СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА РАБОТЫ НЕСУЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В КОНСТРУКЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 1999 года по МПК G01N27/02 G01M5/00 

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств металлов и может быть использовано при диагностировании методом вихревых токов фактического состояния конструкции летательного аппарата после определенной наработки в процессе профилактических осмотров конструкции.

Известен способ оценки фактического состояния летательного аппарата путем визуального осмотра конструкции для выявления поверхностных трещин, наличие которых определяет ресурс работы данного элемента конструкции (Туполев А.А., Сулименков В.В., Зельтин В.К. Повышение эксплуатационных характеристик материалов и эффективность конструкций пассажирских самолетов. В кн.: Металловедение алюминиевых сплавов. М.: Наука, 1985 г., с.22-40).

Недостатком известного способа оценки ресурса является возможность его применения только на стадии уже далеко зашедшего разрушения. Для греющихся конструкций, материал которых разупрочняется в процессе эксплуатации, несущая способность элемента конструкции может быть потеряна до появления трещины, что недопустимо из условий эксплуатации самолета.

Известен способ прогнозирования ресурса работы жаропрочного материала при определенных температурно-силовых условиях эксплуатации, заключающийся в экспериментальной оценке длительной прочности - времени до разрушения разрывного образца при определенной температуре испытания и постоянном напряжении растяжения. Например, длительная прочность прессованной полосы из жаропрочного алюминиевого сплава АК4-1ЧТ1 σ1351000

=320 МПа, т.е. при напряжении 320 МПа при температуре 135^oC образец разрушается через 1000 часов (Бич Э.Н., Телешов В. В. Механические свойства сплава АК4-1ч при повышенных температурах. //Металловедение и термическая обработка металлов. 1983 г., N7, с.34-38).

Недостатком известного способа является необходимость экстраполяции полученных при кратковременных испытаниях результатов на значительно более длительные сроки эксплуатации натурных конструкций, а также неполное соответствие режимов испытания реальным условиям из-за нестабильности действующих на летательный аппарат температур и напряжений в процессе эксплуатации. Это приводит к неопределенности в оценке фактического состояния материала в конструкции на различных стадиях эксплуатации.

Известен способ неразрушающего контроля физико-механических параметров электропроводящих материалов, включающий определение на эталонном образце величины удельной электропроводимости и соответствующей ей величины контролируемого параметра, а также определение удельной электропроводимости контролируемого материала и использование полученных величин для определения контролируемого параметра (SU 1670572 A1, МКИ⁵ G 01 N 27/90, Бережницкий Л. Т. и др., 15.08.91 г.).

Недостатком известного способа является его низкая надежность оценки состояния несущего элемента конструкции конкретного летательного аппарата, поскольку в нем не регламентируется стадия старения, для которой устанавливается корреляционная зависимость, что влечет за собой неправильное определение момента исчерпания ресурса конструкции.

Предлагается способ определения ресурса работы несущего элемента из жаропрочного термически упрочняемого алюминиевого сплава в конструкции летательного аппарата, включающий определение удельной электропроводимости исходного материала и его механических свойств с получением корреляционной зависимости между ними, а также определение удельной электропроводимости материала в конструкции с последующим ее сопоставлением с корреляционной зависимостью, установленной для стадии перестаривания между увеличивающейся удельной электропроводимостью и уменьшающимися прочностными свойствами. Удельную электропроводимость исходного материала и материала конструкции определяют токовихревым методом. По полученному соотношению находят критическую величину удельной электропроводимости, соответствующую минимально допустимым для данной конструкции прочностным свойствам применяемого жаропрочного сплава при комнатной температуре, производят периодическое определение удельной электропроводимости материала в контролируемой точке элемента конструкции летательного аппарата после различной продолжительности эксплуатации и при достижении критической величины удельной электропроводимости судят об исчерпании ресурса.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что удельную электропроводимость исходного материала определяют токовихревым методом, корреляционнную зависимость устанавливают для стадии перестаривания между увеличивающейся удельной электропроводимостью и уменьшающимися прочностными свойствами в различных состояниях термической обработки исходного материала, по этому соотношению находят критическую величину удельной электропроводимости, соответствующую минимально допустимым для данной конструкции прочностным свойствам применяемого жаропрочного сплава при комнатной температуре, производят периодическое определение удельной электропроводимости материала в контролируемой точке элемента конструкции летательного аппарата после различной продолжительности эксплуатации и при достижении критической величины удельной электропроводимости судят об исчерпании ресурса.

Технический результат предлагаемого способа - повышение надежности в определении ресурса работы несущего элемента.

Предлагаемый способ позволяет на стадии перестаривания получать корреляционную зависимость между прочностными свойствами (σ) и удельной электропроводимостью (γ), которая имеет вид, схематически представленный на фиг.1 прямой I. Зависимость обусловлена тем, что в процессе перестаривания происходит коагуляция частиц упрочняющих фаз и это структурное изменение вызывает рост удельной электропроводимости и снижение прочностных свойств.

Полученная после высокотемпературного старения взятых образцов из материала конструкции корреляционная зависимость моделирует влияние структурных изменений, происходящих в материале при более низких температурах в процессе эксплуатации, когда конструкция подвергается аэродинамическому нагреву.

Происходящее при этом постепенное разупрочнение материала в процессе длительной эксплуатации приводит в какой-то неопределимый заранее момент к снижению прочности до известной величины σ_кр, минимально допустимой для данной конструкции по условиям ее расчета. Исходя из приведенной на фиг.1 зависимости I и известной величины σ_кр находят критическую величину удельной электропроводимости γ_кр.
Измерение в процессе эксплуатации летательного аппарата (самолета) удельной электропроводимости элемента конструкции, для материала которого получена зависимость типа приведенной на фиг.1, позволяет отслеживать изменение состояния материала и при достижении γ_кр снимать самолет с эксплуатации для ремонта в связи с исчерпанием ресурса данного элемента конструкции по ее несущей способности, поскольку прочностные свойства материала уже не соответствуют расчетным условиям.

Таким образом, в предлагаемом способе осуществляется диагностирование фактического состояния элемента конструкции из жаропрочного алюминиевого сплава, разупрочняющегося в процессе эксплуатации.

Пример осуществления.

Взяли катаную плиту толщиной 40 мм из жаропрочного алюминиевого сплава АК4-2ч состава 2,2% меди, 1,45% магния, 0,42% железа, 0,54% никеля, 0,18% кремния, 0,12% циркония и образцы из нее подвергли искусственному старению при температурах 180, 190, 200, 210 и 220^oC с выдержкой от 8 до 96 часов. После искусственного старения были определены механические свойства на растяжение при комнатной температуре и удельная электропроводимость токовихревым методом на фрезерованной поверхности образцов прибором ИЭ-1 с комплектом эталонов.

По полученным данным установили корреляционные зависимости для стадии перестаривания между увеличивающейся удельной электропроводимостью (γ) и уменьшающимися прочностными свойствами (σ_в - временное сопротивление, σ_0,2 - предел текучести), представленные на фиг.2 и выражаемые управлениями
σ_в = 1361,0 - 39,9 γ, (1);
σ_0,2 = 1962,9 - 66,2 γ, (2),
которые рассчитали методом наименьших квадратов по экспериментальным данным.

Для подтверждения возможности моделирования высокотемпературным старением процессов распада твердого раствора во время длительной низкотемпературной выдержки образцы плиты выдерживали 1000 и 5000 часов при 150^oC, после чего определили механические свойства и удельную электропроводимость. Как видно из фиг.2, соотношение между σ_в,σ_0,2 и удельной электропроводимостью в этом случае соответствует полученным при высокотемпературном старении корреляционным зависимостям.

По техническим условиям ТУ 1-83-88-93 плиты из сплава АК-2чТ1 должны иметь при комнатной температуре величину σ_в ≥ 400 МПа и σ_0,2 ≥ 325 Мпа. Следовательно, в процессе эксплуатации из-за достаривания разупрочнение материала ниже σ_кр= σ_0,2 = 325 МПа недопустимо.

По корреляционной зависимости (2) на фиг.2 с использованием минимального значения σ_кр= 325 МПа нашли соответствующую ей критическую величину удельной электропроводимости γ_кр= 24,75 МСм/м, выше которой в процессе эксплуатации удельная электропроводимость не должна подниматься.

В дальнейшем, после изготовления из данной плиты элемента конструкции летательного аппарата и начала его эксплуатации, производят периодическое определение удельной электропроводимости в контролируемой точке элемента конструкции и при достижении критической величины удельной электропроводимости γ_кр= 24,75 МСм/м судят о исчерпании ресурса, поскольку при этом прочностные свойства материала уже не соответствуют расчетным.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить надежность определения неразрушающим методом фактического состояния разупрочняющегося жаропрочного сплава и тем самым повышает надежность в определении ресурса работы несущего элемента из этого сплава в конструкции летательного аппарата.

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств металлов и может быть использовано при диагностировании фактического состояния конструкции летательного аппарата после определенной наработки в процессе профилактических осмотров самолета. Способ основан на сопоставлении удельной электропроводимости несущего элемента с предварительно полученной корреляционной зависимостью между удельной электропроводимостью и механическими свойствами материала. Отличие способа состоит в том, что указанную зависимость устанавливают для стадии перестаривания в различных состояниях термической обработки исходного материала. Удельную электропроводимость определяют методом вихревых токов. Установление корреляционной зависимости между увеличивающейся удельной электропроводимостью и уменьшающимися прочностными свойствами материала позволяет повысить надежность определения неразрушающим методом фактического состояния разупрочняющегося жаропрочного сплава в конструкции самолета. 2 ил.

Способ определения ресурса работы несущего элемента из жаропрочного термически упрочняемого алюминиевого сплава в конструкции летательного аппарата, включающий определение удельной электропроводимости исходного материала и его механических свойств с получением корреляционной зависимости между ними, а также определение удельной электропроводности материала в конструкции с последующим ее сопоставлением с корреляционной зависимостью, отличающийся тем, что удельную электропроводимость исходного материала определяют вихретоковым методом, корреляционную зависимость устанавливают для стадии перестаривания между увеличивающейся удельной электропроводимостью и уменьшающимися прочностными свойствами в различных состояниях термической обработки исходного материала, по этому соотношению находят критическую величину удельной электропроводимости, соответствующую минимально допустимым для данной конструкции прочностным свойствам применяемого жаропрочного сплава при комнатной температуре, производят периодическое определение удельной электропроводимости материала в контролируемой точке элемента конструкции летательного аппарата и при достижении критической величины удельной электропроводимости судят об исчерпании ресурса.