Введение к работе
Актуальность работы.
Улучшение эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей и узлов газотурбинных двигателей (ГТД), изготавливаемых из жаропрочных сталей, жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями и титановых сплавов (далее -жаропрочных материалов), является одной из наиболее важных задач авиационного двигателестроения. Выпускаемые по серийной технологии лопатки ГТД обеспечивают ресурс работы двигателя до 1000 часов. Однако эксплуатация двигателей в условиях большой влажности, при высокой концентрации агрессивных элементов, при наличии большого количества песка и пыли может привести к снижению ресурса эксплуатации в несколько раз из-за интенсивного развития коррозионных и эрозионных процессов. Таким образом, для обеспечения требований по надежности и сроку эксплуатации ГТД необходим поиск методов улучшения усталостной прочности, коррозионной и эрозионной стойкости жаропрочных материалов.
Для улучшения эксплуатационных свойств изделий из жаропрочных материалов в последнее время особое внимание уделяется развитию методов модификации их поверхностных свойств, основанных на обработке поверхности интенсивными потоками энергии (ИПЭ), такими как электронные и ионные пучки, лазерное излучение и потоки плазмы. Одним из основных преимуществ этих методов по сравнению с традиционными является то, что модификации подвергаются только поверхностные слои без изменения физико-химического состояния материала в объеме детали.
В течение последних десятилетий в России (НИИЭФА им.Д.В.Ефремова г.Санкт-Петербург, ИСЭ СО РАН г.Томск, ИЯФ им.Г.И.Будкера СО РАН г.Новосибирск и др.) были разработаны источники сильноточных электронных пучков микросекундной длительности, которые успешно применяются для генерации рентгеновского и СВЧ-излучения, предыонизации и поддержания разряда в газовых лазерах, модификации поверхностных свойств материалов и др. Положительные результаты по улучшению поверхностных свойств материалов, полученные с помощью микросекундных сильноточных электронных пучков, позволяют предположить, что их применение для улучшения эксплуатационных
свойств лопаток ГТД также окажется перспективным.
Применение в качестве ИПЭ микросекундных интенсивных электронных пучков (МИЭП) по сравнению с другими имеет следующие преимущества:
объемный характер энерговклада;
большая глубина модифицированного слоя (10-100 мкм), которая может легко регулироваться изменением кинетической энергии электронов;
высокая эффективность передачи энергии от источника к образцу;
большая площадь поверхности, обрабатываемой за импульс.
Целью настоящей работы являлась разработка на основании исследований взаимодействия МИЭП с жаропрочными материалами технологического процесса улучшения эксплуатационных свойств лопаток ГТД с помощью модификации их поверхности МИЭП и опытного образца установки для реализации этого процесса.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
1) создать экспериментальную аппаратуру, обеспечивающую
проведение исследований взаимодействия МИЭП с жаропрочными
материалами;
2) определить параметры МИЭП, оптимальные для формирования
модифицированных слоев толщиной не менее 20-25 мкм;
3) оптимизировать режимы электронно-пучковой обработки
лопаток из жаропрочных материалов на основе исследований
физико-химического состояния поверхностных слоев;
4) провести испытания образцов материалов и лопаток ГТД,
прошедших электронно-пучковую обработку, на усталостную
прочность, жаростойкость, эрозионную стойкость, коррозионную
стойкость в условиях термоциклирования;
5) разработать опытный образец технологической установки для
внедрения электронно-пучковой технологии улучшения
эксплуатационных свойств в процесс серийного производства
лопаток ГТД.
Работы проводились в соответствии с Федеральной целевой программой «Новая технологическая база на 2007-2015 годы»; аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006-2008 годы; проектом
РФФИ №05-08-01498; контрактами с Исследовательским центром Карлсруэ (Германия) на разработку, изготовление и поставку электронных ускорителей, а также модернизацию их узлов; проектами МНТЦ №975-98 и №975-98.2.
Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту.
Предложено для улучшения эксплуатационных свойств лопаток ГТД применить модификацию их поверхности с помощью МИЭП.
Определены и реализованы параметры МИЭП, обеспечивающие улучшение эксплуатационных свойств лопаток ГТД из жаропрочных материалов:
энергия электронов Е=115-120 кэВ;
длительность импульса т= 10-40 мкс,
плотность энергии пучка w=18-20 Дж/см2 для титановых сплавов, w=20-22 Дж/см2 для жаропрочных сталей и w=40-42 Дж/см2 для жаропрочных сплавов с покрытием СДП-2 при неравномерности распределения плотности энергии по сечению пучка < 10%.
3. Разработана и реализована оригинальная конструкция
электронного источника на основе многоострийного катода с
управляющим разрядом, которая позволяет существенно улучшить
однородность распределения плотности тока по сечению МИЭП,
повысить стабильность и управляемость его параметров, что
необходимо для реализации серийного процесса модификации
поверхности лопаток ГТД.
4. Впервые получены экспериментальные данные о влиянии
режимов обработки МИЭП на физико-химическое состояние
поверхностных слоев жаропрочных материалов, применяемых для
изготовления лопаток ГТД: изменение морфологии поверхности,
перераспределение элементов, изменение микроструктуры,
формирование сжимающих или растягивающих напряжений и др.
Разработана методика электронно-пучковой обработки лопаток ГТД, обеспечивающая повышение усталостной прочности, коррозионной и эрозионной стойкости: облучение МИЭП с параметрами, указанными в п. 2, 3 импульсами для лопаток из титановых сплавов и 4 импульсами для лопаток из жаропрочных сталей и жаропрочных сплавов с покрытием СДП-2 с последующей термообработкой в вакууме.
Обработка лопаток ГТД по разработанной методике позволяет
повысить предел выносливости лопаток из жаропрочных материалов на 10-40%, эрозионную стойкость - более чем в 2 раза, жаростойкость - более чем в 3 раза, сопротивление солевой коррозии при повышенных температурах - до 4 раз.
7. Предложена и реализована методика ремонта лопаток ГТД с
помощью МИЭП, обеспечивающая удаление нагара с поверхности
лопаток со скоростью до 50 мкм/импульс, а отработанных покрытий
со скоростью до 20 мкм/импульс.
8. Разработана конструкция технологической установки,
обеспечивающей обработку 40 лопаток 3 и 7 ступени ротора
компрессора (КВД) и 1 ступени ротора турбины (ТВД) двигателя
РДЗЗ за 4-8 часов (в зависимости от вида лопатки) в полностью
автоматизированном режиме работы.
Практическая значимость работы.
Разработанные в рамках данной диссертационной работы методики улучшения эксплуатационных свойств и ремонта лопаток ГТД, а также опытный образец технологической установки для их реализации находятся на стадии внедрения в серийное производство лопаток ГТД на Московском машиностроительном предприятии им.В.В.Чернышева. Экономическая эффективность применения разработанного технологического процесса определяется увеличением межремонтных интервалов при эксплуатации и ресурса работы ГТД в целом, а также значительной экономией дорогостоящих материалов и средств на изготовление новых лопаток.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: V-ый Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике в 1984 году (г. Томск); 7-ая Международная конференция по мощным пучкам частиц в 1998 году (г. Карлсруэ, Германия); ГХ-ое и Х-ое Международное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине в 1998 и 2001 г.г. (г. Санкт-Петербург); 15-ая Международная конференция по мощным пучкам частиц в 2004 году (г Санкт-Петербург); 7-ая Международная практическая конференция-выставка "Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки" в 2005 г.
(г.Санкт-Петербург); 7-ая, 8-ая и 9-ая Международные конференции по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками в 2004, 2006 и 2008 г.г. (г. Томск); 6-ая и 7-ая Международные конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» в 2005 и 2007г.г. (г. Минск, Беларусь).
Результаты работы опубликованы в 8 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах.
Структура и объем диссертации
