Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс современной техники в значительной степени определяется эффективностью использования новых и традиционных материалов.а также обеспечением надежных методов оценки и контроля прочности и долговечности критических элементов конструкций из этих материалов. Традиционные методы оценки кратковременной и длительной прочности основаны на результатах испытания образцов в условиях, имитирующих реальные условия работы конструкции по таким параметрам, как напряженное состояние, температура, ударное, статическое или знакопеременное нагружение. Однако для таких материалов, как текстурированные сплавы с ГПУ решеткой (на основе титана, циркония, бериллия, магния), жаропрочные сплавы и ионно-плазменные защитные покрытия, испытания образцов не могут гарантировать безопасные условия работы конструкции в силу следующих причин.
Конструкционная прочность текстурированных сплавов с ГПУ решеткой и выраженной анизотропией прочностных свойств может быть как ниже (до 20%), так и выше (до 100%) прочности образцов. Однако до сих пор расчеты прочности ГПУ сплавов проводят по различным изотропным критериям прочности по аналогии со сплавами с ОЦК и ГЦК решетками, что приводит к заниженным или завышенным расчетным значениям допустимых нагрузок и соответственно завышенной массе конструкции или преждевременному ее разрушению.
Установление гарантированного ресурса работы критических элементов конструкций является одним из важнейших критериев безопасной эксплуатации авиационных двигателей и наземных энергетических установок. Основной причиной ошибок в прогнозировании ресурса является неадекватность условий нагружения и соответственно механизма накопления повреждении при испытании образцов и при эксплуатации реальных конструкций. Различия в условиях нагружения в основном сводятся к вшинию сложнонапряжеиного состояния, наличию блочной структуры циклов нагружения, а также наложению статических и циклических нагрузок. В этой связи разработка методов нерадрушающего контроля остаточного ресурса является наиболее эффективным решением проблемы оценки долговечности конструкций и это направление активно развивается. Рентгеновские методы неразрушающего контроля ресурса, такие как текстурный метод, метод ширины дифракционной линии и метод со-сканирования являются наиболее перспективными в этом плане.
Износо- и коррозионностойкие ионно-плазменные покрытия из нитрвдов, карбидов, карбонитридов титана, циркония, гафния широко используются в технике в частности в соединительных узлах гидроприводов самолетов. Однако применение ионно-плазменных покрытий для защиты и упрочнения поверхности элементов ответственных конструкций авиакосмической техники сдерживается низким уровнем воспроизводимости технологии из-за множества' трудноконтролируемых параметров. Проблема усугубляется тем, что для тонких (до 10 мкм) покрытий возможности оценки служебных свойств ограничены. Кристаллографическая текстура, величина и знак остаточных макронапряжений, а также толщина покрытий могут явиться определяющими параметрами
функциональных свойств покрытий. Поэтому развитие рентгеновских методов характеризации структурного состояния и неразрушающего контроля качества покрытий может позволить расширить области применения покрытий и повысить их качество.
Цель работы. Повышение эффективности методов оценки конструкционной прочности и долговечности текстурированных сплавов с ГПУ решеткой, жаропрочных никелевых сплавов, а также материалов с покрытиями на основе рентгеновских методов определения текстуры, остаточных макро- и микронапряжений, а также метода со-сканирования. Для решения этой задачи оказалось необходимым:
-
усовершенствовать соответствующие рентгеновские методики, аппаратуру и методы интерпретации результатов измерений;
-
исследовать механизм деформации и накопления повреждений в сплавах титана, магния и никелевом жаропрочном сплаве на моно- и поликристаллах;
(3) развить микромеханические методы расчета прочности
текстурированных ГПУ поликристаллов в условиях
сложнонапряженного состояния, методы оценки долговечности
жаропрочных сплавов в условиях ползучести, а также
перазрушающне методы оценки качества материалов с покрытиями.
(4) разработать технологические схемы получения
текстурированных полуфабрикатов из а-егшавов титана на основе
изучения текстурообразования при прокатке, листовой и объемной
штамповке;
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На . монокристаллах сплавов Ti-Al-Sn определены действующие механизмы деформации и значения критических напряжений сдвига в зависимости от ориентации и температуры испытания в интервале 4,2 - 293 К. Для сплавов с ГПУ решеткой разработан расчетно-экспериментальный метод оценки величин критических напряжений сдвига для действующих систем скольжения и двойникования на основе экспериментов на поликристаллических объектах.
-
Для текстурированных поликристаллов разработан микромеханический критерий текучести, позволяющий вычислять поверхности текучести в пространстве напряжений на основе известных значений критических напряжений сдвига и текстуры материала. Критерий использован для оценки особенностей пластической анизотропии сплавов на основе Ті и Mg: построены контуры текучести для сплавов Ti-5Al-2,5Sn, Ti-Al-V, Mg-Y, Mg-Al-Zn, а также для интерметаллида TiAl (у-фаза) с Llo решеткой, показано, что анизотропия механических свойств и эффект текстурного упрочнения может варьироваться при юменении состава в пределах, сопоставимых с эффектом текстуры, показано, что для сплава Ti-Al-V можно получить 30% "ориентационное" упрочнение в бестекстурном состоянии, выявлены хрупкие ориентировки интерметаллида TiAl.
3. На основе микромеханического подхода развит тензорно-
полиномиальный критерий прочности для текстурированных
материалов, включающий экспериментальное определение главных
компонент тензора прочности из испытаний на сжатие и растяжение
и расчет компонент взаимодействия с помощью
микромеханического критерия, что позволило снизить трудоемкость экспериментальной процедуры.
4. Для Ni жаропрочного сплава обнаружен эффект
фрагментации субзерен при эксплуатации дисков ТРД, а также при
кратковременных и длительных испытаниях; развиты методы
количественной интерпретации кривых -сканирования для
поликристаллов, включающие определение величины
нерегулярности рентгеновского спектра и среднего угла
разориентировкн субзерен, а также оценку распределения субзерен
по размерам. Разработан неразрушагощий метод определения
количества у'-фазы.
5. Развиты методы харахтеризации структурного состояния и
свойств ионно-плазменных покрытий:
- разработана методика прецезиошюго определения толщины
покрытий т,а основе рентгеновского флюоресцентного метода без
использования стандартов, что значительно повышает точность
метода;
применительно к методу sin2n/ для тонких сильнотекстурированных покрытий рассчитан вклад упругой анизотропии и текстуры, определены оптимальные условия рентгеновского эксперимента, обнаружен эффект неоднородного распределения напряжений в зернах с различной ориентировкой и выявлены способы управления этим эффектом с помощью варирования технологии;
- установлены параметры напыления, позволяющие получить
текстуры (111) и (ПО) в TiN покрытиях и текстуры (1010), (1120) и
(1011) в Ті покрытиях;
- для многослойных TiN/Ti покрытий установлены ориентациониые соотношения между слоями (Ш)ш/Л0001)п и условия реализации этого соотношения в покрытиях.
Практическая ценность. Значительная часть полученных в работе результатов используется в НИИ и на предприятиях различных отраслей промышленности.
-
На предприятии НПО "Энергия" результаты работы использованы при разработке технологии прокатки, листовой и объемной штамповки полусфер для изготовления топливных емкостей космических систем, при этом конструкционная прочность этих емкостей повышена за счет текстуры на 20% для изделий из сплава ВТ5-1 и на 40% для изделий из сплава ПТЗВкт. Разработанный нами и изготовленный Л НПО" Буревестник" дифрактометр для анализа текстуры конструкций (ДРАКОН) в сочетании с микромеханическйм критерием прочности позволили учитьшать эффект текстурного упрочнения при расчетах на прочность и снизить массу изделий.
-
Методика определения толщины покрытий рентгеновским флюоресцентным методом и соответствующая аппаратура используется для контроля толщины различных покрытий в НИАТ, Институте сильноточной электроники (г.Томск), Куйбышевском авиационном предприятии, Скадовском заводе полупроводниковых приборов и на некоторых других предприятиях. Методы рентгеновской характеризации структуры многослойных TiN/Ti покрытий использованы НИАТ при разработке и контроле технологии нанесения покрытий на ниппельные соединения топливных трубопроводов для авиационных предприятий им.Сухого, им.Антонова, ВАПО.
3. Разработан метод оценки остаточной долговечности дисков 2 ступени турбины 40-04-292 из сплава ЭИ698-ВД двигателей Д-30КУД-30КП, Д-30КУ-154 на основе неразрушающего рентгеновского определения накопления повреждаемости материала дисков после наработки, оцениваемого по степени фрагментации субструктуры и углам разориентировки блоков с помощью съемки в режиме ю-сканирования. Методика принята для освоения в серийном протводстве на предприятии АО"Рыбинские моторы".
Научные положение, выносимые на защиту.
1. Усовершенствованные рентгеновские методы определения
структурных и функциональных характеристик конструкционных
матералов авиакосмической техники, включающие:
метод определения остаточных напряжений текстурированных поликристаллов с учетом упругой анизотропии;
безэталонный рентгенофшооресцентный метод определения толщины тонких покрытий;
способ оценки распределения субзерен по размерам на основе рентгенограмм со-сканирования;
неразрушающий рентгеновский метод измерения количества у'-фазы в никелевых жаропрочных сплавах;
- метод определения истинной микротвердости тонких
покрытий с учетом их толщины и наличия мягкой подложки.
2. Комплекс теоретических и экспериментальных работ,
направленных на развитие методов оценки пластической
анизотропии текстурированных поликристаллов с ГПУ решеткой:
- экспериментальное определение механизма деформации на
монокристаллах тройного Ті сплава в интервале температур 4,2-
293К;
метод определения критических напряжений сдвига на текстурированных поликристаллах;
міпсромеханический критерий текучести текстурированных ГПУ поликристаллов;
выявленные особенности пластической анизотропии промышленных сплавов на основе Mg и Ті;
- развитие тензорно-полиномиального критерия прочности
применительно к текстурированным поликристаллам.
-
Установленные закономерности формирования текстуры при изготовлении Ті полуфабрикатов н технологии получения текстурно упрочненных сферических оболочек из Ті сплавов.
-
Методы управления структурным состоянием моно- и многослойных ионно-плазмеиных покрытий за счет варьирования параметрами напыления.
5. Рентгеновские методы исследования и контроля накопления
повреждений при испытании образцов и работе элементов
конструкций из Ті и Ni сплавов; неразрушающий метод определения
остаточного ресурса критических элементов ГТД из Ni
жаропрочных сплавов.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 2-ой Всесоюзной конференции "Стали и сплавы криогенной техники"(Харьков, 1983г.), Всесоюзных конференциях по текстурам и ркристаллизации в металлах и сплавах (Красноярск -1980г., Горький-1983г., Уфа-1987г., Свердловск - 1991г.), Всесоюзной конференции по прикладной рентгенографии металлов (Ленииград-
1986г.), * Всесоюзном семинаре по количественным методам текстурного анализа (Свердловск-1989), Всесоюзных совещаниях по высокотемпературной и газовой коррозии и ее влиянии на физико-механические свойства титана и его сплавов (Львов-1933, 1985, 1987, 1989 гг.), Всесоюзных совещаниях "Экологически чистые ионно-вакуумные технологии ( Москва -1991, 1993, 1995 гг.), 6-Международной титановой конференция (Канны - 1988 г.), 3-Международном симпозиуме "Тенденции и новые применения тонких пленок" (Страсбург -1991 г.), 13-Международном семинаре в Плаизее (Рготте,Австрия -1993 г.)
Публикация. Материал диссертации опублгасован в 46 печатных работах, в том числе в двух монографиях: "Теория образования текстур в металлах и сплавах" (1979г.) в соавторстве с Я.Д.Вишнсчовым, А.А.Бабарэко, С.А.Владимировым, И.ВЗгиз, В.Ю.Новиковым, С.А.Куртасовым и "Физико-механические свойства лепсих конструкционных сплавов" (1995 г.) в соавторстве с БА.Колачевым, Л.А.Буниным, В.А.Володиным, имеется 2 авторских свидетельства и положительное решение о выдаче патента.
Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Объем диссертации сотавляет 257 страниц, содержит 161 страницу текста, 25 таблиц и 88 рисунков. Список литературы включает 181 наименование.
