Анотація до роботи:

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 спеціальнiстю 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 дослiдження; визначення мікротвердості, дослiдження на короткочасну та тривалу міцність при температурах експлуатації, втомну міцність (_-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 (_-1) зварних з'єднань та зварюваність титанового сплаву ВТ3-1 та жароміцного сплаву ЖС6У-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 ЖС6У-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 ВТ3-1. 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 ВТ3-1 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 ЖС6У-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 можливостi для створення процесів ремонту навантажених лопаток ГПТ у виробничих умовах.

1. Розроблені принципи класифікації видів зношування і пошкоджень лопаток газотурбінних двигунів по ряду критеріїв, серед яких найважливішим прийнята ремонтопридатність з використанням сучасних засобів зварювання з локальним концентрованим нагрівом і високотемпературного вакуумного паяння. Показано, що при огляді деталей, якi надходять на ремонт різних типів ГТД, бракується до 72% лопаток компресора і до 30% лопаток турбіни від загального числа забракованих при дефектації деталей. Визначення дефекту по класифікації запропоновано брати за основу ремонтного техпроцесу.

2. На прикладі авіадвигунів Д-36 и Д-18Т, для лопаток компресора і турбіни вивчено напружений стан в тілі лопатки в реальних умовах експлуатації. Показано, що через комплексне навантаження лопаток при роботі двигуна, вони можуть мати напруження від 0,2 до 0,9 _0,2 та температури на поверхні від 720 до 1050 С в умовах дії корозійно-активного середовища. Установлено нерівномірність навантаження деталей і градієнтний характер розподілу напружень та температурних полів по тілу лопатки. Запропоновано розрахункові методи, що дозволяють одержати графічний розподіл полів напружень в лопатці при її експлуатації з ціллю вибору способу і матеріалів для відновлення дефектних деталей та забезпеченням розрахункових характеристик міцності в ремонтних зонах та конструктивної міцності виробу в цілому.

3. Доказано, що в основу розробки технології відновлення лопаток повинно бути покладено градієнтно-міцнiстний підхід до вибору технологій, матеріалів та методів обробки зварних з’єднань. Визначаючим в призначенні технологій ремонту є узагальнюючий критерій зварюваності конструкційних матеріалів. Він встановлюється:

– для робочих лопаток з високоміцних титанових сплавів типа ВТ3-1, ВТ8 по показнику втомлюваної міцності зварних з’єднань;

– для лопаток із жароміцних сплавів на нікелевій основі (ЖС6У-ВІ, ВЖЛ12Э-ВІ, ЖС3 та iн.) – по показнику чутливості до виникнення гарячих тріщин при аргонодуговому зварюванні і по показнику міцності (статичної або циклічної). Для процесів паяння – по показниках технологічності та міцності.

З урахуванням теплофізичних властивостей присадних матеріалів і критеріїв зварюваності, градієнтно-міцнiстний метод дозволяє обрати технології та здійснювати ремонт виробів з широкою номенклатурою конструкційних матеріалів.

4. Розроблено експрес-метод оцінки зварюваності складнолегованого металу лопатки після тривалої експлуатації під впливом високотемпературного газового середовища і силових навантажень. Використовується «кільцева лопаткова проба», що виконується безпосередньо на тілі реальної лопатки. Запропоновано комплексний критерій оцінки зварюваності , що враховує конструктивні особливості деталі та стан металу, рівень напруженого стану по місцях розташування і сумарній довжині тріщин, що виникають. Стандартний метод «Trans Varestraіnt Тest» і технологічна «кільцева лопаткова проба» мають добру кореляцію при оцінці схильності до гарячих тріщин сплавів на нікелевій основі с '-зміцненням. Для них характерним є провал пластичності в зоні температур 950...1160 С. Установлено граничне значення погонної енергії, не більше
   2,2 КДж/см, для аргонодугового зварювання неплавким електродом, при якому коефіцієнт тріщиноутворення складає:

– 1 – можливе зварювання тільки в зоні крайків лопаток, де термодеформаційні процеси мінімальні;

– 1 > > 0,1, – можливе зварювання без утворення тріщин по площині в місцях з пониженою жорсткістю виробу;

– при 0,1 – техпроцеси аргонодугового зварювання можна використовувати без прив’язки до місцезнаходження дефекту.

5. При ремонті паянням, розроблені принципи одержання щільних паяних з’єднань, міцність яких, при користуванні атестованими для авіації припоїв, спільномірна з міцністю зварних з’єднань. Це досягається при умові застосування матеріалів для армування (порошок, фольга, сітка) з нікелевих сплавів, котрі забезпечують капілярні зазори в місцях паяння. Кількість присадки складає 50...70% від кількості припою. Цим умовам відповідає:

– армування місць паяння порошком с розміром часток 200...300 мкм. При цьому зазор між частками порошку дорівнює 0,05...0,08 мм;

– ущільнення місць паяння фольгою або нікелевою сіткою в декілька шарів з розміром чарунки 0,1...0,15 мм.

6. Запропоновані і використані критерії оцінки ремонтопридатності лопаток газоповiтряного тракту газотурбінних двигунів на основі класифікації пошкоджень, перевірки на зварюваність і принципу градієнтної міцності зон ремонту. Головними показниками ремонтопридатності є відповідність металу і місць ремонту вимогам по критеріях міцності та зварюваності з урахуванням принципів градієнтно-міцнiстної моделі, а також економічні показники ремонту.

7. Для практичного застосування на основі виконаних досліджень для двигунів 4-го покоління – Д-18Т, Д-36, Д-436Т, АИ-25, ТВ3-117 та інших, стосовно до лопаток вентилятора, компресора і турбіни, розроблені технологічні процеси i регламентні документи на ремонт. Стендові випробування натурних двигунів підтвердили розрахункову працездатність відремонтованих лопаток. Принципи ремонту підходять як для лопаток, що були в експлуатації, так и при їх виготовленні (після литва, механічної обробки). Ці ж принципи можуть бути використані для нових двигунів, що розроблюються, в тому числі і 5-го покоління. Нормативна документація по ремонту узгоджена з розробниками виробів (авіадвигунів). Річний економічний ефект склав 180000 гривень на
   2006 р. i має тенденцію до підвищення.

Публікації за темою дисертації

1. Петрик И.А., Пискун Ю.М., Шмырко В.И. Разработка и внедрение технологического процесса ремонта лопаток компрессора газоперекачивающих агрегатов ГТК-25И // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. пр. ЗДТУ. – Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. – С.107-108.

2. Жеманюк П.Д., Петрик И.А., Крюковский В.В. Определение оптимальных режимов сварки титановых деталей // Технологические системы. –2001. –№3(9). – С.74-76.

3. Петрик И.А., Перемиловский И.А. Дальнейшее развитие технологии упрочнения бандажных полок лопаток турбины из жаропрочных сплавов // Технологические системы. –2001. –№3(9). – С.90-92.

4. Петрик И.А., Овчинников А.В., Басов Ю.Ф., Шевченко В.Г., Рягин С.Л., Селиверстов А.Г. Повышение работоспособности лопаток из титановых сплавов вентилятора авиадвигателя // Вестник двигателестроения. –№4. – 2006г.
   – С.104-108.

5. Петрик И.А. Ремонт узлов и деталей из титанового сплава ВТ3-1 с применением сварки // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – Зб. наук. пр. ЗДТУ. – Запоріжжя: ЗДТУ, 2001. –№2.
   – С.75-78.

6. I.A.Petrik. Some problems of weldability of heat-resistant and mechanization of welding processes // Welding in the World. –1994. –Vol.33, №6. – Р.403-405.

7. Петрик И.А., Орлов М.Р., Шестопалов В.В. Высокотемпературная термообработка для очистки деталей и узлов при изготовлении и ремонте. // Винахідник і раціоналізатор. – 2000. –№1. – С.14-18.

8. Петрик И.А., Крюковский В.В., Титановые сплавы и их свариваемость // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – Зб. наук. пр. ЗДТУ. – Запоріжжя: ЗДТУ, 2001. –№2. – С.57-59.

9. И.А.Петрик, А.В.Овчинников, В.Г.Шевченко. Перспективные технологии сварки сложных изделий из двухфазных титановых сплавов // Строительство, материаловедение, машиностроение // Сб. научн. трудов.
   Вып. 36. – Ч.3. – Дн-вск, ПГАСА, 2006. – 232 с.

10. Петрик И.А. Исследование процесса сварки сплава ВТЗ-1 // Металлургия. – Сб. научн. трудов ЗГИА. – Запорожье: ЗГИА, 2002. –Вып.6. – С.102-106.

11. Петрик И.А., Крюковский В.В., Соболевская Т.Д. Определение зависимости структуры и механических свойств сварных соединений от применения присадочных материалов при АДС титанового сплава ВТ3-1 // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – Зб. наук. пр. ЗДТУ. – Запоріжжя: ЗДТУ,2002. –№1. – С.67-69.

12. Гайдук С.В., Семенюк Т.П., Петрик И.А., Ястребова О.Ф. Влияние режимов термообработки на структуру и свойства монокристаллов никелевого сплава // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів. – Зб. наук. праць IX Міжнародної наук.-технічн. конференції. – Запоріжжя, 23-26 вересня 2003 р. – С.35-37.

13. И.А.Петрик, В.В.Крюковский, Н.И.Николаев, А.Г.Селиверстов Определение оптимальных параметров технологии ремонта лопаток вентилятора из титанового сплава ВТ3-1 с применением сварки // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – Зб. наук. пр. ЗДТУ. – Запоріжжя: ЗДТУ,2003. –№2. – С.90-93.

14. Патент на винахід 48317 Україна С22С19/03,19/05. Сплав для виготовлення великогабаритних лопаток газових турбін // Андрієнко А.Г., Гайдук С.В., Коваль А.Д., Петрик І.А. та інші.– Бюл. №8 15.08.2002 р.
    –Заявл.17.02.2000 р. – Опубл. 18.12.2002 р.

15. Деклараційний патент на винахід 35414А Україна С22С 19/05. Жаро-міцний корозійностійкий нікелевий сплав// Андрієнко А.Г., Гайдук С.В.,
    Коваль А.Д., Петрик І.А. та ін. – Заявл. 01.06.2001 р.– Опубл. 20.11.2002 р.