М Кулик, Б Ляшенко, В Мірненко - Підвищення надійності конструкційних елементів газотурбінних установок поверхневим зміцненням - страница 1

Страницы:
1  2 

СУЧАСНІ АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ ТЕХНОЛОГІЇ

 

УДК 539.43;539.53+623.4(045)

1М.С. Кулик, д.т.н., проф. 2Б.А. Ляшенко, д.т.н., проф. 3В.І. Мірненко, д.т.н., проф. 4О.А. Тамаргазін, д.т.н., проф.

ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ КОНСТРУКЦІЙНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ГАЗОТУРБІННИХ УСТАНОВОК ПОВЕРХНЕВИМ ЗМІЦНЕННЯМ

1,2,4Національний авіаційний університет

1E-mail: kms@nau.edu.com

4Е-таі1: avia_icao@mail.ru 3Національна академія оборони України

Розглянуто питання підвищення надійності лопаток компресора на основі поліпшення комплексу термомеханічних властивостей титанових сплавів багатофункціональними вакуум-плазмовими (PVD) покриттями.

Рассмотрены вопросы повышения надежности лопаток компрессора на основе улучшения комплекса термомеханических свойств титановых сплавов многофункциональными вакуум-плазменными (PVD) покрытиями.

In this article we examine the question of reliability raise of compressor blades on the martempering basis of a complex of thermomechanical properties of titanium alloys multipurpose vacuum-plasma (PVD) covers.

Постановка проблеми

Найпоширенішими конструкційними матеріа­лами для газотурбінних установок є титанові сплави (Ti-сплави) [1].

Найважливішою перевагою Ti-сплавів є пи­тома міцність більша в два рази порівняно з ле­гованими сталями, які використовуються у дви-гунобудівництві, за температури до 300 °С [2].

Межа міцності оу складнолегованих Ti-сплавів досягає 1500 МПа при відносному по­довження на розрив 5 до 15 %.

Більш широке застосування Ti-сплавів стримують:

-    низький опір повзучості за температури по­над 550 °С;

-    невисока вібраційна міцність, зумовлена ви­сокою чутливістю до стану поверхні;

-    взаємодія з газовим середовищем за підви­щених температур.

У практиці поверхневого зміцнення титано­вих сплавів відоме застосування традиційних технологій зміцнювальних покриттів. За накопи­чення значного досвіду з поліпшення механічних і триботехнічних характеристик Ti-сплавів задо­вільного рішення не отримали.

Загальним недоліком була та обставина, що поліпшення однієї характеристики в разі нане­сення покриття істотно знижувало інші.

Наприклад, підвищення ерозійної стійкості супроводжувалося зниженням межі витрива­лості.

Мета досліджень - визначення шляхів підви­щення надійності деталей з Ti-сплавів за рахунок нанесення багатофункціонального, багатошаро­вого покриття і розроблення концепції керування технологією його формування у разі одночасного підвищення всього комплексу характеристик міцності та газоабразивної стійкості.

Методи дослідження

Для дослідження технологічного процесу на­несення вакуум-плазмових покриттів був вико­ристаний метод багатофакторного планування експерименту і математичної обробки статис­тичних даних, що дозволило подати процес фор­мування покриттів у вигляді функціональних за­лежностей вхідних і вихідних параметрів. Як критерій оптимізації обрали:

-   межу міцності;

-   умовну межу текучості;

-   ізотермічну і термоциклічну повзучість;

-   межу високочастотної багатоциклової вит­ривалості;

-   інтенсивність зношування абразивними час­тинками композиції «основа-покриття».

© М.С. Кулик, Б.А. Ляшенко, В.І. Мірненко, О.А. Тамаргазін, 2010

Як технологію покриттів обрали метод PVD (фізичне осадження з парогазової фази), який на сьогодні є найперспективнішим.

Технологією нанесення передбачено три етапи:

-   іонне очищення поверхні;

-   плазмохімічний синтез матеріалу, що випа­ровується, в об'ємі камери і на поверхні;

-   конденсацію покриття на деталі.

У дослідженнях було використано модернізо­вану установку ННВ-6,6-И1 типу «Булат» з од­ночасним розпиленням матеріалів із трьох като­дів. Формування поверхневого шару відбуваєть­ся в імпульсному режимі за наявності додатково­го нагрівника та пристрою для сепарації плазмо­вого потоку [3; 4].

Для експериментальних досліджень впливу вакуум-плазмових покриттів (Ti, (TiAl)N, (Ti)N) на характеристики міцності та газоабразивної стійкості як матеріал основи використано сплав ВТ20.

Випробування проводили на зразках, виго­товлених з листового матеріалу завтовшки 1,0 мм.

Випробування на короткочасну статичну міц­ність і пластичність за осьового розтягання про­водили відповідно до ДСТУ 1497-84 і ДСТУ 25.505-85 у твердому режимі зі швидкіс­тю переміщення активного захоплювача (близь­ко 5 мм/хв), що приблизно відповідає швидкості навантаження 30 МПас-1, із записом діаграми розтягання в координатах «зусилля - дефор­мація».

Порівняльні випробування на ізотермічну та термоциклічну повзучість за фіксованого рівня навантаження (0,8св) проводили в умо­вах осьового розтягнення з нагріванням робо­чої частини зразка шляхом фокусування про­меневої енергії в замкнутій оптичній безінер-ційній системі. Це дозволило нагрівати зразок до 1000 °С без впливу електромагнітоплас-тичного ефекту і охолоджувати його зі швид­кістю до 100 град/с. Характеристики терміч­ного циклу [5]:

-   350 - 640 °С;

-   час нагрівання 10 с;

-   охолодження 15 с.

Вплив вакуум-плазмових покриттів на опір багатоциклової втоми титанових сплавів оціню­вали за допомогою високочастотних (до 10 кГц) прискорених випробувань на стомлення на кон­сольний вигин із нагріванням зразка від джерела інфрачервоного випромінювання до 640 °С [6].

Порівняльні випробування на газоабразивну стійкість проводили за допомогою відцентрового прискорювача, який дозволяє моделювати про­цеси зношування.

Під час дослідження як абразив використову­вали кварцовий пісок дисперсністю 200 мкм.

Тривалість його впливу становила 2 год, швид­кість обертання ротора відцентрового прискорю­вача - 3000 об/хв. Під час цього швидкість ви­льоту частинок досягала 80 м/с. Зразки встанов­лювали під кутами 30, 45, 75, 90° до вектора швидкості частинок, що вилітають із ротора.

Результати експериментальних досліджень

Для одержання вакуум-плазмових покриттів Ti, (TiAl)N, (Ti)N з мінімальною шорсткістю по­верхні використовували сепаратор.

Краплинна фаза іонізованого потоку, прохо­дячи крізь сепаратор, затримується на його плас­тинах.

Шорсткість поверхні сплаву ВТ20 з покрит­тями визначали профілографом-профілометром 201ТЕ (рис. 1).

Ra

0,8

0,6 0,4 0,2 0

Дослідження на мікротвердість проводили відповідно до ДСТУ 9450-76 за допомогою ПМТ-3. Кут між протилежними межами алмазної пірамідки становив 136° за навантаження 100 г.

Результати вимірювання мікротвердості спла­ву ВТ20 без покриття та з покриттями Ti, (TiAl)N, (Ti)N показано на рис. 2.


МПа 20000

15000

10000 Н

5000 0


єт, %



 

 

Випробування на ізотермічну та термоцикліч-ну повзучість сплаву ВТ20 з вакуум-плазмовими покриттями проводили на установці «Щелкун­чик» [5; 7].

Основними факторами, що призводять до пошкоджень, у прискорених термоциклічних випробуваннях є різкі теплозміни.

Повзучість за сталого статичного наванта­ження є чутливим інструментом для реєстрації зміни стану як покриття, так і поверхні розділу «основа-покриття».

Покриття (TiAl)N перешкоджає газонасищен-ню поверхневого шару титанового сплаву ВТ20 (рис. 3, а). Це різко знижує швидкість повзучості, дозволяє підвищити температуру експлуатації деталей [7].

Криві термоциклічної повзучості сплаву ВТ20 з покриттям (TiAl)N за статичного навантаження 0,8ав показано на рис. 3, б.

Зразок нагрівали та охолоджували з макси­мальною швидкістю до 100 град/с.

У результаті експерименту було встановлено, що покриття знижує швидкість повзучості зразка в 2-4 рази і підвищує температурний інтервал його експлуатації.

Як критерії оцінювання ерозійної стійкості було використано втрату маси зразка та інтен­сивність зношування K. Залежність інтенсивнос­ті зношування K сплаву ВТ20 від кута атаки абразиву a показано на рис. 4.

У результаті експериментальних досліджень установлено, що основним кінематичним пара­метром, який визначає характер руйнування ма­теріалу, є кут падіння абразиву.

0

30          45          75 90

без покриття    покриття (TiAl)N

Рис. 4. Залежність ерозійної зносостійкості сплаву ВТ20 від кута атаки абразиву

Максимальна інтенсивність зношування тита­нового сплаву як з покриттям, так і без покриття спостерігається за кута атаки 75°. Залежно від параметрів технологічного процесу ерозійна стійкість титанового сплаву з вакуум-плазмо-вими покриттями підвищується в 10 разів [8].

Більшість покриттів на титанових сплавах, які підвищують зносостійкість, приводять до зни­ження межі багатоциклової витривалості. Цю ха­рактеристику визначали на ультразвуковій уста­новці за згинальних резонансних коливань зразка з різними покриттями за частоти навантаження 10 кГц [9].

Результати порівняльних випробувань на втому сплаву ВТ20 без покриття і з покриттям (TiAl)N показано на рис. 5. Всі варіанти покрит­тів - Ti, (TiAl)N і (Ti)N - загалом підвищують витривалість за даної кількості циклів наванта­ження (рис. 5, б).


Розв' язуючи задачу багатокритеріальної оп-тимізації, необхідно враховувати, що технолог-гічний процес характеризується декількома кри­теріями.

Отже, постає проблема вибору значущості цих критеріїв і призначення їм вагових коефі­цієнтів. Тому й виникає задача визначення деякої компромісної точки, яка однаковою мірою може задовольняти всім вимогам (компроміс за Парето).

Для оптимізації за результатами експеримен­тальних досліджень був використаний метод ви­падкового пошуку на основі ЛПТ рівномірно роз­поділених випадкових точок.

Відповідно до методики математичного пла­нування експерименту [10] визначення узагаль­неного критерію для кожного експерименту по­лягало у використанні системи експертних оці­нок, згідно з якою кожному критерію оптимізації встановлено «рейтинг» і розраховано вагові кое­фіцієнти.

Найбільше значення ефективності критерію якос­ті (менше значення узагальненого критерію) відпо­відає покриттю (TiAl)N, реалізовані в якому параме­три технологічного процесу і є оптимальними.

Таким чином, у результаті проведеної з вико­ристанням отриманих математичних моделей ба-гатокритеріальної оптимізації було знайдено оп­тимальне поєднання рівнів факторів, які вплива­ють на критерії оптимізації:

Х1 - покриття (TiAl)N;

Х2 - Нп = 6,510 6 м;

Х3 - ґи.о = 405 с;

Х4 - Рр.г = 0,3602 Па.

Крім того треба констатувати, що конструк­ційні елементи з титанових сплавів з вакуум-плазмовим покриттям (TiAl)N можна використо­вувати за температури Т = 593 °С без зниження експлуатаційних властивостей. Це дає можли­вість на етапах розроблення і виробництва газо­турбінних установок замість легований сталей як конструкційні матеріали використовувати тита­нові сплави.

Оцінювання підвищення ресурсу конструк­ційних елементів газотурбінної установки за рахунок застосування технологічного процесу нанесення вакуум-плазмових покриттів полягало у визначенні комплексного показника, який ґру­нтувався на аналізі рангів, вагових коефіцієнтів та середніх значень критеріїв оптимізації.

Завдяки підвищенню характеристик міцності та газоабразивної стійкості титанових сплавів з вакуум-плазмовими покриттями можна прогно­зувати поліпшення показників надійності за рахунок зниження ймовірності руйнування робо­чих лопаток компресора більш ніж у 2,5 рази.

Висновки

1. Удосконалено технологію нанесення PVD-покриттів. Шляхом сепарації краплинної фази іонізованого потоку матеріалу покриттів мінімізовано шорсткість поверхні деталі. На прикладі сплаву ВТ20 шорсткість знизилася в середньому у два рази для всіх трьох видів пок­риттів: Ti, (TiAl)N, (Ti)N.

2. Вимірювання мікротвердості сплаву ВТ20 без покриття і з покриттям Ti, (TiAl)N, (Ti)N по­казало істотне її підвищення (в 1,5-4 рази).

3. На прикладі покриття (TiAl)N показано, що швидкість ізотермічної повзучості сплаву ВТ20 знижується в 2-3 рази, а швидкість термоцикл-лічної повзучості - в 2-4 рази, що дозволяє під­вищити температурний інтервал експлуатації де­талей із титанового сплаву.

4. Максимальна інтенсивність ерозійного зно­шування сплаву ВТ20 як з покриттям, так і без покриття спостерігається в разі кута падіння аб­разиву 75°. При цьому визначено, що залежно від параметрів технології ерозійна стійкість сплаву ВТ20 з покриттям (TiAl)N підвищується в 10 разів.

5. Покриття Ti, (TiAl)N і (Ti)N на прийнятій базі обмеженої витривалості підвищують витри­валість сплаву ВТ20 як за нормальної, так і за підвищеної температури = 20... 650 °С).

6. Із розв'язання задачі багатокритеріальної оптимізації випливає, що максимальному зна­ченню   критерію   якості   відповідає покриття

(TiAl)N.

7. Підвищення ресурсу елементів газотурбін­ного двигуна завдяки застосуванню досліджених покриттів приводить до підвищення відповідних показників надійності газотурбінного двигуна в експлуатації.

Література

1. Підвищення ресурсу деталей ГТД із титано­вих сплавів / В.А. Богуслаев, А.И. Долматов, П.Д. Жеманюк та ін. - Запоріжжя: ВАТ «Мотор Сич», 2000. - 110 с.

2. Титанові сплави в конструкціях і вироб­ництві авіадвигунів і авіаційно-космічної техніки / Б.А. Колачев, Ю.С. Єлисєєв, А.Г. Братухін, В.Д. Талалаев. - М.: МАИ, 2001. - 411 с.

3.    Пат. 4250 Україна, МКП 7 С23С14/00,
З23С14/24, З23С14/26. Установка для вакуум-
плазмового напилення / В.І. Мірненко, Б.А. Ля-
шенко, А.В. Рутковський, Б.Й. Семон; Інститут
проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН Укра-
їни.
- № 2004032217; Заявл. 25.03.04; Опубл.
17.01.05,
Бюл. №1. - 2 с.

4.         Пат. 5174 Україна, МКП 7 С23С14/00.

Установка для вакуум-плазмового напилення /

B.І. Мірненко, Б.А. Ляшенко, А.В. Рутковський, А. М. Петренко; Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. - № 20040705862; Заявл. 16.07.04; Опубл. 15.02.05, Бюл. №2. - 3 с.

 

5. Ляшенко Б. А. Оптимизация и ресурс тепло­защитных покритий деталей ГТД / Б.А. Ляшенко, Н. И. Гречанюк // Пр. Міжнар. конф. «Оцінка й обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій». - К.: ИПП НАН України, 2000. -

C.819-824.

6. Пат. 2489 Україна, МКП 7 G01N3/00. Установка для дослідження зразків матеріалів на термомеханічну втому / Б.А. Ляшенко, О.Г. Тра-пезон, А.В. Рутковський, В.І. Мірненко, А.В. Бон­дар; Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писа­ренка НАН України. - №2003076427; Заявл.

09.07.03; Опубл. 17.05.04, Бюл. №5. - 3 с.

7. Мірненко В.І. Вплив вакуум-плазмових пок­риттів на ізотермічну та термоциклічну повзу­чість титанового сплаву ВТ20 / В.І. Мірненко, А.В. Рутковський, А.М. Петренко // Вісник Чер­каського державного технологічного університе­ту. - Черкаси: ЧДТУ. - 2004. - №1. - С. 41-45.

8.  Газоабразивна стійкість титанового сплаву ВТ20 з вакуум-плазмовими покриттями / Б.А. Ляшенко, В.І. Мірненко, А.В. Рутковський, А. М. Петренко // Проблеми трибології. - 2004. -

№2. - С. 142-149.

9.  Трапезон А.Г. Циклічна міцність титанових сплавів при нормальних і підвищених темпера­турах в умовах високої частоти нагружения / А.Г. Трапезон, В.І. Мірненко, А.В. Бондар // Віб­рації в техніці та технологіях. - 2004. - №5(37). -

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

М Кулик, Б Ляшенко, В Мірненко - Підвищення надійності конструкційних елементів газотурбінних установок поверхневим зміцненням