Введение к работе
Актуальность темы. Важное значение для экономики и обороноспособности страны имеет развитие ракетно-космической, авиационной, автомобильной и других отраслей машиностроения. Интенсивное развитие рыночных отношений в мировой экономике требует существенного повышения конкурентоспособности изделий машиностроительной промышленности. Прогресс в этих отраслях непосредственно связан с совершенствованием гшигателестроения, в том числе газотурбинных двигателей (ГТД) и турбоагрегатов.
При создании ГТД новых поколений различного назначения решаются проблемы повышения их мощности и экономичности, надежности и ресурса, массогабарнтных характеристик и т.п. Все эти проблемы во многом связаны с разработкой и внедрением новых конструкционных материалов: жаропрочных сплавов на различной основе, высокопрочных жаростойких сталей, композиционных материалов, керамик и др. Причем преимущество каждого п материалов в условиях эксплуатации в большой степени можно использовать путем «готовления составных элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов. Например, составная сонструкция (из двух частей) турбинной лопатки за счет более эффективной системы охлаждения ложет снизить рабочую температуру используемого сплава на 25К, что приведет к увеличению ее эесурса в 3 раза.
Идя получения высокопрочных составных конструкций в двигателестроении широко іспользуютея технологии диффузионного соединения (диффузионнаяевзрка-сварка-пайка,-пайка)-щнородных и разнородных сочетаний материалов. При этом возникает ряд достаточно сложных іаучно-технических задач, связанных с ограничением влияния термодеформационных циклов іроцессов соединения на характеристики основных материалов и с формированием переходной оны (сварного шва) со свойствами, отвечающими техническим требованиям. В первую очередь, то связано с уменьшением теплового воздействия на исходные материалы, а также на зону «единения для исключения образования вредных химических соединений, например, прослоек інтерметаллидов. карбидов и т.п. В некоторых случаях для сохранения формы и размеров лементов конструкции ГТД возникает необходимость ограничения давления сжатия при оединении деталей. Решение указанных задач непосредственно связано с обоснованным выбором пособа диффузионного соединения и оптимизацией его основных параметров.
Представляется вполне закономерным, что многие новые, обладающие определенными остоинствами вышеуказанные технологии развиваются на стыке соответствующих и подходящих руг к другу процессов.
Во многих случаях имеются большие возможности регулирования процессов ормирования соединения путем изменения соотношения механической и термической эставляющих энергии, вводимой в зону соединения. При определенных соотношениях аблюдается саморегулирование процессов формирования соединений и, как отмечается в ряде аучных работ, реализуется максимальный термический коэффициент полезного действия (КПД), 'днако сведения и рекомендации для реализации таких условий проведения процессов иффузионной сварки и пайки практически отсутствуют.
Несмотря на большой накопленный опыт по разработке процессов диффузионного эединения для исследований с целью повышения их эффективности требуется достаточно
4 большой объем экспериментатьных исследований. Во многих случаях выбор основны
параметров осуществляется только эмпирическим путем.
Таким образом, при создании технологий диффузионного соединения элементе конструкции ГТД и турбоагрегатов актуальной и важной является проблема разработки на основ теоретических и экспериментальных исследований научных основ повышения эффективност процессов формирования сварного или паяного шва.
Цель работы. Целью настоящей работы является повышение технико-экономическо эффективности газотурбинных двигателей и турбоагрегатов путем разработки и внедрени технологий диффузионной сварки и пайки.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:
проведен анализ направлений повышения эффективности диффузионной сварю элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов;
разработана математическая модель контактного взаимодействия разнородны: материалов при диффузионной сварке в вакууме;
исследованы закономерности формирования соединений при диффузионной сварю разнородных материачов через барьерные прослойки;
разработана расчетно-экспериментальная методика оптимизации основных параметрої диффузионной сварки разнородных материалов;
исследованы закономерности развития диффузионных процессов при формировали! соединений разнородных материалов в условиях контактного плавления и разработань рекомендации по оптимизации процесса;
разработан способ получения композиционных электролитических прослоек на основі Ni-B-TiC для соединения жаропрочных сплавов и сталей;
проведен комплекс исследований физико-механических свойств диффузионны? соединений элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов;
разработана методика прогнозирования усталостных характеристик диффузионны? соединений разнородных материалов с мягкой прослойкой;
разработаны и внедрены в производство технологические процессы диффузионногс соединения элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов.
Автор выносит на защиту:
-
Математическую модель деформирования разнородных материалов при диффузионной сварке в вакууме с позиций механики контактного взаимодействия твердых тел и аналитическое соотношение, которое является критерием при выборе оптимальной температуры сварки при условии реачизации максимальных касательных напряжений в контакте.
-
Расчетно-экспериментальные методики и результаты по оптимизации барьерных прослоек при диффузионной сварке разнородных материалов.
-
Математические модели (аналитические зависимости) для оптимизации основных параметров диффузионной сварки для ряда разнородных сочетаний сплавов и сталей.
-
Графоаналитические зависимости, описывающие кинетику развития диффузионных процессов в контакте разнородных материалов в условиях контактного плавления.
-
Состав и способ получения композиционных электролитических прослоек для сварки-пайки жаропрочных никелевых сплавов.
-
Результаты комплексных экспериментальных исследований по определению физико-механических характеристик однородных и разнородных сочетаний жаропрочных никелевых, кобальтовых, титановых сплавов и сталей.
-
Математическую модель и методику прогнозирования предела выносливости диффузионных соединений разнородных материалов с мягкой прослойкой.
-
Новые технические решения, позволяющие расширить ряд технологических возможностей диффузионной сварки и пайки, повысить качество и производительность этих процессов.
-
Технологии диффузионного соединения ряда элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов.
Научная новизна.
-
Получено аналитическое соотношение, которое является критерием для выбора эптимальной температуры диффузионной сварки разнородных материалов при условии эеализации максимальных касательных напряжений в контакте. Критерий рассчитывается как зтношение теплосодержания материала при его нагреве до температуры контактного плавления к їластической постоянной.
-
Установлено, что зависимости коэффиш1енгов-статического-трения-и-ехватыватгия~от~ хмпературы имеют экстремальный характер. Максимум их величин имеет место при емпературе, соответствующей наибольшему значению критерия.
-
Показано, что экстремальный характер зависимостей коэффициента статического рения от температуры и нагрузки объясняется взаимным влиянием физико-механических свойств удельной теплоемкости, плотности, температуры контактного плавления и пластической юстоянной) соединяемых материалов и геометрией микровыступов.
-
Экспериментально выявлено, что рост зоны диффузионного взаимодействия в іриповерхностньїх слоях в условиях контактного плавления разнородных материалов на іачальной стадии происходит прерывисто с коэффициентами массопереноса порядка 10"5... 10"6 ,2/с.
-
Определен оптимальный состав прослойки на основе Ni-B-TiC и разработан новый пособ ее нанесения для сварки-пайки жаропрочных никелевых сплавов. Использование рослой ки позволяет получить более равномерные состав и структуру переходной зоны оединения.
-
Показано, что предел выносливости диффузионных соединений с мягкой прослойкой азнородных материалов с достаточно близкими коэффициентами термического расширения івисит от свойств поверхностного слоя прослойки, в котором при циклических нагрузках тзвиваются остаточные напряжения. Разрушение соединения при испытаниях на усталость экализуется в мягкой прослойке.
Практическая ценность.
1. Разработана расчетно-экспериментальная методика определения оптимальной :мпературы диффузионной сварки разнородных материалов. Определен критерий для оценки ітимальной температуры диффузионной сварки.
-
Получены уравнения регрессии для ряда разнородных сочетаний сплавов и сталей позволяющие определить диапазоны возможных отклонений основных параметров диффузионно! сварки. Определены оптиматьные толщины барьерных прослоек для ряда сочетаний жаропрочны: никелевых и титановых сплавов со сталями.
-
На основании полученных данных о закономерностях развития диффузионны: процессов при контактном плавлении разнородных материалов разработаны рекомендации пі соединению элементов подшипников скольжения роторов турбоагрегатов.
-
Определены оптимальные режимы сварки-пайки жаропрочных сплавов і использованием новой прослойки на основе Ni-B-TiC. Разработаны рекомендации по соединении жаропрочных никелевых сплавов и сталей через расплавляющие прослойки сложного состава.
-
Получен комплекс данных по физико-механическим свойствам (кратковременной і длительной прочности, термостойкости, сопротивлению усталости и др.) в рабочем диапазоні температур диффузионных соединений элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов.
-
Разработана методика оценки предела выносливости диффузионных соединениі разнородных материалов с мягкой прослойкой.
-
Предложены новые технические решения, позволяющие расширить ря; технологических возможностей способов диффузионного соединения, повысить качество I производительность этих процессов, уменьшить затраты при изготовлении элемента! конструкций ГТД и турбоагрегатов (а. с. № 554113,1185029, 1285687, 1385029,1431384, 1397226 1448545, 1449287,1539027, 1618555.1761411, 1784424,1798071).
-
Разработанные и внедренные технологические процессы диффузионного соединениі позволили снизить на 25-40% массогабаритные характеристики и 15-35% момент инерции роторої турбин малоразмерных ГТД и турбоагрегатов, в 1,5-2,0 раза снизить брак при их изготовлении п< сравнению с технологией сварки трением. Применение технологии сварки-пайки составны> турбинных лопаток ГТД позволило снизить рабочую температуру используемого сплава на 25 К что привело к увеличению их ресурса в 3 раза. Технологии армирования торцев пера турбинны? лопаток обеспечивают хорошую прирабатываемость, что дает увеличение ресурса эксплуатащи лопаток и, соответственно, повышение вероятности отработки полного ресурса изделия с 96,1% дс 99,6%. Технология восстановления бандажных полок турбинных лопаток позволяет увеличить и> ресурс в 1,5-2 раза. Внедрение технологии изготовления биметаллических подшипникої скольжения для валов роторов турбоагрегатов позволило на 50% уменьшить использование дорогостоящей бронзы, не снижая технических характеристик изделия.
Реализация результатов работы. Разработанные на базе теоретических у экспериментальных исследований опытные и промышленные технологии, оборудование у оснастка внедрены на предприятиях: ОАО «А. Люлька-Сатурн» (г. Москва), ГУП СКБ «Турбина) (г. Челябинск), ОАО ОМКБ и АО «Омское моторостроительное предприятие им. П. И. Баранова): (г. Омск), ОАО «Моторостроитель» (г. Самара), Корпорация «ЛИТА» (г. Самара); Внедренческая фирма «ПЛАДЕП» (г. Самара) и др. Оказана техническая помощь в организации шести производственных участков на предприятиях гг. Москвы, Самары, Челябинска, Омска и Харбина (Китай).
7 Суммарный экономический эффект от внедрения разработанных технологий на ряде
предприятий составил 3.8 млн рублей. Реализация результатов работы подтверждена актами
внедрения.
Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс Самарского государственного аэрокосмнческого университета им. СП. Королева при чтении курсов лекций, в курсовом и дипломном проектировании для специальностей по технологии производства летательных аппаратов и двигателей и вошли в учебник «Сварочные, монтажные и испытательные процессы в производстве летательных аппаратов» под редакцией профессора В.А. Барвинка, рекомендованный для высших учебных заведений.
Публикации. Но результатам выполненных исследований и разработок опубликованы: одна монография; 24 статьи; 46 тезисов докладов; получено 13 авторских свидетельств на изобретения.
Объем работы. Диссертация содержит 425 страниц текста; 183 рисунка; 52 таблицы и состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений.
Апробация работы.
Работа выполнялась в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-тематических работ СГАУ, а также в рамках Комплексной научно-технической программы МАП СССР и MB ССО РСФСР «Авиационная технология» («Производство-СОСіавньіх-допаток>>У.-Межвузовской-научно~ технической программы «Высокие технологии высшей школы»; Государственной научно-технической программы «Наукоемкие технологии» Министерства науки и техники РФ; Межвузовской научно-технической программы «Электронно-ионно-плазменные комплексные (Прочняющие технологии» Министерства образования РФ; научно-технической программы (Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» «Производственные технологии») Министерства образования РФ.
По основным результатам работы сделаны доклады на 26 Всесоюзных, российских, международных конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе: Всесоюзное совещание (Контактная жесткость в машиностроении» (г. Куйбышев, 1977); YIII, IX, X ВНТК (Диффузионное соединение металлических материалов» (г. Москва, 1977, 1979, 1982); VIII, IX ЗНТК «Конструкционная прочность и надежность двигателей» (г. Куйбышев, 1981, 1988); ВНТК (Теория трения, износа и смазки» (г. Ташкент, 1975); Научный семинар по теории трения и износа г. Калинин, 1979. 1981, 1982); Всесоюзный семинар по вторичной ионной и ионно-фотонной миссии (г. Харьков, 1980); Всесоюзный семинар «Современные достижения в области шкросварки и микропайки изделий электронной техники» (г. Москва, 1978); Всесоюзный еминар «Микросварка и пайка металлов малых толщин» (г. Киев, 1980); ВНТК «Повышение [олговечности и надежности машин и приборов» (г. Куйбышев, 1981); Всесоюзный семинар Новые технологические процессы при ремонте авиатехники» (г. Москва, 1986); XII, XIII ВНТК Достижения и перспективы развития диффузионной сварки» (г. Москва, 1987, 1991); ВНТК Проблемы технологии сварки теплоустойчивых, жаропрочных сталей и сплавов» (г. Николаев, 986); ВНТК «Пути ускорения темпов научно-технического прогресса» (г. Куйбышев, 1986); (НТК «Концентрированные потоки энергии в технологии обработки и соединения материалов» (г. Іенза, 1989); XIII, X1Y МНТК «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 1992.
8 1995); МНТК «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 1994); III Российско-китайско
украинский симпозиум по аэрокосмической технике и технологии (Китай, г. Сиань, 1994); Вторая
международная теплофизическая школа (г. Тамбов, 1995); РНТК «Надежность механически)
систем» (г. Самара, 1995); IY МНТК «Проблемы и перспективы развития автомобилестроения f
России» (г. Тольятти, 1998); Объединенная II НТК «Проблемы и перспективы развитш
двигателестроения в Поволжском регионе» и XIY НТК «Проблемы конструкционной прочноси
двигателей» (г. Самара, 1999); ВНТК по проблемам породоразрушающего бурового инструменте
(г. Самара, 1999); Юбилейная научная сессия, посвященная 275-летию Российской Академии наук
и 10-летию Самарского научного центра РАН (гг. Самара, Тольятти, Ульяновск, 1999); Выездная
сессия Головного Совета «Машиностроение» Министерства общего и профессионального
образования Российской Федерации (г. Самара, 1998).
