Разработка ученых Пермского Политеха позволит повысить прочность дисков авиационных двигателей

Ученые Пермского Политеха спроектировали градиентную структуру зерен: от 30 мкм вблизи ступицы до 50 мкм у обода. Мелкие повышают статическую и усталостную прочность, что важно для зоны высоких напряжений, а более крупные улучшают сопротивление ползучести и трещинообразованию в зоне контакта с высокими температурами.

— Для проверки этой идеи мы разработали математическую модель, которая позволяет исследовать распределение температуры, напряжений и деформаций в диске. Мы использовали метод конечных элементов для численного моделирования работы диска в условиях, близких к реальным. В расчетах учитывались скорость вращения, рабочие температуры — 573 °К на ступице и 873 °К на ободе, а также механические нагрузки от лопаток и посадки на вал, — рассказывает Никита Кондратьев, заведующий лабораторией многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Исследователи провели сравнения для дисков с двумя вариантами структуры: однородной, когда зерна имеют преимущественно одинаковый размер по всей детали, и градиентной, когда он целенаправленно изменяется в разных частях диска.

— Результаты показали, что градиентный вариант обеспечивает больший запас статической прочности — это значит, что напряжения в критических зонах перестали достигать опасных значений. Также это улучшает усталостную прочность детали — время до разрушения увеличилось, а накопление повреждений снизилось. Для градиентного диска максимальные напряжения составили 435 МПа у ступицы и 330 МПа у обода, что ниже критических значений, — объясняет Кирилл Романов, аспирант и ассистент кафедры «Математическое моделирование систем и процессов», младший научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ.

Кроме того, ученые проверили устойчивость модели к отклонениям параметров. Оказалось, что модель остается стабильной в том числе при колебаниях температуры и размера зерен, что подтверждает ее надежность.

Исследование ученых Пермского Политеха демонстрирует, что формирование градиентной зеренной структуры может быть эффективным способом создания более долговечных и надежных турбинных дисков. Это важно с точки зрения оптимизации свойств материала для разных зон детали, работающих при различных режимах экстремальных воздействий.