У вступі обґрунтовано вибір і актуальність теми роботи, сформульовано мету, об’єкт, предмет, задачі та методи дослідження, наукову новизну і практичну значимість роботи; показано особистий внесок здобувача і наведено відомості про апробацію дисертаційної роботи.
У першому розділі проведеноаналіз питання щодо використання титанових сплавів в авіабудуванні і, саме, в авіадвигунобудуванні. Показано, що найбільш ушкоджуваними деталями ГТД є деталі газоповітрянного тракту (лопатки вентилятора і компресора, моноколеса). Подетальна заміна ушкоджених елементів, таких як лопатки, неможлива для компресорних моноколес. Тому відновлення монодеталей, а також їх експлуатація і економічність, в першу чергу, залежать від рівня механічних властивостей матеріалу в зоні ремонту. Проаналізовано вітчизняні та зарубіжні підходи щодо відновлення деталей із складнолегованих титанових сплавів. Показано, що насьогодні існують технології відновлення ушкоджених лопаток, котрі полягають у заварюванні дефектів або вварюванні вставок методами зварювання плавленням. Значний внесок в розвиток питання підвищення властивостей зварних з¢єднаннь складнолегованих титанових сплавів, а також у підвищенні надійності відновлених деталей авіаційного призначення зробили Ахонін С.В., Гуревич С.М., Замков В.М., Інозємцев О.О., Каблов Є.М., Опарін Л.І., Федірко В.М., Шаповалова О.М., Шоршоров М.Х.
В свою чергу, методи зварювання плавленням призводять до змін структури зварного шва жароміцних титанових сплавів в зоні ремонту, що суттєво знижує рівень механічних властивостей та не забезпечує ресурс відновленої деталі на вихідному рівні. Показано, що рівень властивостей матеріала в зоні ремнту не повинен бути нижчим за 0,9 від основного металу, тому що монодеталі працюють на межі запасу міцності титанових сплавів. Надано оцінку причин зниження механічних властивостей в зварних швах α+β-титанових сплавів. Показано, що збереження регламентованої структури і, як наслідок, рівня властивостей є однією із основних проблем при зварюванні жароміцних титанових сплавів.
Аналіз літературних даних дозволив встановити, що забезпечення необхідного рівня механічних властивостей в деталях із складнолегованих α+β-титанових сплавів можливе шляхом формування в зоні ремонту певного типу структури, що забезпечить достатній опір руйнуванню з врахуванням напружено-деформованого стану (НДС) деталі. Отримання стабільно високого рівня механічних властивостей зварного шва можливе завдяки підвищенню якості присадкових матеріалів за рахунок формування субмікрокристалічної структури. В даному розділі сформульовано мету і задачі роботи, визначено основні напрямки досліджень.
У другому розділі обґрунтовано вибір матеріалів і методів досліджень. Показано, що для виготовлення модифікованих субмікрокристалічних присадкових матеріалів необхідно вдосконалити відомі та розробити нові методи виготовлення напівфабрикатів із титанових сплавів. Для отримання титанових сплавів дослідних складів розроблено ресурсозберігаючу технологію подвійного вакуумно-дугового переплава. Реалізовано деформацію зливків методом інтенсивної пластичної деформації та отримано субмікрокристалічний дріт із α- та α+β-титанових сплавів діаметром 1,8 и 2,0 мм. В якості присадкових матеріалів використовували сплави стандартного хімічного складу (ВТ2, ВТ8, ВТ3-1), а також виплавляли дослідні сплави типу ВТ2 із модифікаторами (лантан, ітрій, бор). В якості основного матеріалу використовували спеціально виготовлені пластини товщиною 2 мм зі сплавів ВТ3-1 і ВТ8 з регламентованими структурами рівновісного та пластинчатого типів. Зварні з¢єднання отримували стандартним методом аргоно-дугового зварювання (АДЗ) неплавким вольфрамовим електродом з присадковими матеріалами серійних і дослідних складів. Роботи проводили в камері з контрольованою атмосферою У6872–5306.
Контроль якості зварних з¢єднань виконано методами люмінесцентної та кольорової дефектоскопії. Термічну обробку проводили у вакуумній печі опору СНВЭ-1.3.1/16 з глибиною вакууму Р = 1´10 -5 мм.рт. ст., а також в камерній електропечі РК40-12 фірмы «LAC» (Czech republic) з максимально допустимою робочою температурою 1280°С. Вміст легувальних елементів в титанових сплавах визначали спектральним методом із застосуванням приладу «SPECTROMAX» фірми «SPECTRO» за стандартними методиками. Визначення вмісту ітрію і лантану проводили атомно-адсорбційним методом із використанням спектрометру "ContrAA 300BU" фірми «Hitache», бора - спектральним оптико-емісійним іскровим методом на оптико-емісійному іскровому спектрометрі «Spectrolab» фірми «Spectra». Вміст домішок (азоту, кисню і водню) визначали відповідно з ОСТ 190013-81, для чого використовували газоаналізатор моделі ON900 фірми «ELTRA». Розподіл вмісту легувальних і модифікувальних елементів визначали в структурних складових сплавів на багатоцільовому растровому мікроскопі JSM-6360LA, оснащеному системою рентгеноспектрального енергодисперсійного мікроанализу JED 2200. Аналіз макроструктури зварних зразків проводили із застосуванням стереоскопічного мікроскопа Stemi-2000C фірми ««Carl Zeiss»» (збільшення від 8 до 50 разів).
Мікроструктуру титанових сплавів досліджували із застосуванням інвертованих мікроскопів відбитого освітлення «NEOPHOT-32» і «Observer.D1m» (фірма «Carl Zeiss») при збільшеннях від 100 до 1000 разів. Більш високу розрізнюючу здатність забезпечував аналіз мікрошліфів на растровому електронному мікроскопі JSM – Т300 фірмы JЕОL із прискорюючим напруженням 20…30 кВ у відбитих електронах. Випробування на статичний розтяг проводиливідповідно з вимогами ГОСТ 6996-69на машині INSТRON-8862.
Випробування на кут згину проводилизгідно з ГОСТ6996-69 на універсальній машині УММ-10.
Випробування для визначення ударноі в`язкості проводили по ГОСТ 9454-54 на маятниковому копрі IMP - 460J фірми «INSTRON». Випробування для визначення границі витривалості проводили на базі 2×108 циклів по ГОСТ 25.505 – 85. Випробування на втому лопаток проводили на ½ частині пера лопаток (надполичкова частина) способом динамічного збудження коливань за четвертою згинальною формою на електродинамічних вібростендах ВЭДС-1000 та ВЭДС - 200.
Твердість визначали методами Роквелла (НRC) та Віккерса (HV0,05). Для визначення мікротвердости застосовували прилад ММ7Т фирмы «ВUEHLER» при навантаженні індентора 50 г.
Для оцінки напружено-деформованого стану пера лопаток вентилятора і моноколеса компресора здійснювали модальний аналіз та аналіз міцності методом кінцевих елементів в універсальній системі скінчено-елементного аналізу ANSYS. Твердотільну модель лопатки створювали в UNIGRAFICS NX. Використовували тривимірні тетраїдальні кінцеві елементи міцності SOLID 186. Для попереднього розбиття площин використовували 8-ми вузлові кінцеві елементи SHELL 281.
У третьому розділі наведено аналіз причин ушкоджень роторних деталей ГТД і досліджено вплив складу серійних присадкових матеріалів на структуру і властивості жароміцних α+β-титанових сплавів при статичних і динамічних навантаженнях. Показано, що в межах одного виробу діють напруження, різні за величиною і характером. Із досліджень характера ушкоджень та їх місця розташування на деталях встановлено, що відновлення ресурсу можливе шляхом формування достатнього рівня властивостей в зонах ремонту з урахуванням НДС.
Високий рівень властивостей титанових сплавів залежить від структури, тому в деталях ГТД сплави застосовуються в спеціальному структурно зміцненому стані, який суттєво змінюється в зварном шві. Це обумовило проведення досліджень впливу складу серійних присадкових матеріалів на структуру і властивості зварних з¢єднань α+β-титанових сплавів.
В якості дослідних зразків використовували пластини товщиною 2 мм, виготовлені із сплавів ВТ3-1 і ВТ8 в структурному стані, що відповідав деталям типу лопаток і дисків (рис. 1) і забезпечував різний рівень властивостей в цих сплавах (табл. 1). Дослідження проводили на зварних з¢єднаннях зазначених сплавів, які зварювали по одному режиму з присадками зі сплавів ВТ20, ВТ2, ВТ8 та ВТ3-1.
