Автореферат (Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию феттинг-коррозии), страница 2

Разработанныетеоретические и экспериментальные методики, интегральные физические моделиобеспечивают повышение сопротивления фреттинг-усталости замковыхсоединений лопаток компрессоров, валов и др., позволяющие повыситьэксплуатационную надѐжность компрессоров на этапе проектированиядвигателей.Результаты работы могут быть использованы при проектированиидвигателей и энергетических установок, а также в учебном процессе авиационныхвузов.6Апробация работы.Основные положения и результаты работы докладывались наВсероссийской научно- технической конференции «Новые материалы итехнологии» в 2010-2012 годах, на Международной молодежной научнотехнической конференции «Гагаринские чтения» в 2009-2011 годах.ПубликацииПо результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, включая 8статей, 3 статьи в журналах, включѐнных в список ВАК: «Авиационнаяпромышленность» и «Двигатель».Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов.

Полныйобъем работы составляет 140 страниц, в том числе основной текст 135 страниц, 48рисунков, 11 таблиц, список литературы из 39 наименований.Личный вклад соискателяАвтор непосредственно выполнял все представленные в работе научнотехнические расчеты, проводил экспериментальные исследования, принималучастие в разработке моделей и образцов, схем и технологий испытаний,разработке критериев оценки сопротивления фреттииг-усталости замковыхсоединений лопаток компрессора, с учѐтом фреттинга.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, заданонаправление исследований, определено научное и практическое значениерешаемой проблемы.В первой главе показано, что в начальный период эксплуатации соединенийпроисходит упрочнение поверхностей контакта и циклическая текучестьподповерхностных слоев (рис.

3); большая часть выступов фактическогоконтакта, взаимодействуя друг с другом, пластически деформируется. Этомуспособствует образование схватывания ювенильного металла в соприкасающихсянеровностях после разрушения естественных оксидных плѐнок.Слои металла, непосредственно прилегающие к участкам фактическогоконтакта, вследствие циклического деформирования упрочняются, а слои,находящиеся в зоне влияния, могут разупрочняться. Рентгеноструктурный анализповерхности показал, что на первой стадии процесса продукты разрушения, восновном, содержат металлическую фазу и небольшое количество окислов.7Рис. 2.

Распределение (а) : напряжений σ и на поверхности в зоне локальногоконтакта вдоль осей z, x и y при сжатии шара с плоскостью τσε.Распределение (б) : касательных напряжений τ , деформаций ε ивдоль z, x и y.На второй стадии возникновения фреттинг-коррозии в подповерхностныхслоях продолжает формироваться коррозионно-активная среда вследствиеадсорбции на окислах кислорода и влаги. Скорость износа на этой стадииневелика, так как он связан, в основном, с разрушением образующихся наповерхности трения оксидных плѐнок, причѐм количество продуктов износа взоне трения достигает равновесного значения. В этих условиях, по-видимому,действует особый механизм интенсификации окисления металлическихповерхностей, связанный с тем, что при знакопеременных контактныхвзаимодействиях в тончайших поверхностных слоях возникает разупорядоченнаямелкодисперсная структура. При этом образуется смешанная структура (изметалла и окислов), которая может играть защитную роль, уменьшая скоростьизноса.

Продукты фреттинга, выделяющиеся из зоны трения, во втором периоде,состоят, главным образом, из окисла - α-Fe2O3, кроме того, содержат окислы γFe2O3 (Fe3O4), коррозионные продукты γ-Fe2O3 +Н2O и металлические частицы.Исследованиями при симметричном консольном изгибе нескольких мароксталей в условиях фреттинга и различных окружающих средах: вакуум, водород,воздушная среда, было, установлено, что снижение предела выносливости имеломесто во всех средах и достигало 30 50% и, что окислительные процессы приэтом не играли решающей роли, хотя степень снижения предела усталости8зависитотэлектрофизическихконтактирующих пар материалов.процессов,определяемыхприродойРис. 3. Схема физической модели процесса фреттинга и размещения зон стипичными повреждениями в виде образования :а) каверн; б) подповерхностныхи в) поверхностных усталостных трещинНаиболее существенное падение сопротивления усталости имеет место ужепри величине нормального давления 1,0 до 10 МПа.Интенсивность фреттинга как потеря массы М в зависимости отмеханических параметров процесса может быть представлена в виде выраженияобкорх(−).(1)где , , ─ коэффициенты.Расчет напряженного состояния в зоне контакта основывается на рядедопущений, главными из которых являются; а) изотропность и однородностьматериалов; б) площади контактов существенно меньше площадейконтактирующих тел; в) усилия, сжимающие тела, нормальны к гладкимповерхностям касания; г) деформации не превышают предела упругости.Анализ распределения касательных напряжений и относительныхдеформаций вдоль радиусов, проведенных из центра круговой площадки вкрайнем поверхностном слое, показывает, чтоиравны в центре 0,1уменьшаются к периферии площадки и меняют знак.

На границе контакта ониравны по абсолютной величине 0,066 , но противоположны по знаку (рис. 2.б).Напряженияв центре площадки равно нулю, но увеличиваются вдоль,радиуса, достигая на границе величины. За пределамиплощадкипостепенно падают, становясь незначительными,при z ≥ 2a.9Факторами, способствующими этим разрушениям являются наличиезначительных по величине переменных напряжений, возникающих приколебаниях профильной части лопатки, по первой изгибной или крутильнойформе. Местное повышение давления на контактной грани хвостовиков лопатоквызвано наличием локального прилегания площадок контакта.

Для даннойконструкции сделать оценкуи σ несколько сложнее, т.к. сведения окоэффициентах концентрации напряжений здесь весьма ограничены.Исследования показывают, что на контактной площадке в зоне разрушенияхвостовиков значения эффективных коэффициентов концентрации напряженийррмогут составлять от2,35 допри расчѐтном значении ασ, арасчѐтные значение коэффициента концентрациив радиусе r перехода отпрофильной части лопатки к хвостовику может составлять 1,9...3,2 и более взависимости от величины радиуса r перехода.Одним из способов устранения резонансных колебаний рабочих лопатокГТД по первой изгибной форме является применение шарнирного замковогосоединения.

Однако при колебаниях по высшим, в частности, крутильнымформам, функции шарнирного соединения нарушаются, и соединение переходит вкласс малоподвижных со всеми вытекающими из этого последствиями.В второй главе приведены результаты анализа испытаний на МнЦУрстандартных образцов, предварительно поврежденных фреттингом приизаданных параметрах ( р и ) процесса. Следующую партию образцов (кривые 2рис. 4) из тех же материалов автор испытывал на фреттинг-усталость по схеме вал- втулка в условиях «мягкого» нагружения при плоском изгибе. Кривые 3 испытания моделей замковых соединений лопаток компрессора при жесткомнагружении, т. е. при совместном действии статического растяжения исимметричного изгиба, когда в зоне контакта воспроизводятся эксплуатационныеусловия повреждения фреттингом, а соединение разрушается от фреттингусталости.Из анализа приведенных на рис. 5 графиков можно заключить, что в однихи тех же условиях нагружения у образцов и деталей из стали (рис.

4, а) и изтитановых сплавов (рис. 4, б) наблюдается различная повреждаемостьфреттингом.Удовлетворительноесоответствиестепениповреждения(качественное и количественное) материала при испытаниях на усталостьобразцов, предварительно поврежденных в результате фреттинга, и образцов,испытанных в условиях фреттинга, получено для стали 13X11Н2ВМФ.Аналогичное совпадение результатов получено также для титановогосплава ВТ8 при испытаниях по схеме «вал - втулка» и моделей замковыхсоединений (рис. 4. б), а испытаниях стандартных образцов выявлена толькокачественная зависимость изменения предела фреттинг-выносливости. Основнаяпричина некоторого расхождения результатов связана с несколько упрощеннойсхемой испытаний стандартных образцов по сравнению с моделями, когдаусловия фреттинг-коррозии действуют постоянно, и с отсутствием статическогорастяжения.10Рис.

4. Результаты испытаний на МнЦУ и фреттинг-усталость различныхсопряженных материалов:а - сталь 13X11Н2ВМФ - сталь 13Х11Н2ВМФ; б- сплав ВТ8 - сплав ВТЗ-1; 1 образцы, предварительно поврежденные в процессе фреттинга; 2 - испытания посхеме вал- втулка (―мягкое‖ нагружение); 3 - испытания замковых соединенийлопаток компрессоров (―жесткое‖ нагружение)Интенсивность процесса фреттинга существенно зависит от коэффициентапроскальзывания в зоне контакта, который, определяется из выражения− ,(2)где− амплитуда перемещений при р > 0;− амплитуда при р = 0.

Функциястепени снижения предела выносливости от  может быть представлена в виде,(3)При этом,,где- постоянные, определяемые экспериментально.Тогда⁄−.(4)Сопротивление усталости при  20 мкм не зависит от частоты нагружения, 100 мкм влияние фреттинга на усталость с увеличением частотыпри11нагружения ослабевает, так как с увеличением скорости относительныхперемещений резко возрастает абразивный износ.Рис. 5. Зависимостьот давления в контакте:кривые 1-3 — пара: сталь—сталь (13Х1Ш2В2МФ), отпуск 580°С; кривые 4-6пара: сплав ВТ8-ВТ8; 1 и 4 -образцы, предварительно поврежденные фреттингом;2 и 5, 3 и 6 -соответственно образцы и детали, испытанные на фреттинг-усталостьСтепень снижения предела выносливости (или долговечности р ) зависитот продолжительности процесса фреттингар , но не является его монотоннойфункцией: для процесса характерно чередование максимумов и минимумовстепени повреждения материала. Но общие закономерности процесса повреждения в полной мере проявляются при числе циклов нагружения р.Результаты испытаний образцов и деталей на фреттинг-усталость практически не отличаются, если ввести поправки учитывающие особенностьнапряженного состояния деталей (рис.

5). Разный характер кривых 1...3 и 4...6свидетельствует о различиях в механизме повреждения поверхности титановогосплава при фреттинге и фреттинг-усталости.Зависимость сопротивления усталости при фреттинге от природыконтактирующих материалов, их механических свойств достаточно сложна, таккак при фреттинге имеют место адгезионные, усталостные, химические иэлектрохимические процессы.Фреттинг имеет место как в окислительной, так и в нейтральной среде, ноинтенсивность его в окислительной среде может быть выше.Существенного увеличения интенсивности процесса фреттинг-коррозиипри повышенных температурах не отмечается, а быстрое или избирательноеокисление некоторых компонентов сплава способствует образованию защитнойпленки окислов, уменьшению повреждения фреттингом, степень сниженияпредела выносливости может уменьшаться.12Повреждение поверхностей контакта связано с рядом факторов,определяющих процесс фреттинга, которые действуют одновременно вовзаимосвязи, образуя единый механо-физико-химический процесс.