Влияние методов упрочнения на усталостную прочность лопаток компрессора с концентраторами напряжений

Исследовано влияние различных методов упрочнения на усталостную прочность лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава с концентраторами напряжений. Зоны кромок пера лопаток шириной 5 мм упрочнены методами лазерного ударного удара (LSP, LSPwC) и малопластичного выглаживания. Для упрочнения лопаток с обеих сторон методом LSP использован твердотельный лазер Nd:YAG. В качестве защитного слоя применена алюминиевая фольга толщиной 80 мкм. Малопластичное выглаживание выполнено гидростатическим инструментом на станке с числовым программным управлением. Определены пределы выносливости лопаток без упрочнения (серийных) и с упрочнением, а также лопаток обеих групп с нанесенными концентраторами напряжений (имитацией повреждений) типа забоины разной глубины на входной кромке. Установлено, что обработка входной кромки лопаток разными методами упрочнения снижает эффективный коэффициент концентрации напряжений в 1,2–2,0 раза относительно такового для лопаток без упрочнения. Анализ изломов после упрочнения показал, что глубина упрочненного слоя составляет 0,6…1,0 мм. Разрушение после упрочнения становится подслойным, очаг развития трещин совпадает с границей слияния зон при упрочнении с обеих сторон. Выявлено, что забоина глубиной до 0,5 мм почти не снижает усталостных свойств упрочненных лопаток в зоне концентрации напряжений. Внедрение лазерного ударного упрочнения позволит уменьшить количество зачисток лопаток и преждевременного съема газотурбинного двигателя с эксплуатации.
EDN: QTMYIH, https://elibrary/qtmyih

Литература

[1] Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2. Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства. Москва, Машиностроение, 2008. 366 c.

[2] Непеин К.Г., Селиванов И.А. Повышение характеристик сопротивления усталости рабочих лопаток компрессора, изготовленных из титанового сплава. Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2019, № 57, с. 129–136, doi: https://doi.org/10.15593/2224-9982/2019.57.10

[3] Александров И.М., Миляев К.Е., Семенов С.В. и др. Анализ возможности применения низкопластичного выглаживания для повышения надежности лопаток ГТД. Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2018, № 53, с. 86–96, doi: https://doi.org/10.15593/2224-9982/2018.53.08

[4] Zhang Q., Ye Y., Yang Y. et al. Review of low-plasticity burnishing and its applications. Adv. Eng. Mater., 2022, no. 24, no. 11, art. 2200365, doi: https://doi.org/10.1002/adem.202200365

[5] Mahajan D., Tajane R. A review on ball burnishing process. Int. J. Sci. Res. Publ., 2013, vol. 3, no. 4. URL: http://www.ijsrp.org/research-paper-0413.php?rp=P161004

[6] Dzierwa A. Influence of ball-burnishing process on surface topography parameters and tribological properties of hardened steel. Machines, 2019, vol. 7, no. 1, art. 11, doi: https://doi.org/10.3390/machines7010011

[7] Иванов Ю.Ф., Рыгина М.Е., Петрикова Е.А. и др. Структура и механические свойства заэвтектического силумина, облученного импульсным электронным пучком. Вестник МАИ, 2021, т. 28, № 2, с. 216–222, doi: https://doi.org/10.34759/vst-2021-2-216-223

[8] Кочубей А.А., Вернигоров Ю.М., Демин Г.В. Физико-технологические основы упрочнения длинномерных деталей летательных аппаратов в устройствах с вращающимся электромагнитным полем. Вестник МАИ, 2020, т. 27, № 1, с. 201–216, doi: https://doi.org/10.34759/vst-2020-1-201-216

[9] Инструментальные технологии улучшения металлических поверхностей. rp-ural.ru: веб-сайт. URL: https://www.rp-ural.ru/wp-content/uploads/2021/05/Ecoroll_RU.pdf (дата обращения: 13.12.2023).

[10] Surface treatment services. lambdatechs.com: веб-сайт. URL: https://www.lambdatechs.com/surface-treatment-services/ (дата обращения: 13.12.2023).

[11] Lavrys S.M., Pohrelyuk I.M., Lukyanenko A.G. Fatigue limit of two-phase titanium alloy after surface deformation-diffusion treatment. JOM, 2023, vol. 75, no. 4, pp. 1251–1260, doi: https://doi.org/10.1007/s11837-022-05659-5

[12] Rotella G. Roller burnishing of Ti6Al4V under different cooling/lubrication conditions and tool design: effects on surface integrity. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2020, vol. 106, no. 2, pp. 431–440, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-019-04631-z

[13] Velazquez-Corral E., Wagner V., Jerez-Mesa R. et al. Wear resistance and friction analysis of Ti6Al4V cylindrical ball-burnished specimens with and without vibration assistance. The Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2023, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-023-10919-y

[14] Jerez-Mesa R., Travieso-Rodríguez J.A., Landon Y. et al. Comprehensive analysis of surface integrity modification of ball-end milled Ti-6Al-4V surfaces through vibration-assisted ball burnishing. J. Mater. Process. Technol., 2019, no. 267, pp. 230–240, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.12.022

[15] Новиков И.А., Ножницкий Ю.А., Шибаев С.А. Мировой опыт в исследовании и применении технологиеского процесса лазерной ударной обработки металлов (обзор). Авиационные двигатели, 2022, № 2, с. 59–82, doi: https://doi.org/10.54349/26586061_2022_1_59

[16] Гачетова Е.А., Сихамов Р., Фенцке Ф. и др. Влияние лазерной ударной проковки на мало- и многоцикловую усталость титанового сплава ОТ4-0. Прикладная механика и техническая физика, 2022, т. 63, № 2, с. 182–191, doi: https://doi.org/10.15372/PMTF20220217

[17] Ширяев А.А., Габов И.Г., Миленин А.С. и др. Сравнение методов упрочнения на предел выносливости лопаток из титанового сплава. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2023, № 4, с. 109–117.

[18] Kalainathan S., Prabhakaran S. Recent development and future perspectives of low energy laser shock peening. Opt. Laser Technol., 2016, no. 81-A, pp. 137–144, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2016.02.007

[19] Jiao Y., He W., Shen X. Enhanced high cycle fatigue resistance of Ti-17 titanium alloy after multiple laser peening without coating. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2019, vol. 101, no. 5–8, pp. 1333–1343, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-018-3006-6

[20] Sundar R., Ganesh P., Gupta R.K. et al. Laser shock peening and its applications: a review. Lasers Manuf. Mater. Process., 2019, vol. 6, no. 7, pp. 424–463, doi: https://doi.org/10.1007/s40516-019-00098-8

[21] Qutaba S., Asmelash M., Saptaji K. et al. A review on peening processes and its effect on surfaces. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2022, vol. 120, no. 7–8, pp. 4233–4270, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-022-09021-6

[22] Liao Y., Ye C., Cheng G.Y. A review: warm laser shock peening and related laser processing technique. Opt. Laser Technol., 2016, no. 81-A, pp. 15–24, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.09.014

[23] Lin C., Wu H., Li Z. et al. Evaluation of oblique laser shock peening effect of FGH95 superalloy turbine disk material. Mater. Today Commun., 2022, vol. 31, art. 103534, doi: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103534

[24] 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. Мат. XVIII Межд. науч.-тех. конф. Москва, Пробел-2000, 2021, с. 258–263.

[25] Chen C., Zhang X., Yan X. et al. Effect of laser shock peening on combined low? and high?cycle fatigue life of casting and forging turbine blades. J. Iron Steel Res. Int., 2018, vol. 25, no. 1, pp. 108–119, doi: https://doi.org/10.1007/s42243-017-0013-z

[26] Зо Й.М. Ударная обработка цветных металлов и сплавов маломощными лазерными источниками. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. 16 с.

[27] Ширяев А.А., Миленин А.С., Таиров Д.Ф. Влияние методов упрочнения на предел выносливости лопаток из титанового сплава. АКТТИ-2023, 2023, с. 229–300.

[28] Когаев В.П., Гусенков А.П., ред. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. Москва, Машиностроение, 1993. 364 с.