CC BY
49
УДК 621.793.7
В. А. Богуслаев, В. Г. Яковлев, В. П. Бень
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД
Аннотация: Исследовано влияние алмазного выглаживания на структурно-фазовые превращения и формирование параметров шероховатости, наклепа и остаточных напряжений в детонационных покрытиях деталей из легированной стали Х12НМБФШ.
Надежность и ресурс газотурбинных двигателей (ГТД) в значительной степени зависит от несущей способности наиболее нагруженных деталей, таких, как лопатки, валы и др. Одним из перспективных направлений повышения несущей способности деталей ГТД является детонацион-но-газовое напыление с последующим деформационным упрочнением. Возможность с помощью комплексной обработки осуществлять упрочнение деталей придают детонационным покрытиям особую актуальность.
Несмотря на то, что в настоящее время сделано достаточно много для разработки научных основ нанесения покрытий детонационным методом, его возможности далеко не исчерпаны. Объяснением этому является недостаточность знаний, касающихся механизма формирования характеристик поверхностного слоя покрытий в процессе деформационного упрочнения. Процессы, которые происходят при деформационном упрочнении покрытий, в значительной степени определяют их эксплуатационные свойства. Знание этих процессов дает возможность прогнозировать сопротивление усталости валов, лопаток и др. деталей ГТД.
Особенностью свойств покрытий является наличие в них больших внутренних напряжений, одной из причин возникновения которых является пластическая деформация частиц порошка при их соударении с подложкой. Быстрое охлаждение частиц порошка не создает условий для релаксации микронапряжений. Внутренние напряжения, возникающие в напыленных покрытиях, являются одним из факторов, влияющих на прочность сцепления этих покрытий с основой.
При напылении наружных цилиндрических поверхностей внутренние напряжения в покрытии способствуют повышению прочности сцепления. В покрытии под действием сил внутреннего сжатия, возникающих при остывании напыленных частиц, происходит усадка напыленного материала, которая обеспечивает более плотный его контакт с основным металлом, т.е. с основой. Если действующие в покрытии внутренние напряжения окажутся больше сопротивления напыленного материала разрыву, то в нем могут появиться тре-
© В. А. Богуслаев, В. Г. Яковлев, В.П. Бень 2006 г.
щины.
Прочностные свойства материалов с покрытиями, полученными газотермическим напылением,
изучены недостаточно [1......4]. Согласно данным
работы [4] положительная роль покрытий определяется рядом факторов: при взаимодействии покрытия с основным металлом увеличивается прочность межатомной связи; остаточные сжимающие напряжения в покрытии и поверхностных слоях основного металла при определенных сочетаниях механических свойств и толщины материала покрытия и основы повышают прочностные характеристики; покрытие может служить барьером для дислокаций, зарождающихся в основном материале и стремящихся разрядиться у поверхности; при формировании покрытия могут залечиваться дефекты типа микротрещин, имеющиеся в поверхностных слоях основного материала.
Однако покрытия могут играть и отрицательную роль, т.е. понижать прочностные характеристики: в результате образования диффузионных зон на границе покрытия с основным металлом прочность межатомной связи может уменьшиться; в поверхностных слоях возникают остаточные растягивающие напряжения; при определенном сочетании механических свойств материала, толщины покрытия и основного материала возможно отрицательное влияние и сжимающих напряжений (особенно, когда происходит деформация основного материала); при формировании покрытий могут образовываться интерметаллидные соединения, а также фазы внедрения повышенной хрупкости, являющиеся концентраторами напряжений, что может привести к возникновению в покрытии трещин.
Сведения о влиянии одних и тех же покрытий на прочностные свойства конструкционных металлов и сплавов в ряде случаев противоречивы. Объясняется это разными режимами и способами получения одних и тех же покрытий, что обусловливает различную толщину слоев и их структуру. Очень мало данных о влиянии напыленных покрытий на сопротивление усталости деталей [3]. Следовательно, влияние покрытий на надежность и долговечность деталей необходимо рассматривать комплексно, оценивая физико-механические свойства покрытия и основного материала в конкрет-
ных условиях эксплуатации.
Для повышения износостойкости, коррозионной стойкости и восстановления прочностных характеристик деталей энергетических установок все более широкое применение находит детонационное напыление [5]. Несущая способность валов ГТД в значительной мере определяется состоянием их поверхностного слоя, который формируется на финишных этапах технологического процесса. Качество детонационных покрытий в основном определяется свойствами и гранулометрическим составом наносимых порошковых материалов: ПКХН-15 и ВКНА.
Для окончательной обработки деталей с детонационными покрытиями в настоящее время применяется шлифование. Оно обеспечивает необходимую точность обработки и шероховатость поверхности, но сопровождается образованием нестабильного поверхностного слоя, часто с растягивающими напряжениями, структурными превращениями, снижающими несущую способность материала. Кроме того, после шлифования остаются глубокие следы обработки - резкие концентраторы напряжений, ухудшающие микрорельеф поверхности. Более эффективным способом окончательной обработки деталей (валов) является алмазное выглаживание [6].
Для оптимизации режимов алмазного выглаживания детонационных покрытий порошками ПКХН-15 и ВКНА были изготовлены втулки из стали ЭП-609 (Х12НМБФШ) с наружным диаметром 104,75 мм и толщиной стенки 3 мм. Окончательная обработка наружных поверхностей втулок - чистовое точение (Яа = 1,6 мкм).
Поверхности под детонационное напыление подвергали пескоструйной обработке. Толщина детонационного покрытия после нанесения и последующего шлифования абразивным кругом составляла 0,2 мм. При выглаживании силу Ру изменяли от 100 до 400 Н, подачу от 0,04 до 0,12 мм/ об. Скорость выглаживания составляла 90 м/мин. Упрочнение производили за один проход с применением масла И-20А.
Для выбора и обоснования рационального режима алмазного выглаживания детонационных покрытий ПКХН-15 и ВКНА втулок из стали ЭП-609, обеспечивающих благоприятное сочетание характеристик поверхностного слоя, были определены адгезионная прочность покрытий, параметры шероховатости, наклепа и остаточных напряжений.
Определение адгезионной прочности покрытий производили на специальных блоках, зажатых в губках разрывной машины Р-0,5 при скорости перемещения активного захвата 0,1 мм/мин. Испытанию подвергали партию напыленных, прошлифованных и упрочненных алмазным выглаживанием образцов в количестве не менее 4 шт. По средним значениям определяли силу отрыва О и адгезион-
ную прочность ос.
Наиболее интенсивный прирост адгезионной прочности получен при увеличении силы выглаживания Ру до 300 Н при скорости подачи до Б = 0,08 мм/об. При этом наибольшая адгезионная прочность наблюдается при выглаживании покрытия с силой Ру = 300 Н и подачей, равной 0,06 мм/об. Аналогичная зависимость величины адгезионной прочности имеет место при выглаживании с силой 200 Н.
Результаты испытаний на адгезионную прочность покрытий ПКХН-15 и ВКНА (табл. 1 и 2) показали,
что в пределах Ру = 300......350 Н наблюдается
наибольший прирост стс , о чем свидетельствуют полученные данные.
Таблица 1 - Результаты определения адгезионной прочности покрытия ПКХН-15 после шлифования и алмазного выглаживания
№ п/п Ру, Н мм/об Сила отрыва 2, Н 2 , Н Ос, МПа
1 шлифование - 16,7; 16,7; 16,7, 22,7 18,2 5,80
2 200 0,08 26,7; 30; 24;23,3 26,0 8,28
3 300 0,08 32; 40; 24,7; 30 31,7 10,09
4 400 0,08 33,3; 40,7; 36,7; 36,9 36,9 11,75
Таблица 2 - Результаты определения адгезионной прочности покрытия ВКНА после шлифования и алмазного выглаживания
№ п/п Ру, Н мм/об Сила отрыва 2, н 2 , Н Ос, МПа
1 шлифование - 21; 17; 21; 19 19,5 6,21
2 200 0,08 31; 32; 34; 40 34,25 10,91
3 300 0,08 33; 60; 90; 70 63,25 20,14
4 400 0,08 70; 90; 83; 72 78,75 25,08
Остаточные напряжения определяли на кольцах шириной 10 мм, вырезанных из втулок при измерении величины остаточной деформации кольца после его разрезки по образующей (рис. 1).
Рис. 1. Кольцо, вырезанное из втулки, и образец, вырезанный для исследования, разрезанный по образующей кольца
Формула для расчета величины остаточных напряжений имеет вид [7]:
2 E-Ър (h
& Р =--~—I--а
Р 1 -И DCp 12
где ц = 0,3 - коэффициент Пуассона;
Е = 2,04 105 МПа - модуль упругости стали ЭП-609;
DCp = 101,75 мм - средний диаметр втулки;
Sp - изменение диаметра образца (кольца) после разрезки;
h = 3 мм - толщина образца (кольца);
а - текущее значение глубины поверхностного слоя.
Для определения Sp на координатно-измери-
тельной машине "Prismo" фирмы Zeiss выполнена обкатка колец, вырезанных из втулок и разрезанных по образующей. По результатам обкатки было получено измененное значение диаметра окружности, вычисленное по правилу минимума суммы квадратов отклонений координат точек от окружности. Расчет остаточных напряжений был выполнен для а = 0, т.е. был определен уровень напряжений у поверхности напыленного слоя. На рис. 2 показан микрорельеф образцов, вырезанных из колец, после шлифования эльборовым кругом и алмазного выглаживания. В табл. 3 и 4 и на рис. 3 и 4 представлены характеристики поверхностного слоя.
Проведенные исследования показали, что минимальная шероховатость и наибольший прирост микротвердости и уровня остаточных напряжений наблюдается при алмазном выглаживании с силой 200 и 300 Н. Повышение силы выглаживания свыше 300 Н является нецелесообразным. Так, выглаживание покрытия ВКНА с силой Ру=400 Н привело к отслоению покрытия на отдельных участках втулки из-за перенаклепа.
Рис. 2. Образцы с покрытием ПКХН-15 после шлифования
эльборовым кругом (1) и выглаживания (2......5) с силой
Р = 400, 300, 200 и 100 Н соответственно (5 = 0,08 мм/об)
2
3
4
5
Рис. 3. Зависимости параметра шероховатости Ra (1), микротвердости (2) и уровня остаточных напряжений оо
(3) от силы выглаживания покрытия ВКНА
Рис. 4. Зависимости параметра шероховатости Ra (1), микротвердости Нц (2) и уровня остаточных напряжений оост
(3) от силы выглаживания покрытия ПКХН-15
Таблица 3 - Параметры шероховатости, наклепа и остаточных напряжений в покрытии втулки (ВКНА) после алмазного выглаживания
Вид обработки Ру, Н Ка, мкм Яг, мкм н , МПа О ост , МПа 8р мм
Шлифование - 0,63 6,52 3630 -95 1,12
Выглаживание 100 0,27 3,34 3990 -126 1,49
-"- 200 0,22 2,75 4670 -225 2,66
300 0,28 3,08 4950 -292 3,46
400 0,30 4,07 4840 -296 3,51
Таблица 4 - Параметры шероховатости, наклепа и остаточных напряжений в покрытии втулки (ПКХН-15) после алмазного выглаживания
Вид обработки Ру, Н Ка, мкм Яг, мкм н , МПа о ост, МПа 8р мм
Шлифование - 0,61 6,22 4200 -148 1,75
Выглаживание 100 0,36 4,53 6390 -271 3,21
-"- 200 0,28 3,09 6850 -375 4,42
300 0,33 3,78 6740 -428 5,07
400 0,67 6,53 6210 -360 4,26
Известно, что из всех характеристик поверхностного слоя (шероховатость, наклеп,остаточные напряжения) наиболее существенное влияние на сопротивление усталости оказывают остаточные сжимающие напряжения. Установлено, что после алмазного выглаживания наиболее высокий уровень остаточных сжимающих напряжений получен в покрытии ПКХН-15 (410 МПа). В покрытии ВКНА уровень остаточных сжимающих напряжений составлял 310 МПа. При этом микротвердость в покрытии ПКХН-15 после выглаживания (6850МПа) существенно превышала указанную характеристику в покрытии ВКНА (4950 МПа).
Таким образом, на основании полученных результатов, для комплексной обработки валов ГТД, работающих при знакопеременных нагрузках, целесообразно применять порошок ПКХН-15.
Причиной возникновения микронапряжений в покрытии является пластическая деформация частиц порошка при их соударении с подложкой, а также влияние каждого последующего слоя покрытия на изменения в структуре предыдущих слоев [8].
Для оценки влияния режимов выглаживания на уровень внутренних микронапряжений определяли уширение Ар линии 331 никеля в покрытии ПКХН-15 на образцах после алмазного выглаживания. Уширение Ар определяли относительно отожженного состояния, для чего один из образцов был отожжен при температуре 600° в течение 1 часа для снятия напряжений. Уширение линий рассчитывали по методике, описанной в работе [9]. Результаты проведенного эксперимента показаны в табл. 5. Следует отметить, что с увеличением силы Ру уширение возрастает, что свидетельствует о росте уровня микронапряжений вследствие тех деформационных процессов, которые происходят при выглаживании в слое покрытия.
В работе [10] показано, что в процессе напыления покрытий детонационным методом при соударении частиц с подложкой в ее приповерхностном слое плотность дислокаций может повышаться на три порядка и доходить до значения, равного 4-1011 см-2, что приводит к появлению внутренних напряжений в самой подложке.
Охлаждающиеся слои покрытия на холодной
подложке также влияют на уровень микронапряжений. Для выявления изменений в структуре стали, из которой изготовлена втулка, а также для оценки влияния алмазного выглаживания на состояние поверхностного слоя втулки были сняты дифрак-тограммы с торцевых сечений образца. Ширина щелей, ограничивающих сечение рентгеновских лучей, составляла 1 мм. При такой схеме съемки в облучаемый объем образца попадало как покрытие, толщиной около 200 мкм, так материал втулки.
Следует отметить, что кроме поверхностных областей втулки, служивших подложкой при напылении покрытия, в создании дифракционной картины участвовали также и более удаленные от поверхности слои, поэтому приповерхностная область втулки составляла лишь некоторую долю в общей облучаемой поверхности.
В табл. 5 приведено уширение линии (310) феррита, полученной при съемке дифрактограмм с торцевой поверхности образцов. Уширение линии феррита по сравнению с этой характеристикой для линии никеля в покрытии существенно меньше. Это, по-видимому, объясняется тем, что кроме поверхностной области в облучаемом объеме находятся слои, до которых деформационные процессы при выглаживании не достигают.
Таким образом, в процессе выглаживания уменьшается не только шероховатость, но возрастают микронапряжения как в самом покрытии, так и в поверхностном слое втулки, что свидетельствует о повышении плотности дислокаций и усложнении дислокационной структуры.
Полученные выводы подтверждаются также данными по измерению микротвердости (табл. 3, 4). Так, микротвердость образцов после алмазного выглаживания (Р = 400 Н, Б = 0,08 мм/об) увеличивается почти вдвое по сравнению с исходным образцом.
Микроструктуру покрытия исследовали на торцевых сечениях образцов втулки. На рис. 5... показана микроструктура после шлифования и в зависимости от режимов алмазного выглаживания на полированных нетравленых шлифах, а также после травления в 4% растворе азотной кислоты в спирте.
Зона контакта покрытия из порошка ВКНА с по-
Образец Режим выглаживания Уширение Ар, радианы линий
Ру, Н S, мм/об 331 никеля 310 железа
исх шлифование - 1,9910-2 0,37-10-2
1 10 0,08 4,95-10-2 0,87-10-2
2 20 0,08 5,24-10-2 1,18-10-2
3 30 0,08 6,06-10-2 1,82-10-2
4 40 0,08 6,81 -10-2 1,85-10"2
Таблица 5 - Уширение Ар в радианах линий 331 никеля (покрытие) и 310 железа (втулка) для различных режимов выглаживания покрытия ПКХН-15
верхностью втулки и в меньшей степени для покрытия ПКХН-15 имеет волнообразную извилистую форму, что свидетельствует о деформации подложки при нанесении такого вида покрытий. При алмазном выглаживании волнообразный характер этой граничной зоны сглаживается и становится более прямолинейным. Структурные составляющие покрытия ВКНА по своему характеру мелкодисперсные, со слабо проявляющимися границами между слоями, особенно на травленных шлифах. Алмазное выглаживание уменьшает шероховатость поверхности покрытия (рис. 5, 6).
Следует отметить, что имеющиеся одиночные поры в исходном состоянии имеют округлую форму, при алмазном выглаживании они принимают более вытянутую форму под действием деформационных сил. В покрытии ПКХН-15 светлые участки, по-видимому, являющиеся а-твердым раствором на основе никеля, мелкие в первичных слоях покрытия, крупные встречаются только в поверхностном слое покрытия. В процессе выглаживания с увеличением силы Ру эти области, особенно на поверхности, становятся более продолговатого вида (рис. 7 и 8). При большом увеличении в микроскопе на всех образцах в микроструктуре покрытия ПКХН-15 в областях более темного цвета четко различимы мелкие частицы округлой формы желтоватого цвета, характерного для частиц карбида хрома. Фаза СГ2С3 выявлена с помощью рентге-ноструктурного анализа.
Таким образом, отмеченные особенности, выявленные в структуре, свидетельствуют о деформации, происходящей при выглаживании.
Ранее была исследована микроструктура детонационных покрытий лопаток, изготовленных из титанового сплава ВТ3-1 [11].
Следует отметить, что сравнительный анализ покрытий ПКХН-15 и ВКНА на стали Х12НМБФШ и сплаве ВТ3-1 не выявил каких-либо существенных отличий в структуре и фазовом составе покрытий. Это позволяет сделать вывод, что структура покрытий определяется составом порошков и технологией процесса и не зависит от материала подложки.
Пористость покрытий ПКХН-15 и ВКНА определяли на микропрофилях линейным методом и оценивали коэффициентом (индексом) пористости -отношением суммарной длины пор к длине линии подсчета (табл. 6)
, Ж
п I ■
б
Рис. 5. Микроструктура покрытия из порошка ВКНА (шлифование эльборовым кругом): а - полированный образец; б - после травления; х200
б
Рис. 6. Микроструктура покрытия из порошка ВКНА (алмазное выглаживание, Ру = 300 Н): а - полированный образец; б - после травления; х200
Рис. 7. Микроструктура покрытия из порошка ПКХН-15 (шлифование эльборовым кругом): а - полированный образец; б
- после травления; х200
Рис. 8. Микроструктура покрытия из порошка ПКХН-15 (алмазное выглаживание, Ру = 300 Н): а - полированный образец; б - после травления; х200
Таблица 6 - Результаты определения пористости покрытий
Материал покрытия № рисунков Вид обработки Режимы Ру, Н, S, мм/об Индекс пористости
ВКНА 5 6 Шлифование Выглаживание 300;0,08 0,2105 0,1204
ПКХН-15 7 8 Шлифование Выглаживание 300;0,08 0,2309 0,1175
Как видно из табл. 6 алмазное выглаживыание практически в два раза уменьшает пористость покрытий. При выглаживании на указанных режимах пористость покрытия ПКХН-15 составила 1п =
0.1175. а покрытия ВКНА - 0,1204.
Таким образом, установлено, что комплексное упрочнение (детонационное покрытие+алмазное выглаживание) приводит к уменьшению пористости, увеличению адгезионной прочности и микротвердости, увеличению уровня сжимающих напряжений и микронапряжений, что сопровождается повышением характеристик выносливости [12].
Список литературы
1. Хасуй А., Моричаки О. Наплавка и напыление / Перевод с японского В.П.Попова// Под ред. В.С.Степина, Н.Г.Шестеркина. - М.: Машиностроение, 1985. - С. 240.
2. Меринголо В., Сильваджи Л., Могул Ж. Влияние напыленных плазмой покрытий на устало-
стные свойства стали и алюминия // В книге: Получение покрытий высокотемпературным распылением. - М.: Атомиздат, 1973. - С. 232239.
3. Влияние плазменного напыления на усталостную прочность стали 30ХГСА в условиях фрет-тинг-коррозии / А.Я.Алябьев, В.В.Шевеля, В.А.Венедиктов, Б.И.Чайка // Физико-химическая механика материалов. - 1977. - 13. - № 4. - С. 54-57.
4. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями / Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Копылов В.И. - Киев.: Наукова думка, 1983. - С. 264.
5. Зверев А.И., Шаривкер С.Ю., Астахов Е.Л. Детонационное напыление покрытий.— Л.: Судостроение, 1979. - С. 232.
6. Яценко В. К., Зайцев Г.З., Притченко В.Ф. и др. Повышение несущей способности деталей
машин алмазным выглаживанием. - М.: Машиностроение. 1985 - С.232.
7. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машиностроение, 1963. - 232 с.
8. Антикоррозионные покрытия. Труды Всесоюзного совещания по жаростойким покрытиям. Л., Наука, 1983. - 302 с.
9. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический электроннооптический анализ. - М.: Металлургия, 1970. - 366 с.
10. Шоршоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико-химические основы детонационного-газового напыления покрытий. М., Наука, 1978. - С. 227.
11. Богуслаев В.А., Яковлев В.Г., Степанова Л.П.,
Пухальская Г.В. Повышение прочностных характеристик детонационных покрытий методами поверхностного пластического деформирования //Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуваны, 2005. - №2 - С. 48-52.
12. Богуслаев В.А., Яковлев В.Г. Оценка влияния комплексной обработки на сопротивление усталости валов ГТД // Авиационно-космическая техника и технология, 2005. - 9(25). - С. 68-72.
Поступила в редакцию 30.01.2006 г.
Анотаця: Досл1джено вплив алмазного вигладжування на структурно-фазовi перетво-рення та формування параметрiв шорсткостi, наклепу i залишкових напружень в дето-нацйних покриттях деталей i3 леговано! сталi Х12НМБФШ.
Abstract: Researched is the influence of a diamond ironing on structure-phase transformation and roughness parameters, work hardening and residual stresses in detonated coatings of parts from alloyed steel Х12НМБФШ.
