Влияние LSPwC на параметры поверхностного слоя лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава

Наиболее часто применяемое для повышения прочности и стойкости пера лопатки газотурбинного двигателя гидродробеструйное упрочнение создает благоприятную эпюру остаточных сжимающих напряжений на его поверхности. Однако их глубина составляет не более 0,2 мм, чего недостаточно для обеспечения требуемого уровня усталостной прочности лопатки при повреждении кромок вследствие попадания в них посторонних предметов на глубину до 1,0 мм. Для повышения стойкости лопаток рассмотрено перспективное лазерное ударное упрочнение без защитного покрытия (Laser Shock Peening without Cover — LSPwC). На примере титановой лопатки первого каскада компрессора газотурбинного двигателя исследовано влияние такого метода упрочнения на геометрические параметры и поверхностный слой пера лопатки. Лазерному ударному упрочнению без защитного покрытия подвергали зону кромок пера лопатки шириной 5 мм. Установлено, что поверхность пера лопатки после упрочнения не удовлетворяет требованиям конструкторской документации по шероховатости. Необходимо вводить финишную обработку поверхности, чтобы убрать оплавленный слой глубиной 2…6 мкм. Участки оплавления расположены преимущественно по центру пятен от лазерного удара. Оплавление поверхности сопровождается множественным растрескиванием. Под оплавленным слоем микроструктурных изменений не обнаружено. Глубина сжимающих остаточных напряжений не превышала 0,3 мм, что превосходит гидродробеструйную обработку. Упрочнение кромок пера лопатки привело к ее деформации, которая увеличивалась от хвостовика к вершине лопатки. Наибольшая деформация наблюдалась на задней кромке и периферийной зоне лопатки. В связи с этим необходимо продолжить отработку режимов упрочнения для соответствия требованиям конструкторской документации.

EDN: JEEASU, https://elibrary/jeeasu

Литература

[1] Тамаркин М.А., Шведова А.С., Гребенкин Р.В. и др. Технологическое обеспечение заданного качества поверхностного слоя деталей при обработке динамическими методами поверхностного пластического деформирования. Вестник ДГТУ, 2016, № 3, с. 46–52, doi: https://doi.org/10.12737/20220

[2] Шведова А.С. Повышение эксплуатационных свойств деталей при обработке динамическими методами поверхностного пластического деформирования. Вестник ДГТУ, 2015, № 1, с. 114–120, doi: https://doi.org/10.12737/10394

[3] Папшева Н.Д. Методы алмазного выглаживания деталей машин и инструментов. Современные проблемы теории машин, 2016, № 4–2, с. 102–104.

[4] Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э., Лебеденко В.Г. Повышение качества поверхностного слоя деталей при обработке поверхностным пластическим деформированием в гибких гранулированных средах. Вестник ДГТУ, 2009, т. 9, № 3, с. 469–480.

[5] Коновалов Л.И., Ширваньянц Г.Г. Метод ультразвукового упрочнения поверхностей узлов и деталей авиационных газотурбинных двигателей, как одна из перспективных технологий в авиастроении. Молодой ученый, 2015, № 22, с. 141–147.

[6] Ширяев А.А., Трофимов В.Н., Винокуров Н.В. и др. Влияние лазерной и механической упрочняющей обработки на свойства поверхностного слоя. Математическое моделирование в естественных науках, 2018, т. 1, с. 340–342.

[7] Ширяев А.А., Виндокуров Д.В., Трофимов В.Н. и др. Влияние параметров ультразвуковой дробеструйной обработки на физико-механические свойства поверхностного слоя образцов из сталей 08пс и 12Х18Н10Т. Математическое моделирование в естественных науках, 2019, т. 1, с. 181–184.

[8] Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. Москва, Машиностроение, 1988. 240 с.

[9] Ляховецкий М.А., Королев Д.Д., Кожевников Г.Д. и др. Лазерное ударное упрочнение титанового сплава ВТ6 с алюминиевым абляционным покрытием. Быстрозакаленные материалы и покрытия. Межд. науч.-тех. конф. Москва, Пробел, 2021, с. 258–263.

[10] Keller S., Chupakhin S., Staron P. et al. Experimental and numerical investigation of residual stresses in laser shock peened AA2198. J. Mater. Process. Technol., 2018, vol. 255, pp. 294–307, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.11.023

[11] Ebrahimi M., Amini S., Seyed M. The investigation of laser shock peening effects on corrosion and hardness properties of ANSI 316L stainless steel. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2017, vol. 88, no. 5–8, pp. 1557–1565, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-016-8873-0

[12] Горунов А.И., Гильмутдинов А.Х. Упрочнение и наплавка волоконным лазером как способы целенаправленного формирования структуры и свойств титанового сплава ВТ6. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2015, № 4, с. 40–44, doi: https://doi.org/10.17073/1997-308X-2015-4-40-44

[13] Муратаев Ф.И., Клабуков М.А. Особенности лазерного ударного упрочнения сталей и титановых сплавов. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2012, № 4–2, с. 82–84.

[14] Sundar R., Ganesh P., Maravi S. et al. Study on effect of laser shock peening as a pre-treatment on fatigue performance of hard-chorme plated 15–5 PH stainless steel. Lasers Manuf. Mater. Process., 2019, vol. 6, no. 4–6, pp. 85–97, doi: https://doi.org/10.1007/s40516-019-0082-x

[15] Kumar G.R., Rajyalakshmi G., Swaroop S. et al. Laser shock peening wavelength conditions for enhancing corrosion behaviour of titanium alloy in chloride environment. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 2019, vol. 41, no. 3, art. 129, doi: https://doi.org/10.1007/s40430-019-1633-y

[16] Sundar R., Ganesh P., Ram K.G. et al. Laser shock peening and its applications: a review. Lasers Manuf. Mater. Process., 2019, vol. 6, no. 4, pp. 424–463, doi: https://doi.org/10.1007/s40516-019-00098-8

[17] Jiang X.P., Man C.S., Shepard M.J. et al. Effects of shot-peening and re-shot-peening on four-point bend fatigue behavior of Ti–6Al–4V. Mater. Sci. Eng. A., 2007, vol. 468–470, pp. 137–143, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.01.156

[18] Altenberger I., Nalla R.K., Sano Y. On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti–6Al–4V at elevated temperatures up to 550 °C. Int. J. Fatigue, 2012, no. 44, pp. 292–302, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2012.03.008

[19] Шиганов И.Н., Мельников Д.М., Мьят З.Й. Лазерное ударное упрочнение алюминиевых материалов. Лазеры в науке, технике, медицине. Сб. науч. тр. межд. конф., т. 28, Москва, МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2017, с. 43–47.

[20] Гачегова Е.А., Плехов О.А., Изюмова А.Ю. и др. Моделирование остаточных напряжений после лазерной ударной проковки. Математическое моделирование в естественных науках, 2021, т. 1, с. 135–137.

[21] Плехов О.А., Костина А.А., Изюмов Р.И. и др. Конечно-элементный анализ остаточных напряжений, возникающих в результате лазерной ударной проковки титанового сплава ВТ6. Вычислительная механика сплошных сред, 2022, т. 15, № 2, с. 171–184, doi: https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.2.13

[22] Сихамов Р.А., Фомин Ф., Келлер З. и др. Моделирование остаточных напряжений, созданных методом лазерного ударного упрочнения. Аллея науки, 2019, т. 2, № 6. URL: https://alley-science.ru/domains_data/files/04june2019/modelirovanie%20ostatochnyh%20napryazheniy,%20sozdannyh%20metodom%20lazernogo%20udarnogo%20uprochneniya.pdf

[23] Kim J.H., Kim Y.J., Kim J.S. Effects of simulation parameters on residual stresses for laser shock peening finite element analysis. J. Mech. Sci. Technol., 2013, vol. 27, no. 7, pp. 2025–2034, doi: https://doi.org/10.1007/s12206-012-1263-0

[24] Kim J.H., Kim Y.J., Lee J.W. et al. Study on effect of time parameters of laser shock peening on residual stresses using FE simulation. J. Mech. Sci. Technol., 2014, vol. 28, no. 5, pp. 1803–1810, doi: https://doi.org/10.1007/s12206-014-0327-8

[25] Sakhvadze G.Zh. Simulation of the technology of laser-shock-wave processing of titanium alloys with shape memory using dimensional analysis. J. Mach. Manuf. Reliab., 2021, vol. 50, no. 4, pp. 332–341, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618821040130

[26] Sano Y., Akita K., Masaki K. et al. Laser peening without coating as a surface enhancement technology. J. Laser Micro Nanoeng., 2006, vol. 1, no. 3, pp. 161–166, doi: http://dx.doi.org/10.2961/jlmn.2006.03.0002

[27] Sathyajith S., Kalainathan S. Effect of laser shot peening on precipitation hardened aluminum alloy 6061-T6 using low energy laser. Opt. Laser Eng., 2012, vol. 50, no. 3, pp. 345–348, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2011.11.002

[28] Sathyajith S., Kalainathan S., Swaroop S. Laser peening without coating on aluminum alloy Al-6061-T6 using low energy Nd:YAG laser. Opt. Laser Tehnol., 2013, no. 45, pp. 389–394, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.06.019

[29] Altenberger I., Nalla R.K., Sano Y. et al. On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti–6Al–4V at elevated temperatures up to 550 °C. Int. J. Fatigue, 2012, no. 44, pp. 292–302, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2012.03.008