CC BY
60
Перечень ссылок
1. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД / [Бо-гуслаев В. А., Яценко В. К., Жеманюк П.Д. и др.]. -Запорожье : ОАО «Мотор Сич», 2005. - 559 с.
2. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле / Тимошенко С. П. - М., 1959. - 439 с.
3. Гольдсмит В. Теория и физические свойства соударяющихся тел / Гольдсмит В. - М . : Изд-во литературы по строительству, 1985. - 448 с.
4. К. Джонсон. Механика контактного взаимодействия / К. Джонсон - М. : Мир, 1989. - 510 с.
Одержано 10.07.2009
Розглянуmi напруження, яК виникають у тонкому поверхневому шарi деформованого твердого mina при ультразвуковому змiцненнi мamерiaлу. Показано, що швидюсть ударювальних частинок в ультразвуковому полi пропорцшна поmужносmi ультразвукового обладнання й обернено пропорцшна густит мamерiaлу i геометрИ' (рaдiусa) ударювальних частинок. Отримано закон розподшу напружень у тонкому поверхневому шaрi мamерiaлу.
The stresses that appear in thin surface layer of the deformed solid body in ultrasonic hardening of the material are studied. It is shown that the velocity of bombarding particles in ultrasonic field is proportional to the ultrasonic installation capacity and inversely proportional to the material density and bombarding particles geometry (radius). The law of stress distribution in thin surface layer of material is given.
УДК 669.21
Т. Д. Соболевская, В. И. Гишкина, Т. А. Коваленко
ОАО«Мотор Сич», г. Запорожье
ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ТИТАНА ГУБЧАТОГО НА НАЛИЧИЕ ДЕФЕКТОВ В ПОЛУФАБРИКАТАХ И ДЕТАЛЯХ ИЗ ТИТАНОВЫХ
СПЛАВОВ
Исследованы и классифицированы металлургические дефекты титановых полуфабрикатов и деталей, установлена причина их образования, предложены эффективные методы контроля качества материала на всех этапах технологического цикла их изготовления.
1 Введение и цель работы
Рост производства титана объясняется его свойствами: малой плотностью, большой удельной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, значительной прочностью при повышенных температурах. На ОАО «Мотор Сич» впервые титановые сплавы были использованы в процессе освоения двигателя самолета ЯК-40 (1965г.). В настоящее время ответственные детали компрессора двигателей самолетов «Мр1я», «Руслан», вертолетов М1-26, М1-26Т изготавливают из титановых сплавов марок ОТ4-1, ВТ5Л, ВТ3-1, ВТ8, ВТ6, ВТ9, ВТ25 и др.
Для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) важной задачей является повышение ресурса и надежности изделий из титановых сплавов, что обеспечивается, в первую очередь, качеством металла, используемого для изготовления деталей. В связи с повышенными требованиями, предъявляемыми к качеству авиационных деталей, на предприятии «Мотор Сич» были разработаны и внедрены различные методы контроля качества материала.
Известно, что исходным материалом для получения титановых сплавов является губчатый титан, качество которого влияет на формирование слитков, полуфабрикатов и изделий из них. Естественно, что губчатый титан может являться источником дефектов, вносимых в сплав в виде окисленных участков, шлама, отдельных кусочков с высоким содержанием магния, железа, вольфрама, хрома [1].
В поковках, штамповках и других полуфабрикатах, а также в готовых деталях из титановых сплавов встречаются различного вида дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, снижающих эксплуатационную надежность. Так, например, причиной катастрофы самолета в г. Иркутске (1977 г.) послужило включение, насыщенное кислородом, повлекшее разрушение диска компрессора из сплава ВТ8.
На ОАО «Мотор Сич» на всех этапах технологического цикла изготовления деталей применяются методы неразрушающего контроля:
- визуальный осмотр;
- капиллярный контроль (цветная дефектоскопия,
© Т. Д. Соболевская, В. И. Гишкина, Т. А. Коваленко, 2009
50
люминисцентный метод), применяемый для выявления поверхностных дефектов;
- рентгеновский и ультразвуковой методы выявляют внутренние дефекты.
Следует учесть, что, согласно рекомендациям ВИАМ, неразрушающие методы контроля не всегда позволяют выявлять дефекты, не имеющие четкой границы раздела с основным металлом, т. е. включения, насыщенные кислородом, ликвационную неоднородность и разнозернистость.
Для выявления поверхностных дефектов на предприятии применяется специальное макротравление, эффективное при условии, что припуск под травление будет минимальным с дальнейшим обязательным уда -лением травленого слоя, снижающего усталостные характеристики [2]. Следует отметить, что шероховатость поверхности деталей, подлежащих контролю макротравлением, должна быть не ниже шестого класса.
Цель настоящей работы - исследование металлургических дефектов, выявленных при контроле в производстве на полуфабрикатах и деталях из титановых сплавов, установление причины их образования и предупреждение постановки дефектных деталей на двигатели.
2 Методы исследования, оборудование
Исследовали дефекты заготовок и деталей из титановых сплавов марок ОТ4-1, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9. Для выявления дефектов неразрушающим методом применяли люминисцентный (ЛЮМ) метод контроля (ОСТ 1 90282). Макротравление деталей проводили в растворе плавиковой кислоты (НР-10мл, ЖЮ3 - 25 мл, глицерин - 65 мл). Микроструктурный анализ выполнен на световом микроскопе «КЕОРНОТ-32», химический состав включений определяли на электронном микроскопе 18М-6360ЬЛ, оснащенном системой для проведения энергодисперсионного рентгеноспектраль-ного микроанализа (РСМА). Микротвердость замерена на приборе ММ7Т фирмы «ВЦЕНЬЕК» при нагрузке индентора равной 0,1Н (ГОСТ 2999, ГОСТ 9450).
3 Результаты исследования и их обсуждение
При ЛЮМ-контроле на полотне диска компрессора из сплава ВТ8 обнаружено линейное свечение люминофора. После снятия проявляющего лака установлено, что свечение люминофора обусловлено наличием трещины (рис. 1, а).
После макротравления на матово-серой поверхности одного диска от контролируемой партии обнаружены светлые участки размером ~25х 110 мм (рис. 1, б).
Дефекты в виде выкрашивания металла были обнаружены при механической обработке кольцевых заготовок из сплавов ВТ9 и ВТ3-1 (рис. 2 а, б).
При визуальном осмотре поверхности прутков из сплава ОТ4-1 на одном прутке от партии обнаружена несплошность в виде трещины длиной ~ 32 мм, ориентированная в продольном направлении прутка (рис. 3).
б
Рис. 1. Внешний вид дефектов, выявленных при контроле заготовок дисков компрессора из сплава ВТ8:
а - трещина; б - светлые участки
б
Рис. 2. Выкрашивание металла, обнаруженное при механической обработке кольцевых заготовок:
а - из сплава ВТ3-1; б - из сплава ВТ9, х 16
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2009
51
Рис. 3. Трещина, обнаруженная при визуальном контроле состояния поверхности прутка из сплава ОТ4-1
Таким образом, благодаря применяемым методам контроля как при входном контроле титановых полуфабрикатов, так и в процессе производства деталей, выявлены разного рода дефекты металла. Детали и полуфабрикаты с наличием дефектов были забракованы и подлежали исследованию с целью определения характера дефектов.
При металлографическом исследовании установлено, что обнаруженные дефекты представляют собой:
- монолитные включения и отдельные участки размером 0,05...0,23 мм (рис. 4, 5);
- структурную неоднородность (рис. 6).
б
Рис. 4. Монолитные включения, обнаруженные при микроструктурном анализе в зоне трещин, х 500:
а - на прутке из сплава ОТ4-1; б - на диске компрессора из сплава ВТ8
б
Рис. 5. Участки, выявленные при микроанализе в зоне выкрашивания материала при механической обработке кольцевых заготовок:
а - из сплава ВТ9, х 200; б - из сплава ВТ3-1, х 500
Рис. 6. Структурная неоднородность, обнаруженная в зоне светлых участков макроструктуры диска из сплава ВТ8, х500
Химический состав обнаруженных включений определен рентгеноспектральным микроанализом (РСМА). Установлено, что включения представляют собой комплексные соединения титана с кислородом, азотом и углеродом.
На рис. 7 показано включение, выявленное в зоне трещины на прутке из сплава ОТ4-1 (см. рис. 4, а, указано стрелкой) во вторичных электронах, из-за чего его цвет темно-серый. При увеличении х 3000 обнаружена также переходная зона от включения к основному металлу.
Из результатов РСМА в режиме картирования данного включения и переходной зоны (рис. 8) следует, что: - исследуемое включение представляет собой твердый раствор, обедненный марганцем ф-стабилизиру-ющим элементом), т. е. данное включение представляет собой а-фазу, образованную вследствие насыщения титана кислородом и азотом;
- в переходной зоне образовалось соединение титана с азотом, кислородом и углеродом.
включение
Рис. 7. Включение, обнаруженное в зоне трещины на прутке из сплава ОТ4-1 (показано во вторичных электронах), х 3000
Рис. 8. Результаты РСМА включений в режиме картирования, выявленных в зоне трещины на прутке из сплава ОТ4-1 (большему содержанию элемента соответствует более интенсивная окраска и пики кривой интенсивности относительно
линии сканирования)
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2009
53
Результаты анализа химического состава включений подтверждают, что выявленные на полуфабрикатах и деталях дефекты вызваны попаданием либо окисленных кусков губчатого титана в сплавы при выплавке, или недостаточной обработкой окисленных отходов.
При замере микротвердости исследованных включений получены значения микротвердости, в ~ 3 раза превышающие твердость основного металла (таблица 1).
Таблица 1 - Микротвердость включений и основного металла деталей из титановых сплавов
Наименование дефекта Сплав Микротвердость, HV, МПа
включений основного металла
включение, насыщенное кислородом ВТ8 1315 370
-«- ВТ8 795 362
-«- ВТ8 1145 341
-«- ВТ3-1 945 381
-«- ВТ9 615 341
включение, насыщенное азотом ОТ4-1 1300 365
Химический состав и высокая микротвердость включений позволяют утверждать, что включения являются концентраторами, инициирующими разрушение деталей в эксплуатации.
На основании проведенных исследований дефекты полуфабрикатов и деталей из титановых сплавов,
вносимые в сплавы титаном губчатым, могут укрупнено сведены к двум видам:
- неметаллические включения (окислы, нитриды, карбиды);
- химическая и, как следствие, структурная неоднородность сплава.
Таким образом, высокое качество деталей авиационных двигателей из титановых сплавов обеспечивается, в первую очередь, высококачественным сырьем для слитков, основную долю которого составляет титан губчатый, а также применением эффективных методов контроля титановых полуфабрикатов и деталей.
4 Выводы
1. Показано влияние титана губчатого на качество титановых полуфабрикатов и деталей авиационных ГТД. Установлено, что одним из источников дефектов в титановых сплавах являются окисленные либо недостаточно обработанные куски титана губчатого.
2. Дефекты, вносимые в сплавы титаном губчатым, предложено подразделять на неметаллические включения (окислы, нитриды, карбиды) и химическую (лик-вационную) неоднородность.
Перечень ссылок
1. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов / [под ред. Н. Ф. Аношкина, С. Г. Глазунова, Е. И. Морозова и др.]. - М. : Металлургия, 1978. - 382 с.
2. Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов / [под ред. Н. Ф. Аношкина, Г. А. Бочвара, В. А. Ливанова и др.]. - М. : Металлургия, 1980. - 452 с.
Одержано 09.07.2009
Досл1джет та класифгкованг металургшнi дефекти титанових напгвфабрикатгв i деталей, встановлена причина 1х утворення, запропоноваш оптимальш методи контролю якостi на ecix етапах технологiчного циклу 1х виготовлення.
Metallurgical defects in titanium semi finished work pieces and parts have been studied and classified, the cause of occurrence of the defects has been determined; optimum quality control procedures to be applied at all stages of the material production cycle have been proposed.
