Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Маркович Сергій Євгенійович

УДК 621.793.7

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ НАНЕСЕННЯ ДЕТОНАЦІЙНО-ГАЗОВИХ ПОКРИТЬ НА ДЕТАЛІ АВІАЦІЙНОЇ ТЕХНІКИ З УРАХУВАННЯМ ВЕЛИЧИНИ ТА РОЗПОДІЛУ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ У СИСТЕМІ ПОКРИТТЯ-ПІДКЛАДКА

Спеціальність 05.03.07 –“

Процеси фізико-технічної обробки”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Долматов Анатолій Іванович,

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”, завідуючий кафедрою технології виробництва двигунів літальних апаратів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Добротворський Сергій Семенович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри технології машинобудування та різальних верстатів

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

Будьоний Михайло Михайлович,

ДП “Харківський регіональний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації”, генеральний директор

Провідна установа: | Інститут машин і систем Національної академії наук України та Міністерства промислової політики України

Захист відбудеться “17” червня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: Україна, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”, Україна, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

Автореферат розісланий “6” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Застела О.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зростаючі вимоги до якості виробів, які випускаються в аерокосмічній галузі, пов'язані з підвищенням їхньої точності, надійності, довговічності, що у значній мірі визначається експлуатаційними властивостями їхніх деталей та вузлів (втомленою міцністю, зносостійкістю, корозійною та ерозійною стійкістю і т.д.). Забезпечення комплексу даних властивостей найчастіше зв'язано з великими труднощами, оскільки вимоги найчастіше суперечливі. Це робить проблему використання спеціальних захисних покрить дуже актуальною.

Незважаючи на унікальні характеристики отриманих покрить, серйозною перешкодою на шляху широкого впровадження технології детонаційного напилювання є практично повна відсутність методик, що дозволяють апріорно прогнозувати фізико-механічні властивості покрить. Рішення даної задачі дозволить розглянути питання оптимізації параметрів напилювання покрить з метою поліпшення експлуатаційних властивостей та виробів, що серійно випускаються.

Як показує досвід роботи в області нанесення захисних покрить, близько 60% потенційних замовників однією з основних умов співробітництва при закупівлі технології та устаткування ставлять наявність методик апріорної оцінки фізико-механічних властивостей поверхневого шару. Ця задача є дуже актуальною ще й тому, що в умовах дрібносерійного та одиничного виробництва економічно невигідно проводити комплекс досліджень з метою визначення властивостей покрить та встановлення оптимальних режимів напилювання.

Іншою важливою задачею є модернізація устаткування для детонаційно-газового нанесення покрить. З метою підвищення конкурентоспроможності розроблювального устаткування та технологій необхідно забезпечити більш високу компактність установки. Це відкриє нові можливості співробітництва з малими підприємствами, що займаються ремонтом та відновленням устаткування, вузлів та агрегатів транспортних засобів і т.д. Зокрема, вимагає значної доробки система охолодження, оскільки в даний час для її функціонування вимагаються значні місткості, об’єм яких зрівнюється з розмірами самої установки. Рішення даної проблеми дозволить значно скоротити площу виробничих приміщень, що забезпечують функціонування комплексу, та зменшити обсяг підготовчих робіт.

Зниження собівартості покрить є однією з основних задач для даного методу напилювання. Як свідчать результати економічного аналізу, собівартість 1 м2 детонаційного покриття нижче, ніж плазмового, однак значно перевищує вартість покрить газополум’яного та електродугового напилювання. Забезпечення зниження собівартості детонаційно-газових покрить дозволяє скласти серйозну конкуренцію плазмовим не тільки в області фізико-механічних властивостей, але й в області цінової політики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дана робота присвячена питанню дослідження впливу режимів напилювання на величину та розподіл залишкових напружень (ЗН) у системі підкладка-покриття. Робота виконана в рамках програми Міністерства освіти та науки України за напрямком “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” відповідно до тематичного плану НДДКР Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” по темі “Теоретичні дослідження синтезу сучасних технологій створення та обробки нових аерокосмічних матеріалів з підвищеними ресурсними характеристиками”, номер державної реєстрації НДР 0100U003438, “Дослідження та впровадження технології нанесення детонаційно-газових покрить із заздалегідь заданими властивостями та глибокою перехідною зоною”, номер державної реєстрації НДР 0198U002223.

Мета та задачі дослідження. Метою даної роботи є дослідження механізму формування залишкових напружень у поверхневих шарах деталей з детонаційно-газовими покриттями, розробка технології та устаткування для нанесення детонаційно-газових покрить з прогнозованими властивостями на деталі авіаційних двигунів та технологічне оснащення.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- провести аналіз механізму формування залишкових напружень у системі покриття-підкладка при напилюванні тугоплавких матеріалів;

- розробити математичну модель, що дозволяє оцінити величину та розподіл залишкових напружень у системі покриття-підкладка;

- провести експериментальні дослідження швидкості та температури часток при напилюванні на різних режимах, що впливають на розподіл залишкових напружень;

- провести експериментальні дослідження величини та розподілу залишкових напружень у покриттях, отриманих на різних режимах напилювання;

- провести дослідження втомленої міцності компресорних лопаток з покриттям з порошку ВК-25;

- розробити технологічні рекомендації з вибору режимів напилювання покрить з тугоплавких матеріалів;

- провести модернізацію устаткування для нанесення покрить з метою підвищення продуктивності та компактності детонаційного комплексу.

Об'єктом дослідження є процес формування детонаційно-газових покрить на деталях авіаційної техніки.

Предмет дослідження – процес формування залишкових напружень у системі покриття-підкладка при нанесенні детонаційно-газових покрить.

Методи дослідження. Для рішення поставлених задач у роботі використовувались наступні методи досліджень.

Для моделювання процесу формування залишкових напружень у системі покриття-підкладка використовувались чисельні методи інтегрування (метод трапецій), інтерполяційний метод Лагранжа, метод ітерацій.

При розрахунках розподілу температур у покритті, що напилюється, та підкладці використовувався метод чисельного моделювання процесу нестаціонарного теплообміну з застосуванням методу кінцевих елементів.

Експериментальні дослідження проводилися в два етапи.

Перший етап полягає у визначенні залежності таких параметрів процесу, як температура та швидкість часток від технологічних параметрів процесу напилювання (сполука суміші, дистанція напилювання).

Другий етап складався у визначенні залежності величини та розподілу залишкових напружень від енергетичних параметрів процесу. Дослідження виконувалися для режимів, близьких до тих, що використовуються в серійному виробництві для напилювання компресорних лопаток.

Для проведення досліджень використовувалися нові методи вимірів швидкості та температури часток з розробкою спеціальних приладів контролю.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Уведено поняття критичної температури Ткр та характеристичний критерій МТ=Т/Ткр (де Т – температура шару, що розглядається, Ткр – критична температура). Критична температура характеризується переходом від залишкових напружень, що стискають, до залишкових напружень, що розтягують. Так при напилюванні покриття товщиною 0,100 мм з порошку ВК-25 (діаметр часток 20-40 мкм) на підкладку з титанового сплаву ВТ8 на режимі, що характеризується параметрами: відстань напилювання – 170 мм, скорострільність – 3 Гц, співвідношення ацетилен/кисень – 0.67, витрата ацетилену – 0,31 л/цикл (швидкість часток – 510 м/с) величина критичної температури поверхневого шару складає 1914 К.

Характеристичний критерій МТ дозволяє оцінити степінь впливу температурного поля на процес формування залишкових напружень, що розтягують, у поверхневих шарах. Для забезпечення наявності стискаючих залишкових напружень величина МТ повинна бути менше 1. Рекомендована величина МТ 0,95.

- Уточнено математичну модель, що враховує внесок кінетичної енергії часток у процес формування залишкових напружень у системі покриття-підкладка при детонаційно-газовому напилюванні.

- Виявлено зв'язок між енергетичними параметрами напилювання та величиною і розподілом залишкових напружень.

- Вперше запропоновано метод нанесення комбінованого покриття для компресорних лопаток перших ступенів, що включає напилювання вхідної крайки карбідом вольфраму детонаційно-газовим методом та нанесення покриття з нітриду титана на спинку та корито лопатки методом конденсації, що забезпечує збільшення ерозійної стійкості виробу до 60%.

- Розроблено єдиний вимірювальний комплекс, що надає можливість оперативного контролю процесу напилювання за параметрами “швидкість часток” та “температура часток”.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методика визначення величини та розподілу залишкових напружень дозволяє оптимізувати режими напилювання з погляду вимог, пропонованих до величини та знака напружень у поверхневому шарі виробу, скоротити витрати та час переходу на новий об'єкт виробництва. Для одного типу покриття економія часу складає 61 годину, економія коштів – 5475,6 грн.

Отримано експериментальні залежності величини та розподілу залишкових напружень від температури та швидкості часток (розглянутий діапазон температур: 1380...1710 К, діапазон швидкості: 460...550 м/с).

Запропонована методика нанесення комбінованих покрить на компресорні лопатки газотурбінних двигунів дозволяє значно підвищити стійкість виробів до таких факторів, як ерозійне спрацювання (до 60 %) та ушкодження вхідної кромки пера при влученні великих часток у тракт двигуна. На підставі результатів проведених досліджень розроблена методика нанесення комбінованого покриття (зона вхідної кромки - ВК25, решта поверхні пера -TiN) на перо лопатки першої ступені компресора двигуна ТВ3-117. Проведено дослідження втомленої міцності лопаток з комбінованим покриттям на підтвердження відповідності вимогам, що пред’являються до серійних лопаток авіаційних двигунів (база випробувань – 108 циклів).

Розроблена нова система охолодження установки дозволила на 10% скоротити площу виробничих приміщень, що забезпечують функціонування комплексу та зменшити обсяг допоміжних робіт, прискорити на 70-75% вихід установки на робочі режими при напилюванні. На дану розробку отримано деклараційний патент України.

Результати дисертаційних досліджень упроваджені на ВАТ “Мотор Січ” в рамках проведення робіт по створенню універсального автоматизованого детонаційного комплексу та оптимізації режимів напилювання спеціальних захисних покрить на деталі авіаційного двигуна, та у навчальному процесі у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” у курсах “Технологія виробництва та ремонта авіаційних двигунів” та “Науково-дослідна робота студентів”.

Особистий внесок здобувача. У ході виконання роботи здобувачем уточнена модель, що враховує внесок кінетичної енергії часток у процес формування покрить при детонаційно-газовому напилюванні. Здобувач брав безпосередню участь у розробці вимірювальної апаратури, проведенні експериментальних досліджень та обробці їхніх результатів. Також автор брав участь у розробці та апробації методу нанесення комбінованих покрить на лопатки авіаційних двигунів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися та обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні матеріали, технології, устаткування та інструмент у машино- та приладобудуванні” (Київ, 21-22 серпня 2001р.), Десятій міжнародній конференції “Нові технології в машинобудуванні” (Харків-Рибаче, 2-6 вересня, 2001р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Інженерія поверхні та реновація виробів” (Феодосія, 29-31 травня 2001р.), Другій міжнародній науково-технічній конференції “Інженерія поверхні та реновація виробів” (Ялта, 28-30 травня, 2002р.), Одинадцятій міжнародній конференції “Нові технології в машинобудуванні”, (Рибаче, 3-7 вересня, 2002г), Міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2004” (Харків, 16-18 листопада, 2004р. ).

Публікації. Результати досліджень опубліковано в 11 друкованих працях, з них 6 - у збірниках наукових праць, рекомендованих ВАК України для публікації матеріалів дисертаційних робіт, 4 – у матеріалах конференцій, а також отримано 1 деклараційний патент України на винахід.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота виконана комп’ютерним набором в обсязі 219 сторінок, містить 16 таблиць, 64 рисунка та список використаних джерел зі 101 найменування.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та наукової задачі, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, а також представлено інформацію щодо апробації, структури та обсягу роботи.

У першому розділі роботи проведено аналіз існуючих методів захисту поверхонь деталей авіаційних двигунів, умов роботи та причин пошкодження компресорних лопаток. Розглянуто основні види захисних покрить, що застосовуються в авіадвигунобудуванні та методи їх нанесення.

Було зроблено висновок, що найбільше поширення для захисту від ерозійного зносу одержали покриття з TiN, хоча по ерозійній стійкості вони уступають покриттям типу WC+Co та WC+Ni. Це обумовлено тим, що внаслідок значної товщини та особливостей процесу напилювання нанесення покрить з тугоплавких матеріалів детонаційним методом значно впливає на характеристики втомленої міцності виробів. Як показав проведений аналіз, даний факт прямо зв'язаний з величиною та розподілом залишкових напружень (ЗН).

У роботі розглянуті причини формування залишкових напружень у поверхневих шарах виробів з покриттями, вплив різних факторів на напружено-деформований стан поверхневих шарів, адгезіонну та когезіонну міцність покрить.

Проведений аналіз впливу ЗН на міцністні характеристики деталей з покриттями визначив необхідність розробки методики, що визначає вплив технологічних параметрів процесу напилювання на величину та розподіл залишкових напружень.

Результати аналізу, проведеного в першому розділі, опубліковані в роботах [1, 2, 3].

В другому розділі розроблена математична модель, що описує механізм формування залишкових напружень у системі покриття-підкладка з урахуванням впливу кінетичної енергії часток на підлеглі шари, температурних полів та початкових залишкових напружень, внесених попередньою обробкою.

Основні етапи рішення даної задачі представлені на рис.1.

На першому етапі розрахунку визначаються вихідні параметри для розрахунку деформованого стану:

- глибина впровадження частинки h;

- діаметр лунки d;

- глибина пластично деформованого шару hпл.

У моделі, розробленої Б.П. Риковським та В.А. Смирновим, розглядаються процеси первинного навантаження та розвантаження. По величині залишкової деформації визначається напружений стан поверхневих шарів при лінійному зміцненні та при степінному зміцненні матеріалу в області пластичних деформацій відповідно:

при ; (1)

при , (2)

де ;

ЕП та КП — приведені модулі, що залежать від лінійних модулів Е і К;

s – величина деформації, що відповідає переходу степінної ділянки кривої зміцнення до лінійної.

Відповідно до теорії, розробленої Б.П. Риковським та В.А. Смирновим, дія початкових залишкових напружень позначається в тім, що початок системи координат розвантаження та вторинного навантаження зміщається по осі на , де знак “+” відповідає початковим залишковим напруженням, що розтягують, а знак “-” - напруженням, що стискають. Таким чином, необхідно знайти деформацію , що відповідає початковим напруженням , на яку зміститься початок системи координат розвантаження (рис.2).

Як гіпотеза, приймається теорія Б.П. Риковського, яка допускає, що при нагріванні ділянки поверхні, що напилюється, температурна деформація викликає напруження, які за напрямом збігаються зі знаком вторинного навантаження (рис.3).

Для визначення степені впливу температурних напружень здійснюється оцінка розподілу температури в системі покриття-підкладка в момент часу, що відповідає впливу ударного тиску та максимальною температурою в кожній із крапок по осі Z , що досягається за час остигання.

Рис. 1. Етапи розрахунку величини розподілу залишкових напружень у системі покриття-підкладка

Рис 2. Вплив початкових ЗН |

Рис. 3. Вплив температурного поля

Для деталей з високою жорсткістю, зміною форми та розмірів яких можна знехтувати, схема напилювання не впливає на поле залишкових макронапружень і залишкові напруження практично визначаються першим етапом розвантаження та вторинного навантаження поверхневих шарів.

Якщо жорсткість деталі недостатня, то внаслідок деформації заготовки відбудеться перерозподіл залишкових напружень. Для визначення ЗН з урахуванням перерозподілу напружень при розвантаженні визначаються величини зусилля, що розтягує Р і згинаючого моменту М. Для випадку плоского зразка:

(3)

де - приведений центр ваги.

Рис.4. Поперечний переріз плоского зразка з покриттям |

Положення приведеного центра ваги при нанесенні кожного шару міняється, що було враховано в розрахунках.

Приведений центр ваги визначається для плоского зразка з залежності:

. (4)

Розрахунок величин моменту осьового зусилля передбачає п'ять варіантів: hshc; hs=hc; hплhchs; hпл=hc; hchпл.

При визначенні величини ЗН розглядаються кілька випадків:

1). При hchпл: ( при Сa-hс=zCa ); (5)

( при Сa-hпл=zCa- hс ); (6)

( при -еa=zCa- hпл ). (7)

2). При hc = hпл: ( при Сa-hпл=zCa ); (8)

( при Сa-hс=zCa- hпл ); (9)

( при -еa=zCa- hс ). (10)

У тому випадку, якщо напилюється виріб з поверхнею складної форми, то визначається функція, що описує поверхню, яка напилюється (у випадку напилювання пера лопатки функція знаходиться інтерполяційним методом Лагранжа за опорними крапками у перетинах):

. (11)

Аналогічно визначаються функції, що описують поверхню покриття та зворотну сторону деталі: та .

Площа перерізу може бути розрахована методом кінцевих різностей.

Поверхня пера лопатки може бути розбита на ряд елементів, що представляють собою елемент тонкостінного циліндра. При цьому вісь Z збігається по напрямку з віссю пера лопатки. Радіус R елемента може бути визначений за трьома крапками, які належать поверхні профілю пера, що напилюється .

Залежність розподілу деформацій стиску по товщині пластично деформованого шару:

. (12)

При лінійному зміцненні та степеневому зміцненні матеріалу в області пластичних деформацій:

; ; (13)

(14)

З урахуванням поля початкових залишкових напружень, у випадку, коли напруження та деформації менше нової границі текучості:

, (15)

у другому випадку:

(16)

З урахуванням поля температур, при лінійному законі зміцнення:

. (17)

Для випадку степеневого зміцнення:

. (18)

Далі чисельними методами визначаються координати приведеного центра ваги, моменти інерції перерізу та знаходиться кут повороту осей для переходу до системи з екстремальними значеннями осьових моментів.

Тоді величина Р визначається зі співвідношення:

; . (19)

Величина згинаючого моменту:

(20)

. (21)

Величини залишкових напружень після зняття закріплення зразка визначаються за описаною вище методикою.

Для розрахунку ЗН у покритті та приповерхневих шарах деталі складена програма мовою програмування Delphi 6.

Результати розрахунків величини та розподілу залишкових напружень у плоскому зразку з покриттям представлені на рис.5. Як випливає з приведеної методики, при одній та тій же величині деформації, варіюючи температурою шару, що деформується, можна керувати величиною та знаком залишкових напружень у системі.

Рис.5. Розподіл залишкових напружень у плоскому зразку при напилюванні покриття з порошку ВК-25 на різних режимах | Таким чином, для будь-якого шару може бути визначена критична величина температури Ткр, при якій відбувається формування залишкових напружень, що розтягують.

Для визначення ступеня впливу температурного поля на процес формування залишкових напружень, що розтягують, у системі покриття-підкладка, був упроваджений температурний критерій:

, (22)

де Т – температура шару, що напилюється.

Для забезпечення наявності стискаючих залишкових напружень величина МТ повинна бути менше 1 (рекомендована величина МТ 0,95).

Використання даного критерію являє практичну цінність для процесу напилювання покриття. Застосування приладу активного контролю температури плями покриття, що напилюється, описаного в розділі 3, дозволяє безпосередньо в процесі напилювання, контролюючи температуру плями, прогнозувати та запобігати можливість появи залишкових напружень у шарі покриття.

Для випадку лінійного зміцнення:

. (23)

Критерій буде визначатися по формулі:

. (24)

Для випадку степеневого зміцнення:

, (25)

де ; ; .

При напилюванні покриття товщиною 0,100 мм з порошку ВК-25 (діаметр часток 20-40 мкм) на підкладку з титанового сплаву ВТ8 на режимі, що характеризується параметрами: відстань напилювання – 170 мм, скорострільність – 3 Гц, співвідношення ацетилен/кисень – 0.67, витрата ацетилену – 0,31 л/цикл (швидкість часток – 510 м/с) величина критичної температури поверхневого шару складає 1914 К.

Таким чином, використання даної методики дозволяє в автоматизованій системі керування детонаційним комплексом, шляхом порівняння вхідного сигналу (від приладу активного контролю температури плями) з еталонним сигналом, що відповідає критичній температурі плями, запобігати (за допомогою керування технологічними параметрами) виникнення у шарі, що напилюється, розтягуючих залишкових напружень в наслідок підвищення температур.

Дані, що приведені в розділі 2, опубліковані в роботах [4, 5, 6].

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням процесу нанесення покрить. У даному розділі розглянуті методи підготовки поверхонь, технологічний процес нанесення покрить, методики визначення енергетичних параметрів процесу напилювання, методи визначення величини та розподілу залишкових напружень.

Для визначення швидкості часток була застосована методика, відповідно до якої швидкість часток при напилюванні покрить визначалася за допомогою спеціального приладу, що використовує фоторезистори як чуттєві елементи. Принцип дії приладу заснований на реєстрації інтервалу між імпульсами, що одержуються від двох, розташованих послідовно чуттєвих елементів. Зовнішній вигляд приладу та сигнал, що реєструється, представлені на рис.6.

а б

Рис.6. Зовнішній вигляд приладу для реєстрації швидкості часток (а), та сигнал, що реєструється осцилографом типу Gould 4041 (б)

Температура плями визначалася безпосередньо в процесі нанесення покрить за допомогою оптичного пристрою, що використовує фоторезистор марки СФ3-1 як чуттєвий елемент. Пристрій працює за принципом яркістного пірометра.

Таблиця 1.

Режими напилювання покрить зі сплаву ВК-25

Режим | Склад газової суміші | Дистанція напилення,

мм | Скоростріль-ність

установки,

1/с | Товщина

нанесенного

покриття,

мм | Темпера-тура

часток | Швидкість

часток

Ацетилен,

%

за шкалою | Кисень,

%

за шкалою

1 | 45 | 75 | 170 | 4 | 0,070…0,090 | 1430 | 485

2 | 45 | 80 | 170 | 4 | 0,070…0,090 | 1520 | 510

3 | 45 | 85 | 170 | 4 | 0,070…0,090 | 1590 | 525

4 | 45 | 90 | 170 | 4 | 0,070…0,090 | 1660 | 550

а б

в г

Рис.7. Результати дослідження залишкових напружень у плоских зразках:

а – зразки з покриттям (режим напилювання №1); б – зразки з покриттям (режим напилювання №2); в – зразки з покриттям (режим напилювання №3); г – зразки без покриття, що пройшли гідроабразивну обробку оксидом алюмінію (тиск 0,3...0,4 МПа, розмір часток абразиву: 40...60 мкм, дистанція обдування 180...200 мм.)

Також у розділі описані методики визначення пористості, адгезіонної міцності та модуля пружності отриманих покрить.

Величина та розподіл залишкових напружень у поверхневому шарі зразків з покриттями визначалася на приладі ПІОН-2 з виконанням перевірки значень на рентгенівському дифрактометрі загального призначення (ДРОН-3.0). Як показали проведені дослідження, розбіжність в отриманих двома методами даних не перевищує 14%. Режими напилювання зразків приведені в таблиці 1.

Експериментальні криві розподілу залишкових напружень у поверхневому шарі зразків з покриттями зі сплаву ВК-25, які напилювались на різних режимах, приведені на рис.7 (досліджувалося по трьох партіях зразків для кожного з режимів).

Дані, що представлені в розділі 3, опубліковані в роботах [7, 8, 9, 10].

Четвертий розділ присвячений практичній реалізації отриманих результатів. У розділі приведені рекомендації з вибору режимів нанесення покрить із твердих сплавів на титанову підкладку, оптимальних з погляду величини та розподілу залишкових напружень.

Розроблена та апробована технологія нанесення комбінованого покриття на перо лопатки компресора, що дозволила підвищити ерозійну стійкість виробу на 60%. Вхідна крайка пера захищається покриттям зі сплаву ВК-25 товщиною 0,25 мм, нанесеним детонаційно-газовим методом, корито та спинка захищаються покриттям з TiN, отриманим шляхом осадження у вакуумі з плазменої фази.

Крім того, у розділі представлені дані по модернізації системи охолодження установки для детонаційного нанесення покрить, що дозволила на 10% скоротити площу виробничих приміщень, які забезпечують функціонування комплексу, виключити з конструкції комплексу бак для охолоджуючої рідини ємністю 2500 літрів, зменшити обсяг допоміжних робіт, прискорити на 70-75% вихід установки на робочі режими при напилюванні. На розроблену схему охолодження був отриманий декларативний патент України № 62124 А.

На базі модернізованої установки для детонаційного нанесення покрить (комплекс УДК-2) Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” був проведений експеримент по створенню єдиного вимірювального комплексу. Комплекс включає прилад для виміру швидкості частинок, прилад для контролю температури та цифровий двухканальный запам'ятовуючий осцилограф типу Gould 4041. Дана система надає можливість оперативного контролю процесу напилювання за параметрами “швидкість часток”, “температура часток” та може бути включена в автоматизовану систему керування детонаційним комплексом.

Проведена оцінка економічної ефективності впровадження методики розрахунку величини та розподілу залишкових напружень показала, що при встановленні оптимальних режимів напилювання одного типу покриття економія коштів складе 5475,6 грн. Економія робочого часу складе 61 годину.

Сумарний економічний ефект від упровадження результатів досліджень у виробництво складає 132 тис. грн. на рік

Дані, що приведені в розділі 4, опубліковані в роботах [3, 4, 11].

Висновки

1. Як показав проведений аналіз літератури, підвищення надійності та ресурсу газотурбінних двигунів, зниження трудомісткості їхнього виготовлення визначається рівнем технологічності виробництва та відновлення лопаток, що є самими масовими деталями двигуна (до 3...4 тис. шт.) та одними з найбільш навантажених. Серед методів захисту лопаток компресора одним з найбільш ефективних є нанесення спеціальних покрить. Серед захисних покрить, які використовуються у даний час у країнах СНД для захисту пера лопатки, можна виділити ВК-15, ВН-30, ВК-25 (детонаційно-газовий метод напилювання), нітрид титану (плазмовий метод нанесення), що підвищують ерозійну стійкість пера лопаток у 1,6...3 рази.

2. Аналіз літературних джерел показав, що залишкові напруження в системі покриття-підкладка впливають на працездатність деталі з покриттям та визначення способів регулювання залишкових напружень можна розглядати як один з резервів підвищення ресурсу та надійності виробів.

3. Уточнено математичну модель для визначення величини та розподілу залишкових напружень у системі покриття-підкладка з урахуванням внеску кінетичної енергії часток у процес формування покрить при детонаційно-газовому напилюванні. Уведено поняття критичної температури Ткр, що характеризується переходом від залишкових напружень, що стискають, до залишкових напружень, що розтягують. При напилюванні покриття з порошку ВК-25 (товщина 0,100 мм, діаметр часток 20-40 мкм) на підкладку з титанового сплаву ВТ8 (на режимі: відстань напилювання – 170 мм, скорострільність – 3 Гц, співвідношення ацетилен/кисень – 0.67, витрата ацетилену – 0,31 л/цикл (швидкість часток – 510 м/с)) величина критичної температури поверхневого шару складає 1914 К. Уведено характеристичний критерій МТ=Т/Ткр (Т – температура шару, що розглядається, Ткр – критична температура), що визначає ступінь впливу температурного поля на процес формування залишкових розтягуючих напружень у системі покриття-підкладка. Для забезпечення формування стискаючих залишкових напружень величина МТ повинна бути менше 1 (рекомендується МТ0,95). Розроблено методику розрахунку величини та розподілу залишкових напружень у системі покриття-підкладка при напилюванні поверхонь складної конфігурації. Це особливо актуально для виробів авіаційної промисловості, оскільки вони мають складну конфігурацію поверхонь.

4. Експериментально виявлено зв'язок між енергетичними параметрами процесу напилювання (швидкістю та температурою часток порошку) та величиною і розподілом залишкових напружень у системі покриття-підкладка при нанесенні покрить з порошків ВК-25 і ВК-15 на підкладку ВТ-8 (діапазон температур: 1380...1710 К, діапазон швидкості: 460...550 м/с).

5. На підставі проведених досліджень та результатів, отриманих розрахунковим шляхом з використанням математичної моделі, розроблені рекомендації з вибору оптимальних режимів з погляду величини та розподілу залишкових напружень при напилюванні компресорних лопаток з титанового сплаву ВТ-8 порошком із твердого сплаву ВК-25. Дослідження втомленої міцності компресорних лопаток першої ступені ТВД із покриттям з порошку ВК-25 на підтвердження (база випробувань – 108 циклів) виявили вплив величини та розподілу залишкових напружень на втомлену міцність виробів.

6. Модернізовано систему охолодження установки для детонаційного нанесення покрить, що дозволило значно підвищити компактність комплексу (площу приміщень скорочено на 10%, з конструкції виключено резервуар з охолоджуючій рідиною), прискорити на 70-75% вихід установки на робочі режими, усунути ефект конденсації вологи на внутрішній стінці стовбура. Розроблено єдиний вимірювальний комплекс, що надає можливість оперативного контролю процесу напилювання за параметрами “швидкість часток” та “температура часток”.

7. Проведено оцінку економічної ефективності впровадження методики розрахунку величини та розподілу залишкових напружень, на основі якої дано рекомендації щодо призначення раціональних режимів напилювання, що дозволяє виключити проведення тривалих та дорогих експериментів. Це забезпечує для одного типу покриття для однієї деталі економію робочого часу 61 годину, та коштів – 5475,6 грн. Сумарний економічний ефект від упровадження результатів досліджень у виробництво складає понад 132 тис. грн. на рік.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Маркович С.Е. Улучшение свойств газотермических покрытий лазерной обработкой //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сборник научных трудов. – Харьков: Нац. аерокосмический ун-т "Харьк. авиац. ин-т". – Выпуск 23(6). – 2000.– с. 137-144.

2. Долматов А.И., Маркович С.Е., Жеманюк П.Д., Матюхин В.А. Исследование методов повышения эрозионной стойкости рабочих лопаток компрессора газотурбинного двигателя нанесением защитных покрытий // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. -Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”.- 2003.- Вип.38/3- с.53-57.

3. Багмет М.Н., Маркович С.Е. Экспериментальное изучение влияния предварительных пластических деформаций на сопротивление усталости //Труды Международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий”, 29-31 мая 2001 г., г. Феодосия. – Киев: АТМ Украины, 2001. – с.17-19.

4. Долматов А.И., Маркович С.Е. Методика расчёта остаточных напряжений в детонационных покрытиях из тугоплавких материалов // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Технології в машинобудуванні. –Харків: НТУ”ХПІ”.-2004.-№44.-С.37-43.

5. Долматов А.И., Куралех С.Ю., Маркович С.Е. Анализ механизма формирования остаточних напряжений в детонационных покрытиях // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2004”: Тези доповідей.- Харків: Нац. аерокосмічний ун-т "Харк. авіац. ін-т", 2004.-С.92.

6. Долматов А.И., Маркович С.Е., Мовшович А.Я. Расчёт значений и распределения остаточных напряжений в поверхностных слоях изделий с детонационно-газовыми покрытиями // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2005.- №3.- с.40-45.

7. Войтенко В.С., Маркович С.Е., Ткаченко В.В., Яковлев В.Г. Влияние режимов упрочнения и отжига на прочность титановых сплавов // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Сб. науч. трудов Нац. аэрокосмич. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”.- Харьков: Нац. аерокосмический ун-т "Харьк. авиац. ин-т".- 2000.- Вып. 23(6).- с. 82-91.

8. Долматов А.И., Маркович С.Е. Влияние способов упрочнения поверхности на износостойкость деталей, работающих при ударных нагрузках // Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин: Зб. наук. праць (серія Г “Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”) / НАН України. ІНМ ім В.М. Бакуля.- Київ, 2003 - с.272-279.

9. Маркович С.Е., Попов В.В. Влияние текстуры поверхности на усталостные характеристики изделий из титановых сплавов.- Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машино- и приборостроении: Материалы международной научно-технической конференции, 21-22 августа 2001г., г.Киев.- Киев:АТМ Украины, 2001.- с.44-45.

10. Долматов А.И., Маркович С.Е. Возникновение текстурных неоднородностей на поверхности лопаток из титановых сплавов. - Инженерия поверхности и реновация изделий: Материалы международной научно-технической конференции, 28-30 мая, 2002г., г. Ялта. - Киев: АТМ Украины, 2002.- с. 44-45

11. Деклараційний патент UA62124A України: 7 В05В7/16. Комплекс для детонаційного нанесення покрить / А.І. Долматов, С.В. Сергєєв, С.Є. Маркович (Україна). - № 20021210069; Заявл. 13.12.2002; Опубл. 2.07.2003, Бюл. № 2.

У роботах, виконаних у співавторстві, автору належать:

[2] - підготовка та напилювання зразків детонаційно-газовим методом, аналіз результатів іспитів ерозійної стійкості зразків з різними типами покрить;

[3] - підготовка та аналіз результатів досліджень втомленої міцності зразків зі сплаву ВТ-8 з різним ступенем попередньої пластичної деформації;

[4] - розробка моделі розрахунку залишкових напружень;

[5] - аналіз існуючих моделей розрахунку залишкових напружень;

[6] – уточнення моделі розрахунку залишкових напружень, підготовка та проведення експериментів;

[7] - підготовка зразків для дослідження текстури матеріалу, участь у розробці методики дослідження структури зразків з матеріалу ВТ3-1;

[8] - аналіз результатів дослідження зносостійкості, визначення зміни товщини зміцненого шару та глибини розвитку тріщин;

[9] - аналіз впливу стабілізуючих елементів на фазову сполуку сплавів та обробка результатів іспитів втомленої міцності зразків;

[10] - підготовка та проведення іспитів втомленої міцності компресорних лопаток газотурбінного двигуна зі сплаву ВТ8;

[11] – розробка системи охолодження стовбура установки.

Анотація

Маркович С. Є. Дослідження процесу нанесення детонаційно-газових покрить деталей авіаційної техніки з урахуванням величини та розподілу залишкових напружень у системі покриття-підкладка. – Рукопис.

Дисертація на отримання наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.07 – процеси фізико-технічної обробки. - Національний аерокосмічний університет ім. Н.Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2005.

Дисертація присвячена питанню впливу технологічних параметрів процесу напилювання на величину та розподіл залишкових напружень у поверхневому шарі деталей з покриттями.

У роботі запропонована математична модель визначення впливу попередньої обробки підкладки та технологічних параметрів процесу напилювання на величину та розподіл залишкових напружень у поверхневому шарі виробу з детонаційно-газовим покриттям.

Представлено результати експериментальних досліджень залишкових напружень у поверхневому шарі деталей з покриттями, що підтверджують адекватність запропонованої моделі.

Розроблено технологію нанесення комбінованого покриття, що забезпечує ефективний захист пера лопатки компресора від ерозійного зносу. Проведені дослідження втомленої міцності підтвердили відповідність лопатки, що напилюється, вимогам, що пред’являються до серійних виробів.

Розглянуто досвід модернізації системи охолодження установки для напилювання покрить, що дозволила значно підвищити компактність комплексу, прискорити вихід установки на робочі режими, усунути ефект конденсації вологи на внутрішній стінці стовбура.

На базі модернізованої установки для детонаційного нанесення покрить (комплекс УДК-2) Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” був проведений експеримент по створенню єдиного вимірювального комплексу, що надає можливість оперативного контролю процесу напилювання по параметрах “швидкість часток” та “температура часток”.

Основні результати роботи знайшли застосування при зміцненні та реновації деталей компресора авіадвигунів на ВАТ “Мотор Січ”, м. Запоріжжя, Україна.

Ключові слова: технологія напилювання, поверхневий шар, залишкові напруження, комбіноване покриття, детонаційний комплекс.

Аннотация

Маркович С. Е. Исследование процесса нанесения детонационно-газовых покрытий деталей авиационной техники с учётом величины и распределения остаточных напряжений в системе покрытие-подложка. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 –процессы физико-технической обработки. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАІ”, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена вопросу влияния технологических параметров процесса напыления на величину и распределение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей с покрытиями.

В работе проведен анализ методов повышения надёжности и ресурса газотурбинных двигателей. Как свидетельствуют результаты исследования, остаточные напряжения в системе покрытие-подложка оказывают существенное влияние на работоспособность детали с покрытием и нахождение способов регулирования остаточных напряжений можно рассматривать как один из резервов повышения ресурса и надежности изделий.

Предложена математическая модель определения влияния предварительной обработки подложки и технологических параметров процесса напыления на величину и распределение остаточных напряжений в поверхностном слое изделия с детонационно-газовым покрытием. Введено понятие критической температуры Ткр и характеристический критерий МТ=Т/Ткр (где Т – температура рассматриваемого слоя, Ткр – критическая температура), определяющий степень влияния температурного поля на процесс формирования растягивающих остаточных напряжений в системе покрытие-подложка. Критическая температура характеризуется переходом от сжимающих остаточных напряжений к растягивающим. Так при напылении покрытия толщиной 0,100 мм из порошка ВК-25 (диаметр частиц 20-40 мкм) на подложку из титанового сплава ВТ-8 на режиме, который характеризуется параметрами: расстояние напыления – 170 мм, скорострельность – 3 Гц, соотношение ацетилен/кислород – 0,67, расход ацетилена – 0,31 л/цикл (скорость частиц – 510 м/с) величина критической температуры поверхностного слоя составляет 1914 К.

Представлены результаты экспериментальных исследований остаточных напряжений в поверхностном слое деталей с покрытиями из сплава ВК-25, подтверждающие адекватность предложенной модели (диапазон варьирования температур: 1380...1710 К, диапазон скоростей частиц: 460...550 м/с).

Разработана технология нанесения комбинированного покрытия, обеспечивающего повышение эрозионной стойкости лопатки компрессора до 60%. Проведенные усталостные испытания на базе 108 циклов подтвердили соответствие напылённой лопатки требованиям, предъявляемым к серийным изделиям.

Проведена модернизация системы охлаждения установки для напыления покрытий, которая позволила на 10% сократить объём производственных помещений, обеспечивающих функционирование комплекса и уменьшить объём вспомогательных работ, ускорить на 70-75% выход установки на рабочие режимы при напылении., устранить эффект конденсации влаги на внутренней стенке ствола.

На базе модернизированной установки для детонационного нанесения покрытий (комплекс УДК-2) Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ” был проведен эксперимент по созданию единого измерительного комплекса предоставляющего возможность оперативного контроля процесса напыления по параметрам “скорость частиц” и “температура частиц”.

Основные результаты работы нашли применение при упрочнении и реновации деталей компрессора авиадвигателей на ОАО “Мотор Сич”, г. Запорожье, Украина (экономический эффект составляет 132 000 гривен в год).

Ключевые слова: технология напыления, поверхностный слой, остаточные напряжения, комбинированное покрытие, детонационный комплекс.

Annotation

S. Markovich. The development of aircraft details detonational-gas coatings technique in view of magnitude and distribution of residual stresses in a coating – substrate system. - Manuscript.

The thesis on competition of a Candidate of Technical Science scientific degree on the speciality 05.07.04 physics-technical processing methods. - N. Ghukovskiy National Space University “KhAI”, Ministry of education and sciences of Ukraine, Kharkov, 2005.

The thesis is devoted to the problem of technological parameters of spraying process influence on magnitude and distribution of residual stresses in a surface layer of details with coatings.

The mathematical calculation model of substrate preprocessing and spraying process technological parameters influence on magnitude and distribution of residual stresses in a surface layer of details with detonational-gas coatings is offered.

The experimental investigations of residual stresses in a surface layer of details with coatings confirming adequacy of the offered account model are submitted.

The technique of combined coatings spraying ensuring an effective guard of engine blades from an erosive wear is developed. The fatigue tests of coated blades are carried out

The experience of the cooling system