Проведение многоцикловых испытаний образцов из ВТ6, подвергнутых ремонту сваркой плавлением

Введение

Одной из самых сложных машиностроительных конструкций является газовая турбина. Важной деталью турбины является вентилятор, состоящий из нескольких ступеней.

Первоначально колеса вентилятора делались с заменяемыми лопатками, но для улучшения летных характеристик их стали делать монолитным. После этого изменения стал вопрос о ремонте дефектных колес вентилятора.

При проведении работ по восстановлению колеса вентилятора газотурбинного двигателя для подтверждения характеристик были испытаны 29 образцов на многоцикловую усталость.

Многоцикловые испытания

Испытания на многоцикловую усталость проводились на испытательной вибрационной электродинамической установке ВЭДС-1500.

Были испытаны три типа образцов: контрольные образцы, образцы с наплавляемым АРДС соединением (выборка размером 9×11 мм) и образцы с соединением ЭЛС (прямолинейный шов).

На основании ОСТ1 00303–79 «Лопатки газотурбинных двигателей. Периодические испытания на усталость» [1] разработана методика проведения испытаний лопаток моноколес. Аналогичная технология использовалась в работе, описанной в статье «Разработка и обоснование способа ремонта моноколес методом аргонодуговой сварки и наплавки» [2].

Испытания проводились при комнатной температуре по режиму: начальный уровень нагружения: σ = 392,27 МПа, шаг изменения нагружения: ∆σ = ± 29,42 МПа, база испытаний N = 2*10⁷ циклов.

 Контрольные образцы

• σ = 392,27 МПа, N = 0,38*10⁷ циклов, разрушился
• σ = 362,85 МПа, N = 1,45*10⁷ циклов, разрушился

• σ = 333,43 МПа, N = 2*10⁷ циклов, выстоял

 Образцы с наплавляемым АРДС соединением

• σ = 392,27 МПа, N = 0,18*10⁷ циклов, разрушился
• σ = 362,85 МПа, N = 0,23*10⁷ циклов, разрушился
• σ = 333,43 МПа, N = 0,82*10⁷ циклов, разрушился

• σ = 304,01 МПа, N = 2*10⁷ циклов, выстоял

Образцы с соединением ЭЛС

• σ = 392,27 МПа, N = 0,03*10⁷ циклов, разрушился по зажатию*
• образец стоял 3 режима
• σ = 392,27 МПа, N = 2*10⁷ циклов, выстоял
• σ = 421,69 МПа, N = 2*10⁷ циклов, выстоял
• σ = 451,11 МПа, N = 1,01*10⁷ циклов, разрушился
• σ = 421,69 МПа, N = 2*10⁷ циклов, разрушился
• σ = 392,27 МПа, N = 2*10⁷ циклов, выстоял
• σ = 392,27 МПа, N = 0,12*10⁷ циклов, разрушился

• σ = 362,85 МПа, N = 2*10⁷ циклов, выстоял

• σ = 362,85 МПа, N = 0,06*10⁷ циклов, разрушился по зажатию*

• σ = 362,85 МПа, N = 2*10⁷ циклов, выстоял

^{* образцы с соединением ЭЛС № 1 и № 8 разрушились по зажимной части. При анализе результатов испытаний данные образцы не учитывались}

Предел выносливости контрольных образцов σ_–1= 333,43 МПа, образцов с наплавляемым АРДС соединением σ_–1= 304,01 МПа, образцов с соединением ЭЛС σ_–1= 362,85 МПа, при базе испытаний N = 2*10⁷ циклов. Во всех случаях это выше 300 МПа, устанавливаемых в качестве необходимого минимума инструкцией 2220000000И18.2 «Инструкция по проверке лопаток моноколес вентилятора и компрессора на усталостную прочность» [3].

 Исследование образцов с соединением ЭЛС № 2 и № 3

После испытаний образцы № 2, № 3 с соединением ЭЛС проверены методом ЛЮМ1-ОВ согласно ГОСТ Р50.05.09–2018 [4] и обнаружено свечение люминофора:

• на образце № 2 в виде тонкой поперечной линии, на выходе из радиуса перехода протяженностью 17 мм, пересекающая кромку.
• на образце № 3 в виде тонкой линии, на расстоянии — 2 мм от радиуса, протяженностью 11 мм, пересекающая кромку

При осмотре под микроскопом после удаления краски на плоской поверхности образцов 2 и 3 наблюдаются трещины несквозного характера.

После травления образцов выявлено, что трещины на образце № 2 образовались на расстоянии 3 мм, на образце № 3 на расстоянии 1,5 мм от ЭЛС.

По трещинам были вскрыты изломы. Фрактографическим исследованием на электронном микроскопе установлено, что разрушение имеют усталостный характер с очагами начала разрушения:

• на образце № 2 очагом послужил незакругленный радиус, в виде угла, двух поверхностей, где сходятся неровности и риски от механической обработки данных поверхностей.
• на образце № 3 очагом послужил заусенец и риски, расположенные на расстоянии ~ 5,5 мм от торца образца, образовавшиеся при механической обработке.

Выводы

Предел выносливости контрольных образцов σ_–1= 333,43 МПа, образцов с наплавляемым АРДС соединением σ_–1= 304,01 МПа, образцов с соединением ЭЛС σ_–1= 362,85 МПа, при базе испытаний N = 2*10⁷ циклов.

Результаты показывают, что при данной конфигурации соединений при электронно-лучевой сварке предел выносливости выше, а при наплавке АРДС ниже, чем у контрольной группы.

Разрушение образцов с соединением ЭЛС происходило по основному материалу или месту зажатия образцов в установке, разрушений по сварному шву или околошовной зоне не выявлено.

Таким образом, технология электронно-лучевой сварки обеспечивает лучшее качество ремонта и восстановления колес вентилятора газотурбинного двигателя и является более перспективной в силу того, что:

1. Обеспечивает более высокий предел прочности восстановленного соединения.
2. Сварное соединение является равнопрочным с основным материалом ремонтируемого колеса.
3. Технология электронно-лучевой сварки имеет высокую повторяемость свойств и не зависит от квалификации сварщика.