиях плоского
напряженного состояния............................................58
2.4.1. Термопластическое упрочнение полупространства..............63
3
2.4.2. Термопластическое упрочнение цилиндра малой высоты........64
2.4.3. Термопластическое упрочнение тонкой квадратной пластины с круговым отверстием..............................................71
2.4.4. Термопластическое упрочнение тонкой прямоугольной пластины с двумя круговыми отверстиями.................................78
Выводы по разделу 2...................................................89
3. Разработка методов расчета и анализ результатов при термопластическом
упрочнении в условиях объемного напряженного состояния................91
3.1 .Решение задач для тел канонической формы........................ 91
3.1.1. Термопластическое упрочнение пластины с квадратным планом...........................................................91
3.1.2. Термопластическое упрочнение цилиндра.....................96
3.1.3. Термопластическое упрочнение цилиндра с соосным отверстием......................................................102
3.2.Решение задач для лопаток газотурбинного двигателя (примеры).....109
3.2.1 Термопластическое упрочнение неохлаждаемых лопаток........109
3.2.2. Термопластическое упрочнение охлаждаемых лопаток.........126
3.2.3. Термопластическое упрочнение охлаждаемых лопаток с отверстиями.....................................................137
Выводы по разделу 3..................................................142
Заключение.............................................................144
Библиографический список...............................................145
Приложение.............................................................157
4
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ГТД - газотурбинный двигатель;
НДС - напряженно-деформированное состояние;
ППД - поверхностное пластическое деформирование; ТПУ - термопластическое упрочнение; р - плотнос ть, кг/м3',
с - удельная теплоемкость, Дж/{кгград); а - коэффициен т температуропроводнос ти, м2/(с-граду, Я - коэффициент теплопроводности, Впг/(м-граду,
/? - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2град); а - коэффициент теплового расширения, 1/град-,
Е - модуль упругости, МПа-, у- коэффициент Пуассона; і - время, с;
е - полная деформация; ек - упругая деформация;
- пластическая деформация; е - температурная деформация; су - напряжения, МПа-, стт - предел текучести, МПа;
То - начальная температура тела, °С;
Тс - температура среды, °С;
{}’ - операция транспонирования.
5
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее перспективных методов повышения долговечности и надежности элементов конструкций является упрочнение поверхностного слоя материала. В машиностроении широко применяются такие методы, как алмазное выглаживание, пневмо- и гидродробеструйное упрочнение, виброгалтовка, упрочнение микрошариками и другие способы поверхностного пластического упрочнения (ППД). При использовании указанных методов ППД в поверхностных слоях деталей степень деформации достигает 40 - 60 %, что при высоких температурах эксплуатации приводит к снижению усталостных свойств в результате интенсификации диффузионных процессов в упрочненной зоне. Поэтому для элементов конструкций, работающих при высоких температурах, наиболее приемлемыми являются методы упрочнения, при которых благоприятное напряженное состояние поверхностного слоя создается при минимальных пластических деформациях. К таким методам относится метод термопластического упрочнения (ТПУ), разработанный проф. Б.А.Кравченко. Проведенные исследования на деталях, работающих в горячей зоне газотурбинных двигателей, после наработки позволяют сделать заключение об эффективности 'гермопластического упрочнения, которое значительно увеличивает их ресурс.
Актуальность. Процесс термопластического упрочнения весьма эффективно применяется для упрочнения деталей газотурбинных двигателей, применяемых в авиационной промышленности, в агрегатах газоперекачивающих станций, для привода электрогенераторов. Повышение долговечности деталей методом ТПУ увеличивает срок эксплуатации, позволяет значительно сократить расходы на ремонт и делает эту проблему весьма актуальной для энергетики.
При оценке остаточных напряжений при ТПУ аналитические решения, как правило, получить не удается в силу нелинейности задачи и существенной зависимости механических и физических характеристик материалов деталей от
6
температуры. Применяемые численные методы и алгоритмы расчетов для ТПУ содержат достаточно много упрощающих предположений (не учитывается зависимость механических и физических характеристик от температуры) и не обладают общностью (при изменении формы изделия требуются новые алгоритмы и программы). Поэтому актуальной является задача создания достаточно надежного и общего алгоритма расчетов для ТПУ и соответствующего программного комплекса.
Целью работы является:
- разработка алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) при ТПУ тел канонической формы (пластина с квадратным планом, цилиндр малой и большой высоты, пластина с одним и двумя отверстиями, пустотелый цилиндр) с помощью программы АЫБУБ с учетом зависимости характеристик материала от температуры;
- расчет НДС при ТПУ лопаток ГТД, работающих в условиях высоких температур; исследование величины и особенностей распределения напряжений и пластических деформаций по сечению как нсохлаждаемой, так и охлаждаемой лопаток с учетом зависимости характеристик материала от температуры.
Научная новизна:
- разработан алгоритм расчета НДС при ТПУ тел различной формы (пластина с квадратным планом, цилиндр малой и большой высоты, пластина с одним и двумя отверстиями, пустотелый цилиндр) с помощью программы АЫБУЗ с учетом зависимости характеристик материала от температуры;
- проведен анализ полей напряжений и деформаций для случая двух близко расположенных отверстий в пластине;
- исследованы величина и характер распределения температурных и механических полей для сплошной и полой лопаток путем разбиения сечения лопатки на конечные элементы;
7
- получено численное решение задачи об определении остаточных напряжений и их интенсивности для неохлаждаемой и охлаждаемой лопаток в трехмерной постановке с помощью метода декомпозиции;
- решена задача определения остаточных напряжений и пластических деформаций в отверстии охлаждаемой лопатки ГТД.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается проведением различных тестовых задач, сравнением с результатами численных экспериментов, полученных с помощью других программ, а также исследованием точности полученных результатов в зависимости от количества и величины конечных элементов при ТПУ и типовой задачи (растяжение пластины с отверстием).
Практическая значимость. Разработанная методика позволяет рассчитывать НДС при ГПУ деталей различной формы (пластина с квадратным планом, цилиндр малой и большой высоты, пластина с одним и двумя отверстиями, пустотелый цилиндр) с учетом зависимости теплофизических и механических свойств материала от температуры. С помощью программы АШУБ получены распределения температурных и механических полей для неохлаждаемой и полой лопаток ГТД, эксплуатируемых в условиях повышенных температур.
Основные положения, выносимые на защиту:
- разработка алг оритма расчета НДС при ТПУ тел различной формы (пластина с квадратным планом, цилиндр малой и большой высоты, пластина с одним и двумя отверстиями, пустотелый цилиндр) с помощью программы АШУБ с учетом зависимости от температуры характеристик материала;
- анализ полей напряжений и деформаций для случая двух близко расположенных отверстий в пластине (при взаимодействии зон пластических деформаций);
8
- исследование величины и характера распределения температуры, полей напряжений и деформаций для сплошной и полой лопаток путем разбиения сечения лопатки на конечные элементы;
- распределения остаточных напряжений и их интенсивности для неохла-ждаемой и охлаждаемой лопаток, полученные с помощью метода декомпозиции при решении задачи в трехмерной постановке;
- решение задачи об определении остаточных напряжений и пластических деформаций в отверстии охлаждаемой лопатки ГТД.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи и гезисы 6 докладов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Ш научной межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 1993); на международной конференции "Математическое моделирование процессов обработки материалов" (Пермь, 1994); на V и VI научных межвузовских конференциях "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 1995 и 1996); на 2-ой международной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлоконструкций и методы их решения" (Санкт-Петербург, 1997); на международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, приложения и библиографического списка. Она изложена на 163 страницах, содержит 124 рисунка, 9 таблиц и библиографический список из 110 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Самарину Ю.П. и профессору Кравченко Б.А. за внимание и консультации при выполнении работы.
9
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ
Основными тенденциями развития машиностроения и, особенно, авиамоторостроения являются повышение единичной и удельной мощностей, значительное увеличение рабочих скоростей, нагрузок и температур. При этом особое место заняла проблема долговечности и надежности выпускаемой продукции. ТЭто обусловлено не только изменением технических требований к ней, но и тем, что увеличение долговечности и надежности представляет наиболее выгодное направление машиностроительного производства. Все это определило повышение требований к точности изготовления деталей машин и качеству поверхности.
Применение газотурбинных установок на газоперекачивающих станциях и для создания локальных источников электроэнергии делают эту проблему весьма актуальной для энергетики и газовой промышленности. Ремонт газоперекачивающих установок является дорогостоящей операцией из-за перевозки оборудования на достаточно большие расстояния. Поэтому повышение долговечности деталей после ремонта сокращает эти расходы. Аналогичные проблемы стоят и перед организациями нефтедобывающей и газовой промышленности. Для работы оборудования требуется электроэнергия, линии которой тянутся на большие расстояния. Поэтому создание индивидуальных источников питания значительно уменьшает затраты на протяжении линий электропередач. Время от времени они также требуют ремонта, и увеличение срока эксплуатации позволяет значительно сократить расходы на ремонт.
Изложенное в большой степени относится к силовым деталям, работающим при высоких температу рах. Такие детали как. например, лопатки компрессоров и турбин авиадвигателей в условиях эксплуатации подвержены возденет-
10
вию больших динамических и статических нагрузок при температурах, достигающих 900 °С и более / 91 /.
Повышение долговечности этих деталей ведется в основном в трех направлениях: создание новых жаропрочных сплавов, разработка оптимальных конструкций и усовершенствование технологии их изготовления. Последнее направление имеет свои преимущества / 108 /, так как позволяет улучшить качество поверхностного слоя деталей относительно простыми способами.
Для улучшения эксплуатационных свойств деталей широкое распространение получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД) благодаря работам, выполненными Балтером М.А., Кудрявцевым И.В., Мата-линым A.A., Одингом И.A., Папшсвым Д.Д. и др. Если вначале ряд авторов эффект от пластического деформирования связывали в основном с деформационным упрочнением (наклепом), то в настоящее время все больше исследователей увеличение сопротивления усталости относят за счет формирования благоприятных напряжений сжатия вблизи поверхности детали / 11, 12, 39, 40, 47, 48, 64, 70, 76 /.
Одним из методов формирования благоприятного напряженного состояния поверхностного слоя лопаток является ультразвуковое упрочнение / 12 /. В этой работе авторами приводятся эпюры остаточных напряжений и кривые изменения усталостной прочности при комнатной температуре профильной части компрессорных лопаток из сплава IXI7H2. Увеличение предела выносливости в этом случае составляет 5 ... 20%. Для замковой части лоиаток из сплава ЭИ479Ш прирост достигает 27%.
В работе / 14 / приведены данные исследования конструкционных углеродистых сталей. Остаточные напряжения на гладких цилиндрических образцах получали обкаткой в трехроликовом приспособлении. Упрочненные образцы подвергались нагружению по отнулевому положительному циклу. После нескольких первых циклов растяжения остаточные напряжения сжатия, обуслов-
11
ленные обкаткой, переходят в поверхностном слое образца в напряжения растяжения. Авторы работы объясняют полученный эффект повышением механических характеристик поверхностного слоя при ППД /13 /.
Вибрационное упрочнение твердосплавными шарами диаметром 8 ... 10 мм высокопрочной стали ЗОХГСНА / 53 / обеспечило на оптимальном режиме повышение малоцикловой долговечности при отнулевом чистом изгибе плоских образцов (5 = 2.5 мм) в 2 раза. Оптимальное по длительности упрочнение снизило высоту микронеровностей на поверхности образца вдвое, микротвердость возросла на 33%, остаточные напряжения на поверхности изменились от +400 до -1200 МПа с глубиной залегания 180 мкм. Увеличение времени обработки уменьшает микротвердость и уровень остаточных напряжений, и потому, несмотря на дальнейшее улучшение чистоты поверхности, циклическая долговечность снижается.
В работе / 81 / рассматривалось влияние технологии обработки поверхности образцов из никелевого сплава ХН77ТЮР на сопротивление малоцикловой усталости в условиях высоких температур. Испытания проводились на трубчатых образцах с толщиной стенки 1 мм при циклическом растяжении-сжатии с частотой около одного цикла в минуту в условиях “мягкого” нагружения. Температура испытания составляла 700 °С. Поверхность исходных образцов с шероховатостью, соответствующей 7-му классу чистоты, была получена круглым шлифованием. При этом на поверхности образца возникали растягивающие остаточные напряжения от 100 до 600 МІІа, а глубина деформированного слоя составила 15 ... 30 мкм. После атмазного выглаживания пластически деформированный слой имел глубину около 100 мкм, а сжимающие остаточные напряжения достигали 600 МПа. Шероховатость поверхности соответствовала 11 ... 13 классам чистоты.
Результаты экспериментов показали, что при алмазном выглаживании с улучшением качества поверхности образца снижается его сопротивление мало-
12
цикловому деформированию и разрушению, даже при наличии в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений. Долговечность выглаженных образцов снизилась в 2 ... 2.5 раза по сравнению со шлифованными образцами. При снятии деформированного поверхностного слоя электролитическим полированием сопротивление образцов малоцикловому разрушению находилось на уровне шлифованных образцов.
Отрицательное влияние упрочнения авторы объясняют снижением пластических свойств поверхностного слоя, что способствует возникновению микротрещин по границам зерен и облегчает их дальнейшее развитие.
Можно предположить, что с уменьшением степени деформационного упрочнения зависимость циклической долговечности от остаточных напряжений будет носить более выраженный характер. Одним из методов, позволяющих получить высокие остаточные напряжения сжатия на поверхности при относительно небольшой степени пластической деформации, является упрочнение микрошариками / 5, 52 /.
В работе /31 / исследовалась циклическая долговечность образцов из сплава ЖС6КП, имеющих различный уровень остаточных напряжений сжатия. Образцы диаметром 7.52 мм обрабатывание микрошариками из стали ШХ15 диаметром 160 ... 200 мкм на промышленной установке У ДМ-2 но режимам, применяемым для упрочнения рабочих лопаток турбины (давление воздуха
0.3 МПа, скорость полета микрошариков 76 м/с, время упрочнения 30 с). Остаточные напряжения на поверхности образцов после упрочнения достигати -1000 МПа, глубина их залегания равнялась 150 мкм. Циклическую долговечность определяли при температуре 800 °С при положительном отнулевом цикле нагружения с частотой 14 цикл/мин. При отах = 910 МПа средняя циклическая долговечность упрочненных образцов увеличилась с 1800 до 5600 циклов, т.е. в 3 раза / 32 /.
13
Уменьшение остаточных напряжений сжатия в образцах достигаюсь выдержкой последних после упрочнения при температуре 650 ... 800 °С в течение 50 ... 200 часов. Затем образцы испытывались при указанных выше условиях. Полученная зависимость циклической долговечности от остаточных напряжений сжатия приведена на рис. 1.1.
левого цикла растяжения до 900 МПа привело к повышению циклической долговечности упрочненных образцов в 1.5 ... 2 раза и в 3 ... 5 раз при снижении до
Существенный эффект был достигнут при гидродробеструйной обработке образцов с надрезами (сек = 4.6): повышение о\г составило 44%. Еще больший эффект получен в работе / 51 / на базе 5* 10* циклов: предел ограниченной выносливости образцов с надрезом из титанового сплава ВТЗ-1 (а* = 2.2) после обкатки роликом надреза и прилегающей области повысился на 70 ... 75% и достиг уровня для гладких образцов. Упрочнение зоны вблизи надреза без упрочнения самого надреза повысило <т^ на 20... 30% / 51,97 /.
Авторами работы / 4 / исследовалось влияние пескоструйной обработки на маюпикловую усталость образцов из титановых сплавов ВТ5-1, ВТ6, ВТ14.
Рис. 1.1. Зависимость циклической долговечности сплава ЖС6КП при 800 °С от максимальных остаточных напряжений сжатия
о 200 400 600 *00 Оост.МПа
Поверхностное упрочнение титановых сплавов приводит к подобным результатам, если только пластическая деформация не вызывает фазовых изменений материала. По данным работы / 97 / поверхностное упрочнение гладких образцов из сплавов ВТ8, ВТ9 не изменило предел малоцикловой усталости <jv = 950 МПа на базе N - 10г циклов. В то же время снижение максимальных напряжений отиу-
600 МПа.
14
Полученное снижение статической и усталостной прочности при малоцикловом нагружении авторы работы объясняют процессом разупрочнения поверхностного слоя, связанным с превращением остаточной метастабильной [3-фазы в стабильную а-фазу под влиянием пескоструйной обработки.
Изучением кинетики развития трещин в области малоцикловой усталости при упрочнении титановых и жаропрочных сплавов, в частности ИЭ698, проводилось в работах / 5, 21 /. В работе / 21 / плоские образцы сечением 1.2*28 мм упрочнялись гидродробеструйиой обработкой стальными шариками диаметром 1.6 мм (давление жидкости 555 кПа, время обработки 8 мин). После упрочнения в центре образца сверлили отверстие диаметром 3 мм для локализации места зарождения трещины. Испытания на повторное растяжение образцов (/*=14 цикл/мин) показали, что ограниченный предел малоцикловой усталости на базе N = 10* циклов сплава ЭИ698 повысился по числу циклов до разрушения на 14.5% и по числу циклов до появления трещины длиной 0.5 мм на 13.5%. Одновременно несколько возросла живучесть материала (долговечность образцов с трещиной). Большая долговечность образцов после ГТПД объясняется более поздним зарождением усталостной трещины и замедлением ее распространения.
Долговечность плоских образцов толщиной 2 мм с отверстием диаметром 3 мм (материал ЭИ698) после упрочнения микрошариками / 5 / по числу циклов до появления трещины увеличилась в 2 ... 2.5 раза. При этом наблюдалось и некоторое увеличение критической длины трещины. Испытания на повторностатическое растяжение проводилось при номинальных напряжениях ст,Юм - ООО ... 900МПа.
Исследования влияния режимов упрочнения на остаточные напряжения, проведенные в работе / 5 /, показали, что для большого числа жаропрочных и титановых сплавов определяющим параметром, влияющим на глубину залегания остаточных напряжений, является диаметр микрошариков, а величина оста-
- Киев+380960830922