Процеси відновлення зварюванням та паянням лопаток газотурбінних двигунів з важкозварюваних сплавів на нікелевій та титановій основі

Исследованы влияние режимов ЭЛС, АДС, состава присадочного материала и режимов термической обработки на структуру и механические свойства сварных соединений титанового сплава ВТ 3-1 и жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У-ВИ. Показано, что стандартные приемы и параметры ЭЛС и АДС, значительно снижают эксплуатационные свойства соединений и требуют оптимизации. На основании анализа установленных зависимостей влияния на структуру и свойства определены величины погонной энергии ЭЛС и АДС, при которых обеспечивается оптимальная технологичность, структуры сварных швов и наиболее высокий уровень механических свойств.

Проведены расчет и анализ распределения рабочих напряжений в объеме лопатки. Расчет и графическое построение полей напряжений выполнен на примере рабочей лопатки вентилятора ГТД Д-36. На основе сравнения рабочих напряжений с прочностными свойствами ремонтных сварных соединений разработана методика определения зон возможного ремонта сваркой и предложена градиентно-прочностная модель выбора параметров технологий, материалов и методов обработки сварных соединений. Определяющей в назначении технологий ремонта признана свариваемость конструкционных материалов. Для рабочих лопаток из двухфазных титановых сплавов типа ВТ 3-1, обобщенным критерием свариваемости является показатель усталостной прочности. Для ремонтных сварных и паяных соединений из ЖС 6У-ВИ - уровень чувствительности к образованию трещин и прочностные свойства сварного соединения.

Применение градиентно-прочностного принципа ремонта для лопатки вентилятора из сплава ВТ 3-1 показал возможность расширения объема ремонта на 75…80 % в сравнении с допустимыми зонами, установленными согласно ранее принятой нормативной документации.

Представлены результаты и анализ свариваемости лопаток из жаропрочных никелевых сплавов методом аргонодуговой сварки. Проведены исследования влияния присадочного материала из сплавов ВЖ 98, ЭП 367, и термообработки для лопаток из сплава ЖС 6У-ВИ на технологическую прочность (устойчивость против образования трещин). Определено наличие температурного интервала хрупкости сплава в диапазоне температур 950…1160 °С при низких значениях (0,1 %) критической деформации. Обоснованы и предложены режимы сварки и термообработки, технологические приемы их выполнения, которые снижают влияние термодеформационных процессов при сварке сплава ЖС 6У-ВИ на образование трещин. На основе стандартного метода Trans-Varectraint Test разработан экспресс-метод оценки свариваемости сложнолегированного металла лопатки после длительной эксплуатации под влиянием высокотемпературной газовой среды и силовых нагрузок. Используется "кольцевая лопаточная проба", которая выполняется непосредственно на теле реальной лопатки. Предложен комплексный критерий оценки свариваемости Щ, который учитывает конструктивные особенности детали и состояние металла, уровень напряженного состояния по местам расположения и суммарной длине трещин, что образуются.

В ряде случаев, когда ремонт лопаток методами сварки неприемлем, исследована возможность ремонта с применением пайки. Определены эксплуатационные дефекты по типу и месторасположению, которые могут быть исправлены методом пайки. Исследована возможность применения стандартизованных в авиационной промышленности припоев, определены условия получения капиллярных зазоров, необходимых для получения плотных и прочных ремонтных паяных соединений жаропрочных литейных никелевых сплавов.

Разработанный принцип градиентной прочности обоснован и реализован при создании технологий ремонта с применением сварки и сопутствующих технологий как для титановых, так и жаропрочных сплавов.

Рекомендации и подходы реализованы также для ремонта дефектов литья при изготовлении новых сопловых лопаток.

Разработаны нормативная документация, инструкции, групповые техпроцессы и рекомендации на ремонт, которые согласованы с конструкторами - разработчиками двигателя.

Обеспечена методологическая и технологическая возможность для создания процессов ремонта нагруженных лопаток ГВТ в производственных условиях. Разработки внедрены на ОАО "Мотор Сич".

Ключевые слова: сварка, пайка, термическая обработка, лопатки газовоздушного тракта, двухфазные титановые и литые жаропрочные никелевые сплавы, свариваемость, температурный интервал хрупкости, градиентно-прочностная модель, ремонтопригодность.

АНОТАЦІЯ

Петрик І.А. Процеси відновлення зварюванням та паянням лопаток газотурбінних двигунів з важкозварюваних сплавів на основі нікелю і титану. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - "Зварювання та споріднені процеси і технології". Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, - 2007.

Дисертація присвячена розробці промислових технологічних процесів відновлення високо навантажених лопаток з двофазних титанових і жароміцних нікелевих сплавів газоповітряного тракту газотурбінних авіадвигунів з метою продовження ресурсу їхньої роботи. В дисертації розглянуті основні причини виходу з ладу деталей ГВТ ГТД. Показано, що при роботі двигуна на лопатки діють динамічні силові і температурні навантаження та корозійне середовище газового потоку. Розподіл термосилових навантажень нерівномірний по тілу лопатки і має градієнтний характер. Проведена класифікація виникаючих експлуатаційних пошкоджень лопаток: за видами зношування, за конструктивними ознаками, за зонами виникнення, за причинами виходу з ладу, - з метою визначення їх ремонтопридатності та умов ремонту.

Представлено основні методологічні аспекти роботи. Обґрунтовано методи й устаткування: дослідження хімічного, спектрального і рентгеноструктурного аналізів; металографічні дослідження; стандартні механічні дослідження; визначення мікротвердості, дослідження на короткочасну та тривалу міцність при температурах експлуатації, втомну міцність (у_-1). Для ефективної технологічної оцінки зварюваності металу лопаток після їхньої експлуатації разом з методом динамічного деформування Trans-Varestraіnt Test використовували методику технологічної "лопаткової кільцевої" проби, що розроблена в чинній роботі.

Досліджено вплив режимів ЕПЗ, АДЗ, складу присадного матеріалу, режимів термічної обробки на структуру, механічні властивості, величину втомної міцності (у_-1) зварних з'єднань та зварюваність титанового сплаву ВТ 3-1 та жароміцного сплаву ЖС 6У-ВИ, що є типовими для виготовлення лопаток авіадвигунів. Показано, що стандартні прийоми і параметри ЕПЗ і АДЗ, знижують експлуатаційні властивості з'єднань по критеріях міцності, а для ЖС 6У-ВИ - й по критерію стійкості проти тріщиноутворення. Визначені величини погонної енергії, при яких забезпечується оптимальні властивості зварних з'єднань.

Проведені дослідження розподілу полів напружень в обсязі лопатки вентилятора ГТД Д-36 зі сплаву ВТ 3-1. На основі порівняння робочих напружень з міцністю ремонтних зварних з'єднань розроблена методика визначення зон можливого ремонту зварюванням і запропонована градієнтно-міцнiстна модель вибору параметрів технологій, матеріалів i методів обробки зварних з'єднань. Визначаючим в призначенні технологій ремонту визнано узагальнюючий критерій зварюваності конструкційних матеріалів. Отримані розрахункові зони ремонту для лопатки вентилятора зі сплаву ВТ 3-1 показали можливість їхнього розширення у порівнянні з припустимими зонами ремонту, установленими відповідно до діючої нормативної документації.

Представлено результати дослідження впливу технологічних режимів обробки для лопаток зі сплаву ЖС 6У-ВИ на стійкість проти утворення тріщин.

У випадку, коли ремонт лопаток методами зварювання не ефективний, досліджена можливість ремонту з застосуванням паяння. Визначено дефекти експлуатації за типом і місцем розташування, що можуть бути виправлені методом пайки. Досліджено можливість застосування стандартизованих в авіаційній промисловості припоїв, визначені принципи одержання капілярних зазорів, необхідних для одержання щільних і міцних ремонтних паяних з'єднань.

Розроблені рекомендації і підходи реалізовані також для ремонту дефектів лиття при виготовленні нових соплових лопаток. Розроблено нормативну документацію, інструкції, групові техпроцеси на ремонт, погоджені з конструкторами - розробниками двигуна.

Забезпечено методологічну і технологічну можливості для створення процесів ремонту навантажених лопаток ГПТ у виробничих умовах.

Ключові слова: зварювання, паяння, термічна обробка, лопатки газоповітряного тракту, двофазні титанові і вилиті жароміцні нікелеві сплави, зварюваність, температурний інтервал крихкості, градієнтно-міцна модель, ремонтопридатність.

ABSTRACT

I.A. Petrik Processes of restoration of gas turbine engine blades made of nickel- and titanium-based hard-to-weld alloys by welding and brazing. - Manuscript

Thesis for competition for Candidate of Science degree in specialty 05.03.06 - "Welding and allied processes and technologies". E.O. Paton Electric Welding Institute SAS of Ukraine, Kiev - 2007.

The thesis is dedicated to development of industrial production processes of restoration of highly loaded blades made of the high-strength titanium and high temperature nickel alloys used in gas flow duct of gas turbine aeroengines with the aim of extension of their service life. The thesis examines principal causes of failure of gas flow duct parts of gas turbine engines.

Effect of condition of EBW, AAW, brazing, composition of filler material and heat treatment conditions on weldability of blades made of titanium and high temperature nickel alloys was investigated. Check of weldability of alloys with the use of classic circular test and Varestraint Test was performed. Unsatisfactory weldability of nickel alloys of ЖС 6 type was determined, this was caused by presence of temperature range at low values of critical deformations.

Method of "blade circular" test as developed for production rapid assessment of weldability of blade material was worked out. Optimum conditions of welding and brazing damaged blades ere achieved.

Researches were performed for determining effect of welding conditions on distribution of stress field within blade volume. A gradient-stress model for selection of production parameters, materials and methods of treatment of welded joints was suggested, in which the determinative factor in assigning repair procedures is accepted as the generalized criterion of welding of structural materials. Based on this, a method was developed for determining zones of possible repair of GTE fan blades by welding. This makes it possible to extend them as compared to permissible zones of repair in accordance with the earlier used repair processes. Possibility of use of this model for high-temperature nickel alloys and other structural materials used for blades was reasoned.

Standard documents, instructions, group production processes for repair were developed, which were coordinated with designers that developed engines. The developed processes for repair of loaded gas flow duct blades were introduced into production at Motor Sich JSC.

Key words: welding, brazing, heat treatment, gas flow duct blades, two-phase titanium and casting nickel alloys, weldability, temperature range of brittleness, gradient-stress model, repairability.

Размещено на Allbest.ru