Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса
1.1. Определение номенклатуры деталей ГТД, подверженных фреттинг-коррозии 9
1.2. Определение наиболее важных эксплуатационных свойств деталей ГТД, подверженных фреттинг-коррозии 10
1.1.1. Влияние фреттинг-коррозии на сопротивление усталости и длительную прочность 11
1.1.2. Влияние фреттинг-коррозии на контактную жесткость 13
1.3. Теоретическое исследование природы и механизма фреттинг-коррозии металлов
1.3.1. Анализ существующих теорий и моделей фреттинг-коррозии металлов 15
1.3.1.1. Молекулярная теория 16
1.3.1.2. ТеорияК.Г.Р. Райта 16
1.3.1.3. Теория электроэрозионного разрушения 18
1.3.1.4. Усталостная модель фреттинг-процесса 19
1.4. Изучение состояния вопроса по технологическому обеспечению
эксплуатационных свойств деталей ГТД, работающих в условиях фреттинг коррозии 23
1.4.1. Перспективные технологические методы повышения фреттингостойкости деталей современных ГТД
1.4.1.1. Ионное легирование 27
1.4.1.2. Газотермическое напыление покрытий 28
1.4.1.3. Лазерное легирование з
1.4.1.4. Комбинированные методы 31
1.5. Цель и задачи исследования 32
ГЛАВА 2. Обоснование выбора объекта исследования. моделирование эксплуатационных условий работывыбранного узла ГТД
2.1. Выбор и описание объекта исследования 36
2.1.1. Анализ обстоятельств и причин проявления дефекта 39
2.1.2. Обобщение материалов проведенных исследований .46
2.1.3. Анализ ранее предложенных конструктивно-технологических и эксплуатационных мероприятий по предупреждению усталостных разрушений дисков II, III ступеней КНД ТРДД Д-ЗОКУ(КП) 48
2.2. Моделирование эксплуатационных условий работы выбранного узла ГТД 50
Выводы по главе 2 54
ГЛАВА 3. Обоснование выбора методов экспериментального исследования фреттинг-коррозии металлов и описание экспериментального оборудования для изучения влияния повреждений от фреттинга на эксплуатационные свойства деталей ГТД
3.1. Установка для проведения ускоренных лабораторных испытаний на фреттинг-изнашивание 57
3.2. Установка для одновременного определения модуля нормальной упругости и внутреннего трения материалов в интервале температур 60
3.3. Установка для определения модуля нормальной упругости поверхностных слоев металлических материалов 64
3.4. Установка для определения контактной жесткости материалов 69
3.5. Установки для проведения испытаний на усталость 72
Выводы по главе 3 74
ГЛАВА 4. Разработка методики проведения экспериментов для выбранных методов исследования. описание результатов исследования влияния абразивно-силового во действия на параметры состояния поверхностного слоя конструкционных материалов
4.1. Описание методики проведения экспериментов 76
4.2. Результаты исследования влияния абразивно-силового воздействия на параметры состояния поверхностного слоя металлов
4.2.1. Описание результатов исследования 78
4.2.2. Анализ и обсуждение результатов 84
4.3. Методика и результаты исследований влияния абразивно-силового воздействия на контактную жесткость конструкционных материалов 88
Выводы по главе 4 99
ГЛАВА 5. Исследование природы и механизма фреттинг-коррозии металлов
5.1. Разработка методики проведения экспериментов 101
5.2. Снятие диаграмм фреттинг-износа. Методика и описание результатов. 103
5.3. Обсуждение результатов эксперимента
5.3.1. Разработка уточненной кинетической модели фреттинг-изнашивания металлов 114
5.3.1.1. Стадия адгезионного взаимодействия 115
5.3.1.2. Стадия приработки 117
5.3.1.3. Стадия установившегося износа 119
5.3.2. Влияние вида контактирующих материалов на кинетику фреттинг изнашивания 123
5.4. Изучение кинетики процессов структурной повреждаемости поверхностных слоев металлов при фреттинге
5.4.1. Изучение закономерностей внутреннего трения металлических материалов при фреттинг-изнашивании 128
5.4.2. Изучение закономерностей поведения модуля нормальной упругости поверхностного слоя при фреттинг-изнашивании металлов 135
5.5. Анализ возможностей практического применения результатов исследования 142
Выводы по главе 5 146
ГЛАВА 6. Исследование влияния фреттинг-коррозии на эксплуатационные свойства деталей ГТД
6.1. Влияние фреттинг-коррозии на усталость
6.1.1. Анализ ранее выполненных работ по исследованию влияния повреждений от фреттинга на усталость конструкций 147
6.1.2. Экспериментальное исследование влияния повреждений от фреттинга на многоцикловую усталость титанового сплава ВТЗ-1 152
6.1.3. Экспериментальное исследование влияния фреттинг-коррозии на малоцикловую усталость титанового сплава ВТЗ-1
6.2. Экспериментальное исследование возможностей применения современных технологических методов ГШД для улучшения эксплуатационных свойств деталей ГТД 166
6.3. Практические рекомендации по технологическому обеспечению требуемой циклической долговечности ОИ в серийном производстве 171
6.4. Влияние фретиинг-коррозии на контактную жесткость деталей ГТД 175
Выводы по главе 6 177
Общие выводы по работе 178
Список использованных источников
- Определение наиболее важных эксплуатационных свойств деталей ГТД, подверженных фреттинг-коррозии
- Обобщение материалов проведенных исследований
- Установка для определения модуля нормальной упругости поверхностных слоев металлических материалов
- Результаты исследования влияния абразивно-силового воздействия на параметры состояния поверхностного слоя металлов
Введение к работе
В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с углубленными теоретическими и экспериментальными исследованиями закономерностей фреттинг-изнашивания конструкционных авиационных материалов с целью научно-обоснованного выбора технологических методов обеспечения требуемых эксплуатационных свойств основных деталей ГТД, работающих в условиях фреттинг-коррозии.
Актуальность проблемы. В настоящее время ресурсы современных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) достигают 20000 летных часов и более. При существующей тенденции значительного повышения удельной мощности ГТД, приводящей к росту их динамической напряженности (вибронапряженности), решение трибологической проблемы становится наиболее важной, фундаментальной задачей для современного авиамоторостроения. Преодоление трибологического барьера предоставляет существенные резервы для увеличения срока службы основных узлов ГТД, снижения их металлоемкости, сокращения численности рабочих занятых ремонтом, повышения производительности, экологичности и безопасности авиационной техники. В то же время, ресурс работы основных узлов современных ГТД (компрессоров, турбин, агрегатов автоматики) очень часто ограничивается преждевременным износом или разрушением сопрягаемых деталей (дисков, лопаток, валов) в результате развития особого вида повреждения поверхности, получившего название фреттинг-коррозии или фреттинга и возникающего на контактных поверхностях при относительных колебательных перемещениях малой амплитуды (от нескольких нанометров до сотых долей миллиметра). Такие перемещения могут вызываться вибрациями, возвратно-поступательным движением, периодическим изгибом или кручением сопряженных деталей. При фреттинг-коррозии значительно ухудшается качество поверхности деталей, что приводит к существенному снижению эксплуатационных характеристик материала, прежде всего, сопротивления усталости, контактной жесткости и др. До сих пор при оценке сопротивления усталости основных деталей ГТД конструкторы практически не учитывают влияние этого фактора, поскольку ученые еще не пришли к общепризнанной теории, описывающей механизм разрушения поверхностей контакта при фреттинге и дающей приемлемые расчетные, шгженерные методы оценки степени поврежденности. Требуемый высокий уровень надежности и долговечности современных ГТД может быть достигнут комплексом конструкторскігх, технологических и эксплуатационных мероприятий. Причем для основных деталей ГТД наиболее эффективными являются технологические мероприятия, при условии правильного выбора метода и режимов упрочняющей обработки.
Цель работы: улучшение эксплуатационных свойств деталей ГТД, подверженных фреттинг-коррозии, посредством поиска физических критериев оптимального состояния, оценок качества контактирующих поверхностей и научно-обоснованного выбора технологического метода и режимов упрочняющей поверхностной обработки.
Дія достижения поставленной цели в работе последовательно решаются следующие основные задачи:
-
Выбор объекта исследования (ОИ) из числа основных деталей серийно выпускаемых ГТД, работающих в условиях фреттинг-коррозии.
-
Моделирование эксплуатационных условий работы ОИ при проведении экспериментов.
-
Выбор и описание методов экспериментального исследования основных параметров состояния поверхностного слоя материала при фреттинге и испытаний на фреттинг-коррозию.
-
Исследование механизма и кинетики процессов разрушения поверхностных слоев металлов при фреттинг-коррозии.
-
Изучение влияния фреттинг-коррозионных повреждений на сопротивление усталости и контактную жесткость конструктивно-технологической модели выбранного ОИ.
-
Разработка рекомендаций по улучшению технологического обеспечения эксплуатационных свойств ОИ в серийном производстве.
Методика исследования. Воспроизведение фреттинг-коррозии в лабораторных условиях-осуществлялось в соответствии с требованиями ГОСТ 23.211-80 на принципах физического моделирования эксплуатационных условий работы реального узла ГТД. Исследование природы и механизма фреттинг-коррозии различных конструкционных материалов осуществлялось посредством применения перспективных физических методов определения основных параметров состояния поверхностного слоя, прежде всего, модуля нормальной упругости (модуля Юнга) и фона внутреннего трения (ФВТ). При разработке кинетической модели механизма поверхностного разрушения металлов при фреттинге использовались современные дислокационные представления относительно природы трения и изнашивания твердых тел. Для обработки экспериментальных данных широко использовались возможности пакетов прикладных программ ПЭВМ, такие как AutoCAD 14.0, MalhCAD 7.0. Научная новизна. Разработана экспериментально-аналитическая методика оценки качества контактирующих поверхностей при различных видах фрикционного взаимодействия и научно-обоснованного выбора технологических методов повышения фреттингостойкости контактных металлических поверхностей на основе установленных, ранее неизвестных закономерностей изменения основных параметров состояния поверхностного слоя при фреттинг-изнашивании металлов. Разработана уточненная трехстадийная кинетическая модель фреттинг-изнашивания металлов на основе дислокационных представлений относительно малоцикловой усталостной природы лепестково-послойного разрушения поверхностных слоев.
На защиту выносятся. Методики экспериментального исследования процессов структурной повреждаемости поверхностных слоев металлических материалов при фреттинге и других видах фрикционного взаимодействия с применением перспективных физических неразрушающих методов определения основных параметров состояния поверхностного слоя. Уточненная кинетическая модель фреттинг-изнашивания металлов на основе полученных экспериментальных закономерностей изменения величины линейного фреттинг-износа (h„), модуля Юнга и ФВТ. Результаты экспериментальных исследований влияния фреттинг-коррозионных повреждений на сопротивление усталости конструктивно-технологической модели выбранного ОИ. Экспериментально-аналитическая методика оценки эксплуатационных свойств по контролируемым параметрам поверхностного слоя, научно-обоснованного выбора технологического метода и режимов упрочняющей обработки для повышения фреттингостойкости основных деталей ГТД.
Практическая ценность работы. Полученные новые экспериментальные данные и теоретические знания относительно механизма поверхностного разрушения металлических конструкционных материалов при фреттинг-коррозии могут быть использованы для уточнения конструкторских проверочных расчетов основных эксплуатационных свойств деталей ГТД: износостойкости, циклической долговечности, контактной жесткости и др. Предложенная экспериментально-аналитическая методика оценки качества контактных поверхностей деталей ГТД после эксплуатационной наработки или в техпроцессе упрочняющей обработки может служить основой для разработки и применения новых эффективных средств неразрушающего контроля (НК) параметров состояния поверхностного слоя.
Апробация работы. Основные теоретические положения и полученные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических форумах: XXIII Гагаринские чтения (Москва, 1997 г.); НТК "Автоматизированные технологические и механотронные системы в машиностроении" (Уфа, 1997 г.); Научно-практический семинар "Проблемы трибологии производства" (Иваново, 1997 г.); НТК "Проблемы повышения качества промышленной продукции" (Брянск, 1998 г.); XXVI конференция молодых ученых и студентов (Рыбинск, 1999 г.); IV Всероссийская НТК "Методы и средства измерения физических величин" (Нижний Новгород, 1999 г.); 5-ый Международный симпозиум NCBS'99 (Польша, Зелена Гура, 1999 г.) и других. Практическая реализация. На основании проведенных сравнительных испытаний конструктивно-технологической модели рабочего колеса И-ой ступени КНД ТРДЦ Д-ЗОКУ(КП) на многоцикловую и малоцикловую усталость в условиях фреттинга, предложены практические рекомендации по выбору оптимального техпроцесса упрочняющей обработки для обеспечения требуемого ресурса авиадвигателей серии Д-30 и его модификаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Из них 8 статей, остальные - тезисы докладов на различных НТК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка использованных источников из 132 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 28 формул, 48 иллюстраций и 18 таблиц. В приложениях представлены: статистика отказов и снижения ресурсов серийных авиадвигателей Д-ЗОКУ(КП) за 1990-1995 гг.- по данным ОАО «Рыбинские моторы»; сборочные чертежи и спецификации спроектированных и изготовленных в рамках работы приспособлений к лабораторному оборудованию; свидетельство о принятии результатов работы к использованию на производстве. Общий объем работы составляет 200 печатных страниц машинописного текста.
Определение наиболее важных эксплуатационных свойств деталей ГТД, подверженных фреттинг-коррозии
Повысить сопротивление усталости деталей можно методами поверхностного пластического деформирования (ППД), однако они не позволяют бороться с фреттинг-коррозией, поскольку приводят к сокращению длительности латентного периода из-за того, что предварительно наклепанные поверхностные слои металла быстрее достигают предельно-деформированного состояния под воздействием фреттинга, чем не наклепанные. Для этой цели применяются твердые покрытия, которые снижают коэффициент трения и способствуют уменьшению возможности возникновения фреттинга. Одновременное использование ППД и твердых покрытий связано с проблемой совместимости различных методов технологического воздействия и зависит от физико-механических и химических свойств материала детали. Так применение ППД после нанесения покрытия может повредить его, а нанесение покрытия после ППД может снизить эффект упрочнения.
В работе [61] предлагается комбинированный метод упрочнения, заключающийся в обработке поверхности деталей из сплава ВТЗ-1 стальными шариками из стали ШХ 15 в дробеструйной установке с последующим импульсным анодированием в водном растворе серной и фосфорной кислоты. Результаты испытаний показывают, что сопротивление фреттинг-усталости образцов по предлагаемому методу на 30% выше, чем у неупрочненных. Повышение сопротивления фреттинг-усталости объясняется высокой микротвердостью и низким коэффициентом трения поверхностной пленки, что уменьшает вероятность возникновения фреттинга, а также наличием сжимающих остаточных напряжений, способствующих увеличению сопротивления циклическим нагрузкам.
При проведении других исследований также установлено, что упрочнение (пневмодинамическое и микрошариками) поверхности основы перед детонационным напылением повышает сопротивление фреттинг-усталости сплава ВТ8 с покрытием ВК-15 по сравнению с образцами без упрочнения на 30-40% [68].
К комбинированным методам можно также отнести напайку и наплавку износостойких материалов на контактные поверхности сопрягаемых деталей. Так для повышения фреттингостойкости БП лопаток турбины ГТД НК 8-2У и НК 86 были предложены следующие методы: наплавка сплава ВКНА-2М; напайка пластин из сплавов ВКНА-2М, ВЖЛ-2 и 492 припоем ВПр-40Н; детонационное напыление композиционного порошка карбида хрома с нихромом (КХН-30) [65]. Лучшие результаты по износостойкости на базе 2000 циклов при рабочих температурах показали: напайка пластин из сплавов ВЖЛ-2 и ВКНА-2М, а также детонационное покрытие из КХН-30.
Таким образом, в настоящее время уже существуют достаточно эффективные и надежные технологические методы повышения фреттингостойкости и улучшения эксплуатационных свойств некоторых ответственных деталей современных ГТД. Однако относительная новизна и малая изученность этих методов, а также специфичность условий их реализации предполагает необходимость детальных и конкретных исследований. Кроме того, сложная взаимосвязь физико-химических процессов при фреттинг-коррозии, а также влияние большого числа факторов, определяющих активность этих процессов в каждом конкретном случае, затрудняет разработку универсальных методов защиты, поэтому большинство предложенных методов разработано и апробировано для частных случаев с конкретными условиями работы конструкции, в зависимости от которых один и тот же метод может давать неодинаковый эффект. Существует также необходимость в расширении номенклатуры исследуемых материалов, вызванная многообразием мест проявления фреттинга.
Проведенный анализ научно-технической литературы по фреттинг-коррозии показал, что ранее проведенные исследования основных стадий процесса и влияния на него различных факторов позволили наметить общие пути предупреждения и уменьшения величины износа при фреттинге. Однако проблема фреттинг-коррозии, несмотря на достаточно обширные исследования, по-прежнему окончательно не решена вследствие сложности явления и многообразия влияющих на него факторов. Кроме того, существуют очень ограниченные сведения о влиянии фреттинга на такие важные эксплуатационные свойства ответственных деталей ГТД как сопротивление усталости и контактная жесткость. Об этом свидетельствует анализ статистики отказов различных деталей и узлов серийно выпускаемых ГТД: Д-30, Д-ЗОКУ(КП), выполненный по данным конструкторского отдела исследования надежности (КОИН) ведущего предприятия отечественной авиационной отрасли ОАО "Рыбинские моторы" [приложение 1] . Анализ работ [19,59] и данных КОИН ОАО "Рыбинские моторы" показывает, что наиболее опасным последствием фреттинга является не сам фреттинг-износ, а усталостные нелокализованные разрушения основных деталей (дисков, лопаток), а также схватывание в номинально-неподвижных сопряжениях узлов двигателя (шарнирные соединения, подшипники механизмов управления и др.) в результате фреттинг-усталостных и диффузионных процессов. Поэтому, для уточнения расчета сопряженных деталей на циклическую долговечность и поиска физических критериев разрушения необходимо количественное изучение структурных и энергетических закономерностей пластической деформации поверхностных слоев материала деталей непосредственно в процессе фреттинга.
В связи с вышесказанным, изучение влияния фреттинг-коррозии на контактную жесткость и сопротивление усталости ответственных деталей ГТД является практически целесообразным направлением научно-исследовательской деятельности. Поэтому, в рамках настоящей работы предусматривается выбор номинально-неподвижного сопряжения из числа ответственных деталей серийно выпускаемых ГТД, для которого существует практическая необходимость в изучении условий и кинетики развития фреттинга с целью улучшения вышеуказанных эксплуатационных свойств сопрягаемых деталей.
Обобщение материалов проведенных исследований
Введение покрытия реборд дисков твердой смазкой ВАП-2 снижает вероятность появления фреттинг-коррозионных повреждений на боковых поверхностях реборд. Однако, устранить или снизить интенсивность фреттинг-износа от контакта пальца с цилиндрической поверхностью отверстия в ребордах, приводящих к образованию усталостных трещин развивающихся к наружному диаметру обода диска, пока не удалось. Вместе с тем, внедрение в ремонтную технологию высокоэффективного вихретокового неразрушающего метода контроля (ВТК) состояния поверхности реборд, позволяет своевременно выявлять усталостные трещины глубиной от 0,3 мм при дефектации двигателя. Однако эффективность применения данного метода в эксплуатации (при периодических осмотрах) снижается из-за труднодоступности мест начального периода роста трещин (кромок отверстий под пальцы). Наиболее эффективным технологическим мероприятием является тщательная заполировка кромок отверстий под пальцы реборд дисков, что существенно снижает эффект концентрации напряжений вблизи мест наиболее интенсивных фреттинг-износных повреждений.
Вместе с тем, статистика показывает (табл. 1), что вышеуказанные мероприятия хотя и позволили существенно снизить количество случаев возникновения усталостных трещин на дисках II, III ступеней КНД, но не являются достаточно эффективными, чтобы обеспечить требуемую надежность и ресурс серийных авиадвигателей Д-ЗОКУ(КП). Таким образом, поиск более эффективных конструкторско-технологических мероприятий по повышению надежности и долговечности данного узла современных ГТД является достаточно актуальной задачей как для серийного производства, так и для вновь создаваемых конструкций АД.
Что касается двигателей Д-30, изготавливаемых на АО «Пермские моторы», то для них были предложены аналогичные мероприятия по предупреждению усталостных трещин на дисках II-IV ступеней КНД. Кроме того, путем проведения сравнительных расчетов, была обоснована возможность применения безвтулочных рабочих лопаток (без бронзовых втулок) для предотвращения фреттинг-коррозионных повреждений на боковых поверхностях реборд дисков. Однако, внедрение этого мероприятия не привело к существенному снижению количества случаев возникновения усталостных трещин. Более того, на разрушившихся дисках были также установлены безвтулочные лопатки [59].
В связи с тем, что ресурсная наработка ГТД достигает десятков тысяч часов, появляется необходимость прогнозирования долговечности трущихся сопряжений по лабораторным испытаниям. При моделировании эксплуатационных условий работы конкретного узла ГТД модельный процесс должен быть подобен натурному и проводиться в условиях максимально приближенных к реальным по поверхностной температуре, условиям контактирования, характеру нагружения и амплитудно-частотным характеристикам. Кроме того, для задач трения и износа особое значение также приобретают методы оценки определяющих процессов и явлений через модельный эксперимент, описание и результаты которого представляют в критериальной форме. При моделировании методами теории подобия необходимо знание критериев, которые могут быть определены методами размерностей и подобия, энергетическим и др. [97,98]. Вместе с тем, переход от модели к натуре посредством расчетов пока еще недостаточно надежен, так как процессы, протекающие на фрикционном контакте, приводят к изменениям поверхностей материалов в зоне трения, образованию новых веществ, ответственных за характеристики трения. Эти изменения в большой степени зависят от абсолютных размеров трущихся поверхностей, объемной плотности контакта, характера окружающей среды [7].
Наиболее сложным и принципиальным вопросом прогнозирования работоспособности выбранного узла ГТД является определение того комплекса условий, который приводит к недопустимому повреждению поверхностей сопрягаемых деталей. Для решения этого вопроса необходимо воспроизведение в лабораторных условиях характера трения и износа, а также режима работы, имеющего место при работе данного сопряжения.
Вместе с тем, весьма актуальной является задача создания методов ускорения испытаний на фреттинг-износ, что осуществляется за счет увеличения скорости и амплитуды относительного проскальзывания, нагрузки, применения методов экстраполяции, усиления влияния внешней среды. Сложность методов ускоренных испытаний состоит в том, что интенсификация режимов трения приводит к существенному изменению полей напряжений, деформаций и температур материалов в зоне контакта, что может привести к изменению механизма разрушения и к переходу от одного вида изнашивания в другой. Таким образом, применяемые в настоящее время методы моделирования эксплуатационных условий предполагают достаточно точное знание условий работы узла трения, возможность точного воспроизведения в лабораторных условиях протекающих на фрикционном контакте процессов и их количественное описание математическими методами.
В то же время, как уже отмечалось в главе 1, пока нет общепризнанной теории, описывающей механизм разрушения поверхностей контакта и дающей расчетные, инженерные методы оценки степени поврежденности при фреттинге. Кроме того, условия работы контактных поверхностей деталей узла шарнирного соединения лопаток с диском компрессора, который выбран в качестве объекта исследования, не могут быть полностью смоделированы во всем спектре нагружения. Контактные поверхности реборд диска, подверженные фреттинг-износу, отличаются нерегулярностью, вследствие чего невозможно использовать для ее описания комплексный параметр шероховатости Аш, входящий в основные расчетные выражения для интенсивности изнашивания [99]. По этой причине становится невозможным оценить вид контактного взаимодействия в приработанном состоянии. Оценка вида контактного взаимодействия и установление основного механизма разрушения при фреттинг-коррозии контактных поверхностей реборд дисков может быть осуществлена при использовании, разработанной профессором И.В. Крагельским, классификации видов нарушения фрикционных связей и классов износостойкости на основе использования безразмерного критерия износостойкости Ih (табл. 5), определяемого отношением величины линейного износа к пути трения [7,100]:
Установка для определения модуля нормальной упругости поверхностных слоев металлических материалов
Как уже отмечалось, контактная жесткость является одной из важнейших эксплуатационных характеристик деталей и узлов трения современных АД, поскольку определяет способность поверхностных слоев деталей, находящихся в контакте, сопротивляться действию сил, стремящихся их деформировать. Вместе с тем, для выявления закономерностей между контактной жесткостью, технологической наследственностью и повреждениями поверхности детали в результате фреттинга, в данной работе, необходимо разработать экспериментальную методику определения контактной жесткости, которая позволяла бы проводить измерения на относительно небольшой площади поверхности образца или детали, поврежденной фреттингом.
С этой целью нами была разработана оригинальная методика определения контактной жесткости материалов с помощью штатного твердомера Роквелла модели ТК-2. В соответствии с рекомендациями по выбору схемы контактирования, параметров индентора и номинальной нагрузки при определении контактной жесткости материалов, изложенных в работе [56], была выбрана схема "сфера-плоскость" (сферический индентор и плоская поверхность контр-тела). Такая схема контакта позволяет определять контактную жесткость шероховатых поверхностей без учета волнистости и является наиболее приемлемой в нашем случае, поскольку при воспроизведении процесса фреттинг-коррозии на установке, описанной в п. 3.1, осуществляется схема "плоскость-плоскость", а номинальная площадь контакта образцов относительно невелика. Таким образом, предполагается, что волнистость образцов до и после испытания на фреттинг-износ отсутствует.
Для обеспечения требуемых параметров нагружения [56] конструкция установки штатного прибора ТК-2 была несколько изменена: 1) алмазный конус заменен на сферический индентор радиусом R = 5, 50, 100 мм, изготовленный из высокоуглеродистой стали У10 с шероховатостью рабочей поверхности Rz= 0,05-0,1 мкм по ГОСТ 2789-73, закаленный до твердости HRC 62-63; 2) демонтирована загрузочная пружина, которая использовалась для создания предварительной нагрузки Р0=100 Я при измерении твердости; 3) уменьшена номинальная нагрузка со 1500 Н до 100-250 Н; 4) с целью более точного измерения контактных перемещений спроектировано и изготовлено приспособление для крепления на верхней крышке прибора индуктивного датчика с цифровым индикатором "Микрон-02", точность измерения которого составляет 0,1 мкм.
Принципиальная схема и внешний вид модернизированного прибора ТК-2 показан на рис. 17 и 18. Выбор твердомера Роквелла для проведения исследований контактной жесткости, в данной работе, сделан не случайно. Во-первых, сама методика измерения твердости по методу Роквелла предполагает определение суммарной и пластической составляющих контактных перемещений под действием определенной статической нагрузки (время нагружения Т= 4±1 с). Во-вторых, рычажная система ТК-2 позволяет с высокой точностью передавать контактные перемещения индентора в процессе нагружения на измерительный механизм, точность измерения которого составляет ± 0,5 мкм. В-третьих, внесенные незначительные изменения в базовую конструкцию прибора не повлияли на точность измерения контактных перемещений. Более того, значительное уменьшение номинальной нагрузки позволило существенно снизить относительную погрешность измерения контактных перемещений из-за уменьшения упругой деформации рычажной системы ТК-2. В-четвертых, оборудование и методика измерения твердости используются и другими исследователями для решения научно-прикладных задач в области физики и механики контактных взаимодействий. Так, например, в работе [86] с использованием пресса Бринеля была разработана методика определения параметров упруго-пластического контакта сферического индентора и плоской поверхности контр-тела, которая позволяет успешно решать ряд инженерных задач. Кроме того, на рабочем столе прибора ТК-2 можно закреплять детали самой различной формы, в том числе и непосредственно в станочных приспособлениях. Поэтому, предлагаемый нами метод может быть использован и в качестве метрологического обеспечения контактной жесткости ответственных сопрягаемых деталей ГТД с малой номинальной площадью касания непосредственно в условиях технологического процесса изготовления.
Результаты исследования влияния абразивно-силового воздействия на параметры состояния поверхностного слоя металлов
Для проведения исследований были выбраны следующие материалы: Армко-железо - с содержанием углерода до 0,05%- структура ферритная (объемно-центрированная кубическая (ОЦК) кристаллическая решетка); Сталь 60 - с содержанием углерода до 0,6%- структура феррито-перлитная (ОЦК кристаллическая решетка); Латунь Л70 - сплав меди с цинком с содержанием Zn - до 30% (гранецентрированная кубическая (ГЦК) кристаллическая решетка); Сплав ВТЗ-1 - а-титан с небольшим содержанием Р-титана ( гексагональная (ГК) кристаллическая решетка).
Выбор данных материалов обусловлен прежде всего тем, что они представляют широкий спектр физико-механических свойств современных металлических конструкционных материалов, в том числе применяемых для производства авиационных двигателей. Кроме того, данные материалы имеют различные типы кристаллических решеток. В связи с этим, полученные для них закономерности процесса фреттинг-коррозии могут быть распространены и на другие конструкционные материалы.
Исследование проводилось в два этапа. На первом, для каждого материала проводили снятие диаграммы фреттинг-износа на базе N= 2-Ю5 циклов виброперемещений, с последующим анализом и изучением общих закономерностей механизма фреттинг-изнашивания. На втором этапе изучали роль процессов структурной повреждаемости поверхностных слоев металлов в механизме их разрушения при фреттинге. При этом использовали методы исследования, предложенные в главе 3.
Основной особенностью методики экспериментального исследования кинетики фреттинг-износа стало применение высокочувствительного индуктивного датчика Микрон-02 для измерения нормального сближения подвижного и неподвижного образцов в процессе их вибропроскальзывания, рис. 13. Конструкция измерительного блока прибора Микрон-02 предполагает возможность сопряжение датчика с персональной ЭВМ. Специально разработанная прикладная программа позволила автоматизировать процесс снятия диаграммы фреттинг-износа и обеспечить его непрерывность в реальном промежутке времени. Возможности созданного измерительного канала на базе ПЭВМ IBM 386 PC позволяют производить 30000 измерений в минуту с точностью до 0,1 мкм. Однако, чувствительность датчика Микрон-02 к вибрациям и другим высокочастотным помехам существенно уменьшает рабочий диапазон амплитудно-частотных характеристик вибровозбудителя лабораторной установки (рис. 12). Так, предварительно было установлено, что приемлемым частотным диапазоном работы вибровозбудителя является промежуток от 0 до 35 Гц. В этом случае амплитуда высокочастотных электромагнитных помех датчика составляет не более 10% его рабочего диапазона (D= 20 мкм). С учетом вышесказанного, при проведении экспериментов были установлены следующие амплитудно-частотные, силовые и температурные параметры фреттинг-процесса:
Подвижный образец (рис. 28.) закреплялся в цанговом зажимном приспособлении [приложение 2] с двух сторон. Неподвижный образец (рис. 29.) устанавливался в приспособлении [приложение 3] и путем совместной регулировки приспособлений в двух плоскостях обеспечивалась необходимая исходная плотность контакта образцов.
Кроме того, для повышения эффективности автоматизированной обработки экспериментальных данных была установлена оптимальная скорость работы измерительного канала Микрон-02 - ПЭВМ, которая составила 167 измерений в минуту. В процессе автоматизированной обработки результатов эксперимента для фильтрации сигналов датчика Микрон-02 на фоне помех использовали специальную методику адаптивной кусочно-нелинейной апроксимации на основе преобразования Фурье («medsmooth») из пакета прикладных программ MathCaD Professional 7.0, позволяющую с высокой скоростью обрабатывать весь массив экспериментальных данных и представить результаты в графическом виде.
На рис. 30-33 представлены диаграммы фреттинг-износа исследуемых материалов. Точками на графиках показаны результаты измерения нормального сближения образцов с помощью датчика Микрон-02, а сплошной линией - кривая суммарного линейного фреттинг-износа, полученная в результате автоматизированной обработки экспериментальных данных.
При общем рассмотрении полученных диаграмм фреттинг-износа можно выделить три характерных для всех исследуемых материалов участка, рис. 34. На первом участке наблюдается так называемое явление «отрицательного износа», т.е. раздвижение подвижного и неподвижного образцов в направлении приложения нормальной нагрузки [29]. На диаграммах это проявляется в уменьшении суммарного линейного износа образцов с увеличением продолжительности фрикционного взаимодействия.
