В работе рассмотрен вопрос влияния среднего размера зерна на комплекс прочностных характеристик диска турбины газотурбинного двигателя из сплава Inconel 718. Для конструктивно-подобного элемента в условиях стационарного режима работы двигателя поставлена и решена начально-краевая задача по определению полей температуры, деформаций и напряжений. Примененная модель материала позволяет учесть зависимость усталостных свойств и предела пластичности материала от среднего размера зерна. Проведен ряд численных экспериментов, в которых задавалось градиентное и однородное распределение размера зерна по радиусу диска, проверено выполнение статического и кинематического усталостного критериев прочности для различных областей детали. Результаты численного моделирования показали, что градиентное распределение зерен по размеру - от 30 мкм вблизи ступицы до 50 мкм вблизи обода - в рассматриваемых условиях показывает лучшее сопротивление усталостной прочности и обеспечивает больший запас статической прочности по сравнению с однородным по конструкции средним размером зерна. Проведенный комплексный анализ показал устойчивость разработанной модели к возмущениям ключевых параметров воздействия (температуры) и состояния структуры (размера зерна).
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Машиностроение
Газотурбинные двигатели (ГТД) являются важной составной частью современной авиационной и промышленной техники. Детали ГТД эксплуатируются при очень больших рабочих температурах и напряжениях, что требует использования специальных материалов, обладающих высокой жаропрочностью и прочностью [1, 2]. К наиболее распространенным материалам, используемым при изготовлении ГТД, относятся сплавы на основе никеля, обладающие значительной стойкостью к высоким температурам, коррозии и окислению. Современные ГТД содержат большое количество деталей из сплавов на основе никеля (до 60 % по массе) [3−6]. Диски, лопатки, крепежные детали, корпуса и валы обычно изготавливаются из никелевых суперсплавов в связи с условиями их функционирования
Если у вас возникли вопросы или появились предложения по содержанию статьи, пожалуйста, направляйте их в рамках данной темы.
Список литературы
1. Братухин А.Г., Решетников Ю.Е., Иноземцев А.А. Основы создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов. М.: Авиатехинформ, 1999. - 271 c.
Bratukhin A.G., Reshetnikov Yu.E., Inozemtsev A.A. Fundamentals of creating gas turbine engines for mainline aircraft. Moscow: Aviatekhinform, 1999. - 271 p.
2. Paulonis D.F., Schirra J.J. Alloy 718 at Pratt & Whitney: Historical Perspective and Future Challenges // Conference: Superalloys. - 2001. DOI: 10.7449/2001/Superalloys_2001_13_23
3. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Комплексная инновационная технология изотермической штамповки на воздухе в режиме сверхпластичности дисков из супержаропрочных сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. - № 5. - С. 129-141. EDN: PFTNBL
Kablov E.N., Ospennikova O.G., Lomberg B.S.Complex innovative technology of isothermal air stamping in the superplasticity mode of disks made of super-high-temperature alloys // Aviation Materials and Technologies. 2012. - No. 5. - pp. 129-141. EDN: PFTNBL
4. Chamanfar A. et al. Microstructural characteristics of forged and heat-treated Inconel-718 disks // Materials & Design. 2013. - Vol. 52. - P. 791-800.
5. Moiz M. The influence of grain size on the mechanical properties of Inconel 718. Sweden: Linköping University, 2013. - 126 p.
6. Pereira J.M., Lerch B.A. Effects of heat treatment on the ballistic impact properties of Inconel 718 for jet engine fan containment applications // International Journal of Impact Engineering. 2001. - Vol. 25. - P.715-733. EDN: AQVLER
7. Saberi E. et al. Predicting stress and creep life in Inconel 718 blade-disk // Engineering Failure Analysis. 2020. - Vol.108. - P. 104226. EDN: SKPOFZ
8. Thomas A. et al. High temperature deformation of Inconel 718 //Journal of materials processing technology. 2006. -Vol. 177. - №. 1-3. - P. 469-472. EDN: KLUACB
9. Каблов Е.Н. и др. Способ получения изделий из жаропрочных никелевых сплавов // Патент РФ № 2017125067, 13.07.2017.
Kablov E.N. and others. The method for producing products from heat-resistant nickel alloys // Patent of the Russian Federation No. 2017125067, 07/13/2017.
10. Овсепян С.В. и др. Термическая обработка деформируемых жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. 2011. - №2. - С. 122-130. EDN: PAPJOB
Ovsepyan S.V. and others. Heat treatment of deformable heat-resistant nickel alloys for GTD discs // Bulletin of the Bauman Moscow State Technical University. Ser.: Mechanical Engineering. 2011. - No. 2. - pp. 122-130.
11. Zhu X. et al. Influence of grain size on the small fatigue crack initiation and propagation behaviors of a nickel-based superalloy at 650 °C // Journal of Materials Science & Technology. 2019. - Vol. 35, № 8. - P. 1607-1617.
12. Скибин В.А., Солонин В.И., Палкин В.А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей. М.: ЦИАМ, 2004. 421 с.
Skibin V.A., Solonin V.I., Palkin V.A. The work of leading aircraft engine companies to create promising aircraft engines. Moscow: CIAM, 2004. 421 p.
13. Evans R. M. The Welding and Brazing of Alloy 718. - Defense Metals Information Center, Battelle Memorial Institute, 1964. - Т. 204.
14. Jeong D.-H. et al. Effect of service exposure on fatigue crack propagation of Inconel 718 turbine disc material at elevated temperatures // Materials Characterization. 2014. - Vol. 95. - P. 232-244.
15. Loria E.A. The status and prospects of alloy 718 //Jom. 1988. - Vol. 40. - P. 36-41. EDN: PNYLZN
16. Попович В.А. и др. Формирование заданных свойств функционально-градиентного сплава Inconel 718 с использованием аддитивных технологий // Металловедение и термическая обработка металлов. 2018. - № 11. - С.14-22. EDN: YQHPZZ
Popovich V.A. and others. Formation of specified properties of functional gradient Inconel 718 alloy using additive technologies // Metal science and heat treatment of metals. 2018. - No. 11. - pp.14-22.
17. Gabb T.P., et al. Fatigue resistance of the grain size transition zone in a dual microstructure superalloy disk // International Journal of Fatigue. 2011. - Vol. 33. - P. 414-426.
18. Jiang R. et al. Fatigue crack propagation behavior of the grain size transition zone in a dual microstructure turbine disc // International Journal of Fatigue. 2023. - Vol. 172. -107647. EDN: ORTLZL
19. Ломберг Б.С. и др. Взаимосвязь структуры и свойств высокожаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии. 2011. -№2. - С.25-30. EDN: RNECXZ
Lomberg B.S. and others.Interrelation of structure and properties of high-heat-resistant nickel alloys for disks of gas turbine engines // Aviation Materials and Technologies. 2011. - No. 2. - pp.25-30. EDN: RNECXZ
20. Gayda J., Gabb T.P., Kantzos P.T. The effect of dual microstructure heat treatment on an advanced nickel-base disk alloy // Superalloys 2004. - 2004. - P. 323-329.
21. Ганеев А.А. Влияние деформационно-термической обработки на формирование градиентной структуры и механических свойств в диске из гранульного никелевого сплава / А.А. Ганеев [и др.] // Физика металлов и металловедение. - 2019. - Т. 120. - №. 4. - С. 442-448. EDN: ZACYCT
Ganeev A.A. Influence of deformation and heat treatment on the formation of gradient structure and mechanical properties in a disk made of granular nickel alloy / A.A. Ganeev [et al.] // Physics of metals and Metal Science. - 2019. - Vol. 120. - No. 4. - pp. 442-448. EDN: ZACYCT
22. Tao Y., Liu J.T., Zhang Y.W. Evaluation of mechanical properties of a superalloy disk with a dual microstructure // Advanced Materials Research. - 2011. - Vol. 278. - P. 381-386.
23. Li K. S. et al. A crystal plasticity-based approach for creepfatigue life prediction and damage evaluation in a nickel-based superalloy //International Journal of Fatigue. 2021. - Vol. 143. - P. 106031. EDN: ZQMMYN
24. Chen W., Chaturvedi M. C. The effect of grain boundary precipitates on the creep behavior of Inconel 718 //Materials Science and Engineering: A. 1994. - Vol. 183. - №. 1-2. - P. 81-89.
25. Wang Q. et al. Evolution of microstructural characteristics during creep behavior of Inconel 718 alloy // Materials Science and Engineering: A. 2022. - Vol. 857. - P. 143859. EDN: ACFUMG
26. Abaqus. Abaqus User Manual Dassault Systèmes, 2023.
27. Швейкин А.И., Трусов П.В., Романов К.А. Об одном подходе к численной оценке устойчивости многоуровневых конститутивных моделей материалов // Вычислительная механика сплошных сред. - 2021. - Т. 14, № 1. - С. 61-76. EDN: TDXCZL
Shveykin A.I., Trusov P.V., Romanov K.A. An approach to numerical estimating the stability of multilevel constitutive models // Computational continuum mechanics. - 2021. - Vol. 14, No. 1. - pp. 61-76. EDN: TDXCZL
28. Baldin M., Kondratev N., Trusov P., Ostapovich K.Combined approach to solving applied metal forming problems // Crystals [in print].
29. Швейкин А.И., Трусов П.В., Романов К.А. Некоторые результаты численной оценки устойчивости двухуровневой конститутивной модели ГЦК-поликристалла // Вычислительная механика сплошных сред. - 2021. - Т. 14, № 2. - С. 127-143. EDN: MBVKBU
Shveykin A.I., Trusov P.V., Romanov K.A Some results of a numerical estimating of the stability of the FCC metal two-level constitutive model // Computational continuum mechanics. - 2021. - Vol. 14, No. 2. - pp. 127-143. EDN: MBVKBU
30. Shveykin A., Trusov P., Romanov K. Stability of Crystal Plasticity Constitutive Models: Observations in Numerical Studies and Analytical Justification // Metals. - 2024. - V. 14. - 947. EDN: JNXBJF
31. Трусов П. В., Швейкин А. И. Многоуровневые модели моно- и поликристаллических материалов: теория, алгоритмы, примеры применения. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2019. - 605 с. DOI: 10.15372/MULTILEVEL2019TPV
Trusov P.V., Shveykin A.I. Multilevel models of mono- and polycrystalline materials: theory, algorithms, application examples. Novosibirsk: Publishing House of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2019. 605 p. DOI: 10.15372/MULTILEVEL2019TPV
32. Кондратьев Н.С., Подседерцев А.Н., Шарифуллина Э.Р., Грибов Д.С., Швейкин А.И. Описание поведения диска из сплава Inconel 718 с использованием многоуровневой физически ориентированной конститутивной модели // Вестник УГАТУ. 2025. (подано в издательство). EDN: QSLRSW
Kondratev N.S., Podsedertsev A.N., Sharifullina E.R., Gribov D.S., Shveykin A.I. The description of the behavior of a disk made of Inconel 718 alloy using a multilevel physically oriented constitutive model // Bulletin of UGATU. 2025. (submitted to the publisher).
Выпуск
Другие статьи выпуска
Появление в последнее время нового оборудования для пайки, позволяющего производить процесс в высоком вакууме, и известная испаряемость серебра в вакууме поставили вопрос о возможности пайки конструкций в таком оборудовании серебряными припоями. В статье проведены расчетные оценки скорости испарения серебра в вакууме. Для расчетов использовалось уравнение молекулярной теории разреженных газов. Представлены результаты расчетов уноса серебра, используемого в виде покрытия на паяемой детали при контактно-реактивной пайке, а также серебра, входящего в состав листового припоя. Показано, что высокий вакуум не препятствует бездефектному проведению пайки узлов с листовым серебросодержащим припоем, а в случае контактно-реактивной пайки с припоем в виде гальванических покрытий должно быть соблюдено условие плотного прилегания паяемых деталей
В работе представлена зависимость определения числа циклов изгиба стального каната до разрушения в зависимости от типа стального каната, его эксплуатационных факторов, а также применяемого смазочного материала и внешних условий эксплуатации. Разработана методика определения значений коэффициентов С1 и К, учитывающих влияние применяемого смазочного материала и внешние условия эксплуатации стального каната соответственно. Установлено, что смазочный материал увеличивает долговечность стального каната минимум в 1,9 раза при испытании в нормальных климатических условиях, в 1,7 раза при воздействии отрицательной температуры минус 60 °С и в 1,3 раза при воздействии морской воды по отношению к несмазанному канату
В данной статье рассматривается математическая модель расчета эффективной мощности двигателя машинно-тракторных агрегатов на основе их вероятностно-статистических эксплуатационных характеристик с учетом использования дополнительного транспортно-технологического модуля. Разработанная математическая модель программно реализована на языке программирования Python, проведен вычислительный эксперимент по расчету мощности, требуемой на транспортно-технологической модуль
Предлагается способ количественной оценки качественного состояния процессов ионно-плазменного нанесения покрытий путем анализа комплекса технологических условий процесса с применением методов квалиметрии. Рассматривается математическая модель комплекса качественных характеристик плазменной среды в процессе нанесения покрытия, предполагающая количественную оценку основных характеристических параметров, с учетом взаимосвязи величины рабочего давления газа в вакуумной камере с наличием в ней газовых примесей. Приводятся результаты апробации предлагаемого способа при различных условиях реализации ионно-плазменного нанесения покрытия.
В данной статье представлено сравнение результатов термогазодинамического моделирования и экспериментальных данных процесса высотного запуска ВГТД ТА-14 с «горячим» зависанием. Описаны этапы моделирования и рассчитана средняя погрешность в контрольных точках
Для новых материалов характерна ограниченная информация об их свойствах, необходимая в расчетах напряженно-деформированного состояния лопаток турбин. В этих условиях возникает потребность в теоретических методах расчета упругих, теплофизических и прочностных характеристик, основанных на учете сил межатомного взаимодействия, так как классические методы расчета механики деформируемого твердого тела, основанные на гипотезе сплошности среды, не позволяют этого сделать. Приведены результаты расчета температурной зависимости предела текучести интерметаллидов Ni3(Al, Me) монокристаллических сплавов лопаток турбин
В самолетах региональной авиации в соответствии со стратегией низкоуглеродного развития России планируется внедрение технологий использования альтернативных видов авиационного топлива с более низким углеродным следом. Авиационная отрасль обеспечивает транспортную доступность всей территории страны и требует оценки последствий декарбонизации на экономическую эффективность авиаперевозок. Показаны проблемы применения АСКТ-авиационного сконденсированного газового топлива, LCAF-авиационного топлива с низким углеродным следом из нефтяного сырья и SAF-авиационного топлива с низким углеродным следом из возобновляемых источников. Возможность применения того или иного вида топлива связана с процессом его производства и доступностью сырья. Представлены основные положения методики оценки экономической эффективности применения и углеродного следа различных видов альтернативного авиационного топлива для перспективных самолетов региональной авиации, в том числе с учетом выполнения авиакомпаниями обязательств по снижению выбросов парниковых газов
В работе была проведена многокритериальная оптимизация переходного канала с обратным направляющим аппаратом с учетом полей параметров за первой ступенью центробежного компрессора. Разработана методика проведения прямых оптимизационных расчетов в ПО IOSO для переходных каналов. По результатам многокритериальной оптимизации получены Парето-множество решений по коэффициенту восстановления полного давления и неравномерности потока на выходе, из которого выбрана оптимальная точка с максимальным значением коэффициента восстановления полного давления. Произведен CFD-расчет оптимизированного канала с первой ступенью центробежного компрессора, по результатам которого повышение коэффициента восстановления полного давления переходного канала составило 5,5 %
Планета Венера имеет специфические условия для функционирования на ней исследовательских аппаратов - плотную и «агрессивную» атмосферу, высокие температуру и давление, сильные ветры. Зонд-пенетратор как техническое средство исследования является инструментом для сбора первичной научной информации о физико-химическом составе грунта, изучения сейсмической активности и климата, который поможет наилучшим способом исследовать грунт Венеры. Показана возможность применения зонда-пенетратора для исследования Венеры, проведен анализ существующих проектов по данной тематике, выбран прототип, на базе которого возможно смоделировать баллистический спуск в атмосфере - это проект «Марс-96», в который входили два пенетратора. Составлена математическая модель движения зонда-пенетратора в атмосфере Венеры, с использованием которой проведены оценочные расчеты прототипа с различными массово-габаритными характеристиками, а также для разных диаметров надувного тормозного устройства и без него
Издательство
- Издательство
- УФИМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ
- Регион
- Россия, Уфа
- Почтовый адрес
- 450076, Приволжский федеральный округ, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Заки Валиди, дом 32
- Юр. адрес
- 450076, Респ Башкортостан, г Уфа, Кировский р-н, ул Заки Валиди, д 32
- ФИО
- Захаров Вадим Петрович (РЕКТОР)
- E-mail адрес
- rector@uust.ru
- Контактный телефон
- +7 (347) 2299677
- Сайт
- https://uust.ru/