Поверхностное модифицирование лопаток ГТД из композиционых материалов на основе Mg-B методом микродугового оксидирования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.793.5

Н. Ю. ДУДАРЕВА

ПОВЕРХНОСТНОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЛОПАТОК ГТД ИЗ КОМПОЗИЦИОНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Мд-В МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

Исследовано влияние концентрации силикатно-щелочного электролита и электрических режимов процесса микродугового оксидирования (МДО) на свойства модифицированного поверхностного слоя, формируемого на заготовках лопаток ГТД из композиционного материала на основе Мд-В. Показана возможность упрочнения поверхностей лопаток ГТД из композиционного материала на основе Мд-В. Получены уравнения регрессии, связывающие значения концентрации электролита и электрических режимов с толщиной и микротвердостью МДО-слоя. Лопатки ГТД; упрочнение; микродуговое оксидирование; поверхность; микротвердость; композиционные материалы

ВВЕДЕНИЕ

Разрабатываемые газотурбинные двигатели (ГТД) пятого и шестого поколений требуют улучшения удельных показателей при одновременном повышении надежности и ресурса. Дальнейшие разработки по развитию ГТД связаны с повышением скорости и температуры газов перед турбиной [1]. В этих условиях происходит рост термомеханической напряженности лопаток, что в свою очередь приводит к усложнению их конструкции. От надежности лопаток двигателя в наибольшей степени зависит ресурс газотурбинных двигателей в целом, и, соответственно, безопасность полетов. Кроме высоких температур, лопатки подвергаются действию набегающего потока газов; коррозии, вследствие контакта с отработавшими газами; а также испытывают большие центробежные нагрузки [1]. Проблему надежности газовых турбин авиадвигателей можно решить только путем разработки и внедрения качественно новых технологий, как в области материалов, так и в области методов обработки.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В перспективных двигателях пятого и шестого поколений на первых ступенях применяются лопатки из металлокомпозитов, где в матрице из алюминиевого или магниевого сплава располагаются армирующие нити из бора или углерода. Однако такие лопатки нуждаются в защите от износа и эрозии, а лопатки из магниевого сплава - дополнительно в защите от возгорания. Решить вышеперечисленные проблемы можно посредством формирования на поверхности лопаток упрочненного слоя, позво-

ляющего увеличить не только их жаропрочность и коррозионную стойкость, но и заметно повысить прочность и износостойкость, что, в свою очередь, позволило бы увеличить их ресурс.

Известно, что оксид магния обладает очень высокой температурой плавления (2825 оС) и благодаря этому свойству он широко применяется в производстве огнеупорных материалов. Кроме того, оксид магния обладает высокой твердостью и износостойкостью [2]. Поэтому нанесенная или сформированная на поверхности магниевых лопаток оксидная пленка должна повысить их износостойкость, ресурс, а также расширить диапазон рабочих температур ГТД.

В данной работе рассматривается возможность использования метода микродугового оксидирования (МДО) для формирования упрочненного слоя на поверхности лопаток из композиционного материала на основе Mg-B. Метод МДО позволяет создавать на поверхности заготовок модифицированный слой, состоящий из оксида металла подложки [3].

Цель данной работы - исследование возможности упрочнения лопаток ГТД из композиционных материалов на основе Mg-B методом МДО.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Гипотеза данной работы строится на следующих положениях:

1. Известно, что метод МДО используется для создания упрочненных поверхностных слоев на деталях из вентильных металлов, то есть металлов, на поверхности которых при атмосферном воздействии образуется диэлектрическая оксидная пленка. К таким металлам относятся тантал, титан, алюминий и магний. Кроме

Контактная информация: (347) 272-84-05

того, на настоящий момент разработаны технологии нанесения МДО-слоев на детали из магниевых сплавов, а также алюминиевых сплавов, содержащих магний, например МЛ5, АМг1, АМг3, АМг5 [3, 4]. Это дает основание предположить, что и на поверхности лопаток из композитных материалов на основе Mg-B также возможно получить модифицированный слой методом МДО.

2. При МДО-обработке на поверхности деталей формируется слой, состоящий из оксида металла подложки, то есть МДО-слой, полученный на поверхности детали из магниевого сплава, будет состоять из оксида магния, который имеет высокую твердость - 5,5-6 по шкале Мо-оса (микротвердость 6-7 ГПа). В связи с тем, что твердость поверхности напрямую связана с ее износостойкостью, МДО-слой позволит повысить и износостойкость лопаток ГТД.

Если верны вышеприведенные положения гипотезы, то методом МДО можно создать на поверхности лопаток ГТД из композиционного материала на основе Mg-B модифицированный поверхностный слой, обладающий повышенной твердостью.

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

На основе анализа литературы [3, 4] было установлено, что для обработки магниевых сплавов предпочтительными являются значения концентраций компонентов электролита от 1 до 2 г/л КОН и от 1 до 8 г/л для Ка28Ю3. Напряжение на электродах было выбрано на минимально возможных для рабочей установки уровнях, чтобы предотвратить травление поверхности лопатки в процессе обработки. Продолжительность процесса упрочнения составила от 30 до 60 минут.

Обработке подвергались заготовки лопаток ГТД из композиционного материала на основе Mg-B (рис. 1) после предварительного шлифования поверхности, которое проводилось с целью удаления с нее оксидной пленки, образовавшейся в атмосфере.

Обработка МДО проводилась в электролитической ванне с использованием силикатнощелочного электролита, представляющего собой раствор КОН и Ка28Ю3 в дистиллированной воде. В качестве факторов эксперимента были выбраны:

• концентрация КОН в электролите -

СКОН, г/л;

• концентрация Ка28Ю3 в электролите -

СNa2SiO3, г/л;

• емкость конденсаторной батареи установки - С, мкФ;

• продолжительность обработки - і, ч.

О 1 А...З 4 5 6

Рис. 1. Заготовка лопатки ГТД из композицонного материала на основе Mg-B

Уровни факторов и их значения приведены в табл. 1.

Температура электролита в процессе обработки контролировалась при помощи термометра и не превышала 220С. Качество МДО-слоя оценивалось по значениям микротвердости (Нт) и толщины (к) получаемого модифицированного слоя, а также по его внешнему виду (наличие боровых нитей на поверхности, однородности, наличие муллита).

Таблица 1 Уровни и значения факторов

Нормиро- Фактические значения факторов

ванные СКОН, СNa2SiO3, С, мкФ Ъ ч

значения г/л г/л

факторов X] Х2 х3 х4

-1 1,0 1,0 100 0,50

0 1,5 2,5 150 0,75

+1 2,0 4,0 200 1,00

Шаг 0,5 1,5 50 0,25

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты эксперимента представлены в табл. 2. Замеры микротвердости МДО-слоя проводились на цифровом стационарном микротвердомере НУ8-100 при нагрузке Р = 200 г как математическое ожидание по трем измерениям. Нагрузка для измерения микротвердости выбиралась на основании рекомендаций [3, 4]. Толщина упрочненного слоя замерялась при помощи портативного толщиномера ТТ-210 с универсальным датчиком Микротвердость поверхности образца без упрочнения составляла Ци=0,26 ГПа. На многих режимах, определяющих факторное пространство, качество слоя по-

Н. Ю. Дударева • Поверхностное модифицирование лопаток ГТД из композиционных материалов.

71

лучалось неудовлетворительным - наблюдался выход боровых нитей на поверхность образца и вытравливание магниевого сплава (рис. 2, а). На рис. 2, б приведен образец с качественным МДО-слоем, который был получен в опыте № 6 (табл. 2).

а б

Рис. 2. Образцы лопаток ГТД из композиционного материала на основе Mg-B с поверхностью, упрочненной методом МДО: а - некачественный слой с боровыми нитями на поверхности; б - качественный слой

Т аблица 2 План и результаты экспериментов

№ опыта Факторы Микротвердость Н„ ГПа Т олщина, к, мкм

Х1 Х2 Х3 Х4

1 - - - - 1,6 33,6

2 + - - + 1,5 12,3

3 - + - + 1,2 29,4

4 + + - - 1,1 27,5

5 - - + + 2,9 27,1

6 + - + - 7,1 13,3

7 - + + - 3,4 34,3

8 + + + + 2,2 25,9

9 0 0 0 0 3,4 14,1

Основываясь на теории планирования эксперимента [5], были получены эмпирические зависимости влияния концентраций компонентов электролита, электрических режимов и продолжительности процесса МДО на значения микротвердости (Нц) и толщины (к) МДО-слоя, сформированного на поверхности лопаток ГТД:

Н = -14,81708 + 5,67917Скон + 1,81083С№28Ю3 +

+ 0,08043С + 10,725? - 0,89167Скон С^28Ю3 -

- 0,00605С№28Ю3 С - 0,0535С^ - 3,63?Скон; (1)

к = 100,77708 - 28,24083Скон - 5,81083 С^28Ю3 -

- 0,22805С - 57,265? + 4,12833СконС^28Ю3 +

+ 0,01462С^28Ю3С + 0,24770 + 8,77?Скон; (2)

где Нц - микротвердость упрочненного МДО-слоя, ГПа;

к - толщина упрочненного слоя, мкм;

СКОН - концентрация КОН в растворе электролита, г/л;

Сысййюз - концентрация №28Ю3 в растворе электролита, г/л;

С - емкость конденсаторной батареи установки, мкФ;

? - продолжительность обработки, ч.

Результаты расчета по вышеприведенным формулам расходятся с результатами эксперимента в среднем на 21% для толщины МДО-слоя и на 39% для микротвердости.

Анализируя полученные уравнения, можно утверждать, что наибольшее влияние на качество МДО-слоя оказывает концентрация КОН в электролите и продолжительность обработки. Увеличение количества КОН приводит к повышению микротвердости поверхности и снижению толщины МДО-слоя, аналогичным образом действует и фактор времени. Однако не следует проводить процесс обработки более 1 часа, так как вследствие параллельно происходящего процесса разрушения формируемого МДО-слоя активными компонентами электролита, армирующие боровые нити выходят на поверхность образцов, ухудшая качество упрочненного слоя.

ВЫВОДЫ

По результатам проведения работы можно сделать следующие выводы:

1. Показана возможность упрочнения поверхности лопаток ГТД из композиционных материалов на основе Mg-B методом МДО.

2. Получены эмпирические зависимости влияния значений концентраций составляющих электролита, емкостей конденсаторов и времени обработки на толщину и микротвердость поверхностного слоя.

Максимальное значение микротвердости МДО-слоя, сформированного на лопатках ГТД, составило 7,11 ГПа, что в 27,3 раза превышает величину микротвердости исходного материала.

Таким образом, основываясь на полученных в ходе данной работы результатах, было установлено, что методом МДО можно получать модифицированные поверхностные слои на поверхности лопаток ГТД, изготовленных из композиционного материала на основе Mg-B. При этом МДО-слои имеют микротвердость, в 27,3 раз превышающую микротвердость материала подложки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ОБ АВТОРЕ

1. Проектирование авиационных газотурбинных

двигателей / Под ред. А. М. Ахмедзянова. Уфа:

УГАТУ, 2000. 454с.

2. Самсонов Г. В., Куми О. П. Физико-химические свойства окислов. М.,1978.

3. Микродуговое оксидирование: теория, технология, оборудование / И. В. Суминов [и др.]. М.: ЭКОМЕТ, 2005.

4. Чуфистов О. Е., Симцов В. В., Якушев Д. А. Влияние режимов микродугового оксидирования на структуру, фазовый состав и свойства формируемых оксидных слоев / Сб. науч. тр. Ч. 9. М.: МИФИ, 2001. С. 40-41.

5. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.

Дударева Наталья Юрьевна,

доц. каф. ДВС. Дипл. инж. по технол. машиностр. (УГАТУ,

1994). Канд. техн. наук по тепл. двигателям (там же, 1999). Иссл. в обл. износостойких покрытий деталей двигателей.