Диссертация (Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию феттинг-коррозии), страница 9

При этом необходимо различать два виданагружения такого типа соединений: «жѐсткое» и «мягкое». В первом случае:циклическая нагрузка на вал полностью воспринимается втулкой (накладкой).При «мягком» нагружении основная нагрузка воспринимается валом.В частности, в условиях «жѐсткого» нагружения находится замковоесоединение лопаток ГТД и газотурбинных установок ГТУ, где роль втулкивыполняют поверхности контакта пазов выступов диска.Результаты испытаний на усталость показывают, что величинапри«жѐстком» нагружении и в зависимости от материалов контактирующих пароказывается в 1,2 ...

2,0 раза больше, чем при «мягком» нагружении.В зависимости от того, однородные или разнородные материалы образуютконтактирующие пары, а также от механических свойств материала и уровнядавления р на площадке контакта величина коэффициентаможетзначительно изменяться в сторону больших или меньших значений.Важным является то обстоятельство, что статистические характеристикирассеяния результатов испытаний материала на фреттинг-усталость остаютсятакими же, как и при обычных испытаниях на Мну.При повышенных температурах интенсивность процесса фреттинга посравнению с нормальной температурой практически не изменяется, если приэтом не образуются дополнительные виды окислов, различающихся по55твѐрдости и адгезионным свойствам.

Поэтому значенияможно определятьпри нормальной температуре.Анализ результатов испытаний на фреттинг-усталость позволяет сделатьзаключение о том, что в диапазоне долговечностейциклов,представляющем наибольший практический интерес, кривые фреттингусталости в координатахвидаσ -N могут быть аппроксимированы прямымиN = const.

При этом для титановых сплавов значения показателя кривойусталости m составляют ~12, для сталей типа 13Х12Н2ВМФ – m ~ 16, а длядеформируемых алюминиевых сплавов типа АК4-1; m = 11 ... 15.Такие значения m соответствуют диапазону амплитуд напряжений σ = (1, где... 1,3)- среднее значение предела выносливости материала прифреттинг-усталости на базе N = 5 · 107 ... 108 циклов.При долговечностях N < 106 циклов значения показателя m резкоуменьшаются, а при амплитудах напряжений, составляющиха≥(1.5 ... 2.2), может наблюдаться даже изменение знака у коэффициента m.Величина предельной амплитуды (а)д для детали, повреждаемойфреттингом, может быть определена из выражения:(где,а)д = (сж )1/()экв,- коэффициент ударной вязкости материаласж -придел прочности при сжатии- придел выносливости.2.3.

Влияние эксплуатационных факторов на сопротивление усталостизамковых соединений при действии фреттингаВ эксплуатации кроме силовых факторов, определяемых конфигурациейдетали и действием внешних сил (статических, циклических и вибрационных),на деталь действует ряд других факторов, связанных с особенностями влияния56окружающей среды: коррозия, изменение температуры, эрозия, износ, фреттинги т. д. Силовые факторы, за исключением вибрационных и, в какой-то мере,циклических, достаточно точно прогнозируются и учитываются на стадиипроектирования.Проблема защиты деталей от коррозии решается, в первую очередь, засчет правильного выбора коррозионностойких материалов. Этому способствуетширокое применение титановых и никелевых сплавов и, отчасти, коррозионностойких сталей. Из опыта эксплуатации ГТД следует, что практически всегдавозникают условия, когда детали могут подвергаться различными видамикоррозии (точечной, межкристаллитной, солевой, газовой и т.

д.). Этому кроменапряженности детали способствуют:─ внешняя среда, включая температуру;─ технологическая наследственность;─ повреждения эрозией, забоины и т. д.Если первый и третий факторы практически нерегулируемы, то второй,связанный с технологией изготовления детали, управляем, а влияние его накоррозионную стойкость в ряде случаев является решающим. Эффективностьприменения защитных антикоррозионных покрытий определяется, в первуюочередь, их живучестью в эрозионных условиях и стойкостью к терм циклам.Фреттинг относится к эксплуатационным повреждениям, приводящим кзначительномуснижениюсопротивленияусталостидеталей.Поэтомунеобходимо предусмотреть его появление на этапе проектирования вмалоподвижных соединениях ГТД (лопатках, дисках, валах и корпусах).2.4.

Влияние на фреттинг-усталость амплитудыДляосновныхкомпрессорахвыносливостиГТД,конструкционныхполученыотматериалов,зависимостии давления рприменяемыхотносительноговпределаи р (рис. 2.2). Наибольшее снижение предела57выносливости отмечено при таких сочетанияхпреобладает процесс схватывания (абразивном износе (и р, когда в зоне контакта= 5 ... мкм).

Наименьшее — при> 201 мкм).Максимальное снижение свойств материала, поврежденного фреттингом,соответствует узкому диапазону значения.Рис. 2.2. Зависимостьдля различных материалов, поврежденных фреттингом:от давления (а) и амплитуды (б):а) 1 - сталь 13Х11Н2В2МФ (Тотп =560ºС), р=125 МПа; 2 - сплав ВТЗ-1,р = 50 МПа;3- сплав ВТ8, р = 125 МПа; 4 - сталь 13Х1Ш2В2МФ (Тотп =680ºС),р = 50 МПа;б) 1 - 13Х11Н2В2МФ (Тотп=560ºС)16мкм; 3 - сплав ВТЗ-1,= 14 мкм; 2)сталь13Х1Ш2В2МФ (Тотп=680ºС),= 14 мкм; 4 - сплав ВТЗ==11 мкмАналогичные результаты были получены Функом и Уотерхаузом насталях Сk 35, АISI 9310 и 4130.[5]Интенсивностьпроцессафреттингасущественнозависитоткоэффициента проскальзывания fтр в зоне контакта, который, определяется извыраженияfтргде,(2.2)— амплитуда перемещений при р> 0;— амплитуда при р= 0.Функция степени снижения предела выносливости от fтр может бытьпредставлена в виде,(2.3)58При этом, где,— постоянные, определяемыеэкспериментально.

Тогда⁄(2.4) 20 мкм не зависит от частоты нагружения,сопротивление усталости припри. 100 мкм влияние фреттинга на усталость с увеличением частотынагружения ослабевает, так как с увеличением скорости относительныхперемещений резко возрастает абразивный износ.2.5. Влияние на сопротивление фреттинг-усталости числа цикловнагруженияСтепень снижения предела выносливости (или долговечностизависит от продолжительности процесса фреттингафр ,р)но не является егомонотонной функцией (табл. 2.1): для процесса характерно чередованиемаксимумов и минимумов степени повреждения материала. Но общиезакономерности процесса повреждения в полной мере проявляются при числециклов нагруженияфр.Рис.

2.3. Зависимостьот давления в контакте:кривые 1-3 — пара: сталь—сталь (13Х1Ш2В2МФ), отпуск 580°С; кривые 4-6 пара: сплавВТ8-ВТ8;1 и 4 -образцы, предварительно поврежденные фреттингом; 2 и 5, 3 и 6 -соответственнообразцы и детали, испытанные на фреттинг-усталость59Исследования на фреттинг-усталость обычно проводятся на соединениитипа «вал-втулка», воспринимающем циклические нагрузки от плоского иликругового изгиба, растяжения — сжатия или кручения в зависимости отпоставленной цели.Эти испытания позволяют в той или иной мере воспроизвести условиянагружения прессовых или малоподвижных соединений. В некоторых схемахнагружения получают зависимости, а иногда и.

Этииспытания полезны при выборе технологических или конструктивных способовподавления процесса фреттинга и для оценки несущей способности соединениятипа «вал—втулка».Результаты испытаний образцов и деталей на фреттинг-усталость практически не отличаются, если ввести поправки, учитывающие особенностьнапряженного состояния деталей (рис. 2.3). Разный характер кривых 1...3 и 4...6свидетельствуеторазличияхвмеханизмеповрежденияповерхностититанового сплава при фреттинге и фреттинг-усталости.2.6.

Влияние на сопротивление усталости природы материаловЗависимость сопротивления усталости при фреттинге от природыконтактирующих материалов, их механических свойств достаточно сложна, таккак при фреттинге имеют место адгезионные, усталостные, химические иэлектрохимические процессы.Из данных Таблица. 2.1 следует, что с уменьшением твердости материаланакладоквариантовдля титанового сплава может снижаться. Однако для некоторыхэтазакономерностьнесправедлива.Аналогичноеявлениенаблюдается для сплава Д1Б: для ряда вариантов с уменьшением твердостинакладок уменьшается, для других вариантов возрастает.Сложность оценки влияния на сопротивление усталости свойств материала60сопряженных пар заключается в том, что на интенсивность поврежденияфреттингом сильное влияние оказывают окислы, которые могут иметь болеевысокую твердость, чем основной материал.

Например, твердость окиси медипримерно вдвое, никеля — втрое, окиси магния, титана или железа — в 10 развыше твердости основного материала, а окись алюминия по твердостипревосходит закаленную или азотированную сталь. Поэтому при контактестальной детали с алюминиевой разрушение в зоне сопряжения идет постальной детали.2.6.1.

Методы определения амплитуды относительных перемещений ивеличины нормального давленияАвториспользовалдляизмерениядействительнойамплитудыперемещений индукционный датчик. Изрис. 3.9 следует, что в ростом величинынормального давления амплитуда перемещений может в несколько разотличаться от величины, задаваемой по эксцентрику, т.е. в зависимости отвеличинынормальногодавленияизменяетсястепень―подвижности‖соединения.Конструкция установки для испытаний в условиях фреттинг- коррозииобеспечивает передачу перемещений образцу лишь через один захват, чтопозволяет использовать при исследованиях второй захват для измерениядействительной величины амплитуды перемещений.Для этой цели на свободный захват образца закреплялся специальныйудлинительный рычаг, позволявший получать дополнительное увеличениеамплитуды перемещений в х20, а при необходимости и более раз.[15]В качестве измерительного устройства использовался оптическийизмеритель типа КМ-6, обеспечивающий при фокусном расстоянии 140 150мм.Диапазон исследованных значений амплитуд составлял 0,010 0,035 мм.

Сучетом удлинительногорычага (х20) измеряемые перемещения составляли610,20 1,4 мм припредельной погрешности измерения КМ-6 не более 0,006 мм.Это обстоятельство указывает на отличия, возникавшие в зоне контакта,для различных образцов, прилегание сухарей к рабочей части образца всякийраз контролировалось по краске, площадь прилегания не менее 90%.Рис. 2.4. Зависимость амплитуды относительных перемещений от величиныудельных давлений в зоне контакта:1)- о–пара: сталь по стали; 2)- х-пара: титан по титануДавлениевзонеконтактазадавалосьспомощьювинтовогонагружающего устройства через динамометр.

Величина усилия определяласьпо индикатору (микрометру) часового типа, установленном на предварительнопро тарированном динамометре.Нормальное давление в контакте вычислялось как отношение силы насектор площади рабочей поверхности сухаря на диаметральную плоскостьобразца, т.е. определялось номинальное значение давления.2.7.

Влияние на сопротивление усталости окружающей среды и температурыСущественного увеличения интенсивности процесса фреттинга приповышенных температурах не отмечается, а быстрое или избирательноеокисление некоторых компонентов сплава способствует образованию защитнойпленки окислов, уменьшению повреждения фреттингом и снижению степени62снижения предела выносливости.Наиболее полные и достоверные сведения о сопротивлении усталостиэлементовконструкцийсмалоподвижнымисоединениями(валовспроцессовыми посадками, болтовых и шлицевых соединений и т. п.) можнополучить при исследовании натурных деталей в условиях, приближенных кэксплуатационным.Анализируя результаты испытаний по схеме «вал—втулка», можноотметить,чтостепеньсниженияпределавыносливостиисследуемогоматериала в значительной мере зависит от того, как передается нагрузка:втулкой и валом («жесткое» нагружение) или только валом («мягкое»нагружение). При «жестком» нагружении предел выносливости оказывается в1,2 ...

2 раза ниже, чем при «мягком» нагружении.В табл. 2.3, 2.4 приведены результаты испытаний на фреттинг-усталость(при «жестком» и «мягком» натружениях) конструкционных материалов,применяемых в ГТД. Из этих данных следует, что при «мягком» нагружениинаиболее чувствителен к фреттингу сплав ВТ8.Для сплава АК4-1 и стали 1311Н2В2МФ в паре с однороднымиматериалами и для сплава ВТ8 в паре со сталью наибольшее снижение пределавыносливости наблюдается соответственно при давлениях 50 и 100 МПа, Длясплава ВТ8 в паре со сталью при этих давлениях максимальное значение=3,45; с повышением давления до 200 МПа предел выносливости увеличиваетсяпримерно в два раза= 1,76.При испытаниях по жесткой схеме нагружения значенияа минимальные значениявозрастают,при жестком нагружении соответствуют темвариантам, где применялись интенсивные упрочняющие обработки: обкаткароликом, обдувка микрошариками.