Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Применение термопластического упрочнения для повышения характеристик качества поверхности высоконагруженных деталей

Применение термопластического упрочнения для повышения характеристик качества поверхности высоконагруженных деталей

Для машиностроения актуальной остается проблема повышения эксплуатационной надежности и ресурса агрегатов, ответственные узлы и детали которых продолжительное время работают в условиях циклических нагрузок и повышенных температур. В настоящее время она решается путем создания новых современных конструкций, применения материалов с повышенными физико-механическими характеристиками, а также широкого внедрения в производство прогрессивных финишных методов обработки, среди которых особая роль отводится методам упрочняющей технологии, основанных на поверхностном пластическом деформировании (ППД).

Упрочнение поверхностных слоев, как показывают исследования и производственный опыт, в ряде случаев технологически наиболее легко осуществимо и дает значительный эффект. Многочисленными исследованиями установлено, что в результате применения методов упрочняющей обработки на основе ППД в поверхностном слое создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия при соответствующей степени деформационного упрочнения.

В связи с тем, что при традиционных методах ППД в поверхностных слоях деталей степень деформационного упрочнения достигает значительных величин, в условиях повышенных и высоких температур интенсифицируются диффузионные процессы. Поэтому использование ППД для деталей, работающих при повышенных температурах, имеет свои ограничения. Это в большей мере относится к таким сложным и тяжелонагруженным деталям, как лопатки турбины и компрессора авиадвигателя. Наиболее оптимальными для них являются методы упрочнения, которые обеспечивают в поверхностном слое детали благоприятное напряженное состояние при минимальной степени упрочнения. Одним из таких методов является термопластическое упрочнение (ТПУ) [1, 2]. Этот метод заключается в образовании остаточных напряжений сквозным нагревом с последующим ускоренным охлаждением. В результате анализа экспериментальных работ можно утверждать, что ТПУ в отличие от традиционных методов термической обработки позволяет не только снимать растягивающие напряжения, но и получать в поверхностном слое благоприятные остаточные напряжения сжатия.

Условием появления температурных остаточных напряжений является неравномерность распределения температуры по сечению детали. Величина и характер распространения этих напряжений зависят от температуры нагрева, скорости охлаждения, размеров детали и теплофизических характеристик ее материала. Целенаправленно изменяя эти параметры, можно получить достаточно большие сжимающие остаточные напряжения при значительной глубине их залегания.

Схема образования остаточных напряжений по сечению детали представлена на рис. 1. Процесс ТПУ состоит из двух основных этапов: сквозного прогрева детали до температуры начала термопластической деформации и ускоренного спрейерного охлаждения водой. Время между окончанием нагрева детали и началом охлаждения должно быть минимальным. В начальный период охлаждения (τ=τ1) наружные слои детали пытаются сократить свой размер, внутренние же слои, имеющие значительно более высокую температуру, препятствуют этому. В результате поверхность детали окажется растянутой, а сердцевина будет сжата. Если в этот момент возникающие упругие напряжения окажутся выше предела текучести материала для данной температуры, то произойдет пластическая деформация. В дальнейшем интенсивность охлаждения наружных слоев детали уменьшается и постепенно их температура приблизится к температуре окружающей среды. При дальнейшем охлаждении наружные слои практически не деформируются, а сердцевина будет стремиться существенно сократить свой объем. Поэтому в момент окончания процесса охлаждения (τ=τ3) сердцевина будет сжимать наружные слои, которые в свою очередь будут растягивать сердцевину. В связи с этим в поверхностном слое упрочненной детали образуются сжимающие остаточные напряжения.

Рис. 1. Схема образования остаточных напряженны при наличии градиента температур по сечению изделия:
а - изменение температурных напряжений в процессе охлаждения детали за время τ (П- поверхность, С-сердцевина); б-распределение температурных напряжений по сечению детали h в разные моменты времени

По сравнению с упрочняющими методами, основанными на механическом поверхностном пластическом деформировании, метод ТПУ имеет важную особенность: он практически не вызывает дополнительного увеличения степени упрочнения поверхностного слоя и позволяет получать благоприятные остаточные сжимающие напряжения на большой глубине.

Титановые сплавы, обладая высокими механическими свойствами и малым удельным весом, нашли широкое применение при изготовлении ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД), которые в процессе работы испытывают воздействие больших статических и переменных напряжений при сравнительно высокой температуре. Жаропрочные сплавы ВТ8 и ВТ9 используют для дисков, лопаток и колец компрессоров. Основной областью применения листовых сплавов типа ОТ4, сплава ВТ20 повышенной прочности являются пустотелые лопатки направляющих аппаратов и корпусные детали компрессоров.

До недавнего времени считалось невозможным упрочнение титановых сплавов термопластическим методом, так как температуры начала термопластических деформаций, рассчитанные по приближенным формулам, оказывались выше температуры полиморфных α - β превращений [3] и для сплава ВТ9 составили 1350 °С, а для сплава ВТ20 - 1200 °С. В то же время температура полиморфного α - β превращения для титановых сплавов ВТ9 и ВТ20 составляет 1000±20 °С.

Известно, что нагрев в области существования β-фазы и охлаждение в воде приводят к фиксации метастабильной мартенситной &alpha -фазы, имеющей повышенные прочностные характеристики и очень низкие пластические свойства. Кроме того, &alpha- фаза обладает крупнозернистой структурой. Следовательно, полученная в результате нагрева до рассчитанных выше температур структура не может удовлетворять требованиям, предъявляемым к таким ответственным деталям, как лопатки компрессора газотурбинного двигателя, работающие длительное время при циклических нагрузках в условиях повышенных температур.

Однако такой вывод сделан на основе весьма неточного расчета температуры начала пластических деформаций. Более точно ее можно определить с помощью графоаналитического метода, изложенного в работе [4]. Полученные по этому методу данные свидетельствуют о том, что термопластическое упрочнение титановых сплавов возможно без превышения температуры α - β превращения.

Сущность графоаналитического метода заключается в нахождении точки пересечения экспериментальных кривых условного предела текучести и напряжения сжатия в нагретом поверхностном слое, указывающей температуру начала пластической деформации. Для сплава ВТ9 указанная температура находится в пределах 700...750 °С, а для сплава ВТ20-в пределах 650...700 °С, Для экспериментальных исследований приняты следующие температуры: 850 и 900 °С для сплава ВТ9; 800 и 850 °С для сплава ВТ20.

На рис. 2 и 3 представлены результаты исследования зависимости остаточных напряжений от температуры нагрева. В поверхностном слое образцов из сплавов ВТ9 и ВТ20 образовались благоприятные остаточные напряжения сжатия с максимумом на поверхности. Наличие максимальных остаточных напряжений сжатия на поверхности играет весьма положительную роль, так как в процессе эксплуатации тонкие поверхностные слои лопаток испытывают наибольшие напряжения независимо от характера рабочих нагрузок. Кроме того, эти слои сильно ослаблены рисками, вырывами, структурными концентраторами и неоднородной шероховатостью, что приводит к появлению усталостных трещин.

Рис. 2. Остаточные напряжения в поверхностном слое образцов из сплава ВТ9
Режимы упрочнения: 1, 2 - р = 600 кПа при температуре соответственно 850 и 900 °С; 3 - без упрочнения

Рис. 3. Остаточные напряжения в поверхностном слое образцов из сплава ВТ20
Режимы упрочнения: 1,2 - р = 600 кПа при температуре соответствено 800 и 850 °С; 3 - без упрочнения

Расположение максимума остаточных напряжений на поверхности является одним из преимуществ ТПУ перед механическими видами упрочняющей технологии, при которых максимальные остаточные напряжения сжатия находятся в подповерхностном слое, а непосредственно на поверхности наблюдается спад напряжений.

Повышение температуры нагрева способствует возрастанию сжимающих остаточных напряжений. При этом их максимальные значения изменяются от 620 до 770 МПа для сплава ВТ9 и от 440 до 630 МПа для сплава ВТ20. Глубина проникновения остаточных напряжений в образцах превышает 150 мкм. При температурах нагрева 900 °С для сплава ВТ9 и 850 °С для сплава ВТ20 в поверхностном слое образцов возникает наиболее благоприятное напряженное состояние, характеризуемое максимальной величиной и глубиной распространения сжимающих остаточных напряжений. Поэтому указанные значения температур следует считать оптимальными при ТПУ.

Исследования и практический опыт показывают, что большинство деталей авиадвигателей в процессе эксплуатации подвержены воздействию циклически изменяющихся нагрузок. В связи с этим почти 90 % повреждений связано с возникновением и развитием усталостных трещин, которые создают в дальнейшем предпосылки для хрупкого разрушения. Для наибольшего использования прочности материала необходимо создание такого его структурного состояния, которое обеспечивало бы максимальную задержку дислокаций и минимальный их выход на поверхность.

В результате термопластического упрочнения, когда в поверхностном слое деталей формируются остаточные напряжения сжатия, создается силовая ситуация, при которой затрудняется свободный выход дислокаций на поверхность. При этом чем больше глубина пластической деформации, тем на большем расстоянии от поверхности начнут они тормозиться, а следовательно, возрастет время до появления и распространения возможной усталостной трещины.

ТПУ титановых сплавов сопровождается, кроме того, структурно-фазовыми превращениями, которые в совокупности с температурно-силовым фактором в процессе эксплуатации приводят к образованию высокодисперсной смеси α - β- фаз в упрочненном поверхностном слое. Полученная структура стабильна в течение длительного времени в условиях повышенных температур.

Таким образом, можно утверждать, что на первом этапе эксплуатации детали, упрочненной термопластическим методом, основную роль в повышении усталостной прочности будут играть сжимающие остаточные напряжения. В дальнейшем в процессе работы метастабильная структура с избыточной β-фазой перестраивается в равновесную структуру, состоящую из мелкодисперсной смеси α - β- фаз, что вызывает дополнительное повышение предела выносливости. В этих условиях релаксация остаточных напряжений, которая происходит в результате воздействия температуры и переменных нагрузок, не вызывает снижения работоспособности термоупрочненных деталей.

Для подтверждения указанных положений были проведены усталостные испытания плоских образцов из сплавов ВТ9 и ВТ20. Образцы прошли полный цикл технологической обработки, характерный для изготовления лопаток компрессора из соответствующего сплава. В качестве исходного варианта обработки использовались образцы после отжига в аргоне для снятия внутренних напряжений после механической обработки. Термопластическое упрочнение осуществлялось при оптимальных температурах: 900 °С (для сплава ВТ9), 850 °С (для сплава ВТ20). Для приближения условий испытания к реальным условиям эксплуатации образцы испытывались при максимальных рабочих температурах: 400 °С (для сплава BT9J и 250 °С (для сплава ВТ20), а за основу был взят асимметричный цикл нагружения с величиной асимметрии σm= 150 МПа. При определении предела выносливости для сравнительных испытаний была принята база N = 5*106 циклов.


Рис. 4. Усталостная прочность плоских образцов из сплава ВТ9:
1 - исходные (отжиг); 2 - отжиг + ТПУ (Т = 900°C) + полирование

Результаты исследования усталостной прочности образцов при различных вариантах обработки представлены на рис. 4 и 5. Исследования показали, что предел выносливости σ-1 образцов из сплава ВТ9, упрочненных термопластическим методом, равен 340 МПа (величина снятого с поверхности образца методом полировки тонкого газонасыщенного слоя составила 10 мкм), что на 42 % выше, чем у образцов, не прошедших упрочнение (σ-1 = 240 МПа). Решающую роль в этом сыграли сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое с максимумом на поверхности и фазово-структурные превращения, в результате которых неравновесная структура с избыточным количеством β-фазы превратилась в высокодисперсную структуру, имеющую высокие показатели предела выносливости . Необходимо отметить, как это следует из рассмотрения данных на рис. 4 и 5, что с увеличением базы испытания относительный прирост Δσ-1 растет.

Испытания образцов из сплава ВТ20 со снятым газонасыщенным слоем после ТПУ показали, что их предел выносливости σ-1 = 425 МПа, что на 27 % больше, чем у неупрочненных образцов (см. рис. 5).

Рис. 5. Усталостная прочность образцов из сплава ВТ20:
1 - исходные (отжиг); 2 - отжиг + ТПУ = 850 °С) + полирование

Таким образом, усталостные испытания подтвердили эффективность применения термопластического упрочнения для титановых сплавов с α- и α + β-структурами.

Литература

  1. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 231 с.
  2. Кравченко Б.А. Технологические остаточные напряжения и их влияние на эксплуатационные свойства деталей из жаропрочных и титановых сплавов; Авторсф. дис. ... докт. техн. паук / Куйб. политехи. ин-т. Куйбышев, 1973. 40 с.
  3. Подзей А.В., Петруха П.Г., Чубаров А.Д. Исследование эффективности различных видов упрочняющей технологии при изготовлении лопаток компрессора из титановых сплавов. В кн.: Технологические пути повышения качества изготовления авиадвигателей: Сб. тр. МАИ, М., 1972. Вып. 257. С. 33-44.
  4. Вишняков А.Е. Исследование качества поверхностного слоя при протягивании деталей авиадвигателей из титановых сплавов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Куйб. авиац. ин-т. Куйбышев, 1971. 27 с.

М.А. ВИШНЯКОВ, Б.А. КРАВЧЕНКО
Справочник. Инженерный журнал № 12, 2002, стр. 15-18.

Статьи партнеров