3.2. Анализ титановых лопаток компрессора

Лопатки компрессоров современных ГТД, исключая лопатки последних ступеней КВД, изготавливаются из титановых сплавов. Это ограничение связано с опасностью возможного возгора­ния титана при разрушении лопаток.

Механические свойства титановых сплавов зависят как от качес­тва исходного губчатого титана, так и от структуры, которая фор-

мируется в процессе термопластической деформации и термообра­ботки материала заготовок лопаток. Различают три типа структур титановых сплавов: I — равноосная структура; П — мелкоигольчатая структура (корзинчатого плетения) и III — грубоигольчатая струк­тура.

Сплав со структурой 1-го типа, обладающий высокими пластич­ностью и пределом выносливости, несколько менее чувствительный к концентрации напряжений, рекомендуют для изготовления лопа­ток. Сплав со структурой П-го типа, обладающий повышенным сопротивлением ползучести при удовлетворительных значениях остальных свойств, применяют для дисков. Структура Ill-го типа характерна для перегретого сплава, имеющего пониженные механи­ческие свойства: пластичность, длительную прочность, сопротивле­ние усталости и др., но высокую чувствительность к концентраторам напряжений.

В отличие от сталей, изменить структурное состояние титановых сплавов можно только совмещением термической обработки с объем­ной деформацией в узком интервале температур, определяемом температурой полиморфного превращения сплава, индивидуальной для каждой плавки.

Исследования титановых сплавов показали, что стандартные гладкие образцы имеют σ_₁= 0,5ст_в, а для лопаток σ_₁= 0,25σ_в.

При наличии специальных упрочняющих обработок, включая ППД, удается повысить до 0,4 σ_в. Такое различие в сопротивлении усталости натурной детали и стандартных образцов связывают с формой детали и масштабным фактором. Проведенные исследования ( Сем. табл. 3.2.4, 3.2.5) выявили значительное влияние на сопротивление усталости технологической наследственности, определяемой рядом факторов, важнейшими из которых являются:

а) неоднородность структурного состояния, вызываемая неравно­мерностью степени объемной деформации по сечениям лопатки при штамповке, особенно в крупногабаритных лопатках;

б) индивидуальный учет температуры полиморфного превраще­ния при назначении режимов штамповки и термообработки заго­товок;

в) формирование оптимальных параметров поверхностного слоя при механической обработке, включая предварительные операции.

Повреждения, полученные материалом лопаток в процессе штам­повки или предварительной механической обработки, как правило, не удается компенсировать последующими отделочными опера­циями.

Заготовки лопаток после штамповки имеют припуск на механи­ческую обработку от 2 ... 3 до 30 ... 50 мм. После термообработки (изотермического отжига или ВТМО) с заготовки травлением снимается альфированный слой. Профильная часть лопатки обра­батывается фрезерованием или электрохимическим способом. Окончательная обработка профиля производится абразивным инструментом с припуском на обработку от 100 до 500 мкм и может выполняться ленточным шлифованием или вручную абразивными кругами. Профиль хвостовика лопатки фрезеруется или протягивается. Отделка профиля лопатки ведется фетровыми и войлочными кругами с абразивным наполнителем. После обрезки технологической прибыли лопатки травятся для выявления трещин, прижогов и макроструктуры, полируется про­фильная часть и заправляются кромки. После травления и контроля "цветным" методом лопатки подвергаются поверхностно упрочняю­щим обработкам.

Влияние на усталость остаточных напряжении. Анализируя сведения о параметрах поверхностного слоя после различных видов обработки и данные о пределах выносливости лопаток компрессоров из титановых сплавов ВТЗ-1 и ВТ8, представленные в табл. 3.2.4, можно отметить, что при одинаковой шероховатости поверхности вклад остаточных напряжений сжатия в повышение предела вынос­ливости оказывается выше, чем вклад шероховатости: напряжения сжатия σ_ост > 400 МПа могут, как и на стальных лопатках, компен­сировать снижение шероховатости поверхности на 1…2 класса. Исследования остаточных напряжений в лопатках, подвергавшихся механической обработке, виброгалтовке и стабилизирующему отпуску, показали, что после окончательной механической обработки в поверхностном слое образуются сжимающие остаточные напряжения σ_ост =200…300 МПа с глубиной залегания 60 ...70 мкм. После виброгалтовки сжимающие напряжения достигают 400...500 МПа при глубине залегания 100...150 мкм. Стабилизирующий отпуск практически устраняет остаточные напряжения, а последующая глянцовка способствует образованию умеренных (300 МПа) сжимаю­щих напряжений с глубиной залегания 10...20 мкм и росту предела выносливости почти на 70 % (табл. 3.2.4).