Диссертация (Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов), страница 8

2.3). Сверху кобразцам прикладывается сжимающее усилие от пресса, возникает контактныйшероховатый слой толщиной h3.Рис. 2.3. Модель механического контактаДиаметр керамического образца определялся из соотношения:ζb сжFFd 2A11 π  ( d1 / 2)4Fπζb сж,(2.7)где принималось σbсж=2200 МПа – предел прочности керамического материалапри сжатии, F=190000 Н – максимальное сжимающее усилие, которое способен47давать пресс; A1 – площадь образца, мм2; d1 – диаметр керамического образца,мм.Из расчета получено: d1=10 мм, а для металлических штампов принятоd2=14 мм.

Толщины керамических и металлических образцов принималисьравными h1=h2=3 мм. Эскиз керамического образца представлен на Рис. 2.4,металлического–наРис.2.5.Дляпередачисжимающегоусилияиспользовалась специальная оснастка (Рис. 2.6.) Для центровки контактноймодели, состоящей из керамического и двух металлических образцов, былоизготовлено приспособление, показанное на Рис. 2.7.Рис. 2.4. Эскиз керамического образцаРис.

2.5. Эскиз металлического образцаРис. 2.6. Оснастка для стендаРис. 2.7. Эскиз приспособления для центровки образцов482.1.3. Экспериментальное исследование механического контактакерамических и металлических деталейИсследовался контакт стальных образцов ЭИ961ш с керамическимиобразцами двух типов: на основе карбида кремния, армированного алмазнымичастицами ‒ «К» с модулем упругости E=520000 МПа, плотностью ρ=3200кг/м3 и теплопроводностью λ=300 Вт/(м·оС), с двумя типами обработкиповерхности и из горячепрессованного нитрида кремния ‒ «Н» с модулемупругости E=240000 МПа, плотностью ρ=3450 кг/м3 и теплопроводностью λ=19Вт/(м·оС). (Рис. 2.8).Рис. 2.8. Образцы для исследования механического контактаВ Таблице 2.1 приведены геометрические параметры керамическихобразцов: диаметры d1 – средние значения по результатам трѐх измерений;толщины образцов h – средние значения по результатам пяти измерений;Δh  hmax  hmin – максимальное отклонение размера h.49Испытания проводились на машине Instron 5985 (сжимающая нагрузка до25 тонн) с непрерывным нагружением до момента разрушения.

В правойколонке Таблицы 2.1 приведены значения нагрузок, при которых происходилоразрушениеобразцов.Моментразрушенияопределялсяприпомощивизуальной диагностики через каждые 100 кгс.Таблица 2.1.Геометрические параметры керамическихобразцов для испытаний на сжатие и разрушающая нагрузкаσСМ Р,образецd1, ммh1, мм∆ h, ммFРАЗР, кгс1К10,0603,0140,02511001382К10,0503,0200,03011001393К10,0303,0150,00619002405ш К10,0702,8810,05929003647ш К10,0702,9100,043190023810ш К10,0602,8920,03913001631Н9,9903,0540,0131050013392Н9,9403,0440,0141370017653Н9,9203,0590,011129001668МПаК – образец из карбидной керамики с нормальной обработкой; ш К – образец изкарбидной керамики с грубой обработкой; Н – образец из нитридной керамики.Зафиксирована линейная зависимость перемещений нагрузочной плиты отнапряжений смятия образцов «К» и «Н» до разрушения (Рис.

2.9, 2.10).50Рис. 2.9. Контактные испытания керамических образцов «К»Рис. 2.10. Контактные испытания керамических образцов «Н»51Минимальное значение критического напряжения смятия ζ СМ Р дляобразцов типа «К» с нормальной обработкой составило 138 МПа, с болеегрубой ‒ 163 МПа, а для образцов типа «Н» ‒ 1339 МПа. Обнаружен эффект,что более шероховатые образцы «К» имели большую контактную прочность.На Рис. 2.11 показаны керамические образцы после разрушения.Рис. 2.11. Разрушение керамических образцов при механическом контактеПроведено численное моделирование эксперимента. Для пары «К» –ЭИ961ш» принималось, что FПРЕСС  11000 Н , а в для пары «Н»-ЭИ961ш»52FПРЕСС  105000 Н . Для керамики «К»:керамикиE2  240000 МПа ;«Н»:E1  520000 МПа ;ν 2  0,27 .Дляν1  0,11.

ДлясталиЭИ961ш:EО  200000 МПа ; ν О  0,3. Кривая деформирования стали ЭИ961ш полученапри испытаниях на сжатие (Рис. П.1, Рис. П.2, Приложение). Коэффициенттрения в контакте образцов принимался k  0,1.По формуле (1.12) проведена оценка пределов прочности на растяжениеисследуемых керамических образцов (Таблица 2.2).На Рис. 2.12, 2.13 приведено распределение контактных и растягивающихнапряжений соответственно для пары «К»-ЭИ961ш», а на Рис. 2.14, 2.15 – дляпары «Н»-ЭИ961ш». В 2-х правых колонках Таблицы 2.2 приведены результатырасчѐтов.Таблица 2.2.Напряжения в образцах, МПаобразецζ B Р , МПаζ B СЖ , МПаζ СМ Р , МПаζ CONT MAX , МПаζ1 MAX , МПа«К»214220013843864«Н»360>300013394225230пределыпрочностиприζ B Р , ζ B СЖ–растяжении/сжатии;ζ CONT MAX–максимальное значение контактных напряжений; ζ1 MAX , МПа – максимальноезначение растягивающих напряжений.Результатырасчѐтовпоказали,чтообластисмаксимальнымирастягивающими напряжениями не являются критическими в данных образцах.Разрушения связаны, в первую очередь, с особенностями контактноговзаимодействия на микро-уровне.53Рис.

2.12. Контактные напряжения в образце «К», МПаРис. 2.13. Первые главные напряжения в образце «К», МПа54Рис. 2.14. Контактные напряжения в образце «Н», МПаРис. 2.15. Первые главные напряжения в образце «Н», МПа55Для оценки прочности керамического хвостовика в области контакта вданной работе предложено использовать метод, базирующийся на теорииВейбулла. По аналогии с вероятностью разрушения тела объѐмом V примаксимальном значении растягивающего напряжения, вероятность разрушениятела в области контакта номинальной площадью A при напряжении равном илименьшем σк:m A  ζ  кP(ζ )  1  exp ,кAζ0  0к  (2.8)где σк – максимальное значение эквивалентного напряжения на площадкеконтакта номинальной площадью A; A0 – номинальная площадь контактаобразца, на котором получены параметры m, σ0k; m – модуль Вейбулла,характеризующий разброс прочности; σ0k – значение характеристическойпрочности образца (напряжение, при котором вероятность разрушения образцав контакте P(σ0k)=0,63);Влияние площади контакта керамического тела на его прочность(масштабный фактор), можно записать в виде:ζкобрζкизд1/m A изд  A обр (2.9),где ζ к обр и ζ к изд – средние значения контактной прочности образца и изделиясоответственно;Aобр и Aизд – площади контакта образца и изделиясоответственно.Связь между вероятностями разрушения образца Pобри изделия Pизд:обрPиздизд 1  1  P  A /Aобр .(2.10)562.1.4.

Экспериментальные исследования микрошероховатости поверхностиобразцов из металла и керамикиМикрошероховатость контактной поверхности образцов исследовалась надвухъядерном профилометре Leica DCM 3D (Рис. 2.16).Рис. 2.16. Анализ качества поверхности керамических образцовВид микроструктуры поверхности образцов показан на Рис. 2.17 – 2.20.Рис.

2.17. МикроструктураРис. 2.18. Микроструктураповерхности образца ЭИ961шповерхности образца «Н»57Рис. 2.19. МикроструктураРис. 2.20. Микроструктураповерхности образцаповерхности образца«К» с нормальной обработкой«К» с грубой обработкойНа Рис. 2.21 – 2.24 показаны типовые профилограммы контактнойповерхности образцов до проведения испытаний и после.Рис.

2.21. Профилограмма поверхности образца «Н»58Рис. 2.22. Профилограмма поверхности образца «К» снормальной обработкойРис. 2.23. Профилограмма поверхности образца «К» сгрубой обработкой59Рис. 2.24. Профилограмма поверхности образца ЭИ961шВТаблице2.3приведенысредниеимаксимальныезначенияшероховатости до и после испытаний керамических образцов.Таблица 2.3.Параметры шероховатости образцов«Н»«К» (1)«К» (2)ЭИ961шдо испытанийRа , мкм0,92,121,02,0после испытанийRа , мкм0,71,511,8–до испытанийRmax , мкм4,221,998,914,0после испытанийRmax , мкм4,213,456,4–60Из полученных данных видно, что после проведения контактныхиспытаний шероховатость керамических образцов уменьшается. Наиболеезаметен этот эффект для образцов «К» с шероховатой обработкой.

Приизучении под микроскопом осколков образцов «К» микротрещин необнаружено (Рис. 2.25). Возможно, это связано с тем, что данный материалимеет больший модуль упругости и при разрушении полностью раскалываетсяна мелкие осколки. В образце из материала «Н» обнаружены области смикротрещинами(Рис.2.26).Направлениераспространенияперпендикулярно направлению обработки.Рис.

2.25. Микроструктура поверхности образца «К»после контактных испытанийРис. 2.26. Микроструктура поверхности образца «Н»после контактных испытанийтрещин61Проведена фрактография разрушенного образца «Н». На Рис. 2.27: А –разрушенный образец; Б и В – парные поверхности разрушения; контурныестрелки – очаги разрушения; стрелки на поверхности излома – локальныенаправления развития разрушения. Первый очаг разрушения расположен внижней части образца с краю (где, согласно (3), возникают максимальныеконтактные напряжения), второй – в верхней части по центру (таким образом,показано влияние шероховатости и геометрических неровностей).Рис. 2.27.

Фрактография образца «Н»622.2. Исследование теплового контакта металлических икерамических деталей2.2.1. Разработка модели теплового контакта керамических иметаллических деталейДля исследования теплового контакта керамических и металлическихдеталей, как и в случае механического контакта, использовалась модель собразцами цилиндрической формы (штампы с круговым основанием):керамический образец толщиной h1 и диаметром d1 расположен между двумястальными образцами толщиной h2 и диаметром d2 (Рис. 2.28). Междуобразцами находится шероховатый микро слой толщиной h3.

Cталь имееттеплопроводность λ 1 , керамический материал λ 2 , промежуточный контактныйслой λ 3 . Тепловой поток обеспечивается за счѐт перепада температур в модели:ΔT  TA  TB .Рис. 2.28. Модель теплового контакта63Для определения термического контактного сопротивления разработанследующий расчѐтно-экспериментальный метод (Рис. 2.29) [132]:1) При установившемся тепловом режиме с параметрами ΔT *  T1  T4 иTСР  T1  T4 /2 проводятся измерения температур на четырѐх уровнях модели,расположенных от границ контакта на расстояниях hT1 , hT2 , hT3 , hT4 : T1 , T2 , T3 , T4 .2) Определяется плотность теплового потока при помощи закона Фурье(из-за боковых потерь qA и qB не равны): T2  hT1  hT2 q  qBq A(2.11)T3  T4  2qB  λ 1 hT4  hT3 3) Определяется коэффициент теплопроводности контактного слоя λ 3 изqA  λ 1 T1системы уравнений Фурье: T5  Δ1T  T6  q  λ3  5Δ2 T6  T7  q  λ2 Δ3 T  T8  q  λ3  7Δ2 T  T4  q  λ1  8Δ1q  λ1 T1(2.12)Рис.

2.29. К определению коэффициентатеплопроводности контактного слоя4) Определяется тепловая контактная проводимость контактного слоя:64αК λ3h3(2.13)5) Для получения более достоверных данных, учитывающих тепловыепотери в модели в трѐхмерной постановке, проводится построение конечноэлементной модели данной системы. В модели задаются температуры T1 и T4 , атакже условие конвективного теплообмена с окружающей средой (воздух), Рис.2.30. В качестве первичного приближения для контактного слоя задаѐтсязначение λ 3 , полученное в пункте 3).Рис.

2.30. Граничные условия, моделирующие тепловой эксперимент6) После проведения теплового расчѐта проводится определение тепловыхпотерь на границах модели: q1 , q2 , q3 , q4 , q5 (рис. 2.31).7) Полученные q1 , q2 , q3 , q4 , q5 прикладываются к модели, как тепловыенагрузки. Определяется q.8) Пункты 3) – 7) выполняются до момента удовлетворительнойсходимости расчѐтных значений T2 и T3 с экспериментальными.Процесс автоматизируется при помощи встроенного в среду языкапрограммирования Ansys APDL.65Рис. 2.31. Определение q с учѐтом боковых потерь в моделиДля экспериментального определения значений температур T1, T2 , T3 , T4 вметаллических образцах на каждом из четырѐх уровней были сделаны по триспециальные канавки для установки термопар глубиной 5,5 мм и толщиной 0,7мм (Рис.