Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.01 - «Матеріалознавство».
Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2008 р.
Дисертація присвячена рішенню актуального науково-технічного завдання підвищення несучої здатності лопаток I ступеня компресора двигуна ТВ3-117 з титанового сплаву ВТ8М шляхом формування раціонального сполучення характеристик поверхневого шару комплексною оздоблювально-зміцнюючою обробкою.
Отримано нове рішення наукового завдання підвищення ерозійної стійкості та втомної міцності без зниження ударної міцності лопаток компресора з титанових сплавів, що полягає у формуванні сприятливого сполучення характеристик поверхневого шару ультразвуковим зміцненням кульками протягом п'яти хвилин з наступним нанесенням зносостійкого покриття TiN.
Розроблено технологічні рекомендації з вибору раціональних режимів комплексної обробки лопаток I ступеня компресора двигуна ТВ3-117, які знайшли застосування у виробництві лопаток на ВАТ «Мотор Січ».
У дисертації отримане нове рішення наукової проблеми - підвищення ерозійної стійкості, параметрів витривалості й ударної міцності лопаток компресора вертолітних двигунів з титанових сплавів, що полягає у формуванні сприятливого сполучення характеристик поверхневого шару деформаційним зміцненням кульками з наступним нанесенням покриття TiN.
Установлено, що в покритті TiN більша частина зерен орієнтована паралельно поверхні лопатки щільноупакованими площинами (111), що підвищує зносостійкість покриття. Виявлено вплив параметра текстурованості -фази на текстуру покриття TiN. Показано, що попередня обробка УЗЗ призводить до збільшення в поверхневому шарі лопатки зерен з базисною орієнтацією. Останнє, у свою чергу, відповідає найкращій структурній й розмірній відповідності ГЩП ґратки -фази й ГЦК ґратки нітриду титана та забезпечує найбільш сприятливу текстуру покриття.
Виконано комплексні дослідження напружено-деформованого стану лопатки з ушкодженнями у вигляді виточень на вхідній крайці, у різних перетинах при коливаннях по першої формі вигину методом кінцевих елементів за допомогою програми ANSYS.
Установлено, що величина відносних максимальних напруг не залежить від параметрів та кількості ушкоджень й при ушкодженні в перетинах до 41 мм від підошви хвостовика приблизно в 2 рази вища, ніж у вихідній лопатці, що призводить до істотного зниження опору втомі.
Дослідження деформованого поверхневого шару показали, що комплексне зміцнення пера лопатки формує залишкові стискаючі напруги величиною до 720 МПа, що призводить до підвищення опору лопаток втомному руйнуванню.
Установлено прояв масштабного фактора - зменшення рівня стискаючих напруг на тонких крайках й у верхній частині пера лопатки, порівняно з прикореневою ділянкою.
Після всіх видів комплексної обробки умовна границя плинності збільшилась з 1050 до 1475...1550 МПа, що є одним з факторів, що перешкоджають зародженню й поширенню втомних тріщин.
Комплексна обробка лопаток ВП + УЗЗ (5 хв) + КІБ усієї поверхні пера, за рахунок формування сприятливого сполучення характеристик поверхневого шару, значно підвищує опір втомі: границя витривалості s-1 збільшується з 616 МПа (серійні лопатки – ВП+1/3 пера КІБ) до 654 МПа. При цьому з урахуванням розсіювання для ймовірності руйнування 10% s-1 збільшується з 537 МПа до 620 МПа, тобто на 15%.
Отримано математичні залежності для оцінки ударної міцності лопаток з обліком циклічних і відцентрових навантажень, що дозволяють розрахувати силу удару й запас міцності при зіткненні в процесі експлуатації зі стороннім предметом.
Випробування на ударну міцність показали, що комплексна обробка ВП + УЗЗ (5 хв) + КІБ не сприяє зниженню ударної міцності лопаток. Ультразвукове зміцнення протягом 10 хвилин зменшує пластичність й опір лопаток ударним навантаженням.
Отримано кореляційні залежності частоти власних коливань лопаток від товщини крайок. За наявності нерівномірного зношування по довжині крайки відбувається зсув частот власних коливань у резонансні ділянки. Це викличе підвищення рівня віброчастотних напруг, зниження запасу міцності, що спричиняє необхідність нанесення ерозійно стійких покриттів.
Випробування на зносостійкість показали, що комплексна обробка ВП + УЗЗ (5 хв) + КІБ призводить до підвищення зносостійкості на 22%, у порівнянні з лопатками виготовленими за серійною технологією (ВП).
Впровадження технології зміцнення лопаток компресора з титанових сплавів у ВАТ “Мотор Січ” дозволить оптимізувати режими комплексної обробки, підвищити несучу здатність і забезпечити заданий ресурс двигунів ТВЗ-117 і ТВЗ-117ВМА-СБМ1. Очікуваний річний економічний ефект складе 208040 грн.
Публікації автора:
Пухальская Г.В. Влияние геометрических параметров лопаток компрессора на частотные характеристики / Пухальская Г.В., Лукьяненко О.Л., Табунщик Г.В.// Вестник двигателестроения, 2004. № 1. – С. 94-97.
Жуков В.Б. Оценка влияния упрочнения на ударную прочность лопаток ГТД / Жуков В.Б., Пухальская Г.В., Лукьяненко О.Л. // Вестник двигателестроения 2005. №1. C. 29-35.
Гликсон И.Л. Напряженно - деформированное состояние лопатки компрессора с повреждениями / Гликсон И.Л. Яценко В.К., Лукьяненко О.Л. // Вестник двигателестроения, 2005. №1. C. 83-88.
Богуслаев В.А. Повышение несущей способности лопаток компрессора / Богуслаев В.А., Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Степанова Л.П., Лукьяненко О.Л. // Вестник двигателестроения, 2005. №3. C. 79-89.
Лукьяненко О.Л. Повышение несущей способности лопаток компрессора из сплава ВТ8М / Лукьяненко О.Л., Пухальская Г.В., Степанова Л.П., Лоскутов С.В. // Авиационно-космическая техника и технология, 2005. - №10. - C. 87-91.
Жеманюк П.Д. Повышение прочностных характеристик лопаток компрессора / Жеманюк П.Д., Лукьяненко О.Л., Степанова Л.П. // Вестник двигателестроения, 2006, - №1. - C. 79-87.
Богуслаев В.А. Влияние комплексной обработки на сопротивление усталости лопаток компрессора из сплава ВТ8М / Богуслаев В.А., Лукьяненко О.Л., Пухальская Г.В., Жеманюк П.Д. // Вестник двигателестроения, 2006. - №4. - C. 86-89.
Жеманюк П.Д. Повышение ударной и усталостной прочности лопаток компрессора из сплава ВТ8М комплексной обработкой / Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Лукьяненко О.Л., Степанова Л.П., Лоскутов С.В. // Металловедение и термическая обработка металлов, 2008. - № 1. - C 28-33.
Комплексное упрочнение лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8М: сб. трудов XII Международной научно-технической конференции [«Машиностроение и техносфера XXI века»], (Севастополь, 12-17 сентября 2005 г.) / Донецьк: ДНТУ, 2005. – Т.4. – C. 160-166.
Повышение несущей способности лопаток компрессора: Международный сб. научных трудов [«Прогрессивные технологии и системы машиностроения»], (Севастополь, 11-16 сентября 2006 г.) / Донецк: ДНТУ, 2006. - Вип. 32. – C. 19-27.
Восстановление лопаток компрессора: зб. матеріалів X Міжнародної науково-технічної конференції [«Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх оброблення для підвищення надійності та довговічності виробів»], (Запоріжжя, 20-22 вересня 2005 р.) / Запоріжжя: ЗНТУ, 2005. - C. 47-49.
Напряженно - деформированное состояние лопатки компрессора с повреждениями: тезисы докладов Международной научно-технической конференции [«Динамика, прочность, и ресурсы машин и конструкций»], (Киев, 1-4 ноября 2005 г.) / К.: ИПП, 2005. – Т. 1. - C. 47-48.
Повышение несущей способности лопаток компрессора: сб. тезисов II Международной научно-технической конференции [«Авиадвигатели XXI века»], (Москва, 6-9 декабря 2005 г.) / М.: ЦИАМ, 2005 г. – Т. 2. - C. 188-190.
Повышение выносливости лопаток компрессора с нитридтитановым покрытием: сб. докладов 7 Международной научно-технической конференции [«Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов»], (Харьков, 24-28 апреля 2006 г.) / Харьков: ННЦ «ХФТИ», 2006. – Т. 3, - C. 27-31.
Повышение выносливости лопаток компрессора: зб. тезисів XI Міжнародної науково-технічній конференції [«Неметалеві вкраплення і гази в ливарних сплавах»], (Запоріжжя, 19-22 вересня 2006 г.) / Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. - C. 169-170.
Влияние комплексной обработки лопаток I ступени компрессора двигателя ТВ3-177 на эрозионную стойкость: тезисы докладов Международной молодежной научно-технической конференции [«Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии»], (Алушта, 15-18 мая 2007 г.) / Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2007. - C. 173-175.
Исследование индекса формы - фазы в поверхностном слое пера лопаток компрессора на спинке после различных методов финишной обработки: тезисы докладов II Международной молодежной научно-технической конференции авиамоторостроительной отрасли [«Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии»], (Алушта, 12-16 мая 2008 г.) / Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2008. - C. 164-165.
Влияние методов финишной обработки на изменение индекса формы - фазы в поверхностном слое пера лопаток компрессора двигателя ТВ3-117: тезисы докладов. II Международной молодежной научно-технической конференции авиамоторостроительной отрасли [«Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии»], (Алушта, 12-16 мая 2008 г.) / Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2008. - C. 166-167.
