Совершенствование технологии диффузионной сварки узлов ГТД из разнородных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Усольцев, Андрей Львович

• Усольцев, Андрей Львович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Усольцев, Андрей Львович

Введение

Глава 1. Современное состояние вопроса по неразъемным соединениям узлов из разнородных материалов применительно к турбоагрегатам и двигателям.

1.1. Конструктивно-технологические особенности узлов ГТД из разнородных материалов

1.2. Состояние и перспективы применения диффузионной сварки в производстве узлов авиационных ГТД и турбоагрегатов

1.3. Теоретические аспекты в технологии получения соединений из разнородных материалов методом диффузионной сварки

1.4. Выводы по главе. Цель и задачи исследования

Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования процессов диффузионной сварки через специальные прослойки

2.1. Постановка математической модели процессов диффузионного массопереноса в многослойных конструкциях из разнородных материалов

2.2. Методика решения краевой задачи диффузии для трехслойной системы барьерных прослоек с нулевым начальным условием

2.3. Методика решения методом функций Грина краевой задачи диффузии для многослойной системы барьерных прослоек с произвольным начальным условием

2.4. Оборудование и методики экспериментальных исследований диффузионных процессов при контактном взаимодействии разнородных материалов через специальные прослойки

2.5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 62 Выводы по главе

Глава 3. Комплексные исследования физико-механических свойств диффузионных соединений разнородных материалов

3.1. Влияние рабочих температур на механические свойства соединений из разнородных материалов

3.2. Термостойкость диффузионных соединений разнородных материалов со специальными прослойками

3.3. Работоспособность диффузионных соединений в условиях воздействия циклических нагрузок 98 Выводы по главе

Глава 4. Разработка и внедрение технологии диффузионной сварки узлов авиационных ГТД

4.1. Технология диффузионной сварки роторов турбин малоразмерных ГТД

4.2. Технология диффузионной сварки модулей уплотнения валов авиационных ГТД

4.3. Использование результатов работы в других отраслях машиностроения

4.4. Экономическая эффективность от внедрения результатов работы

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии диффузионной сварки узлов ГТД из разнородных материалов»

В различных машиностроительных отраслях промышленности нашей страны: аэрокосмической, авиационной, автомобильной, судостроении, нефтяного и газового оборудования и других широкое распространение нашли газотурбинные двигатели (ГТД), установки и турбоагрегаты.

Повышение эксплуатационных характеристик и экономической эффективности ГТД и турбоагрегатов является одной из важных народнохозяйственных проблем в современном двигателестроении. В настоящее время отчетливо наблюдается тенденция в росте температуры сгорания топлива, в повышении мощности и коэффициента полезного действия, ресурса и экологичности двигателей. Так, например, снижение на 20-30 градусов температуры нагрева материала турбинных лопаток в процессе эксплуатации путем совершенствования систем их охлаждения приводит к росту ресурса в 3-4 раза.

Для решения этих проблем в двигателестроении широко разрабатываются и применяются новые материалы со специальными свойствами: жаропрочностью, жаростойкостью, термостойкостью, высокими усталостными и другими характеристиками. К таким материалам относятся новые жаропрочные никелевые, кобальтовые, титановые и алюминиевые сплавы, сплавы, полученные методами направленной кристаллизации, высокопрочные жаростойкие стали, композиционные материалы, керамики и т.п.

Они имеют достаточно сложный состав и структуру, обеспечивающие их специальные свойства. Для наиболее целенаправленного использования этих свойств в условиях эксплуатации элементы конструкций ГТД и турбоагрегатов целесообразно изготавливать составными из однородных и разнородных сочетаний материалов. При этом в наиболее полной мере реализуются достоинства каждого из используемых материалов, что позволяет решать целый ряд новых конструкторских и технологических задач.

Однако получение высокопрочных соединений из таких материалов связано с рядом принципиальных трудностей. Сварка плавлением этих материалов осложнена прежде всего тем, что при их расплавлении происходят необратимые структурные изменения, появление и развитие горячих и холодных трещин, выгорание легирующих элементов, что резко ухудшает физико-механические свойства соединения. Поэтому перспективным направлением является применение способов диффузионного соединения элементов конструкций ГТД и турбоагрегатов, например, диффузионной сварки в вакууме (ДСВ).

Получение сварных соединений представляет собой процесс, сопровождающийся сложными и многообразными явлениями, происходящий на границе соединяемых материалов. При этом во многих случаях важной проблемой является целенаправленное регулирование этими процессами путем применения специальных прослоек. Многие теоретические вопросы диффузионной сварки разнородных материалов являются общими для всех способов сварки давлением, осуществляемым в условиях совместной пластической деформации соединяемых поверхностей.

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 формирования соединения. Решение указанных задач непосредственно связано с оптимизацией основных параметров сварки и применением специальных прослоек различного назначения.

1. Современное состояние вопроса по неразъемным соединениям узлов из разнородных материалов применительно к турбоагрегатам и двигателям. Цель и задачи исследования.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Усольцев, Андрей Львович

Общие выводы по работе

1. Решена важная научно-техническая задача повышения эффективности изготовления сварных узлов малоразмерных авиационных ГТД из разнородных материалов с минимальными массо-габаритными характеристиками, высокой работоспособностью в условиях эксплуатации.

2. 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.

3. Разработанный теоретически обоснованный метод выбора толщин барьерных прослоек, а также комплексные экспериментальные исследования эксплуатационных свойств сварных соединений позволяют гарантировать заданный ресурс эксплуатации этих соединений.

4. На основании теоретических и экспериментальных исследований выбраны толщины специальных прослоек и установлены оптимальные диапазоны изменения основных параметров процесса диффузионной сварки.

5. Исследованы физико-механические свойства сварных соединений жаропрочных никелевых и титановых сплавов со сталями.

6. Разработаны технологические процессы диффузионной сварки роторов малоразмерных турбин ГТД и турбоагрегатов, а также технологический процесс получения сварных элементов модулей уплотнений ГТД. Разработанные и внедренные технологические процессы диффузионного соединения позволили снизить на 25-40% массогабаритные характеристики и на 15-35% момент инерции роторов турбин малоразмерных ГТД и турбоагрегатов, в 1,5-2 раза снизить процент брака при их изготовлении. Разработаны технологии восстановления узлов ГТД, позволяющие повысить ресурс изделия в 2 - 3 раза.

7. Разработаны технологии диффузионного соединения применительно к изготовлению технологической оснастки, используемой при изготовлении литьевых форм для пластмассовых сепараторов шарико- и роликоподшипников.

8. Технологические процессы диффузионной сварки узлов ГТД внедрены на ГУП СКБ «Турбина» (г. Челябинск), Корпорация ЛИТА Ltd (г. Самара), ОАО «Шар» (г. Самара). Экономический эффект от внедрения технологических разработок только в СКБ «Турбина» составил 162 тыс. руб. в ценах 2002 года.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Усольцев, Андрей Львович, 2003 год

1. Айнбиндер С. Б. Исследование трения и сцепления твердых тел. Рига: АНЛатв. ССР, 1966.

2. Айнбиндер С. Б. О площади контакта между трущимися телами. -Известия АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение, 1962, №6.

3. Айнбиндер С. Б. Холодная сварка. Рига: АН Латв. ССР, 1957.

4. Алексеев Н. М. Металлические покрытия опор скольжения. М.: Наука, 1973.-73 с.

5. Бакши О. А., Шрон Р. 3. О расчетной оценке прочности сварных соединений с мягкой прослойкой // Сварочное производство. 1971, №3.

6. Бакши О. А., Шрон Р. 3. Прочность при статическом растяжении сварного соединения с мягкой прослойкой // Сварочное производство. 1962, №5.

7. Барвинок В. А., Бордаков П. А., Усольцев А. Л. Математическое моделирование диффузионных процессов при соединении титановых сплавов со сталями. / Проблемы машиностроения и автоматизации. — 2002, №2, с.56 60.

8. Барвинок В. А., Бордаков П. А., Демичев С. Ф. Закономерности статического трения в условиях формирования сварных соединений изразнородных материалов // Проблемы машиностроения и автоматизации. 1994г., №3-4, С. 46 -49.

9. Барвинок В. А., Бордаков П. А., Демичев С. Ф. Механика контактного взаимодействия при диффузионном соединении разнородных материалов в вакууме. — М.: Международный центр научной и технической информации, 1997.-72 с.

10. Березлев В. Ф. и др. Методика исследования термической усталости жаропрочных материалов в условиях радиационного нагрева. В сб. «Труды Киевского института инженеров гражданской авиации». Киев, 1971. вып. I. С. 102- 106.

11. Биметаллические соединения/ К. Е. Чарухина, С. А. Голованенко, В. А. Мастеров, Н. Ф. Казаков. — М.: Металлургия, 1970. 280 с.

12. Болтакс Б. И. Диффузия в полупроводниках. М., Физматгиз, 1961.

13. Бордаков П. А. Разработка научных основ повышения эффективности технологий диффузионного соединения элементов конструкций газотурбинных двигателей и турбоагрегатов. Дис. док. техн. наук. — Самара, 2001.-373 с.

14. Бордаков П. А., Самородов Д. В., Гришин И. С., Прохоров А. А. Выбор режимов сварки валов из стали ЭИ 961 с роторами газотурбинного двигателя из сплава ВЖЛ12У // Автоматическая сварка. 1979, №7.

15. Бордаков П. А., Самородов Д. В., Малышев О. И. Армирование контактных поверхностей лопаток ГТД методом диффузионной сварки в вакууме// Тез. докл. VIII ВНТК по диффузионному соединению металлических и неметаллических материалов. — М., 1977, с. 17—18.

16. Бордаков П. А., Усольцев А. Л., Тур А. А., Студенников О. В. Особенности выбора промежуточных прослоек при диффузионной сварке металлокерамических узлов авиационных ГТД. / Тез. докл. объединенной II

17. МНТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе» и XIV МНТК «Проблемы конструкционной прочности двигателей». -Самара: СГАУ, 1999, с. 181.

18. Браун А. Г., Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка за рубежом // Автоматическая сварка. 1984, №11. — С. 50 54.

19. Быковский О. Г., Рябов В. Р. Проблемы сварки титана со сталью // Автоматическая сварка. 1984, №4.

20. Гельман А. А. Диффузионная сварка титана (Обзор зарубежной литературы за 1981 1986 г.г.) // Сварочное производство. 1987, №12. С. 39 -41.

21. Герцрикен С. Д., Дехтяр И. Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М.: Гос. издат. физико-математической литературы, 1960. — 564с.

22. Гриднев В. Н. и др. Структурные изменения при нестационарном нагреве сопловых лопаток из литейного жаропрочного сплава на никелевойоснове. В сб.: «Вопросы физики металлов и металловедение», Киев, АН УССР, 1963, №17, с. 110.

23. Губкин С. И. Теория обработки металлов давлением. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы черной и цветной металлургии, 1947. - 532 с.

24. Демичев С. Ф. Исследование процесса и разработка технологии изготовления узлов авиационных ГТД из разнородных материалов методом диффузионной сварки в вакууме. Дис. канд. техн. наук. — Самара, 2000. — 227 с.

25. Демичев С.Ф., Усольцев А.Л., Бордаков Д.П. Диффузионная сварка осесимметричных узлов малогабаритных газотурбинных двигателей / Тез. докл. Всероссийской с международным участием конференции «Сварка на рубеже веков». М., 2003.

26. Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под ред. Н. Ф. Казакова. М.: Машиностроение, 1981.-271 с.

27. Диффузионная сварка титановых лопаток авиадвигателей / Г. К. Харченко, В. П. Гуриенко, Ю. Н. Коваленко, А. Н. Аржакин, В. П. Каменев // Всес. конф. по сварке цветных металлов, Мариуполь, 4 — 7 сентября, 1990 г.: Тез. докл. Киев, 1990. - 23 с.

28. Изготовление основных деталей авиадвигателей / М. И. Евстигнеев, И. А. Морозов, А. В. Подзей, А. М. Сулима, И. С. Цуканов. М.: Машиностроение, 1972. - 448 с.

29. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. — М.: Машиностроение, 1976. 312 с.

30. Казаков Н. Ф. Диффузионное соединение материалов (обзор) II Автоматическая сварка. 1982, №6. — С. 42 — 46.

31. Каракозов Э. С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986.-280 с.

32. Каракозов Э. С. Соединение металлов в твердой фазе. — М.: Металлургия, 1976. 264 с.

33. Качанов JI. М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. — 420 с.

34. Кинасошвили Р. С. Ускоренные испытания деталей и узлов двигателей на прочность. "Изв. АН СССР", ОНТИ. 1959, № 3, с. 65.

35. Копылов Ю. Н., Бордаков П. А., Гришин И. С. Диффузионная сварка жаропрочных сплавов применительно к узлам авиационных ГТД // Авиационная промышленность, 1977, № 12,— с. 15 — 17.

36. Короткое М. А. Влияние трения при сдвиге на механические и электрические свойства контакта металлов. Дис. канд. техн. наук. — Калинин, 1973.- 178 с.

37. Костецкий Б. И., Ивженко И. П. Дислокационная модель процесса холодной сварки металлов. Автоматическая сварка, 1964, №5.

38. Костецкий Б. И. Структура и поверхностная прочность материалов при трении // Проблемы прочности, 1981, №3. С. 90 - 98.

39. Костецкий Б. И., Натансон М. Э., Бершадский Л. И. Механо-химические процессы при граничном трении. — М.: Наука, 1972. — 171 с.

40. Кочергин К. А. Сварка давлением. Л.: Машиностроение, 1972. - 216 с.

41. Красулин Ю. Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе. Известие АН СССР, М.: Наука, 1970. - 119 с.

42. Красулин Ю. Л., Назаров Г. В. Микросварка давлением. — М.: Металлургия, 1976. 160 с.

43. Кудинов Г. М., Любов Б. Я., Шмаков В. А. Кинетика роста слоя новой фазы в трехкомпонентной системе. — В сб. «Диффузионные процессы в металлах». Тула, 1977. с.64 - 68.

44. Лариков Л. Н., Рябов В. Р., Фальченко В. М. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке. М.: Машиностроение, 1975. — 192 с.

45. Лашко Н. Ф., Лашко-Авакян С. В. Металловедение сварки. — М. — Л.: ГИФМЛ, 1963.-312 с.

46. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: «Высш. Школа», 1966. — 600с.

47. Любов Б. А. Диффузионные процессы в неоднородных твердых телах. -М.: Наука, 1987.-296 с.

48. Любов Б. Я. Кинетическая теория фазовых превращений. М.: Металлургия, 1969.

49. Макушок Е. М. Механика трения. Минск: Наука и техника, 1974. -256 с.

50. Макушок Е. М., Калиновская Т. В., Белый А. В. Массоперенос в процессах трения. Минск: Наука и техника, 1978. — 272 с.

51. Малинин H. Н., Батанова О. А. Теория пластичности материалов различно сопротивляющихся растяжению-сжатию //. Известия ВУЗов. Авиационная техника, 1979, №12. С. 9 - 14.

52. Материалы и технологии в аэрокосмической промышленности / Materials and manufacturing in aerospace / clementson DrA / Adv. Mater. Mtechnol. Jut. 1990 г.-London, 1989.-C. 115-120.

53. Меламедов H. M. Физические основы надежности. Л:, «Энергия», 1970. 152 с.

54. Муратов Л. В. Энергия разрушения при циклических и статических нагрузках // Прочность металлов при переменных нагрузках. — М.: Издательство АН СССР, 1983. С. 111 - 118.

55. Мусин Р. А., Анциферов В. Н., Квасницкий В. Ф. Диффузионная сварка жаропрочных сплавов. — М.: Металлургия, 1979. — 207 с.71 ) Никитин А. Н. Технология сборки двигателей летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1982.-269 с.

56. Одинг И. А. Допускамые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М.: Мошгиз, 1962. 322 с.

57. Особенности сварки в твердом состоянии деталей и узлов летательных аппаратов из разнородных материалов: Учебное пособие / Л. А. Дударь. -Куйбышев: КуАИ, 1988. 64 с.

58. Особенности сварки в твердом состоянии деталей и узлов летательных аппаратов из разнородных материалов: Учебное пособие / Л. А. Дударь. — Куйбышев: КуАИ, 1988. 64 с.

59. Петрунин И. Е., Лоцманов С. Н., Николаев Г. А. Пайка металлов. М.: Металлургия, 1973.-273 с.

60. Применение диффузионных соединений в промышленности Японии. Сообщение 2. Applications of diffusion joning in inducstries in Japan. 2nd rept./ Techn. Comm. Diffus. Join and Braz. Jap. Weld SOc. S.I., 1990. - 53 c.

61. Производство высокотемпературных литых лопаток авиационных ГТД / Под ред. С. И. Яцыка. М.: Машиностроение, 1995. — 256 с.

62. Пустыльник Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968, 238 с.

63. Рыжов Э. В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. — 193 с.

64. Сафонов А. И., Квасницкий В. Ф. Исследование чувствительности к теплосменам соединений, выполненных сваркой плавлением, пайкой и диффузионной сваркой в вакууме. В сб. «Труды Николаевского Кораблестроительного института». 1970, вып. 36, с. 85 — 91.

65. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. T.I. Свариваемость материалов. Справ, изд. / Под. ред. Э. Л. Макарова. М.: Машиностроение, 1991.-528 с.

66. Семенов А. П. Схватывание металлов. М.: Машгиз, 1958.

67. Семенов А. П. Исследование схватывания металлов при совместном пластическом деформировании. — М.: АН СССР, 1953. — 120 с.

68. Стрелецкий Н. С. Основы статистического учета коэффициента запаса прочности сооружений. М., Стройиздат, 1947. 151 с.

69. Строение и свойства авиационных материалов: Учебник для вузов / А. Ф. Белов, Г. П. Бенедиктова, А. С. Висков и др. Под. ред. акад. Белова А. Ф., докт. техн. наук, проф. Никоненко В. В. — М.: Металлургия, 1989. — 368 с.

70. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. -М.: «Наука», 1972. 736с.

71. Уманский Я. С., Сакаев Ю. А. Физика металлов. Атомное строение металлов и сплавов: Учебник для вузов. — М.: Атомиздат, 1978. — 352с.

72. Усольцев A. JI. Выбор промежуточных прослоек при сварке давлением титановых сплавов со сталями / Современные материалы и технологии — 2002. Сб. статей МНТК. Пенза, 2002.

73. Усольцев A. JT. Диффузионная сварка титановых сплавов с конструкционными сталями / Труды Всероссийской конференции «Сварка XXI век» Тольятти: ТГУ, с.168 - 170.

74. Фетисов Г. П. Сварка и пайка в авиационной промышленности: Учеб. пособие для авиационных вузов. — М.: Машиностроение, 1983. — 216с.

75. Харченко Г. К., Гуриенко В. П., Коваленко Ю. Н., Аржакин А. Н., Каменев В. П. Диффузионная сварка титановых лопаток авиадвигателей //

76. Достижения и перспективы развития диффузионной сварки»: Тез. докл. XIII Всесоюзной научно-технической конференции 24 — 26 января 1991 г., Москва.

77. Цейтлин В. И. Выбор материалов для деталей ДЛА: Методические указания к курсовому и дипломному. — Куйбышев: КуАИ, 1984. — 28 с.

78. Чарухина К. Е., Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка в вакууме разнородных металлов. Л.: ЛДНТП, 1964. - 24 с.

79. Чудин В. Н., Тимохов А. П., Терентьев М. Мм Сергеев А. В. Диффузионная сварка пустотелых конструкций из листовых высокопрочных алюминиевых сплавов // Сварочное производство, 1992, №10. с. 5 - 7.

80. Шевченко А. С. Исследование трения при переходе от покоя к скольжению с учетом свойств окисных пленок. Дис. канд. техн. наук. — Калинин, 1979.- 187 с.

81. Шоршоров М. X., Каракозов Э. С. Расчеты режимов сварки давлением. Л., изд. ЛДНТП, 1969. 31 с.

82. Шрон Р. 3., Бакши О. А. К вопросу об оценке прочности сварных соединений с мягкой прослойкой // Сварочное производство, 1962, №9, с. 11 — 14.

83. Bufflngton F.S., Hirano К. Cohen M.J. Self-diffusion In Iron // Acta Met. -1961 V. 9.-N5.- P. 434-439.

84. Cocks L.F. Surface Oxide Films in intermetallice Contacts. — Nature, v. 170, №4318, 1952.

85. Fischer R. L., Losco E. F., Lustman B. Phase transformation bounding of metal members. Westinghouse Electric Corpor. Patent. USA № 3025592,1962.

86. Jacques F. J. Soudage par diffusion. Techn. mod., 1971, №10, p. 359 -362.

87. Keller D. V. The analysis of metallic adhesion date. «Adhes. or Cold Weld. Mater. Spase Environ, Philadelphia, 1967.

88. Parks J.M. Recrystallization Welding-Welding J. 1953, v. 32, №5, p. 209.

89. Perona G., Sesini R., Nicodemi W. Diffusionsionsschweissung von Titan mit Stahl. -Z. Metallk., 1967, №2, S. 125 128.