ПРИМЕНЕНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА
ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Валерий Александрович Поклад, главный инженер ФГУП "ММПП "Салют", к.т.н.

Создание и ремонт роторных и корпусных конструкций газотурбинных двигателей осуществляется с применением различных способов сварки плавлением. Так, корпусные узлы сваривают аргонодуговой и электронно-лучевой, а роторные конструкции - электронно-лучевой сваркой.

Наиболее широко в авиационных газотурбинных двигателях применяют титановые и жаропрочные никелевые сплавы. Они обладают высокой чувствительностью к термическим деформациям, поэтому в околошовной зоне и шве могут происходить неблагоприятные изменения структуры и механических свойств, что требует применения особых режимов сварки и термической обработки. Особенно актуальной эта проблема становится при подварке и ремонте окончательно готовых деталей и узлов, обладающих высокой жесткостью.

Оболочковые конструкции из титановых сплавов типа корпуса промежуточного в первом приближении представляют собой две оболочки, соединенные между собой ребрами жесткости. Оболочки имеют большое количество кольцевых и продольных швов. При аргонодуговой сварке такого сложного узла на качество изделия влияет большое число факторов, которые в совокупности приводят к появлению в отдельных участках сварных швов внутренних трехосных напряжений, имеющих высокие градиенты в зоне сварного соединения. К таким факторам следует отнести следующие: источник нагрева, сложность формы свариваемого изделия, количество швов и их расположение, применение жесткой сборочно-сварочной оснастки для обеспечения требуемых геометрических размеров конструкции в процессе сварки и после нее, величину зазоров в стыках. Объемный характер распределения внутренних напряжений в ряде случаев сразу или в процессе эксплуатации может привести к появлению трещин. Трещины такого типа могут возникать непосредственно после сварки, а также в результате процесса замедленного разрушения после вылеживания сварных изделий.
Устранения негативного влияния объемных остаточных сварочных напряжений и процесса замедленного водородного разрушения в конструкциях из титановых сплавов добиваются, применяя неполный или полный рекристаллизационный печной отжиг. Однако не всегда удается избежать образования трещин даже после проведения такой операции. В этом случае конструкцию ремонтируют - подваривают швы в местах образования трещин. Проведение повторного печного отжига изделия после ремонта вызывает ряд трудностей, связанных прежде всего с искажением геометрии узла и "уводом" посадочных мест, что требует разработки дорогостоящей фиксирующей термической оснастки и не всегда приводит к желаемому результату.

Наиболее распространенным дефектом при изготовлении и эксплуатации корпуса является образование трещин длиной до 30 мм в сварных швах, соединяющих стойки с корпусными обечайками. В ряде случаев указанные локальные трещины могут привести к разрушению всего узла.

Для предотвращения образования холодных трещин в швах при подварке необходимо разработать эффективный способ локальной термической обработки крупногабаритных узлов корпуса из титанового сплава ВТ20. Основным видом термообработки этого сплава и его сварных соединений является низкотемпературный отжиг при температуре 600…650 °С для снятия нагартовки и уменьшения напряжений, возникающих при сварке или других процессах технологической обработки.

Выбор оптимального способа термической обработки проводился на основе исследования объемных остаточных напряжений на плоских образцах из титанового сплава ВТ20 размером 150х80х1,5 мм, сваренных аргонодуговой сваркой, до и после подварки (ремонта) с последующим локальным и печным отжигом при температуре 600…650 °С. Двенадцать датчиков (тензорезисторы с базой 3 мм) располагались около шва с двух сторон пластины. Датчики с нечетными номерами располагались со стороны корня шва, а с четными номерами - со стороны вершины.

Подварка шва осуществлялась по традиционной схеме с разделкой дефектного участка. Локальная термическая обработка электронным лучом проводилась нагревом всего места подварки до температуры 630 °С в вакуумной камере при остаточном давлении 5·10-3 Па. Размер растра пятна нагрева составлял 80 мм в длину и 20 мм в ширину. Результаты эксперимента показали, что прогрев образца на всю толщину происходил за 3…5 с. В течение 10 с происходило выравнивание температуры в зоне нагрева от поверхности до корня шва.

Минимальный уровень значений объемных остаточных напряжений в сваренных пластинах получен при общем печном отжиге в вакууме. Локальная термическая обработка электронным лучом и дугой также позволяет снизить максимальный уровень объемных остаточных растягивающих напряжений. Так, локальный электронно-лучевой отжиг снижает уровень остаточных растягивающих напряжений на 50 %, т.е. вдвое, а аргонодуговой отжиг - на 30 %.

Учитывая то, что общий печной отжиг может приводить к короблению сложных сварных конструкций ГТД (применение термофиксаторов не всегда полностью устраняет это явление), а также к нежелательному изменению качества поверхностного слоя окончательно готовых деталей, особенно при ремонте, применение локальной термической обработки электронным лучом в вакууме является весьма эффективной и экономически оправданной операцией. Проблема обостряется при сварке и ремонте роторных и корпусных конструкций из двухфазных жаропрочных титановых сплавов типа ВТ3-1, ВТ8, ВТ9 и других, так как последующая термическая обработка необходима не только для снятия остаточных напряжений, но и для стабилизации структуры металла шва, околошовной зоны и получения необходимых механических свойств. Ее решение требует проведения уже высокотемпературного отжига и упрочняющей термической обработки.