CC BY
19
УДК 621.43:539.43
А. Н. Петухов
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТОГО СЛОЯ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ТРАДИЦИОННЫХ И СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ
Рассмотрены особенности формирования свойств поверхностного слоя деталей при обработке поверхности деталей ГТД традиционными методами (точением, шлифованием, выглаживанием и др.). Показаны возможности современных методов обработки деталей с использованием лазерного облучения или воздействием сильноточными электронными пучками.
Широко применяемое в двигателестрооении поверхностное пластическое деформирование (ППД) представляет собой совокупность процессов, позволяющих, как правило, снизить шероховатость поверхности детали, создать поверхностный слой с благоприятными (сжимающими) остаточными напряжениями, получить в нём более однородную структуру, создать необходимый рельеф поверхности, снизить влияние на сопротивление усталости концентраторов напряжений и др., что способствует повышению сопротивления усталости материала детали [1-3].
Традиционные методы ППД
Особенности воздействия процессов ППД. Процессы ППД, благоприятные с точки зрения повышения сопротивления усталости в условиях нормальной и умеренных температур, могут привести к отрицательным явлениям при повышенных температурах и больших ресурсах. Это связано с релаксацией остаточных сжимающих напряжений, высоким энергетическим потенциалом кристаллической решётки мате-риала, способствующей диффузионной подвижности атомов легирующих элементов в поверхностном слое и снижению жаростойкости и длительной прочности материала [2, 3].
Применение ППД для материала деталей, которые в эксплуатации подвергаются упруго-пластическим деформациям, с одной стороны, важно иметь достаточный запас пластичности, а с другой, необходим всесторонний анализ возможной эффективности применения методов упрочнения с учётом для неё конкретного напряжённо деформированного состояния и условий эксплуатации.
Арсенал средств воздействия на поверхность с целью повышения долговечности, износостойкости и др. чрезвычайно разнообразен, но из-за многофакторности явлений, протекающих как на поверхности, так и в поверхностном слое деталей при ППД ещё недостаточно изучен. Даже в области
© А. Н. Петухов 2006 г.
простейших взаимодействий механического характера, несмотря на обширный экспериментальный материал и большой опыт освоения разнообразных процессов, ощущается методическая разрозненность, а нередко и противоречия данных, полученных различными исследователями.
Для более глубокого понимания процесса ППД полезен теоретический анализ процесса задач о вдавливании, качении или скольжении [1, 2]. При этом следует иметь в виду, что ППД осуществляется в условиях ярко выраженной неравномерной упругопластической деформации, при ко торой (в отличии от простого растяжения) сложно выделить долю упругой деформации. Современные методы теорий упругости и пластичности, в основе которых лежит определение состояния элементарного объёма с учётом влияния остальных очагов деформации, позволяют получить аналитические решения краевых задач только для отдельных случаев. Применение численных методов не снимает общетеоретических трудностей, а достоверность получаемых результатов из-за дополнительных допущений, требует экспериментальной верификации.
В общем случае процесс ППД может быть представлен системой процессов локального деформирования: общий очаг, определяющий локальное формоизменение (контур локальной площадки, внеконтактная деформация и т.д.); локальные очаги смятия исходных или промежуточных шероховатостей поверхности; локальные очаги сдвига, возникающие вследствие дискретности фактического контакта твёрдых тел и др.; наличие сопутствующих ППД других физических и химических про-цесссов.
Современная физика поверхностей предполагает, что одни явления в приповерхностном слое протекают так же, как в объёме, другие трансформируются, третьи способны протекать на поверхности (при взаимодействии на электронном, атомном, молекулярном уровнях, на уровне дефектов, субмикроуровне, микро и макроуровнях). Поэтому
процессы ППД всегда являются фоном, где протекают не только деформационные, но и другие физические процессы.
Многие представления теоретических основ технологии упрочняющей обработки носят эмпирический характер, т.к. не дают полного представления о напряжённодеформированном состоянии локального контакта в условиях упругопластического деформирования. В то же время известны работы [1], использующие для описания технологий ППД, труды Буссинеска, Г. Герца, Л. Прандтля, М.М. Фрох-та и др.
На рис.1, а представлено распространение напряжённого состояния от сосредоточенной нормальной погонной нагрузки N (или её аналога -нормальной силы dN = a(y)dy (рис. 1, б) при некотором распределении контактных напряжений ап = f(y) вдоль отрезка поверхности) в поперечном сечении предполагает передачу воздействия (растяжение-сжатие) для жёсткого тела по радиальным направлениям с затуханием напряжений при удалении от точки приложения. Общее выражение для распределения радиальных напряжений от нормальной сосредоточенной нагрузки при простом сжатии элемента в условиях плоской задачи (сте = аг = 0) может иметь вид
Рис.1. Схемы к анализу контактных задач теории упругости
2 N
cos 0
(1)
В (1) толщина пластины принята равной единице, е и r - цилиндрические координаты, знак минус соответствует сжатию. На рис.1, а показано распределение аг как функции е при r = ronst и вдоль направления действия силы как функции r (кривые 1 и 2 соответственно). В сечении x y линиями распределения равных сдвигающих напряжений (изохромами) являются окружности 3, касающиеся поверхности в точке приложения сосредоточенной силы. Значения максимальных сдвигающих напряжений на любом круге Буссинеска по (1) равны
_ сте-стг _ N cos е _ N
Tmax _ ^ _ _ , (2)
2
п r
пг
где d = r / cos е, на оси x d = r, вдоль каждой окружности максимальное сдвигающее напряжение постоянно: Tmax = const.
На рис. 1 приведена схема формирования напряжённого состояния при нагружении полупространства сосредоточенной касательной силой Т (или элементом касательной силы dT = %к dx (рис.1, д) при её распределении вдоль отрезка поверхности по аналогии со схемой (рис.1, б). Система координат ориентируется по направлению действия силы. Радиальный принцип затухания напряжений вдоль клиньев сохраняяется полностью, радиальные напряжения меняют
знак, ось у совпадает с нейтральным сечением. Линиями равных максимальных сдвигающих напряжений остаются окружности. Компоненты напряжений в любой точке пластины единичной толщины в системе 9, г в общем случае будут равны
СТx - ст r cos
:0 = -
2Pcos20
пг
СТ V - СТ г sin2 0 - --
Txy = СТг sin 0 cos 0 - -
2 P sin2 0 cos 0
пг
2P sin 0 cos2
(3)
Выражения (3) справедливы для нормальной нагрузки N, касательной Т и наклонной
P _ д/n2 + T2 (рис.1, г) при совпадении направления x с направлением приложения нагрузки. В последнем случае направление нейтрального сечения остаётся перпендикулярным к направлению Р.
Подставляя в (3) значения цилиндрических координат в виде cos е = x / r,
sin 9= y / r , r = Vx2 + y2 ,
получаем общие выражения составляющих напряжений в декартовой системе координат х y:
СТ
г
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2006 — 21 —
П( х2 + У2)2
_ 2Рху 7у _-п(х2 + у2)2
2Рх у2
i-ху '
п( х2 + у2)
22
(4)
При всей абстрактности задач с равномерным распределением контактных напряжений они отражают осреднённые соотношения, отражают предельное состояние (Tmax^-k), указывая переход к пластическому течению, в связи с чем могут отражать основу теории ППД, хотя ещё не включают все необходимые звенья, характеризующие контакт, т.к. не устанавливают взаимного влияния обоих тел.
Перспективные несиловые методы ПД
Волновое воздействие ПД. В настоящее время имеется много сведений о формировании пластической деформации (ПД) и образованию в материале сжимающих остаточных напряжений с помощью ударной волны, вызванной воздействием лазерного импульса [4]. В первых экспериментальных работах облучаемый объект находился в вакууме, а мощный лазер генерировал свободно пе-ремещавщуюся плазму, создававшую ударную волну с давлением от 1 ГПа до 1 ТПа и плотностью энергии падающего луча от 0,1 до 106 ГВт/ см2. Продолжительность ударной волны импульса давления приближалась к периоду лазерного импульса « 50 нс. При этом, генерируемая лазером плазма, в условиях вакуума довольно быстро охлаждалась.
Было обнаружено, что использование покрытий, прозрачных с точки зрения лазерного луча, как показано на рис. 2, повышает интенсивность ударной волны на поверхности металла до двух порядков в сравнении с процессом, когда плазма генерируется в вакууме [4].
Увеличение интенсивности ударной волны достигается за счет того, что прозрачное покрытие не дает образуемой плазме быстро удалиться от поверхности. А это приводит к тому, что большая часть лазерной энергии попадает в материал в виде ударной волны [4]. Например, для лазера со стеклом из Nd с длиной волны 1064 нм прозрачные покрытия из воды, кварца или стекла дают возможность увеличить интен-сивность ударной волны. Эти прозрачные покрытия известны как накладные элементы (overlays).
Важнейшей задачей энергомашиностроения является повышение уровня эксплуатационных
Рис. 2. Схема лазерного упрочнения
свойств наиболее нагруженных элементов ГТД (лопаток вентилятора, компрессора и турбины, дисков и валов), изготовляемых из высокопрочных жаропрочных сплавов. Это может быть достигнуто несколькими методами: разработкой новых сплавов; совершенствованием способов формования и обработки заготовок; развитием новых способов управления свойствами поверхностного слоя деталей, включая нанесение на их поверхность различных защитных покрытий [2, 3].
Концентрированные импульсные потоки энергии. В ряду развиваемых современных методов управления свойствами поверхностного слоя особое место занимает разработка и внедрение высокоинтенсивных методов поверхностной обработки деталей, основанных на использовании концентрированных импульсных потоков энергии, имеющих ряд преимуществ перед классическими методами поверхностной (механической, химической и термической) обработки.
Облучение деталей импульсными потоками энергии обеспечивает: формирование уникального физико-химического состояния материала в поверхностном слое; достижение точности изготовления на нанометровом уровне и параметра шероховатости поверхности Ra« 0,05^0,06 мкм; экологическую чистоту производства; высокую производительность за счёт изменения поперечного сечения энергетических потоков от 30 см2 до 1 м2 при длительности импульса от 50 нс до нескольких десятков микросекунд.
Вместе с тем, применение методов лазерного упрочнения и концентрированных потоков энергии требуют высокой наукоемкости разрабатываемых технологий, включающих проведение тщательных длительных и дорогостоящих исследований влияния режимов облучения на состояние поверхности и несущую способность обрабатываемых деталей [5].
Лопатки турбин
Известно, что максимальные параметры длительной прочности и ползучести достигаются за счёт: увеличения размеров зерна, т.е. уменьшения площади границ зёрен; формирования, например, столбчатой или монокристаллической струк-
2Р х3
туры, расположенной параллельно направлению действия главных напряжений. Кроме того, это способствует увеличению долговечности материала при воздействии на деталь циклически изменяющихся статических и термических напряжений, повышению сопро-тивляемости сплава к высокотемпературной коррозии.
Преимущества лопаток МОНО достигаются за счёт:
- отсутствия границ зёрен, что повышает длительную прочность и сопротивление циклической усталости;
- направления ориентации [001], что обеспечивает минимальное значение модуля упругости Е001 и максимальное снижение величины термических напряжений ^терм = аТ Е001, а также позволяет увеличить циклическую долговечность сплава.
Требования к конструкции лопатки:
- в профильной части следует избегать резких изменений формы, прежде всего наличия бандажной полки;
- в конструкции лопатки в профильной части после литья должны иметь место минимальные доработки в зонах, где рабочие температуры составляют 900 °С и выше;
- традиционные щели на выходной кромке для выпуска охлаждающего воздуха следует заменять отверстиями;
- замена материала лопатки из равноосного сплава на МОНО требует специальной проработки конструкции, включая экспериментальные и расчётные исследования.
Требования к отливкам лопаток МОНО. При литье лопаток с заданной кристаллографической ориентацией (КГО), необходимо регламентировать:
- отклонение величина угла у КГО [001] от продольной оси OZ лопатки, должно находиться в пределах у < 10°, что гарантирует минимальные разбросы действующих на лопатку напряжений;
- применение специальных затравок (крис-тал-лы с заданной КГО), что позволяет стабилизировать значения угла у и снизить разброс собственных частот колебаний лопаток f на 30 %;
- отсутствие пластической деформации на профильной части лопатки, которая при эксплуатационной температуре способствует рекристаллизации, приводящей к деградации свойств материала по параметрам жаропрочности и длительной прочности;
- не допускать обработку ГИП лопаток и отливки с рекристаллизованным слоем.
Сложности применения:
- высокие технические требования к применяемому оборудованию и оснастке;
- повышенные требования к стабильности параметров процесса литья;
- специальные требования к конструкции и качеству форм, обеспечивающих заданные режимы
кристаллизации;
- высокие требования к свойствам и качеству затравки;
- многоступенчатая и длительная термообработка отливки лопатки;
- высокая стоимость применяемых литейных сплавов и технологического процесса.
Такая задача технически и практически достаточно успешно решается применением регламентированных процессов литья кристаллизации, когда реализуется отвод тепла при затвердевании расплава в одном направлении из жидкости через твёрдую фазу с заданной скоростью. Процесс кристаллизации отливки требует кроме строгого соблюдения режимов [6] поддержания давления, скорости роста кристалла, температурного градиента при охлаждении отливки, а также специального конструирования формы и т.п. Это позволяет формировать в детали заданную столбчатую НК или МОНО структуру.
Для формирования монокристаллической детали с заданными аксиальной и азимутальной кристаллографической ориентацией КГО в литейной форме размещается специальная затравка, связанная с холодильником. В сплавах с гранецентриро-ванной кристаллической решёткой г.ц.к. при кристаллизации и затвердевании в направлении тепло-отвода равноосные зёрна в результате конкуренции вытягиваются в направлении [001], оттесняя, благодаря своей дендритной природе, менее благоприятно ориентированные дендриты.
Выводы
Рост параметров ГТД при сохранении высоких требований к надёжности и повышению ресурса нельзя реализовать без постоянного совершенствования как конструкции, так и технологических процессов. Внедрение новых технологий требует глубоких исследований факторов, влияющих на характеристики прочности, определяющие статическую прочность, циклическую долговечность, сопротивление усталости и др.
Список литературы
1. Теоретические основы процессов поверхностного пластического деформирования / под ред. В.И. Беляева. Минск: Наука и техника, 1988. -184 с.
2. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надёжности деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1993. - 304 с.
3. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.
4. Montross C.S., Florea V., Bolger J.A. Laser-induced shock wave generation and shock wave enhancement in basalt. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 1999; 36: р. 849-55.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2006
23 —
5. Шулов В.А., Пайкин А.Г., Петухов А.Н., Львов А.Ф., Белов А.Б. Перспективные технологии обработки поверхности деталей машин с применением мощных импульсных ионных и электронных пучков. Конверсия в машиностроении-Conversion in machine building of Russia. 2005, №1-2 (68-69), C. 59-70.
6. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов, М.: Машиностроение, 1997. - 336 с.
Поступила в редакцию 01.06.2006 г.
Розглянуто особливост1 формування властивостей поверхневого шару деталей при обробц поверхн1 деталей ГТД традицйними методами (точ1нням, шл1фуванням, виглад-жуванням та ¡н.). Показано можливост1 сучасних метод1в обробки деталей з використан-ням лазерного опром1нення чи впливом потужнострумовими електронними пучками.
Features of formation of surface layer on parts by means of traditional ways of force surface plastic deformation SPD (blowing, rolling, ironing etc.) arc considered. Possibilities of methods of GTE parts strengthening by using laser rays or high - current electronic beams are shown.
