Автореферат (Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию феттинг-коррозии), страница 3

Роль каждогоиз факторов в частном случае проявляется по-разному, что затрудняет разработкууниверсальных методов борьбы с фреттингом.К мероприятиям, уменьшающим амплитуду относительных перемещений,можно отнести конструктивные решения, включающие для прессовыхсоединений увеличение натяга, а для малоподвижных соединений - повышениедемпфирующих свойств конструкции, способствующих снижению переменныхнапряжений.Основными методами, способствующими повышению сопротивленияфреттингу и фреттинг-усталости деталей, являются: поверхностные упрочняющиеобработки, включающие поверхностное пластическое деформирование илихимико-термические обработки; повышение термодинамической стабильностиповерхностного слоя за счет его физико-химической модификации, нанесениеизоляционных покрытий; изменение коэффициента трения в зоне контакта за счетприменения твердых смазок на основе дисульфида молибдена, гальваническихили диффузионных покрытий; подбор контактирующих пар материалов изащитных покрытий, играющих роль протектора и препятствующихэлектрохимической коррозии материала в зоне контакта.На кафедре «Технология проектирования и производства двигателейлетательных аппаратов» МАТИ автором совместно с отделом прочности ЦИАМпроведены исследования по оценке прочности лопаток компрессоров ГТД придействии фреттинга.

Сопоставляя полученные результаты по напряжениям вусловном сечении хвостовика, можно отметить, что наиболее неблагоприятнымявляется вариант, где предел усталости составляет 9.5 МПа. Для других вариантовпределы усталости одинаковы и равны 12 МПа.Чувствительность материала к фреттинг-усталости выражается так:р(5)р.рВ общем случае значениеможет быть получено экспериментально.Конструктивные и эксплуатационные факторы, оказывающие влияние надинамическую напряженность хвостовика, обозначим коэффициентомссоответствующим индексом, а технологические факторы (упрочняющиеобработки, защитные покрытия и т.

д.) коэффициентами п и п . Тогда значениеэквивалентного коэффициента может быть определено какфрр.(6)эквжестВеличина предельнойопределится из выраженияамплитуды()фрр(−экв)эдляхвостовика.При вычислении, запаса прочности по переменнымиспользуют эквивалентную амплитуду действующих напряжений.лопатки(7)напряжениям13В третьей главе приведены результаты испытаний на усталостьповреждѐнных фреттингом образцов, позволяющий получить данные о значениии влиянии исследованных факторов фреттинг-процесса на сопротивлениеусталости и оценить степень их значимости более простыми испытаниями.Определѐнная на этом этапе несущая способность элемента конструкциипри переменных нагрузках позволяет, с одной стороны, выявить его прочность вусловиях фреттинг-усталости, а с другой - оценить степень приближения иэффективность результатов, получаемых при более простых испытаниях, когдасначала исследуется влияние основных факторов процесса фреттинга наповреждаемость материала, а затем даѐтся оценка роли этих факторов в снижениипредела выносливости повреждѐнного материала.Усталостная прочность замковых соединений, а также определениединамической напряженности хвостовиков и профильной части моделей вблизихвостовика осуществлялось на разработанных в ЦИАМе испытательныхмашинах, известных как У-361 и У-362.Выбор указанных материалов, с одной стороны, основывается на том, чтоони являются типичным для лопаток и дисков компрессоров, современных ГТД.Поэтому полученные при исследованиях данные могут найти прямоепрактическое приложение.

С другой стороны, общим для этих материаловявляется высокая чувствительность к концентрации напряжений:стремится к1.Если выразить это свойство через коэффициент ,(8)где−эффективный коэффициент концентрации напряжений, равныйотношению предела усталости гладкого образцак пределу усталости образцасконцентраторомнапряжений;− теоретическийкоэффициентконцентрации, то величина q для этих материалов оказывается близкой к единицеи колеблется в диапазоне 0,8  0,98. Последнее свойство указанных материаловпозволяет более контрастно выявить не только влияние процесса контактнойкоррозии трения на их усталостную прочность, но и определить роль отдельныхфакторов этого процесса.В четвѐртой главе приводятся результаты исследований напряженнодеформированного состояния (НДС) при статическом нагружении замковогосоединения типа «ласточкин хвост».

Выявлено наличие неравномерностираспределения контактных напряжений на рабочих гранях замковых соединений,которая увеличивается при совместном действии на хвостовик изгиба ирастяжения от профильной части лопатки. Максимальная величина контактногодавления на границах контакта может при этом повышаться примерно в три раза.Анализ приведѐнных результатов показывает, что замковое соединениетипа ―ласточкин хвост‖, хотя и несложный конструктивный элемент, вэксплуатационных условиях находится в неоднородном (НДС), усугубляемомналичием фреттинга.На напряжѐнность хвостовика (рис. 6), кроме того, оказывают значительноевлияние следующие факторы:14− величина угла наклона контактной грани хвостовика (рис. 6.а);− соотношение между изгибной жѐсткостью профильной части лопатки ихвостовиком (рис. 6.б):− величина статической составляющей (рис.

6.в), которая, в свою очередь,влияет на изменение демпфирующих свойств замкового соединения. Суменьшением угла α динамическая напряжѐнность хвостовика повышается (см.рис. 6.а), а с уменьшением жѐсткости профиля лопатки - снижается (см. рис. 6.б).Рост величины статической составляющей вызывает снижение демпфирования взамковом соединении и некоторое повышение его напряжѐнности.Когда твѐрдость продуктов повреждения (окислы) выше, чем основногоматериала, они (при удалении их из зоны номинального контакта) выполняютфункцию абразива, а процесс переходит во фреттинг-износ, которыйспособствует удалению из зоны первоначально образовавшихся поверхностныхусталостных трещин. При твѐрдости окислов ниже, чем у материала, продуктыповреждения, попадая в зону контакта, могут выполнять роль твѐрдой смазки.Рис. 6.

Влияние на относительную напряжѐнность хвостовика при вибрационномизгибе геометрических и силовых параметров: а) зависимостьот угла αнаклона контактной грани;б) зависимостьот соотношения между изгибной жѐсткостью лопатки ихвостовика;в) зависимость от изменения статической (центробежной) составляющей15На рис. 3 приведена схема физической модели, поясняющая механизмобразования в зоне контакта усталостных макротрещин и повреждений прифреттинге и фреттинг-усталости в малоподвижных соединениях.В отличие от традиционного процесса износа, когда сопряжѐнные деталиимеют однонаправленное перемещение, однозначной корреляции при фреттингемежду механическими свойствами материалов, например по параметру твердости,и процессом фреттинг-износа или сопротивлением фреттинг-усталостиобнаружить не удаѐтся.

В частности, показано, что при одних и тех же параметрахпроцесса фреттинга (величине амплитуды относительных перемещенийсопряжѐнных поверхностей величине давления в зоне контакта, коэффициентатрения и др.) повреждаемость поверхности контакта может существенноразличаться. Например, для нержавеющей стали 13Х11Н2ВМФ, термообработанной на твѐрдость HВ2800 МПа, при фреттинге ярко проявляютсяпризнаки износа (интенсивного образования окислов, каверн, изменения массы ит.д.). Тем не менее, эти признаки повреждения поверхности контакта оказываютсущественно меньшее влияние на снижение предела выносливости, чемпоследствия процесса схватывания, которые не обнаруживаются у этой стали ствѐрдостью HB3100 МПа и проявляются в виде отдельных незначительныхлокальных повреждений поверхности.В первом случае процессы абразивного износа сопровождаются удалениемслоев с большей части зоны контакта, где возникли усталостные микротрещины.Во втором случае, когда отсутствует абразивный износ, ведущими оказываютсялокальные процессы схватывания материалов, а в зоне контакта возникаютблагоприятные условия для образования и развития усталостных микротрещин.На поверхности образцов из титановых сплавов, повреждѐнныхфреттингом, наблюдались не механические повреждения поверхности абразивом,а следы от воздействия вязкой аморфной среды окислов.

Поэтому результатыисследования физических свойств и химического состава продуктов фреттинга наповреждѐнных поверхностях контакта могут быть не объективными. Этообъясняется тем, что они могут являться следствием процесса, а не реальнодействующими при фреттинге факторами.Из зависимости [ ], представленной на рис. 8. следует чтоминимальное значение предела выносливости соответствует, амаксимальное для. Это хорошо согласуется с результатамидинамического тензометрирования.

Влияние покрытий и температуры испытанийна усталость замковых соединений можно проследить по результатам испытанийхвостовиков из стали 13Х11Н2В2МФ и титановых сплавов ВТ10 и ВТ8.Сравнительно небольшое снижение пределов выносливости призначительном увеличении напряжений смятия свидетельствует о второстепеннойих роли в формировании несущей способности замкового соединения по крайнеймере при значенияхМПа.

Это хорошо согласуется и с результатамиисследований на фреттинг и фреттинг-усталость.16Рис. 7. Кривые усталости замковых соединений из стали 13Х11Н2ВМФ1 - вариант ,образцы 1; 2 – вариант, образцы 2; 3 – вариант, образцы 3.(а)(б)Рис. 8. Зависимость относительного значения предела выносливости ( )OTH отугла наклона контактной грани (α) и от относительного значения напряжениясмятия (б)Образование после упрочняющих обработок в поверхностном слоехвостовиков сжимающих напряжений не устраняет на площадках контактапроцесса фреттинга, однако развитие разрушения замедляется наличиемсжимающих остаточных напряжений и при благоприятной асимметрии цикла вповерхностном слое.

Упрочняющие обработки хвостовиков способствуютповышению предела выносливости замковых соединений на 25...50 % и более, азащитные покрытия типа ВАП, Ag, Ni или Cd с учетом предварительнойподготовки поверхности повышают предел выносливости на 10...15 %.Сопротивление усталости замковых соединений из титановых сплавов притемпературах свыше 300ºС снижается вдвое.