Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ВОПРОСОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Обеспечение высокой надежности и повышение ресурса газотурбинных двигателей (ГТД) неразрывно связано с экономичностью и безопасностью полетов. В конструкции ГТД наиболее нагруженными являются роторные детали, долговечность которых определяет ресурс всего двигателя. Анализ причин разрушения и образования трещин в дисках турбины и компрессора, изготовленных из высоколегированных сплавов на основе никеля и титана, показал, что пропуски металлургических и технологических дефектов на готовую деталь нередки. Кроме того, необходимо учитывать возможность возникновения и развития трещин в процессе эксплуатации. Поэтому назначение ресурса дисков ГТД должно базироваться на комплексе исследований характеристик тре-щиностойкости материалов дисков с учетом влияния эксплуатационных факторов. Такие исследования позволят оценить скорость распространения трещин в дисках и на этой основе дадут возмс~:осїв установить предельно дппустіг^ьїй размер дефекта и регламент контроля дисков. Таким образом, проведение комплексных исследований влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на характеристики трещиностойкооти материалов дисков и оценка на этой основе долговечности дисков с учетом реальных условий эксплуатации является актуальной задачей для авиационной промышленности. Решение этой задачи позволит повысить надежность и ресурс эксплуатации двигателей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с хозяйственными договорами с Пермским НПО "Авиадвигатель" "Исследование трещиностойкооти материалов деталей роторов ГТД при периодическом нагружении" (ГР 0180006772, ГР 01860069772, ГР 0188069833), проводимых в соответствии с тематикой, утвержденной приказом 455 от 18.06.85 по Минвузу СССР "Координирующий план НИР ВУЗов в области механики на 1985-1990 г.", Комплексной программой научно-технического прогресса до 2000 года, созданной АН СССР, отраслевой программой "Авиационная технология".
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью исследования являлось изучение закономерностей развития трещин в титановых и хромоникелевых сплавах, предназначенных для изготовления дисков ГТД, с учетом влияния эксплуатационных и конструктивных факторов, и разработка на
этой основе методики расчета долговечности дисков при наличии в них трещиноподобных дефектов.
Для достижения указанной цели необходимо:
экспериментально исследовать влияние эксплуатационных факторов на пороговые коэффициенты интенсивности напряжений и кинетику развития трещин в титановых и хромоникелевых сплавах;
определить ключевые параметры, оказываоцие существенное влияние на рост трещины в дисках ПД;
разработать модель кинетики роста трещины в материалах дисков ГВД, с учетом влияния основных эксплуатационных факторов;
обосновать применение критерия начала нестабильного роста трещины, оценивающего достижение критического состояния, и разработать методику его определения;
создать методику расчета долговечности дисков при наличии в них трещиноподобных дефектов разной величины.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в следующем:
установлены закономерности влияния асимметрии цикла, частоты и времени выдержки при максимальном уровне нагружения на характеристики циклической трещиностойкости жаропрочных титановых и хромоникелевых сплавов при комнатной температуре;
установлены закономерности влияния температуры, асимметрии, частоты и времени выдержки при максимальном уровне нагружения на характеристики циклической трещиностойкости в интервалах температур от 20 до 500С для титановых сплавов и от 20 до 760С для хромоникелевых сплавов;
разработана новая методика определения наименьших пороговых коэффициентов интенсивности напряжений (КИН), на которую подана заявка на изобретение (авторская заявка * 4925156/06 от 4.04.91);
исследовано влияние предыстории и асимметрии цикла нагружения на пороговые КИН и получено уравнение регрессии, удовлетворительно описывающее зависимость пороговых КИН.от выше названных факторов;
исследован процесс стабильного роста трещины при квази-статическоы нагружении и получены кинетические диаграммы развития трещин ползучести в титановых и хромоникелевых сплавах
при повышенных температурах;
разработана надежная методика определения критерия начала нестабильного роста трещины на основе которой создана феноменологическая модель эволюции фронта трещины при квазистатическом напружений;
разработана модель кинетики роста трещины в зависимости от уровня нагружения в условиях действия циклических и статических нагрузок, учитывающая влияние выше названных эксплуатационных факторов, а также совместное действие усталости и ползучести.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем:
разработана новая методика определения наименьших пороговых КИН, значительно снижающая затраты труда и материала при испытании образцов и повьшаицая точность определения пороговых КИН;
получена зависимость пороговых КИН, позволяющая лцен:; -всть условия неразвития уст?лсст;;ой трещины с учетом предысто-р;;;; а асмметрии цикла нагружения;
обоснована корректность применения критерия начала нестабильного роста трещины, позволяющего оценивать критический размер трещины приводящей к катастрофическому разрушению и разработана методика его определения;
на основе модели развития трещины разработана методика расчета долговечности дисков ГТД при наличии в них трещинопо-добных дефектов разной величины, в условиях действия спектра нагружеаия обобщенного полетного цикла.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты комплексных исследований были использованы НПО "Авиадвигатель" для выбора материалов дисков, с учетом реальных условий эксплуатации, при доводке двигателя ПС90А. Разработанные на основе моделей кинетики роста трещин рекомендации были использованы НПО "Авиадвигатель" при составлении программ стендовых испытаний деталей и узлов ГТД, акты приемки научно-технической продукции прилагаются к диссертации.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ обеспечивается использованием апробированных математических методов и моделей механики деформированных тел, комплексом электронно-измерительной аппаратуры, представительностью выборок испытуемых
образцов и статистическими методами обработки результатов. АВТОР ЗАЩИЩАЕТ СЛЕДЯЩИЕ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:
новую методику определения наименьших пороговых КЮі;
результаты комплексного экспериментального исследования влияния температуры, асимметрии и времени выдержки при максимальной нагрузке в цикле на характеристики циклической трещино-стойкоста титановых и хромоникелевых сплавов, предназначенных для изготовления дисков ГТД;
модель, описывающую условия неразвития трещины в зависимости от предыстории и асимметрии цикла нагружения;
экспериментальные данные по кинетике роста трещины ползучести в материалах дисков ГТД при повышенных температурах;
методику определения критерия начала нестабильного роста трещины при квазистатическом нагружении;
экспериментальные данные о характере стабильного роста трещины при квазистатическом нагружении и феноменологическую модель эволюции фронта развивающейся трещины;
модель, описывающую зависомость скорости роста трещины от уровня нагружения с учетом влияния основных эксплуатационных факторов, а также совместного действия усталости и ползучести ;
методику и результаты оценки долговечности дисков ГТД в условиях действия спектра нагружения обобщенного полетного цикла двигателя ПС90А, при наличии в дисках трещиноподобного дефекта разной величины;
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технической конференции Казанского авиационного института по итогам работы в 1985-1986 г., на I Всесоюзной научно-технической конференции "Механика разрушения материалов" (г.Львов,1987), на зональной научно-технической конференции "Сопротивление усталости и повышение несущей способности изделий методом поверхностной пластической деформации" (Пермь,1988), на Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (Москва,1990), на Всесоюзной научно-технической конференции "Живучесть и безопасность конструкций технологических систем" (Красноярск,1991).
ПУБЛИКАЦИИ. По основным научным результатам диссертационной работы опубликовано 10 работ и подана заявка на изобретение.
СТРУКТУРА И ОВїЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОШ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованной литературы, содержащего 116 наименований. Работа изложена на 197 страницах, содержит 64 рисунка, 7 таблиц.
