И технологические особенности производства ГТД

Тема 1. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ

Лекция 1

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД

ЛИТЕРАТУРА:

1. Елисеев Ю.С., Бойцов А.Г. и др. Технология производства авиационных ГТД. М: Машиностроение, 2003 г.

2. Демин Ф.И., Проничев Н.Д. и др. Технология изготовления основных деталей ГТД. М: Машиностроение, 2002 г.

Организационные особенности:

- сравнительно частая смена объекта производства;

- серийность производства.

Конструкционные особенности:

- средние габаритные размеры изделий;

- сложность формы и тонкостенность деталей;

- высокая точность деталей и ГТД в целом;

- широкое применение жаропрочных сплавов;

- применение жаропрочных и спец. покрытий для деталей, работающих в горячей части двигателя;

- высокие требования к физико-механическим свойствам материалов;

- применение моноколес (конструкция - BLISC) для компрессора.

Технологические особенности:

а) в производстве заготовок:

- применение даже при малых масштабах производства заготовительных процессов, обеспечивающих определенное направление волокон материала и определенную степень его деформации (горячая штамповка, изотермическая штамповка, изотермическая раскатка и др.);

- широкое применение методов точного литья;

- применение новейших материалосберегающих технологий (горячее изостатическое прессование);

- применение новых ТП получения керамических материалов для сложных узлов и деталей высокотемпературного тракта газовых турбин ГТУ;

- широкое применение прогрессивных технологий раскроя и резки материалов (лазерная и струйно-абразивная резка листового материала, плазменная резка);

- применение прогрессивных технологий сварки (электронно-лучевая сварка, сварка трением, лазерная сварка);

- применение особых видов контроля;

б) в ТП термической обработки:

- применение термической и химикотермической обработки почти для всех деталей с целью обеспечения требуемого высокого качества;

- физико-химическое модифицирование поверхностей деталей (целенаправленное изменение структуры материала в тонких поверхностных слоях вследствие физического воздействия ионными и электронными пучками, низкотемпературной и высокотемпературной плазмой, электрическим разрядом и др. или химического воздействия, приводящего к образованию на поверхности слоев химических соединений на основе базового материала: оксидирование, фосфатирование, плазменное нитрирование и др.).

в) в ТП размерной обработки:

- особое внимание выбору баз с целью обеспечения требуемой точности;

- тщательная обработка даже не сопряженных поверхностей деталей с целью повышения усталостной прочности и коррозионной стойкости деталей;

- обработка ответственных поверхностей деталей в несколько стадий (черновая, чистовая, отделочная) с целью обеспечения требуемой точности;

- широкое применение электрофизических методов и электрохимической обработки;

- применение различных покрытий и пленок с целью улучшения эксплуатационных свойств деталей;

- широкое применение методов ППД деталей;

- высокие требования к выходному контролю деталей (все ответственные детали подвергаются 100% контролю);

- применение ИПИ (CALS) - технологий – информационной поддержки изделий на всем его жизненном цикле: от проектирования до утилизации изделия.

Тема 2. МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ ГТД

2.1. Требования к материалам деталей

Прогресс в создании и совершенствовании газотурбинных двигателей в значительной мере определяется достижениями в области разработки эффективных материалов для деталей.

Основными требованиями к материалам, используемым для изготовления деталей ГТД, являются:

- высокая прочность, жаропрочность и жаростойкость,

- сопротивление коррозии,

- стабильность механических свойств,

- хорошая обрабатываемость современными методами заготовительного производства, размерной обработки, сварки и т.д.

Новым поколениям авиационных ГТД необходимы материалы:

- с рабочей температурой до 2000 °С (для горячей части ГТД),

- коэффициентом температурного расширения, близким к нулю,

- ресурсом работы в сильно окислительной атмосфере до 1000 и более часов.

Основными материалами, исполь­зуемыми в настоящее время для изготовления ГТД, являются:

- высоко­прочные стали,

- титановые сплавы,

- сплавы на никелевой основе.

Остальные материалы (алюминиевые сплавы, полимерные композиционные материалы и др.) применяются значительно в меньшей степени.

Выбор конкретного материала для деталей ГТД зависит от условий их работы (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Применение материалов для деталей ГТД

№ п/п	Наименование материала	Марка материала	Рабочая Tmax , °С	Коэф. обраба-тывае-мости	Назначение
	Теплостойкие стали	12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 20Х3МВФХ5М	до 550	0,8	Шестерни, валы, цапфы, муфты
	Нержавеющие (Cr ≥12%) высокохро-мистые стали	12Х18Н9, 08Х17Н5М3 и др.	до 580	0,5	Детали крепежа, в качестве листовых материалов и др.
	Жаростойкие и жаропрочные хромоникелевые и хромоникелемарган-цовистые стали	ЭИ835, 15Х12Н2М2ВФАБ и др.	до 650	0,3	Лопатки, диски и валы компрессора, детали крепежа
	Жаропрочные: а) деформируемые сплавы; б) литейные сплавы	ХН77ТЮ, ЭИ827, Х20Н80Т ЖС6К, ВЖ32-Л2	до 900   до 1000	0,1   0,1	Лопатки и диски турбины, основная и форсажная камеры сгорания
	Титановые сплавы	ВТ6	50-350	0.1	Диски, лопатки и детали статора вентилятора КНД
ВТ8-1, ВТ8М-1	300-500		Диски и лопатки ротора КНД
ВТ25У	450-550		Диски и лопатки ротора КВД
ВТ18У	550-600		Лопатки ротора КВД
	Тугоплавкие металлы и сплавы	W, Nb, Ta, Mo, Be	≥1000	0,1…0,3	Детали горячей части ГТД

2.2. Особенности используемых материалов

Коротко остановимся на основных свойствах групп материалов, применяемых для ГТД.

1. Сталями называют сплавы железа, содержащие до 2,06 % углерода. В ГТД в основном используются легированные стала с σ_B>900 МПа.

2. Титановые сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, которые обладают:

- высокой прочностью;

- низкой плотностью (4,51 г/см³), которая в 1,75 и 1,97 раза меньше плотности Fe и Ni соответственно;

- коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред (азотная и серная кислота, царская водка, сереводород, морская вода и др.);

- значительным содержанием в земной коре.

Недостатками титановых сплавов явл.:

- активное взаимодействие с газами при повышенных температурах (начиная с 400 ˚С титан активно растворяет кислород, что приводит к увеличению его хрупкости и потере термической стабильности);

- водородная хрупкость, которая проявляется при ударных и длительных ударных нагрузках;

- низкие антифрикционные свойства и износостойкость сопряженных поверхностей (схватывание и задиры наблюдаются при небольших контактных нагрузках);

- низкий модуль упругости (почти в 2 раза меньше модуля упругости стали), что ограничивает их применение в конструкциях, требующих высокой жесткости.

3. Сплавы на никелевой основе (жаропрочные сплавы):

Особенности жаропрочных сплавов:

- сохраняют высокую прочность при температурах выше 650 °С;

- имеют хорошую жаростойкость (стойкость к окислению при повышенной температуре).

3.1. Поликристаллические никелевые сплавы эксплуатируются при темпе­ратурах порядка 850° С, что составляет чуть больше, чем 0,7 от темпера­туры плавления (1280 °С).

3.2.Сплавы направленной кристаллизации работают при температуре 1050 °С, что составляет 0,9 от температуры плавления.

3.3. Суперсплавы на никелевой основе, имеющие сложную систему легирования (Со, W, Cr, А1, Та, Ti, Hf и др) применяют для вращающихся деталей турбины, т.к. обладают высокой жаростойкостью и высоким сопротивлением ползучести.

4. Интерметаллидные сплавы

Интерметаллиды - химические соединения металлов занимают по своей структуре промежуточное положение между металлами и керамикой и имеют уникальные физико-механические свойства:

- низкая плотность – 3,76 г/см, что на 45... 55 % меньше плотности нике­левых сплавов,

- высокий модуль упругости 176 ГПа (никелевые сплавы - 206 ГПа),

- высокая температура жаростойкости - T_max 1038 °С (никелевые сплавы - T_max 1093).

Интерметаллиды титан-алюминий (TiAl), представляют значительный интерес с целью замены применяемых в настоящее время никелевых спла­вов, работающих в интервале температур 600... 800 °С.

Их планируетсяиспользовать для:

- лопаток турбины низко­го давления,

- компонентов сопла,

- деталей корпусов сверхзвуковых двига­телей (NASA Glenn Research Center). Недостатком TiAl является низкая пластичность при ком­натной температуре. Эта проблема решается дополнительным легирова­нием, в частности Nb.

В настоящее время разра­батываются способы защиты поверхностей деталей от окисления.

Следует отметить, что стоимость интерметаллидных сплавов системы TiAl в 1,5 раза выше, чем современных никелевых сплавов.

Дата добавления: 2014-01-07