Введение

  Работа газотурбинного двигателя (ГТД) сопровождается вибрацией, неизбежной для машин с быстро вращающимися роторами. Повышенная вибрация может привести к выходу из строя двигателя вследствие поломки лопаток, валов, опор, элементов подвески, агрегатов, трубопроводов и т. д. Вибрация двигателя опасна также с точки зрения прочности летательного аппарата. Повышенный уровень вибраций часто становится причиной отбраковки двигателей при испытаниях и досрочного прекращения их эксплуатации [1].

    Предотвращение усталостных поломок лопаток турбомашин, связанных с повышенным уровнем вибраций, представляет важную задачу двигателестроения. Уменьшение уровня переменных вибронапряжений обеспечивает надежную работу двигателя и увеличение его ресурса, однако значительное снижение напряжений может быть несовместимо с требованиями к другим характеристиками двигателя или привести к значительному утяжелению конструкции, поэтому необходимо поддерживать переменные напряжения на допустимом уровне. Для достижения указанной цели выполняются различные мероприятия, в частности, частотная отстройка от резонансов и увеличение конструкционного демпфирования в системе. Провести полную отстройку от резонансных режимов в диапазоне рабочих оборотов часто не представляется возможным, поэтому увеличение конструкционного демпфирования лопаток турбомашин является актуальной научно-технической задачей [2].

    В условиях, где использование демпфирующих элементов затруднительно или не представляется возможным, для снижения переменных напряжений можно использовать специальные демпфирующие покрытия [3, 4]. В качестве демпфирующих рассматриваются покрытия, которые можно наносить вакуумно-плазменной технологией высоких энергий (ВПТВЭ), широко используемой на предприятиях авиационного двигателестроения для нанесения защитных и упрочняющих покрытий на детали и лопатки авиационных ГТД. Покрытия по этой технологии наносят на промышленных ионно-плазменных установках типа МАП-1, МАП-2 и МАП-3. В этих установках используется вакуумно-дуговой способ генерации плазмы материала трубного катода с формированием радиального плазменного потока. Покрытие осаждают из плазменного потока материала покрытия при высоких и управляемых энергиях частиц. Трубные катоды заданного химического состава выплавляют в вакуумно-индукционных печах с заливкой расплава в специальную графитовую форму [5–10].

    Статья посвящена исследованию эффективности работы ионно-плазменных покрытий на основе чистых металлов по снижению амплитуды колебаний свободного конца образцов из титанового сплава ВТ6 при испытаниях на вибродинамическом стенде в условиях резонанса по первой изгибной форме.

Материалы и методы

    Для исследований изготовлены модельные образцы из титанового сплава ВТ6 толщиной 3 мм [11]. Для подготовки поверхности образцов использовали круговой вибратор фирмы Rosler. Этот тип обработки применяли для придания поверхности образцов титанового сплава ВТ6 заданной шероховатости, а также с целью создания в поверхностном слое сжимающих напряжений [12]. Нанесение покрытий осуществлялось на ионно-плазменной установке МАП-3 с автоматизированной системой управления технологическим процессом согласно ПИ 1.2.620–2002. Оценку эффективности работы ионно-плазменных покрытий проводили на вибродинамическом стенде ETS Solution MPA 403-M124M в условиях резонанса по первой изгибной форме при температуре 20°С согласноASTM E 756–05.

Результаты

    Одним из важных этапов перед нанесением ионно-плазменных покрытий является подготовка поверхности образцов. В качестве предварительной обработки поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 была выбрана виброгалтовка (ВГ) на круговом вибраторе фирмы Rosler в течение 6 ч при амплитуде колебаний 5 мм с последующей промывкой в щелочном растворе и сушкой сжатым воздухом [13].

Проведение испытаний по определению демпфирующих характеристик покрытий

на образцах из титанового сплава ВТ6

    Для определения демпфирующих характеристик исследовали плоские образцы из титанового сплава ВТ6 толщиной 3 мм без покрытий и с ионно-плазменными покрытиями, осажденными по режиму: ток вакуумной дуги 500 А, напряжение смещения 10–15 В. Продолжительность осаждения рассчитывалась в зависимости от скорости испарения конкретного материала таким образом, чтобы обеспечить привес по массе покрытия в среднем 60 г/м². При выбранных режимах осаждения температура ионного и радиационного нагрева  титановых образцов не превышала 400°С, что предохраняло сплав ВТ6 от разупрочнения [14]. Характеристики покрытий  на титановом сплаве ВТ6 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики покрытий на образцах из титанового сплава ВТ6

    Ионно-плазменные покрытия на основе чистых металлов, осажденные по режимам, обеспечивающим привес по массе 60 г/м², необходимы для изучения зависимости влияния материала ионно-плазменного покрытия на демпфирующую способность. Толщина покрытий была неодинаковой из-за разницы в параметрах осаждения, зависящих от физических свойств, в частности – от плотности материала распыляемого катода. При осаждении покрытий главным контролируемым параметром была рабочая температура (400°C) на образцах титанового сплава ВТ6 [15–20].

    Стабильные условия испытаний на вибростенде ETS Solution MPA 403-M124M обеспечивались затяжкой прижимного винта оснастки с крутящим моментом 200 Н·м. Управляющий акселерометр Dytran 3225F2 закреплялся на фланец основания оснастки (в месте крепления к вибростолу). Регистрацию колебаний образцов производили с помощью оптического датчика Riftek RF603. Возбуждение колебаний образцов производилось с помощью модуля Resonance Search программы Vibration View контроллера Vibration Research 8500 [21–24].

    Внешний вид вибростенда ETS Solution MPA 403-M124M с закрепленным в оснастке образцом представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид вибростенда ETS Solution MPA 403-M124M с закрепленным образцом в оснастке

    Для проведения испытаний по определению эффективности работы ионно-плазменных покрытий в настройках управляющей программы контроллера Vibratio
Research 8500 выбран профиль испытаний Resonance Search. Испытания проводили при одинаковых амплитудах колебаний вибростола, эквивалентных трем уровням напряжений: 30, 50 и 70 МПа (для образца без покрытия). Образец жестко зажимался одним концом в специальной оснастке. В результате испытаний получены амплитудно-частотные характеристики (АХЧ) на резонансных частотах.

    Следует отметить, что эффективность работы ионно-плазменных покрытий возможно определять по добротности, без вычисления декрементов затухания колебаний по экспериментальным амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ).

    Результаты испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 с покрытиями и без них при 20°С, для трех уровней напряжений при одинаковых амплитудах вибростола представлены в табл. 2–4.

Таблица 2

Параметры испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 с ионно-плазменными

покрытиями и без них (при одинаковой мощности для напряжения

в опасном сечении образца без покрытия 30 МПа)

Таблица 3

Параметры испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 с ионно-плазменными

покрытиями и без них (при одинаковой мощности для напряжения

в опасном сечении образца без покрытия 50 МПа)

Таблица 4

Параметры испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 с ионно-плазменными

покрытиями и без них (при одинаковой мощности для напряжения

в опасном сечении образца без покрытия 70 МПа)

    По результатам испытаний установлено, что (согласно параметру Q) высокую эффективность работы показало покрытие из алюминия (по сравнению с другими покрытиями) при выбранных уровнях напряжений в опасном сечении образцов – у данного покрытия показатель добротности самый низкий.

    Зависимость амплитуды свободного конца образца от напряжения в опасном сечении представлена на рис. 2. Видно, что наилучшими показателями обладает покрытие из алюминия, которое снижает амплитуду свободного конца образца в среднем на 20% относительно образца без покрытия, при этом напряжение в опасном сечении понижается на 10 МПа.

Рис. 2. Зависимость амплитуды свободного конца образцов из титанового сплава ВТ6 без покрытия и с покрытиями на основе чистых металлов от напряжения в опасном сечении:

● – без покрытия; ● – Ni; ● – Zr; ● – Ti; ● – Al; ● – Cr; ● – Cu

    Полученные данные подтверждают результаты испытания по определению демпфирующей способности, но, в данном случае, испытания на эффективность работы ионно-плазменных покрытий позволяют в более краткие сроки выбрать покрытие с лучшими демпфирующими характеристиками.

Обсуждение и заключения

    Показана возможность применения ионно-плазменных покрытий, нанесенных по вакуумно-плазменной технологии высоких энергий, для снижения амплитуды колебаний свободного конца образцов из титанового сплава ВТ6.

    В качестве технологической операции по подготовке поверхности образцов выбрана виброгалтовка (ВГ) на круговом вибраторе фирмы Rosler в течение 6 ч при амплитуде колебаний 5 мм с последующей промывкой в щелочном растворе и сушкой сжатым воздухом.

    Определены расчетные толщины нанесенных экспериментальных  демпфирующих покрытий, которые составили (в среднем) от 2 до 16 мкм, что эквивалентно удельному изменению массы покрытия в диапазоне 19–73 г/м².

    Исследована эффективность ионно-плазменных покрытий при испытаниях на демпфирующую способность на вибростенде ETS Solution MPA 403-M124M. Показана возможность определения эффективности работы покрытий по снижению амплитуды свободного конца образца и добротности (Q-фактор). По результатам испытаний установлено, что наилучшие показатели по снижению амплитуды колебаний свободного конца образца имеет покрытие из алюминия, обладающее также самой низкой добротностью, по сравнению с образцами из титанового сплава ВТ6 с другими покрытиями на основе чистых металлов.