Введение

В условиях развития новых классов материалов одними из самых широко применяемых в авиастроении по-прежнему остаются алюминиевые сплавы. Жаропрочные деформируемые алюминиевые сплавы применяются в авиастроении благодаря своей легкости и комплексу необходимых эксплуатационных характеристик, таких как высокая прочность, сопротивление усталостному разрушению и коррозионным воздействиям. Для современной авиационной техники предусмотрена длительная эксплуатация (3000–6000 летных часов), при которой детали должны выдерживать циклические нагрузки, перепады температуры и атмосферное воздействие [1–3].

Сплав марки АК4-1ч.-Т1 – основной жаропрочный сплав средней прочности 430 МПа, 370 МПа), широко используемый в виде плит, листов, штамповок и применяемый в греющихся авиационных конструкциях, в том числе для изготовления деталей двигателей. Благодаря высоким значениям жаропрочности, длительной прочности и сопротивления ползучести, из сплава АК4-1 изготавливают лопатки компрессоров, крыльчатки, диски и кольца турбореактивных и турбовинтовых двигателей, поршни двигателей и другие кованые детали, работающие при повышенных температурах. Кроме того, сплав очень технологичен, что важно при изготовлении таких
сложных штамповок, как крыльчатки [4–6].

В качестве малорастворимых и практически нерастворимых легирующих элементов в сплаве АК4-1 содержится железо, никель и кремний. Сочетание относительно малолегированного твердого раствора в качестве мягкой основы и большого количества твердых частиц вторых фаз определяет хорошую сопротивляемость сплава износу. Вследствие этого сплав обладает низким коэффициентом трения и отвечает требованиям, предъявляемым к деталям двигателей, подвергаемых трению. Одним из преимуществ сплава также является низкая склонность к образованию первично кристаллизующихся фаз типа FeNiAl₉, представляющих собой грубые иглы или пластинки. Для слитков, предназначенных для штамповки деталей, разработана технология литья при температуре 720–730°С, исключающая образование грубых включений вторых фаз [7].

Большинство деталей из деформируемых алюминиевых сплавов производят путем горячей деформации – ковки и штамповки. Крыльчатки изготавливают из прессованных заготовок со степенью деформации 75–80%. Применение сложной схемы ковки, производимой в двух штампах – предварительном и окончательном после нагрева при 470–420°С, – позволяет достичь существенного улучшения структуры и механических свойств.

Термическую обработку штамповок крыльчаток вентилятора и воздухозаборников проводят по режиму: закалка после нагрева при 535±5°С и искусственное старение при 190±5°С в течение 10 ч. Данный режим обеспечивает высокие механические свойства штамповок из сплава АК4-1 при комнатной и повышенных температурах [8, 9].

Структура сплава АК4-1 существенно отличается от структуры сплавов типа дюралюмин. Из-за отсутствия марганца сплав легко рекристаллизуется при горячей деформации и последующей термической обработке, что позволяет формироваться однородной волокнистой макроструктуре. Образование разнозернистости возможно только в условиях применения малых степеней деформации и связано с малой областью критических степеней деформации ~(2–3)%. Наличие однородной структуры также обеспечивает сопоставимые механические свойства как в продольном, так и в поперечном направлении (разница ~20 МПа). Существенное отличие наблюдается лишь для относительного удлинения: в поперечном направлении его величина на 30–40% меньше, чем в продольном [10].

Важным требованием является высокий класс чистоты при механической обработке поверхности, так как риски могут оказаться концентраторами напряжений, привести к снижению эксплуатационной прочности или послужить в качестве очага разрушения. Сплав АК4-1 проявляет определенную чувствительность к концентраторам напряжений, т. е. склонность материала к разрушению увеличивается в присутствии концентратора напряжений типа надреза, резкого изменения поперечного сечения без радиуса перехода, трещины или царапины. Чем более ответственной является деталь, тем меньшая шероховатость допустима на ее поверхности. По ГОСТ 2789–59 предусматривается 14 классов чистоты поверхности, соответствующих определенным значениям шероховатости. Чем ниже численное значение шероховатости (R_а или R_z), тем выше класс чистоты поверхности [11–13].

Диагностика причин разрушения является важным процессом, позволяющим решить задачи повышения эксплуатационной надежности и долговечности конструкций и деталей машин. Плановая диагностика повреждаемости материала конструкций позволяет предотвратить возникновение аварийной ситуации и сэкономить значительные средства, так как затраты на восстановление работоспособности машин или агрегатов могут быть сопоставимы с их стоимостью [14].

В данной работе приведены результаты комплексного исследования причин и характера разрушения деталей из сплава АК4-1 – крыльчатки и лопатки колеса вентилятора.

Эксплуатация колеса вентилятора проходила в воздушной среде с давлением воздуха на входе до 0,5 МПа, при температуре воздуха 30–70°С и частоте вращения не более 40 000 об/мин. Разрушение произошло после наработки 7200 запусков.

Эксплуатация крыльчатки проходила в воздушной среде при температуре воздуха 20–60°С. Разрушение крыльчатки произошло в процессе эксплуатации после наработки 5600 запусков, в том числе 3000 запусков после проведения ремонта агрегата.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 8.4. «Высокопрочные коррозионностойкие свариваемые магниевые и литейные алюминиевые сплавы для изделий авиакосмической техники нового поколения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15].

Материалы и методы

Материалом крыльчатки и колеса вентилятора является жаропрочный деформируемый алюминиевый сплав АК4-1 в закаленном и искусственно состаренном состоянии Т1. При закалке твердый раствор фиксируется в пересыщенном состоянии, а в процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, благодаря чему сплав упрочняется.

Исследование причин и характера разрушения крыльчатки и колеса вентилятора включало следующие работы:

– проведение визуального осмотра и фотосъемки фрагментов деталей;

– проведение химического анализа на соответствие марке сплава;

– исследование макро- и микроструктуры;

– проведение механических испытаний;

– проведение фрактографического анализа;

– измерение твердости.

Анализ химического состава фрагментов крыльчатки и колеса вентилятора проводили спектральным оптико-эмиссионным методом на спектрометре Q8Magellan фирмы BRUKER QUANTRON в соответствии с требованиями ГОСТ 7727–81 «Сплавы алюминиевые. Методы спектрального анализа».

Механические испытания образцов проводили на сервогидравлической машине Walter+Bai LFV-100 согласно требованиям ГОСТ 6996–66.

Исследование поверхности и изломов деталей выполнено методом растровой электронной микроскопии на электронном микроскопе JSM-6490LV.

Подготовку металлографических шлифов осуществляли на оборудовании фирмы Struers.

Металлографические исследования проводили с применением оптического комплекса Leica, измерения твердости – на твердомере, согласно ГОСТ 9012–59 «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю».

Результаты

Разрушение крыльчатки прошло с разделением на две части по ступице (рис. 1). В ходе осмотра установлена значительная изгибная деформация лопастей, возникшая вследствие изменения конфигурации крыльчатки в процессе разрушения.

При разрушении колеса вентилятора произошел обрыв лопатки ближе к ступице (рис. 2). Сохранившиеся лопатки были деформированы в процессе разрушения.

Рис. 1. Общий вид разрушенной крыльчатки:

а – разрушение на две части; б – излом по ступице

Рис. 2. Общий вид разрушенного колеса вентилятора

Для проведения химического анализа от деталей из сплава АК4-1 отбирали монолитные образцы, поверхность которых подвергали предварительному шлифованию. По результатам проведения химического анализа получено, что состав образцов соответствует требованиям нормативной документации (ГОСТ 4784–97) по химическому составу сплава АК4-1 (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав сплава АК4-1 по результатам измерений

Примечание. Al – основа.

Для исследования макроструктуры из крыльчатки и колеса вентилятора вырезали темплеты в радиальном направлении. В ходе анализа установлено, что в колесе вентилятора макроструктура относительно однородная, размер зерен существенных отличий не имеет. В то время как в крыльчатке присутствует структурная неоднородность: в зоне ступицы наблюдается крупное зерно, а по сечению диска макроструктура – мелкозернистая и однородная (рис. 3). Крупнокристаллическая структура в зоне ступицы, вероятно, образовалась при несоблюдении технологических режимов нагрева в процессе горячей деформации, а также при возможном попадании в область критических степеней деформации для сплава АК4-1.

Рис. 3. Макроструктура темплета крыльчатки – разнозернистость

Для исследования микроструктуры из лопатки колеса вентилятора образец вырезали в поперечном сечении. Микроструктуру крыльчатки исследовали на шлифах, изготовленных из зоны ступицы и из разрушившейся лопасти, при увеличении ×200. Шлифы подвергали травлению в 0,5%-ном водном растворе плавиковой кислоты. Помимо наличия разнозернистости, каких-либо дефектов микроструктуры не выявлено. Частицы второй фазы распределены равномерно и присутствуют как по границам, так и в теле зерен (рис. 4). Следов пережога не обнаружено.

Рис. 4. Микроструктура (×200) деталей из сплава АК4-1:

а – типичная микроструктура с мелкими зернами; б – крупные зерна в ступице

Механические свойства обеих деталей определяли на образцах, вырезанных из зоны ступицы. По результатам проведенных испытаний на растяжение при комнатной температуре получено, что механические свойства образцов, изготовленных из колеса вентилятора, удовлетворяют требованиям нормативной документации (ОСТ1 90073–85). В образцах, вырезанных из крупнозернистой области крыльчатки, наблюдается снижение механических свойств и их значения соответствуют требованиям ОСТ по нижнему пределу. Результаты механических испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2

Механические свойства образцов из сплава АК4-1

В ходе проведения фрактографического анализа установлено, что излом лопасти крыльчатки имеет волокнистое строение, характерное для действия статической нагрузки. Разрушение развивалось от корыта (рис. 5, а), прошло по смешанному механизму: преимущественно внутризеренно (рис. 5, б) и по границам отдельных зерен (рис. 5, в). На поверхности зерен присутствуют мелкие ямки, свидетельствующие о
сопротивлении отрыву (рис. 5, г).

Рис. 5. Строение излома лопасти крыльчатки:

а – общий вид излома пера; б – внутризеренное разрушение, ямочный рельеф (×1000);
в – смешанный излом (×1000); г – поверхность крупного зерна (×1000)

Излом по ступице прошел в основном по впадинам шлицев. На поверхности детали вблизи излома присутствуют трещины и грубые риски от механической обработки. В изломе помимо участков, имеющих строение, типичное для однократного разрушения, имеются зоны усталостного развития трещины (рис. 6). На поверхности разрушения присутствуют участки как с медленным развитием усталости: с формированием гладких плато, тонких усталостных бороздок с шагом ≤0,38–0,5 мкм, так и участки с более быстрым развитием трещины, где усталостные бороздки перемежаются с ямками, а их шаг составляет ~1,9 мкм. Данные признаки указывают на развитие трещины при действии высоких циклических нагрузок. В зоне долома разрушение прошло с формированием типичного ямочного рельефа.

Рис. 6. Строение излома ступицы крыльчатки:

а – очаговая зона усталостной трещины; б – усталостный рельеф в зоне медленного развития трещины (×2000); в – усталостный рельеф в зоне быстрого развития трещины (×2000)

Рис. 7. Строение излома лопатки колеса вентилятора:

а – общий вид излома; б – очаг разрушения (стрелка указывает на анодированное покрытие на поверхности лопатки) (×200); в – усталостные бороздки (×500)

Разрушение лопатки колеса вентилятора произошло в месте перехода к ступице, со стороны корыта. Разрушение имеет многоочаговый, усталостный характер. Очаги разрушения связаны с неровностями поверхности. После штамповки изделие не подвергалось какой-либо механической обработке, и анодное покрытие было нанесено на шероховатую поверхность. Неровности в месте галтельного перехода послужили концентраторами напряжений, от которых развивалось разрушение. Усталостная трещина распространилась практически на все сечение детали, на поверхности усталостных плато присутствуют тонкие бороздки, что свидетельствует об отсутствии повышенных нагрузок в процессе развития разрушения (рис. 7).

Для измерения твердости изготавливали микрошлифы из фрагментов деталей (крыльчатки и колеса вентилятора). В результате замера твердости вдавливанием стального шарика с нагрузкой 1000 Н установлено, что среднее значение твердости фрагментов составляет 114 HВ, что соответствует требованиям ОСТ1 90073–85 для сплава АК4-1 (110–117 HВ).

Обсуждение и заключения

На основании проведенных исследований получены следующие результаты:

– по химическому составу материал исследованных деталей (крыльчатки и колеса вентилятора) соответствует требованиям нормативной документации на сплав АК4-1;

– макроструктурным анализом выявлена разнозернистость крыльчатки в зоне ступицы;

– микроструктура деталей соответствует сплаву АК4-1 в закаленном и состаренном состоянии;

– механические свойства крыльчатки и колеса вентилятора соответствуют требованиям нормативной документации на сплав АК4-1;

– разрушение лопатки колеса вентилятора имеет многоочаговый усталостный характер – дефекты поверхности в месте галтельного перехода послужили концентраторами напряжений, от которых развивалось усталостное разрушение;

– разрушение крыльчатки развивалось от рисок на поверхности ступицы и проходило по усталостному механизму;

– по уровню твердости (115 HВ) материал исследованных деталей соответствует требованиям нормативной документации на сплав АК4-1.

Поскольку по химическому составу, механическим свойствам и микроструктуре материал соответствует требованиям нормативной документации, для предотвращения выхода механизмов из строя рекомендовано повышать качество обработки поверхности и проводить в ходе эксплуатации периодические осмотры деталей. Для того чтобы избежать формирования крупнозернистой структуры в зоне ступицы крыльчатки, рекомендовано усиление контроля за соблюдением технологических режимов нагрева в процессе горячей деформации.

Благодарности

Авторы выражают благодарность ведущему научному сотруднику ФГУП «ВИАМ» И.П. Жегиной, чьи рабочие материалы использованы при подготовке статьи.