173

3. Испытания на усталость лопаток трд и обработка результатов эксперимента

3.1. Анализ усталости профильных частей лопаток гтд

Экспериментальные исследования показывают, что даже в деталях простой формы не реализуются заложенные в кон­струкционном материале прочностные свойства. Это связано как с неоднородностью напряженно-деформированного состояния в дета­лях, так и с размерами, формой, концентраторами напряжений, т. е. конструктивными факторами. На несущую способность деталей значительно влияет технологическая наследственность.

Общей конструктивной особенностью профильных частей лопаток компрессора является их тонкостенность: отношение максимальной толщины профиля С_тах к хорде Б_пр для сечения у комля профиля лопатки

0,06... 01 и (С_mах)_отн = 0,02 ... 0,06

для торцевых сечений при относительных размерах радиусов кромок соответственно 0,06 ... 0,1 и 0,1...0,23. Эти параметры для лопаток турбины несколько выше. Лопатки первых ступеней компрессора и лопатки турбин чаще всего имеют антивибрационные (бандажные) полки. Если у литых лопаток турбин такое конструк­тивное решение не вызывает особых технологических проблем, то для лопаток из деформируемых сплавов формообразование и обра­ботка антивибрационных полок усложняют технологический про­цесс, способствуют образованию анизотропии свойств основного материала лопатки и ее поверхностных слоев. Дополнительная конструктивная особенность лопаток турбин связана со специальной системой внутреннего охлаждения лопатки, где образуется неодно­родное напряженное состояние за счет геометрических концентрато­ров напряжений и объемных остаточных напряжений

Оптимизация технологического процесса способствует стабиль­ности и повышению усталостных характеристик, т. е. повышению несущей способности детали. Особенно это эффективно на началь­ной стадии освоения производства или на этапе внедрения новых материалов и технологических процессов. При установившемся производстве и надлежащем контроле его стабильности возможнос­ти повышения несущей способности ограничиваются.

Роль поверхностного слоя для профильной части лопаток ком­прессора в формировании несущей способности велика, так как толщина этого слоя соизмерима с толщиной поперечного сечения лопаток, особенно кромок.

3.1.1. Особенности стальных лопаток компрессора

Сведения об основных параметрах поверхностного слоя в стальных лопатках компрессора, близких по химическому составу и механическим свойствам, после различных операций в процессе их изготовления представлены в табл. 3.1.1.

При фрезеровании в поверхностном слое образуются растягиваю­щие остаточные напряжения величиной 60 ... 520 МПа с глубиной залегания около 20 мкм. Последующие отделочные операции в целом формируют умеренные сжимающие напряжения на глубину до 30 мкм. Однако при ручном полировании и шлифовании наблюда­ется большой разброс параметров остаточных напряжений, след­ствием чего является различие в пределах выносливости для лопа­ток одинаковых типоразмеров. Этому способствует и неравномерное распределение припуска на механическую обработку, особенно в зоне перехода от профильной части лопатки к хвостовику. В табл. 3.1.2 приводятся данные о параметрах поверхностного слоя и пределах выносливости лопаток компрессоров в зависимости от различия отделочных операций.

Анализ экспериментальных данных показывает, что большой вклад в формирование усталости вносится остаточными напряжени­ями. При умеренных температурах наличие сжимающих остаточных напряжений, оптимальных по глубине залегания и уровню, может компенсировать увеличение шероховатости поверхности на один-два класса, что обычно наблюдается после упрочняющих обработок (см. табл. 3.1.2).

Электрополирование стальных лопаток или стабилизирующая термическая обработка позволяют в значительной мере добиться большей однородности структуры в поверхностном слое за счет удаления или нейтрализации повреждений. Для коррозионно-стой­ких сталей мартенситного класса стабилизирующая термообработка проводится в воздушной среде при температуре 560 ... 650 °С с последующей глянцовкой поверхности, удаляющей окисную пленку и создающей в поверхностном слое сжимающие остаточные напря­жения (см. табл. 4.2).

Рис. 3.1.1. Кривые усталости стальных лопаток компрессора:

1 - сталь 15Х12Н2МВФАБ-Ш; 2, 3 - сталь ХН45МВТЮБР (2 — Т_исп =650 °С); 4 - сталь 13Х11Н2В2МФ-Ш

Представленные экспериментальные данные [10] свидетельствуют о значительном разбросе усталостных свойств стальных лопаток компрессора. С уменьшением вероятности разрушения (Р = 1 %) различие между полированными и упрочненными лопатками исчеза­ет, а при (σ_₁)_отн ⁸³⁸1,04 значения Si_gN для полированных и упро­чненных лопаток составили 0,77 и 1,0 соответственно.

При изготовлении лопаток методом вальцовки резко повышаются коэффициент использования материала, уровень автоматизации технологического процесса практически без снижения несущей способности детали. На этапе освоения этого процесса показано, что сопротивление усталости лопаток в значительной мере определяет­ся качеством поверхностного слоя исходной заготовки. Сочетанием оптимальных по степени деформации термической и поверхностной обработок можно повысить предел выносливости вальцованных лопаток по сравнению с традиционным методом обработки на 20 ... 25 %, что превышает возможности метода ППД (табл. 3.1.2 и 3.1.3).

Из опыта испытаний стальных лопаток следует, что их предел выносливости составляет 480 ... 500 МПа, а снижение связано с отклонениями в технологическом процессе (см. табл. 3.1.2, 3.1.3; рис. 3.1.1); снижение предела выносливости на 30 % вызывает дефек­ты структуры (повышенное содержание δ-феррита, образование шлифовочных прижогов и т. п.).

Таблица 3.1.1

Параметры поверхностного слоя в стальных лопатках компрессора после основных операций механической обработки

№ п/п	Вид обработки	Материал	Степень наклепа, H, %	Глубина накле­панного слоя, hH, мкм	Остаточные напряжения на глубине, h = 2, мкм	Глубина слоя, мкм	Максимальное растягивающее напряжение, , МПа
1	Окончательное фрезерование	13Х11Н2В2МФ 13Х14НВФРА	50 ... 100 30 ... 80	40 ... 60 25 ... 50	+180 ... +200 +60 ... +520	22 20	200 520
2	Шлифование	13Х11Н2В2МФ 13Х14НВФРА	45 ... 40 40 ... 50	70 ... 90 40 ... 70	-340 ...-210 -100 ...-50	45 ... 23 70 ... 40	20,6 60
3	Ручное полиро­вание	13Х11Н2В2МФ 13Х14НВФРА	30 ... 40 30 ... 40	30 ... 50 30 ... 50	-480 ...-200 -540 ...-70	30 30	120 —
4	Виброконтакт-ное полирова­ние Травление	13Х11Н2В2МФ 13Х14НВФРА	5 ... 10 5 ... 10	10 ... 20 10 ... 15	-300 ...-200 —	20 —	50 —
5		13Х11Н2В2МФ 13Х14НВФРА	0 ... 5 —	—	-90 ... -170 -70	10 ...-20 30	50 ... 20 —
				—
6	Виброконтак­тное полирова­ние Глянцевание	13Х11Н2В2МФ 13Х14НВФРА	5 ... 10 5 ... 10	10 ... 20 10 ... 20	-260	20	—
7		13Х11Н2В2МФ 13Х14НВМФРА 14Х17Н2	5 ... 10 10 ... 15 5 ...10	100 ... 20 10 ... 20 10 ... 30	0 ...-60 -80 -200 ...-500	30 30 10	— 70 —

Таблица 3.1.2

параметры поверхностного слоя стальных лопаток компрессоров после отделочных обработок и пределы выносливости (симметричный изгиб, циклов, Т_иcп = 20 °С)

№ п/п	Вид обработки	Шерохова-тость Ra, мкм	Степень наклепа N, %	Глубина наклепа hн, мкм	Величина остаточных напряжений ажт, МПа, на глубине h = 2 мкм	Глубина залегания сжима­ющих остаточ­ных напряжений, мкм	Пре­дел вынос- ливости , МПа
1	Фрезерование + + шлифование полирование+ + глянцевание	0,32 ... 0,16	5 ... 10	100 ...150	-200 ...-500	40 ... 100	420	1,0
2	П.1 + отпуск (530 °С, 2 часа на воздухе)	0,32 ... 0,16	5	100	0 ... - 50	10 ... 50	370	0,88
3	П.2 + + глянцевание	0,32 ... 0,16	5 ... 7	100	-500	50	400	0,95
4	П.2 + + полирова­ние + глянце­вание	0,32 ... 0,16	5 ... 10	100 ...150	-500	80 ... 100	420	1,0
5	П.1	0,32 ... 0,16	5 ... 10	100	-300 ...-500	30…50	550	1,0
6	П.1 + + гидрогалтовка	0,32	10 ... 15	100 ... 150	-400 ...-700	50 ... 70	580	1,05
7	П.1 + отпуск (510 °С, 2 часа на воздухе)	0,32 ... 0,16	5	50	-50 ... 100	10	530	0,96
8	П.1 +	0,16 ... 0,08	2	20	—	—	500	0,91
	+ электрополи­рование

Примечание. П.1...П.4 - сталь 14Х17Н2,отпуск 680°С; П.5...П.8 - сталь 13Х11Н2В2МФ, отпуск 580°С.