В. А. Барвинок-1, М. А. Вишняков- 2 где
1 -Самарский государственный аэрокосмический университет
2 - Самарский государственный технический университет
В статье представлены основные этапы расчета остаточных напряжений, возникающих при термопластическом упрочнении в деталях типа лопаток компрессора, а также результаты исследования влияния масштабного фактора на возможность формирования в их поверхностном слое благоприятного напряженного состояния. Установлено, что лопатки с толщиной профиля >2 мм легко упрочняются указанным методом. Для термоупрочнения тонких лопаток (h =0,5... 1,5 мм) предлагается дополнительно использовать специальную эластичную металлоемкость. Эффективность ее применения обосновывается результатами расчета остаточных напряжений.
В авиамоторостроении актуальной остается проблема повышения эксплуатационной надежности и ресурса двигателей, ответственные узлы и детали которых продолжительное время работают в условиях циклических нагрузок и повышенных температур. В настоящее время она решается путем создания новых современных конструкций, применения материалов с повышенными физико-механическими характеристиками, а также широкого внедрения в производство прогрессивных финишных методов обработки, среди которых особая роль отводится методам упрочняющей технологии, основанным на поверхностном пластическом деформировании (ППД). Методы ППД, к которым можно отнести обдувку микрошариками, пневмо- и гидродробеструйную обработки, алмазное выглаживание и другие, способствуют улучшению показателей качества обработанной поверхности.
Установлено, что в результате применения методов упрочняющей обработки на основе ППД в поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия при соответствующей степени деформационного упрочнения. Многочисленные исследования, проведенные в этом направлении, подтвердили положительное влияние сжимающих напряжений и негативное воздействие повышенной степени упрочнения на усталостную прочность деталей, работающих в условиях высоких температур. В то же время, как известно, особенность методов ППД заключается в том, что формирование необходимого уровня сжимающих напряжений возможно только при значительных пластических деформациях. Отрицательное влияние последних связано с тем, что поверхностно-деформированный слой детали после упрочнения становится термодинамически неустойчивым, и в условиях рабочих температур интенсифицируются диффузионные процессы, которые являются причиной ускоренной релаксации созданного напряженного состояния.
Поэтому использование ППД для деталей, работающих в указанных условиях, имеет свои ограничения. Отмеченные явления в большей степени сказываются на таких сложных и тяжело нагруженных деталях авиадвигателя, как лопатки турбины и компрессора. Наиболее оптимальными для них являются методы упрочнения, которые обеспечивают в поверхностном слое детали благоприятные сжимающие остаточные напряжения при минимальной степени упрочнения. Одним из таких методов является термопластическое упрочнение (ТПУ). В связи с этим особое значение приобретает задача обоснования возможности создания при ТПУ в поверхностном слое деталей типа лопаток компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) остаточных напряжений сжатия соответствующей величины и глубины залегания.
Известно, что причиной появления напряженно-деформированного состояния при ТПУ является неравномерное температурное поле по толщине детали, которое образуется в процессе ее сквозного прогрева до температуры начала термопластических деформаций и последующего резкого охлаждения с боковых сторон. При анализе напряженной ситуации, возникающей в поверхностном слое, можно принять перо компрессорной лопатки, имеющей малую кривизну, за плоскую пластину. В этом случае для определения температурного поля T(Z,T), изменяющегося только по толщине пластины z за время г, можно воспользоваться уравнением теплопроводности [1]
Вывод формул см. в печатной версии журнала.На рис. 1 и 2 представлены графики изменения упругих напряжений для пластин из титанового сплава ВТ9 толщиной h = 1...2 мм при их одностороннем охлаждении. Режим термопластического упрочнения: температура нагрева Т= 900 °С, давление охлаждающей жидкости Р = 0,6 МПа. Видно, что при такой схеме пластические деформации появляются только в поверхностном слое пластин толщиной h = 2 мм, достигая своего максимального значения на поверхности. Их область распространения очень мала и ограничена точками, расположенными в непосредственной близости от охлаждаемой поверхности.
Для определения остаточных напряжений можно воспользоваться теоремой о разгрузке [3], согласно которой остаточные напряжения равны разности между истинными напряжениями в упругопластическом теле и теми напряжениями, которые создавались бы в нем при предположении об идеальной упругости материала:
cr{z)=a(z)-a'(z),(7)
где cr(z) - напряжения в упругопластическом материале, <x*(z) - напряжения, возникающие при предположении об идеальной упругости материала.
Остаточные напряжения, вычисляемые по формуле (7), являются неуравновешенными и перераспределяются вследствие деформации пластины.
Результаты расчета остаточных напряжений в пластинах из титанового сплава ВТ9 приведены на рис. 3. Видно, что только начиная с толщины h = 2 мм, в поверхностном слое образуются сжимающие остаточные напряжения, максимальная величина которых на поверхности составляет 80 МПа.
Увеличение толщины до 5 мм приводит к возрастанию величины остаточных напряжений и толщины пластически деформированного слоя.
Практика эксплуатации газотурбинных двигателей свидетельствует о том, что дефекты, наблюдаемые на лопатках компрессора, обычно зарождаются в непосредственной близости от их кромок, толщина которых составляет h = 0,5...1,5 мм. Поэтому в процессе ТПУ особенно важно создать равномерное поле сжимающих остаточных напряжений не только по перу лопатки, но и в поверхностном слое их тонких кромок. Одним из путей достижения поставленной задачи является применение специальной дополнительной массы (накладки), закрепляемой в тех местах лопатки, где ее толщина не превышает 2 мм. В качестве такой массы использованы шарики из жаропрочного сплава ЖС6У размером 100...200 мкм, которые засыпались в специальную эластичную металлоемкость. Последняя устанавливалась на пере лопатки со стороны неохлаждаемой поверхности. Достаточно хороший тепловой контакт создавался плотным прижатием накладки с шариками к детали.
Для подтверждения возможности создания в поверхностном слое тонкой пластины необходимого уровня остаточных напряжений с соответствующей глубиной залегания был проведен расчет теплонапряженного состояния, возникающего в ней при термопластическом упрочнении. С этой целью реальная система «деталь-накладка» была представлена в виде двух контактирующих пластин с идеальным тепловым контактом между ними. Дифференциальные уравнения теплопроводности, граничные и начальное условия для рассматриваемой системы будут иметь вид:
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
рис.3 - Изменение остаточных напряжений
Рис.4 - Упругие напряжения при ТПУ пластины
Результаты этого расчета для пластин толщиной h = 0,5... 1,5 мм показаны на рис. 5. Видно, что в поверхностном слое сформировались сжимающие остаточные напряжения, максимальная величина которых располагается на поверхности и составляет 50...420 МПа. На величину напряжений и глубину их распространения существенное влияние оказывает толщина упрочняемой детали. Особенно это сказывается при ее изменении от 0,5 до 1,0 мм.
Приведенные в статье результаты расчетов свидетельствуют о том, что метод термопластического упрочнения, рекомендуемый для повышения усталостной прочности деталей типа лопаток компрессора, позволяет сформировать в их поверхностном слое благоприятную эпюру сжимающих остаточных напряжений. При этом увеличение толщины упрочняемой детали вызывает соответствующий рост величины и глубины залегания напряжений. Кроме того, установлено, что при термоупрочнении деталей толщиной менее 2 мм для получения необходимого эффекта упрочнения с противоположной от охлаждаемой поверхности стороны детали должна быть закреплена специальная дополнительная масса.
Рис. 5. остаточные напряжения при ТПУ пластины с применением накладки.
Список литературы
1. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.
2. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. М.: Мир, 1964. - 517 с.
3. Биргер И. А. Остаточные напряжения. М.:Машгиз, 1963.-231 с.
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.