Исследование поверхностного слоя лопатки турбины после операции электроэрозионной обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.923.74

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Д. И. Савин, В. В. Макеев, Д. В. Макеев, С. Н. Карпенюк Научный руководитель - В. А. Левко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: levko@mail.sibsau.ru

Рассмотрены особенности процесса электроэрозионной обработки лопатки турбины, определена глубина и микротвердость измененного слоя, влияющие на эксплуатационные характеристики. Рассмотрена микроструктура измененного слоя. Определено дальнейшее направление исследований.

Ключевые слова: электроэрозионная обработка, ракетно-космическая техника измененный слой, мартенсит, микроструктура, микротвердость.

INVESTIGATION OF SURFACE LAYER TURBINE BLADES AFTER ELECTRICAL

DISCHARGE MACHINING

D. I. Savin, V. V. Makeev, D. V. Makeev, S. N. Karpenyuk Scientific supervisors - V. A. Levko

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: levko@mail.sibsau.ru

The features of electrical discharge machining turbine blades are considered. The depth and microhardness of the thermally altered layer which affect the performance are determined. The modified layer microstructure is examined. The future direction of research is defined.

Keywords: electrical discharge machining, rocket and space technology, thermally altered layer, martensite, microstructure, microhardness.

Стремительный прогресс ракетно-космической техники (РКТ) вызвал необходимость в применении специфичных материалов, механическая обработка которых может быть осуществлена лишь с большим трудом или вообще не возможна. Это материалы с очень высокой твердостью, хрупкостью, вязкостью, а также материалы, обладающие магнитными свойствами. Особые трудности возникают при фасонной обработке таких материалов, когда в них необходимо получить пазы, узкие щели, полости и глухие отверстия сложной формы [1].

Острая необходимость эффективно обрабатывать детали сложной формы из материалов труднообрабатываемых резанием предопределила возникновение ряда новых методов. К ним относятся электрофизические и электрохимические методы обработки.

Рассмотрим подробно влияние электроэрозионной обработки (ЭЭО) на микроструктуру и качество измененного слоя. Рассматриваемый материал 13Х11Н2В2МФ-Ш применяется для изготовления ответственных нагруженных деталей, работающих при температуре до +600 °С, дисков компрессора, лопаток и других нагруженных деталей, применяемых для изготовления конструкций в РКТ [2]. Образец, рассматриваемый в данной, работе выполнен из этого материала, и соответствует условиям эксплуатации деталей такого класса в РКТ. К деталям такого класса применяются высокие требования обеспечения заданной точности и шероховатости обработанной поверхности, а также сохранение микроструктуры и свойств обрабатываемого материала в зоне обработки после проведения процесса ЭЭО [3].

Электроэрозионная обработка образца производилась на прошивном электроэрозионном станке Sodick AQ55L по 3-м режимам: черновой (I = 6A; ton = 140 мкс), получистовой (I = 4A; ton = 6 мкс), чистовой (I = 4A; ton = 6 мкс), где I, A - сила тока; ton, мкс - время импульса.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

Материал - сталь 13Х11Н2В2МФ-Ш, металлографическое исследование проводилось на нетравленом шлифе и после травления в электролите: 10 % водный раствор щавелевой кислоты. Измерение твердости образца проводилось на микротвердомере ПМТ-3.

Микроструктура основного металла представляет собой троостит (рис. 1). Микротвердость измененного поверхностного слоя составляет 632-688ИУ (56-42,5 ИЯС), глубина 8-10 мкм (рис. 2).

Рис. 1. Микроструктура стали 13Х11Н2В2МФ-Ш, травлено (х500)

Рис. 2. Микроструктура измененного поверхностного слоя в зоне ЭЭО, не травлено (х500)

При исследовании структуры стали в зоне обработки после травления визуально выделяются 3 зоны (рис. 3), - оплавления; белый слой; зона основного металла с трооститной структурой и с микротвердостью 42 ИЯС.

Рис. 3. Микроструктура измененного поверхностного слоя в зоне ЭЭО, травлено (х500)

Микроструктура измененного поверхностного слоя в результате ЭЭО представляет собой бесструктурный мартенсит, который имеет более высокую твердость, что подтверждено проведенными исследованиями, получение такой структуры обусловлено высоскоростным нагревом в результате ЭЭО мелкозернистой трооститной структуры основного материала. Такой мартенсит не содержит внутри себя ни реек, ни пластин, ни других четко обозначенных границ раздела. Пластины в виде бесструктурных областей образовались при более высоких температурах мартенситного превращения

и поэтому относятся к высокотемпературному мартенситу. Задержанное разрушение закаленной стали - свойство мартенсита - обусловлено высоким уровнем остаточных микронапряжений в результате мартенситного превращения. Кристаллы мартенсита, образующиеся в пределах бывшего зерна ау-стенита, при своем росте сталкиваются под разными углами. Задержанное разрушение происходит при напряжениях ниже предела текучести стали. Этот вид разрушения имеет место при статическом или квазистатическом характере нагружения, и бывают причиной преждевременного разрушения закаленных стальных элементов конструкций [4]. При этом для малонагруженных деталей, работающих не в агрессивных условиях, возможно и сохранение такого слоя, так как при небольших нагрузках он будет устойчив.

Также при нагреве в процессе ЭЭО поверхностного слоя, его качество будет определяться величиной внутренних напряжений, возникающих в результате значительного градиента температур, и структурными превращениями. В определенных условиях напряжения могут превышать предел прочности обрабатываемого металла, что приведет к образованию сетки микротрещин. Этот фактор влияет на качество измененного поверхностного слоя, в связи с чем, будут проведены испытания образца на отрыв этого слоя от основного материала. Это позволит оценить эксплуатационные свойства в данного материала, после ЭЭО и поставить вопрос об удалении этого слоя с помощью применения метода абразивно-экструзионной обработки [5].

Библиографические ссылки

1. Елисеев Ю. С., Саушкин Б. П. Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники / под ред. Б. П. Саушкина. М. : Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 2010. 437 с.

2. Сорокин В. Г., Волосникова А. В., Вяткин С. А. Марочник сталей и сплавов / под общ. ред. В. Г. Сорокина. М. : Машиностроение, 2003. 784 с.

3. Немилов Е. Ф. Справочник по электроэрозионной обработке материалов. Л. : Машиностроение, 1989. 165 с.

4. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М. : Металлургия, 1974. 400 с.

5. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : монография ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. 228 с.

© Савин Д. И., Макеев В. В., Макеев Д. В., Карпенюк С. Н., 2015