Введение к работе
Актуальность темы. Создание высокоэффективных малоразмерных газотурбинных двигателей и турбоагрегатов является актуальной задачей авиационной и ракетно-космической техники, а также других отраслей машиностроения. Детали авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) испытывают большие механические нагрузки, вибрацию, воздействие высоких температур, подвергаются газовой коррозии, истиранию, малоцикловой усталости вследствие неоднократного повторения цикла работы на взлете и при посадке. В силу этого в их конструкциях широко используются жаропрочные материалы различных классов, в частности, жаропрочные никелевые и титановые сплавы. Достигнутый уровень теплонапряженнсти рабочего процесса ГТД практически исчерпал возможности известных материалов и сплавов и требует применения новых прогрессивных конструктивных и технологических решений. Так, например, актуальной становится задача получения неразъемных соединений разнородных материалов. Одним из перспективных способов получения таких соединений является диф фуз ионная сварка в вакууме. Наиболее ярко преимущества диффузионной сварки проявляются при соединении разнородных материалов, часто обладающих ограниченной взаимной растворимостью и резко различающимися физико-м еханическим и свойствам и.
Учитывая особенности образования диффузионных соединений, необходимо создать условия, исключающие возможность образования хрупких интерметаллических прослоек в сварном стыке. Кроме того, необходимо сохранение физико-механических свойств основных материалов после форм ирования соединения. Решение указанных задач непосредственно связано с применением специальных прослоек и выбором режимов сварки.
Несмотря на накопленныйпрактическийопытподиффузионнойсварке разнородных сочетаний материалов, выбор специальных прослоек и оптимизация параметров соединения является достаточно сложной и трудоемкой задачей. На сегодняшний день сведения об условиях форм ирования
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і
БИБЛИОТЕКА !
СПетербург^Л-'J
» ОЭ TOOj акт?/* |
її . її їй і і і inr-fTir
4 соединений с прослойками и влиянии толщин прослоек на свойства сварных соединений разрознены и недостаточно изучены, что существенно затрудняет создание высокоэффективных узлов ГТД и турбоагрегатов.
Цель работы. Повышение эффект явности изготовления сварных уз лов авиационных ГТД и турбоагрегатов из разнородных материалов путем совершенствования технологии диффузионной сварки в вакууме при применении специальных прослоек.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:
проведен анализ особенностей процесса формирования диффузионных соединений из разнородных материалов и определены основные направления повышения эффективностидиффузионнойсваркиэлементов конструкций авиационных ГТД и турбоагрегатов;
разработана математическая модель диффузионногомассопереносачерез многослойные барьерные системы при сварке давлением разнородных материалов и эксплуатации сварных соединений;
предложен м етод решения краевых з адач диф фузионного м ассопереноса через многослойные барьерные системы;
исследованы закономерности формирования соединений при диффузионной сварке разнородных материалов через барьерные прослойки;
проведены комплексные исследования по оптимизации режимов диффузионной сварки разнородных материалов;
разработаны технологические процессы изготовления и ремонта биметаллических сварных роторов турбин и элементов модулей уплотнения авиационных ГТД.
А втор выносит на защиту: 1. М атем этическую м одель и м етод решения краевых задач диф фуз ионного массопереноса через многослойные барьерные системы при сварке давлением и эксплуатации сварных соединений.
Теоретически обоснованный способ выбора толщин барьерных прослоек в зависимости от заданного ресурса на основе математического моделирования процессов диффузионного массопереноса.
Результаты комплексных экспериментальных исследований по определению физико-механических характеристик диффузионных соединений из жаропрочных никелевых, титановых сплавов и конструкционных сталей.
Технологии диффузионной сварки титановых сплавов ВТЗ-1 иОТ4-1 со сталямиВНС-2и 12Х18Н1 ОТ через двойную прослойку ванадий-медь и тройную прослойку ванадий - медь - никель; жаропрочных никелевых сплавов ВЖЛ12У иЖСбК со сталямиЭИ961 и45Х через никелевую прослойку.
Технологии диффузионной сварки малоразмерных роторов турбин и элементов модулей уплотнения авиационных ГТД и турбоагрегатов. Научная новизна.
Решена важная научно-техническая задача по повышению эффективности изготовления сварных узлов авиационных ГТД и турбоагрегатов из разнородных материалов с минимальными массо-габаритными характеристиками и заданной работоспособностью в условиях эксплуатации.
Разработана математическая модель диффузионного массопереноса при сварке давлением разнородных материалов и эксплуатации изделий, учитывающая многослойность системы, различные температурно-силовые условия нагружения на этапах сварки, последующего охлаждения и эксплуатации изделия до выработки ресурса.
Предложен метод решения системы уравнений диффузии, позволяющий за счет полученного интегрального представления решения и построения специальной функции Грина находить решения краевой задачи для произвольных начальных распределений концентраций для любого количества прослоек и произвольного вида граничных условий.
Разработанный метод выбора толщин барьерных прослоек, а также комплексные экспериментальные исследования эксплуатационных свойств сварных соединений позволяют гарантировать заданный ресурс эксплуатации этих соединений.
Впервые получены результаты металлографических и прочностных исследований сварных соединенийтитановых сплавов ВТЗ-1 иОТ4-1 со сталями ВНС-2 и 12Х18Н10Т и жаропрочных никелевых сплавов ВЖЛ12У и ЖС6К со сталями ЭИ961 и45Х.
Практическая ценность.
Разработаны практические рекомендации по выбору многослойных барьерных систем для диффузионной сварки титановых сплавов ВТЗ-1 и ОТ4-1 со сталями ВНС-2 и 12Х18Н10Ти жаропрочных никелевых сплавов ВЖЛ12У иЖСбК со сталями ЭИ961 и 45Х.
Получен комплекс данных по физико-механическим свойствам (кратковрем енной и длительной прочности, терм остойкости и др.) в рабочем диапазоне температур диффузионных соединений элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов.
3.Определены оптимальные толщины барьерных прослоек и режимы диффузионнойсваркижаропрочныхникелевыхсплавовВЖЛ12У иЖСбК со сталямиЭИ961 и 45Х, титановых сплавов ВТЗ-1 иОТ4-1 со сталям и ВНС-2 и 12Х18Н10Тсоответственно. 4. Разработаны технологические процессы диффузионной сварки биметаллических роторов и элементов модулей уплотнений малоразмерных ГТД и турбоагрегатов, позволяющие снизить на 25-40% массогабаритные характеристики и на 15-35%момент инерции роторов, а также снизить в 1,5-2 раза процент брака при их изготовлении.
Реализация результатов работы. Разработанные технологические процессы диффузионной сварки в вакууме биметаллических роторов турбин малоразмерных ГТД и турбоагрегатов, элементов моделей уплотнения из титановых сплавов и сталей внедрены на предприятиях: ОАО «Люлька-
7 Сатурн» (г. Москва), ГУП СКБ «Турбина» (г. Челябинск), Корпорация ЛИТА Ltd (г. Самара), ОАО «Шар» (г. Самара).
Апробация работы. По основным результатам работы сделаны доклады на: IV Международной научно-практической конференции (МНПК) «Проблемы развития автомобилестроения в России», Тольятти, 1998; Объединенной II Международной научно-технической конференции (МНТК) «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе» и XIV МНТК «Проблемы конструкционной прочности двигателей», Самара, 1999; МНТК «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте», Самара, 1999; Всероссийской научно-практической конференции по проблемам бурового инструмента, Самара, 1999; IV МНТК «Качество машин», Брянск, 2001; МНТК «Современные материалы и технологии», Пенза, 2002; Всероссийской научно- технической конференции (ВНТК) «Сварка XXI век», Тольятти, 2002; ВНТК «Сварка на рубеже веков», Москва, 2003.
Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликованы: 8 статей и 6 тезисов докладов.
Объем работы. Диссертация содержит 142 страницы машинописного текста, 64 рисунка, 7 таблиц и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений.
