CC BY
59
УДК 621.8:621.787
Н. В. Гончар, Д. В. Павленко, \В. К. Яценко, В. В. Ткаченко
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД
Аннотация: Исследовано влияние комплексного упрочнения стальными макрошариками в ультразвуковом поле и последующей обдувки стеклянными микрошариками на характеристики поверхностного слоя и сопротивление усталости образцов из жаропрочных сплавов ЭИ698-ВД и ЭК79-ИД.
В настоящее время существует большое количество различных технологических методов повышения качества поверхностей деталей. В авиа-двигателестроении наиболее широкое применение нашли методы поверхностно-пластического деформирования (ППД), и в первую очередь - упрочнение шариками в ультразвуковом поле или на специальных пневмодробеструйных установках. С целью дальнейшего повышения эффективности упрочнения дробью в последнее время предложен ряд новых методов: использование охлажденной до отрицательной температуры дроби, активный контроль остаточных напряжений в процессе упрочнения, упрочнение деталей в нагретом состоянии и другие [1]. Одной из прогрессивных технологий повышения несущей способности деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, является комплексное упрочнение шариками.
В литературных источниках имеются сведения о применении технологии комплексного (комбинированного) упрочнения шариками для формирования благоприятных характеристик поверхностного слоя деталей из различных материалов [1, 2, 3]. Несмотря на это, существенными факторами, сдерживающими внедрение данного метода упрочнения в производство деталей авиационных двигателей, являются противоречивость имеющейся информации и недостаточность исследований влияния пластической деформации тонкого поверхностного слоя при ППД на его способность сопротивляться усталостному разрушению.
Так, оценивая различия в эффективности упрочнения поверхностного слоя дробеструйным способом и лазерным упрочнением, авторы работы [4] приходят к выводу, что при одинаковом уровне остаточных напряжений упрочнение ППД при циклическом нагружении детали оказывается менее эффективно, что связано с потерей пластичности материала поверхностного слоя. Негативная роль наклепа поверхностного слоя в работе [5] определяется значительными местными градиентами остаточных напряжений, приводящими к снижению несущей способности детали при знакоперемен-
ных нагрузках в условиях умеренно-повышенных температур. Авторы работ [2, 6] указывают на нежелательность применения комплексного упрочнения и значительного повышения микротвердости поверхностного слоя для тонкостенных деталей. Причиной этого называют значительные растя ги-вающие напряжения в сердцевине и неуравновешенное состояние поверхностного слоя, приводящее к адсорбции кислорода и, как следствие, снижение энергии, необходимой для зарождения трещин. Несмотря на достаточно большое количество исследований технологии комплексного упрочнения, в настоящее время в литературе отсутствует однозначный ответ на вопрос об эффективности применения такой обработки для деталей типа дисков и моноколес, изготавливаемых из жаропрочных сплавов.
Целью настоящей работы, являлась оценка эффективности и разработка технологии комплексного упрочнения сложнопрофильных деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на никелевой основе. Для достижения поставленной цели были решены задачи упрочнения поверхностного слоя образцов макро- и микрошариками с оптимальными режимами, оценка параметров качества поверхностного слоя и их испытания на усталость.
Исследования выполняли на образцах, изготовленных из жаропрочных сплавов на никелевой основе ЭК79-ИД и ЭИ698-ВД (табл. 1). Исследуемые сплавы широко применяются для изготовления дисков и моноколес газотурбинных двигателей и различаются объемной долей и морфологией упрочняющей у'-фазы.
Шариками упрочняли призматические образцы толщиной 2 мм. Для локализации разрушения при испытании на усталость образцы имели галтели. Для снятия внутренних напряжений после вырезки и механической обработки их подвергали высокотемпературному вакуумному отжигу (750 °С, 8 ч).
© Н. В. Гончар, Д. В. Павленко,I В. К. Яценко|. В. В. Ткаченко 2006 г.
Таблица 1 - Физико-механические свойства сплавов ЭК79-ИД и ЭИ698-ВД [7]
/, °с Е, МПа а-106 ,1/°С а , МПа а 0,2, МПа у. 10_3 ,кг/м3
Физико-механические свойства сплава ЭК79-ИД
20 200000 12,0 1380 950 8,365 0,3
400 188000 13,1 1283 835
500 181000 13,4 1257 805
600 170000 13,6 1232 775
Физико-механические свойства сплава ЭИ698-ВД
20 200000 - 1150 720 8,320 0,3
650 160000 12,7 1000 630
750 150000 13,4 840 620
Ультразвуковое упрочнение (УЗУ) макрошариками из стали ШХ15 диаметром 1,6 и 0,68 мм выполняли на установке в волновом концентраторе типа "стакан" на оптимальных режимах: масса шариков 25 г; время упрочнения 60 с.
Упрочнение стеклянными микрошариками диаметром 40...70 мкм проводили в герметичной камере на оптимальных режимах. Расстояние от сопла - 15 мм, давление на выходе 5 атм, время упрочнения 40 с, что соответствовало упрочнению в течение 15 с в зоне факела эффективного распыла.
Шероховатость поверхности измеряли при помощи электронного петрографа РеЛИоте^ М3. Распределение по сечению поверхностного слоя микротвердости исследовали на косых шлифах с использованием прибора ПМТ-3, оснащенного устройством для автоматизации времени индентирования и контроля качества отпечатков.
Определение величины и характера распределения в поверхностном слое остаточных напряжений первого рода выполняли на приборе ПИОН-2 при консольной схеме закрепления образца.
Предел выносливости определяли при плоском изгибе статистическим методом "лестницы". Испытания проводили на резонансной частоте образцов,
которая составляла 330......340 Гц. Напряжения в
опасном сечении определяли по размаху колебаний консольного конца образца. Предел выносливости определяли для вероятности неразрушений 50 %. По результатам испытаний разрушившихся образцов методом наименьших квадратов определяли параметры уравнения левой ветви кривой выносливости в полулогарифмических координатах [8]:
ст(N = Ь _ к ,
(1)
где N - число циклов; к - угловой коэффициент; Ь-линейный коэффициент.
Коэффициенты упрочнения для каждой партии образцов определяли по формуле:
Р V =-
(2)
где а_
и а_ пределы выносливости упрочнен-
ных и исходных образцов, МПа.
Основным принципом повышения несущей способности деталей при комплексном упрочнении является формирование в поверхностном слое равномерно распределенных остаточных напряжений сжатия. Учитывая, что на поверхности деталей имеются многочисленные концентраторы напряжений, вызванные предшествующей обработкой, такие как риски, следы коррозии, эрозии и ряд других, причиной разрушения многих ответственных деталей ГТД являются усталостные трещины, очаговая зона которых располагается непосредственно на поверхности. Одним из путей снижения величины коэффициента интенсивности напряжений от поверхностных микродефектов является формирование на поверхности значительных напряжений сжатия. В то же время известно множество данных, которые указывают, что зарождение трещин происходит в приповерхностном слое на глубине
100......150 мкм [9]. Причиной этого является тот
факт, что под действием растягивающей нагрузки поверхность детали находится в плосконапряженном состоянии. При этом вектор напряжений, ориентированный вдоль нормали к поверхности в тонком приповерхностном слое, минимален и возрастает к сердцевине образца, достигая некоторого предельного значения [9]. В соответствии с этим растут и растягивающие напряжения, предопределяющие зарождение очага усталостного разрушения в приповерхностном слое металла. Таким образом, из анализа причин зарождения усталостных трещин можно предположить, что максимальной выносливостью будут обладать те детали, в которых остаточные напряжения сжатия будут значительными как непосредственно на поверхности, так и в глубине поверхностного слоя.
Известно, что при упрочнении дробью максимальные напряжения сжатия формируются под поверхностью. Величина и глубина залегания определяются режимами упрочнения и, в первую очередь, диаметром дроби и интенсивностью обработки [10]. Применяя последовательно упрочняющую обработку на "жестком" режиме крупной дробью, и затем - на " мягком" режиме мелкой дробью можно добиться суммирования эпюр остаточных напряжений, тем самым увеличить глубину рас-
а
пространения сжимающих напряжений (рис. 1). При этом в сердцевине детали могут возникать напряжения растяжения, однако, учитывая достаточно большую площадь поперечного сечения, как исследуемых образцов, так и элементов ободной части дисков и моноколес компрессоров, их величина не должна быть существенной и способствовать снижению сопротивления усталости.
Для оценки влияния на выносливость каждого из видов упрочняющей обработки и установления закономерностей формирования характеристик поверхностного слоя, проведены исследования качества поверхности и испытания на усталость следующих партий образцов:
- партия Т1 - полированные образцы в исходном состоянии (без упрочнения);
- партия Т2 - образцы после обработки УЗУ стальными макрошариками;
- партия Т3 - образцы после упрочнения стеклянными микрошариками;
- партия Т4 - образцы, подвергнутые комплексному упрочнению (УЗУ стальными макрошариками + последующее упрочнение стеклянными микрошариками).
Результаты петрографического исследования поверхности (табл. 2, рис. 2) показывают, что влияние метода упрочнения на шероховатость поверхности определяется исходной величиной микронеровностей. Для сравнения в табл. 2 ввели значения шероховатости образцов после шлифования.
Для образцов, имевших высокое значение Яа исходной шероховатости поверхности (после грубых методов обработки: шлифования, точения, протягивания и др.), обработка УЗУ способствует снижению высоты микронеровностей и, таким образом, уменьшает уровень концентрации напряжений на поверхности. В то же время для исходных образцов (партия Т1), предварительно подвергнутых полированию и имеющих достаточно высокое качество поверхности, упрочнение шариками приводит к увеличению высоты микронеровностей за счет образования лунок и валиков вокруг них от ударов шариков. Аналогичные результаты при исследовании закономерности изменения шероховатости поверхности деталей в процессе дробеударной обработки получены в работе [11].
Обработка поверхности стеклянными микрошариками, так же как и стальными макрошариками, в
случае высокого качества исходной поверхности приводит к его ухудшению. Однако, вследствие меньшей глубины отпечатков, шероховатость обработанной поверхности повышается незначительно (рис. 2). При применении технологии комбинированного, комплексного упрочнения значение параметра Яа за счет применения предварительного
Глубина , мкм
Рис. 1. Теоретическая картина суммирования остаточных напряжений при комплексном упрочнении: 1 - упрочнение крупной дробью; 2 - упрочнение мелкой дробью; 3 -комплексная обработка [2]
И Т1 12 13 14
Рис. 2. Зависимость высоты микронеровностей: 1 - в поперечном направлении; 2 - в продольном направлении) от метода упрочнения: И - исходные образцы после шлифования; Т1, Т2, Т3 и Т4 - соответствующие партии образцов (табл.2)
Таблица 2 - Шероховатость поверхности образцов после различных методов упрочнения
№ п/п Технология обработка поверхности и обозначение партии образцов Ка в поперечном направлении образца, мкм Ка в продольном направлении образца, мкм
1 Исходные (после шлифования) - 1,58 1,27
2 Исходные (после полирования) Т1 0,16 0,15
3 УЗУ макрошариками Т2 0,82 0,85
4 Упрочнение микрошариками Т3 0,45 0,46
5 Комплексное упрочнение Т4 0,73 0,77
ультразвукового упрочнения по сравнению с исходным состоянием повышается, однако последующая обработка микрошариками приводит к некоторому снижению величины микронеровностей (рис. 2).
Принимая во внимание, что в соответствии с теоретическим обоснованием основной эффект от применения технологии комплексного упрочнения может быть получен за счет суммирования и наложения эпюр остаточных напряжений в поверхностном слое, были проведены исследования величины и характера распределения остаточных напряжений после каждого из методов обработки.
Анализ результатов показывает, что комплексное упрочнение приводит к формированию в поверхностном слое равномерно распределенных остаточных напряжений сжатия (рис. 3, 4). Перепад напряжений непосредственно на поверхности образцов и в подслойной области из всех исследованных методов упрочнения минимален в случае комплексной обработки. Величина напряжений определяется уровнем остаточных напряжений, вызванных при упрочнении макро- и микрошариками, однако арифметического сложения
а
эпюр не наблюдается.
Для оценки влияния методов упрочнения на выносливость были проведены испытания на усталость исследованных партий образцов при комнатной температуре. В табл. 3 приведены параметры выносливости образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных комплексным методом, и параметры выносливости образцов, упрочненных макрошариками и имеющими различную степень наклепа поверхностного слоя [12], а также образцов из сплава ЭИ698-ВД, обработанных по технологиям Т1,Т2, Т3, Т4.
1000
12 ТЗ 14
б
Рис. 3. Распределение остаточных напряжений образцов партий Т2, Т3 и Т4 из сплава ЗК79-ИД: а - эпюры остаточных напряжений; б - соотношение остаточных сжимающих напряжений подслойного максимума (1) и на поверхности (2)
Рис. 4. Распределение остаточных напряжений образцов партий Т1, Т2, Т3 и Т4 из сплава ЭИ698-ВД: а - эпюры остаточных напряжений; б - соотношение остаточных сжимающих напряжений подслойного максимума (1) и на поверхности (2)
Таблица 3 - Результаты испытаний на усталость образцов
Технология упрочнения поверхности Степень наклепа 5, % Предел выносливости, а_1, МПа Коэффициент упрочнения, в V СКО логарифма долговечности, м, млн. Коэф. к Коэф. ь
Образцы из сплава ЭК79-ИД
Без упрочнения (Т1) - 252 - 0,365 238 457
Ультразвуковое упрочнение стальными макрошариками (Т2) 23 292 1,16 0,124 373 463
27 321 1,27 0,137 374 476
36 340 1,35 0,101 623 551
51 441 1,75 0,082 813 669
70 380 1,51 0,102 450 519
Комплексное упрочнение (Т4) 30 562 2,23 0,096 133 715
Образцы из сплава ЭИ698-ВД
Без упрочнения (Т1) - 220 - 0,089 59 307
УЗУ стальными макрошариками на(Т2) 38 310 1,41 0,146 90 479
Упрочнение стеклянными микрошариками (Т3) 21 253 1,15 0,063 182 387
Комплексное упрочнение (Т4) 31 374 1,7 0,121 193 507
Результаты испытаний на усталость и исследования физико-механических характеристик поверхностного слоя позволили выполнить комплексный анализ эффективности применения метода упрочнения поверхностного слоя деталей из исследованных сплавов. Для обоих сплавов пластическое деформирование поверхностного слоя стальными макрошариками способствовало повышению предела выносливости и рассеяния долговечности до разрушения. При этом, зависимость коэффициента упрочнения от степени наклепа поверхности носит экстремальный характер. Максимальная величина коэффициента упрочнения для сплава ЭК79-ИД наблюдается в диапазоне степеней наклепа 50......55 %, что соответствует концу стадии формирования, свойственной для упрочненных ГЦК металлов ячеистой дислокационной структуры с ра-зориентировками [13, 14]. Причиной максимальной выносливости образцов в этом диапазоне степеней поверхностного наклепа, вероятно, является значительная скалярная плотность дислокаций, величина сжимающих остаточных напряжений и модуля упругости материала поверхностного слоя. Дальнейшее повышение степени наклепа поверхности способствовало снижению коэффициента упрочнения, что может объясняться образованием грубых полос скольжения и субмикроскопических трещин, являющихся очагами усталостного разрушения.
Упрочнение поверхности образцов стеклянными микрошариками способствовало формированию в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, максимальная величина которых находится в непосредственной близости от поверхности (рис. 3, 4). В этом случае толщина пласти-
чески деформированного слоя незначительна, а основной вклад в повышение предела выносливости вносят остаточные напряжения. Эффективность применения упрочнения микрошариками на оптимальном режиме обработки несколько ниже, чем при упрочнении стальными макрошариками, однако при этом наблюдается снижение среднеквадра-тического отклонения долговечности до разрушения (табл. 3).
Наибольший коэффициент упрочнения достигается при применении комплексной технологии. Формируемые при этом способе обработки технологические остаточные напряжения, равномерно распределяются по всей глубине поверхностного слоя. Такая особенность эпюры остаточных напряжений способствует тому, что с одной стороны эксплуатационные напряжения, возникающие в приповерхностном слое, компенсируются остаточными напряжениями, а с другой стороны значительные по величине напряжения в непосредственной близости от поверхности способствуют нейтрализации поверхностных концентраторов напряжений. В то же время глубина пластически деформированного слоя, сформировавшегося на стадии упрочнения макрошариками, значительна, что также вносит вклад в повышение выносливости.
Отличительной особенностью комплексной технологии упрочнения является то, что значительное повышение выносливости образцов (рV = 1,7 ) наблюдается при степени поверхностного наклепа, не
превышающей 35......40 %. Вероятно, достижение
на первом этапе упрочнения рациональной, с точки зрения дислокационной структуры, степени наклепа, будет способствовать дальнейшему повышению выносливости. При этом материал находит-
ся в более термодинамически устойчивом состоянии, что может проявляться в диапазоне эксплуатационных температур данных сплавов.
Наблюдаемая, в зависимости от технологии упрочнения, закономерность изменения рассеяния долговечности образцов до разрушения (табл. 3) может объясняться тем, что при упрочнении макрошариками на поверхности полированных образцов образуются следы отпечатков шариков, которые являются технологическими концентраторами напряжений. Последующая обработка поверхности микрошариками, за счет формирования пика сжимающих напряжений в непосредственной близости от поверхности, способствует их частичной нейтрализации.
Таким образом, анализ физико-механических характеристик поверхностного слоя образцов, упрочненных различными способами, и испытания на выносливость показали, что технология комплексного упрочнения поверхности, включающая последовательную обработку макро- и микрошариками, с точки зрения повышения характеристик выносливости деталей из исследованных сплавов является наиболее эффективной.
Список литературы
1. Матлин М.М., Лебский С.Л. Комбинированное поверхностное пластическое деформирование деталей дробью // Вестник машиностроения. 2000. - №1. - С.5 4-56.
2. J. Solis Romero The Effect of Saturation and Duplex Peening on Fatigue Resistance of the 2024-T351 Aluminium Alloy // Metal Finishing News. - 2004. - Vol.5, July Issue. - р. 38-40.
3. Ishigami, H., et al., A Study on Stress, Reflection and Double Shot Peening to Increase Compressive Residual Stress // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, - 2000. -№23: - p. 959-963.
4. Eduardo de Los Rios, Chris A. Rodopoulos Investigating the Effects of Shot and Laser Shock Peening on the Fatigue Behaviour of 2024-T351 Aluminium Alloy // Metal Finishing News. - 2003. - Vol.4, January Issue. - р. 24-26.
5. Боровский С.М., Саватеев В.Г. Концентрация напряжений при поверхностном наклепе // Авиационная промышленность. - 1985. - №7.
- С. 24-25.
6. Винокуров В.И., Пудков С.И., Егоров В.М., Жебынева Н.Ф. Повышение усталостной прочности лопаток компрессора упрочняющей обработкой // Авиационная промышленность. -1992. - №11. - С. 10-12.
7. Авиационные материалы. Справочник. Деформируемые жаропрочные стали и сплавы. / Под. ред. Р.Е. Шалина. - М.: ВИАМ, 1989. - Т.3, Ч.1.
- 565 с.
8. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов / Справочник. - Ч.1.- К.: Наукова думка, 1987. - 512 с.
9. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Жеманюк П.Д., и др. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД - Запорожье, изд. ОАО "Мотор Сич", 2005. - 559 с.
10. Y. Watanabe, N. Hasegawa, H. Endo et al An Effect of Peening on Fretting Fatigue // The 7th International Conference on Shot Peening, Institute of Precision Mechanics. Warsaw, Poland. - p.127-134.
11. Мухин В.С., Смыслов А.М., Боровский С.М. Модифицирование поверхностей деталей ГТД по условиям эксплуатации. - М.: Машиностроение, 1995. - 256 с.
12. Павленко Д.В. Технологическое обеспечение характеристик качества аэродинамических поверхностей лопаток центробежных колес компрессоров из жаропрочного никелевого сплава ЭК79-ИД: Дис... на соискание степени канд. техн. наук по спец. 05.07.04. - Запорожье, 2004. - 203 с.
13. Яковлева Т.Ю. Локальная пластическая деформация и усталость металлов. - К.: Наукова думка, 2003. - 236 с.
14. Конева Н.А. Природа стадий пластической деформации // Соросовский образовательный журнал. - 1998. - №10.- С. 99- 105.
Поступила в редакцию 30.03.2006 г.
Анотаця: Досл1джено вплив комплексного зм1цнення сталевими макрокульками в ультразвуковому полi й наступним обдуванням скляними м1крокульками на характеристики поверхневого шару й опiр утом i зразкв з жаромiцних сплавiв ЭИ698-ВД i ЭК79-ИД.
Abstract: Influence of complex hardening by steel shotblast in a ultrasonic field and by the subsequent processing glass shotblast on characteristics of a surface layer and resistance to fatigue of samples from superalloys ЭИ698-ВД and ЭК79-ИД is investigated.
