Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных комплексных и экономически выгодных задач является продление ресурса турбинных лопаток ГТД путем восстановительной технологии, обеспечивающей улучшения функциональных характеристик.
При эксплуатации авиационных двигателей в материале деталей высокотемпературного тракта происходят структурные и фазовые превращения, которые приводят к существенному снижению эксплуатационных свойств и после-дующему разрушению. Для продления эксплуатационного ресурса авиационных двигателей используется своевременная восстановительная обработка лопаток турбины и соплового аппарата. Однако в настоящее время отсутствует достоверная и достаточно информативная методика оценки структурной повреждаемости лопаток в процессе эксплуатации. Это затрудняет определение допустимого срока эксплуатации ГТД до проведения ремонтно-восстановительных работ и снижает их эффективность.
Применяемая на ряде промышленных предприятий восстановительная термовакуумная обработка (ВТВО) по режиму высокотемпературной гомогенизации не обеспечивает стабильного восстановления структуры и свойств, вследствие сохранения микропористости в лопатках после ВТВО. Это приводит к существенному снижению эксплуатационных свойств и в частности предела выносливости. В течение последних десяти лет для повышения плотности отливок используется горячее изостатическое прессование, т.е баротермическая обработка (БТО). Однако теория этого процесса окончательно не изучена и отсутствует инженерная методика расчета технологических параметров.
Настоящая работа, восполняя этот пробел, посвящена изучению особенностей поведения жаропрочных сплавов в процессе эксплуатации и термоциклических воздействий; изысканию структурно - чувствительных физических методов для достоверной оценки структурной повреждаемости жаропрочных никелевых сплавов; разработке методики расчета технологических параметров БТО и совершенствованию технологии восстановительной термической обработки лопаток.
Работа выполнялась в соответствии с Опытной конструкторской работой «Разработка технологий получения деталей горячего тракта авиационных двигателей» Госконтракт №36.652.0453 от 17.03.2004г. совместно с ООО «Композит» ФГПУ ВИАМ, ЦИАМ.
Целью работы. Обеспечение эксплуатационных характеристик лопаток ГТД за счет устранения структурной повреждаемости в результате совершенствования технологии термической обработки на основе использования горячего изостатического прессования.
Для достижение поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- исследовать структурные и фазовые превращения и изменения свойств сплава
в условиях эксплуатации и разработка количественных показателей
структурной повреждаемости на основе методов физического анализа;
- исследовать особенности структурных и фазовых превращений, а также напряженно-деформационного состояния жаропрочных сплавов в условиях высокотемпературного изостатического давления.
разработать методику расчета основных технологических режимов баротермической обработки жаропрочных сплавов;
провести производственное опробование и оценку эффективности предлагаемой термической обработки;
- разработать технологический процесс термической обработки лопаток в
процессе их изготовления, а также при ремонтно-восстановительных работах в
процессе эксплуатации.
Защищаемые положения
1. Закономерность изменения структуры и свойств в процессе
эксплуатации с учетом термической и малоцикловой усталости.
2. Методика и алгоритмы расчетов основных параметров баротермической
обработки: температура и давление
3. Закономерность структурных и фазовых превращений в процессе
восстановительной термической обработки лопаток включая баротермическую
и высокотемпературную обработки.
Научная новизна диссертации определяются следующими основными положениями:
1. Выявлено наличие общих закономерностей в изменения жаропрочности
сплава ЖС6У-ВИ в процессе термической и малоцикловой усталости, что
позволило получить корреляционную зависимость для прогноза долговечности
материала по характеристикам пластичности.
Введены уточнения в расчетную схему механизма устранения микропор при баротермической обработке за счет состояния материала и термодинамического состояния газа внутри поры. На основании этого получено уравнение для расчета минимально необходимого давления газа.
Получены новые сведения о протекании процессов упорядочения и деформационного упрочнения при барометрической обработке литейных жаропрочных никелевых сплавов, что приводит к оптимальной структуре у' -фазы и обеспечивает требуемый уровень эксплуатационных характеристик.
Практическая значимость работы: 1.Показана возможность оценки структурной повреждаемости методом физического анализа (термо - э.д.с, резистометрия, вихретоковый). 2.Установлено, что при снижении термо - э.д.с. и удельной электропроводности на 10 - 15% от исходного состояния структурная
повреждаемость имеет обратимый характер, что это обуславливает эффективность проведение восстановительной термической обработки. 3 .Разработаны методика и алгоритмы расчетов необходимого давления и температуры баротермической обработки с учетом химического состава, физико-механических и технологических свойств сплава, геометрических параметров отливки и пористости.
4.На ОАО «НПО «Сатурн» разработана и внедрена в производство высокоэффективная термическая обработка лопаток, состоящая из баротермической обработки (БТО) и последующей высокотемпературной обработки (ВТВО). Такая обработка используется при производстве новых лопаток, а также при ремонтно- восстановительных работах (ТУ1-503-0100 на сплава ЖС6У-ВИ и ТУ 1-503-0104 для сплавов ЧС70-ВИ, ЧС88У-ВИ).
Объектами исследования являлись жаропрочные сплавы ЖС6У- ВИ, ЧС88У-ВИ, ЖС36-ВИ, IN100.
Методы исследования и достоверность результатов. Для определения структурных и фазовых превращений в жаропрочных никелевых сплавах использовали растровый электронный микроскоп с возможностью микрорентгено-спектрального анализа. Измерение механических и эксплуатационных свойств проводили по известным стандартным методикам. Достоверность обеспечивается корректным применением основных положений теории физики металлов, термической обработки и металловедения, использованием методов математической статистики для обработки результатов экспериментальных и теоретических исследований, допустимой погрешностью предлагаемых расчетных методик и корреляционных уравнений, а также положительным результатом при опробовании и внедрении рекомендаций по совершенствованию технологии термической обработки в производственных условиях
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на конференции молодых специалистов «Специальные сплавы и новые материалы в авиакосмической промышленности» г. Королев КОМЕТПРОМ 2002г., Российской научно- технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», Рыбинск, 2002, Международной конференции ОТТОМ-3 «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» Харьков 2004г., XV международном конгрессе «Двигателестроение -2010», Рыбачье, НТУ ХПИ, 2010.
Публикации по теме диссертации опубликовано 3 печатные работы в научно- технических журналах, входящих в перечень ВАК РФ и в 4 сборниках научно - технических конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения с общими выводами, списка использованных литературных источников и приложений, содержит 187 страниц, 65 рисунков и 34 таблицы.
