Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Петренко Анатолій Петрович

УДК 621.793.02

Вплив технологічної спадковості підготовки поверхонь ДЕТАЛЕЙ АВІАЦІЙНИХ ДВИГУНІВ при газодетонаційному напилюванні

Спеціальність 05.03.07 –“

Процеси фізико-технічної обробки”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків–2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Долматов Анатолій Іванович,

завідуючий кафедрою технології виробництва двигунів літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Добротворський Сергій Семенович,

професор кафедри технології машинобудування Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”;

кандидат технічних наук,

Фадєєв Валерій Андрійович,

головний інженер Державного підприємства Харківський машинобудівний завод “ФЕД”.

Захист відбудеться “26” жовтня_ 2007 р. о__годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий “ ” 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Застела О.М.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В даний час в авіаційному двигунобудуванні актуальними стали питання створення комплексних технологій, таких, як нанесення покриттів і подальша їх обробка, що дозволяє регулювати і практично управляти такими показниками якості деталей, як хвилястість, шорсткість, фізико-механічні властивості матеріалу. Вирішення цих питань повинне бути направлене на скорочення термінів технологічного освоєння нових конструкційних матеріалів, проектування ефективних технологічних процесів і зменшення витрати гостро дефіцитних матеріалів.

Поверхневий шар деталі в умовах експлуатації найбільш сильному механічному, тепловому, магнітно-електричному, світловому і іншим діям. Втрата деталлю свого службового призначення і її руйнування в більшості випадків починається з поверхневого шару, наприклад, виникнення і розвитку втомної тріщини, корозії, ерозії, зносу і ін.

У промисловості широке застосування отримали різні методи нанесення покриттів, як для додання спеціальних властивостей поверхні - основа деталі виготовляється з одного матеріалу, який забезпечить міцність і задані параметри конструкції, а на поверхні, які повинні володіти спеціальними властивостями, наносять тонкі шари інших матеріалів, покриттів, додаючи поверхневим шарам необхідні властивості, так і для відновлення.

Газо-детонаційне напилювання покриттів на деталі ГТД є багаточинним об'єктом дослідження з безліччю параметрів тому аналіз тенденцій розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів, є актуальною задачею.

Проаналізувавши тенденції розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів, був складений класифікатор за різними складовими, що впливають на процес, в який входять: способи нанесення, установка для напилювання, системи подачі порошку, конструкція стовбура детонаційної установки, системи подачі і розподілу газової суміші, системи автоматизованого управління процесом, підготовка поверхні під напилювання. Було виділено напрям робіт з підготовки поверхні.

При попередній механічній обробці деталі точінням, шліфуванням поверхневий шар зазнає значні зміни і його фізико-хімічний стан відрізняється від матеріалу серцевини. Залишкові напруження, а, головне, співвідношення величин тангенціальних і нормальних напружень, глибина їх залягання, знак, зміцнення, мікротвердість і фазовий-структурний склад, що виникли після попередньої обробки, впливають на якість нанесеного покриття, міцність зчеплення його з підкладкою, і кінець кінцем на ресурс деталі, що підкреслює актуальність вирішуваних в роботі завдань.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана в рамках програми Міністерства освіти і науки України за напрямом Екологічно чиста енергетика и ресурсозберігаючі технології відповідно до тематичного плану НДДКР Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” за темою “Теоретичні дослідження синтезу сучасних технологій створення і обробки нових аерокосмічних матеріалів з підвищеними ресурсними характеристиками”, номер державної реєстрації НДР 0100U003438 та за темою “Дослідження і впровадження технології нанесення детонаційно-газових покриттів із заздалегідь заданими властивостями і глибокою перехідною зоною”, номер державної реєстрації НДР 0198U002223.

Мета і завдання дослідження. Метою даного дослідження є забезпечення заданого комплексу фізико-механічних властивостей поверхневого шару деталей авіаційних двигунів при нанесенні газо-детонаційних покриттів за рахунок створення певного співвідношення тангенціальних та нормальних напружень в поверхні деталей механічною обробкою.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- проаналізувати тенденції розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів;

- виконати моделювання течії двохфазного середовища в стовбурі установки;

- визначити енергетичні параметри процесу напилювання;

- для розрахунку раціональних параметрів процесу нанесення покрить провести дослідження початкових залишкових напружень в поверхневих шарах деталей при підготовці до напилювання;

- встановити величину співвідношення тангенціальних і нормальних напружень при підготовці поверхні до напилювання;

- проаналізувати зміну мікротвердості по глибині на внутрішній і зовнішньої поверхні циліндричних зразків залежно від умов механічної обробки;

- дослідити мікроструктуру поверхневого шару матеріалів залежно від умов механічної обробки;

- на підставі проведених експериментів уточнити основні характеристичні критерії для детонаційних покриттів і дати рекомендації за визначенням енергетичних параметрів.

Об'єкт дослідження – процес формування детонаційно-газових покриттів з урахуванням співвідношення тангенціальних і нормальних напружень при підготовці поверхні під напилювання.

Предмет дослідження – процес формування енергосилових параметрів залежно від величин і співвідношення тангенціальних і нормальних залишкових напружень в поверхнях під напилювання та дослідження експлуатаційних характеристик.

Методи дослідження. В основу дослідження покладені закони механіки суцільних середовищ, термодинаміки, закони різання, теорія пружності, теорія пластичності, рентгенографічні методи, комп'ютерне моделювання.

Наукова новизна:

- розроблений класифікатор тенденцій розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів і визначено місце впливу підготовки поверхонь під напилювання;

- введений характеристичний критерій КПД, що характеризує відношення величини тангенціальних напружень до нормальних в підготовленій поверхні під напилювання. Уточнені характеристичні критерії енергосилових параметрів течії двофазного середовища в стовбурі установки для енергоносія кисень-ацетилен, що також дають можливість перевести процес на енергоносій пропан-бутан;

- встановлений ступінь впливу методів механічної обробки на величину, знак і характер зміни нормальної і тангенціальної складової залишкових напружень;

- уточнена зміна мікротвердості в поверхневих шарах сталей 40Х, 12Х18Н9Т та сплавів ВТ3-1 та Д16Т в порівнянні з серцевиною зразка при різних видах механічної обробки;

- отримані технологічні рекомендації по керуванню величиною тангенціальних залишкових напружень у поверхневому шарі високоточних деталей за допомогою технологічних чинників та параметрів різних методів обробки і рекомендації по вибору режимів різання з метою формування сприятливих стискуючих залишкових напружень у поверхневому шарі деталі.

Практичне значення одержаних результатів. Проведені дослідження дозволили розробити комплексні технологічні процеси нанесення покриттів та подальшої обробки на деталі двигунів Д-36 та ВК-1500. Загальний економічний ефект склав 125 тис. гривень на рік.

Результати експериментальних досліджень є базою для проектування оптимальних технологічних процесів нанесення газо-детонаційних покриттів, котрі забезпечують підвищення якості за рахунок ефективної підготовки поверхонь деталей перед напилюванням покриття шляхом утворення заданих параметрів поверхневого шару механічною обробкою.

Результати досліджень дисертаційної роботи включені в програму курсу “Технологія виробництва авіаційних двигунів” для студентів спеціальностей “Авіаційні двигуни та енергетичні установки” та “Технологія будування авіаційних двигунів” Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

Особистий внесок здобувача. В процесі виконання роботи здобувачем особисто зроблений аналіз методів нанесення газо-термічних покриттів. В процесі виконання роботи здобувачем виявлено співвідношення між величиною нормальних і тангенціальних залишкових напружень при певних режимах механічної обробки сплаву Д16Т і сталей 40Х, 12Х18Н9Т таке, що в поверхневому шарі формується двовісний напружений стан. Здобувач безпосередньо брав участь в постановці експериментів, проведенні експериментальних досліджень і обробці їх результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації докладалися: на семінарах кафедри технології виробництва двигунів літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (1997–2007 г.); Міжнародних конференціях “Инженерия поверхности и реновация изделий” (травень 2001–2006 г.), XIІ Міжнародному конгресі двигунобудівників (Харків–Рибаче 14–19 вересня 2007 г.).

Публікації. Основні матеріали роботи опубліковані в 10 наукових статтях і в 2-х тезах доповідей.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Викладена на 188 сторінках, що включають 112 сторінок основного тексту, містить 12 таблиць, 124 малюнка, списку використаних джерел із 220 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і представлена загальна характеристика роботи.

У першому розділі виконаний аналіз механізмів формування фізико-механічних властивостей поверхневого шару деталей авіаційних двигунів при детонаційному напилені і фінішній обробці, що дозволив зробити висновок про нестаціонарність процесів, рівень якої надає істотний вплив на вибір технологічних параметрів. Розроблений класифікатор тенденцій розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів і визначено місце впливу підготовки поверхонь під напилювання. Виявлені залежності експлуатаційних характеристик виробів від вигляду і параметрів попередньої і фінішної обробки поверхонь і режимів напилювання.

У другому розділі виконано чисельне моделювання динаміки двофазного потоку з метою визначення енергосилових параметрів газо-детонаційного нанесення покриттів. Показано, що змінюючи склад вибухової суміші, можна змінювати енергетичні параметри частинок і таким чином керувати процесом напилювання і властивостями покриттів. На підставі представленої моделі розраховані енергетичні параметри процесу: швидкість, тиск, температура, щільність. Після проведення досліджень з підготовки поверхонь розраховані енергосилові параметри з урахуванням співвідношення тангенціальних та нормальних напружень.

Математична постановка задачі. Модель розглядає стовбур завдовжки l та діаметром d, частково заповнений газовою сумішшю (ГС), здатною детонувати при початковому тиску P0, щільності r0, і температурі T0 (рис 1.). Частину стовбура, що залишилася, заповнює інертний газ (ИГ). Рух середовища описується в координатах, початок яких пов'язано із закритим кінцем стовбура і вісь X направлена у бік відкритого кінця стовбура. На деякій відстані від закритого кінця стовбура між перетинами X1 та X2 розташовані зважені частинки порошку з об'ємною концентрацією б2. В результаті ініціації вибуху у закритого кінця труби формується детонаційна хвиля (ДВ), що розповсюджується по суміші. При виході на контактну межу відбувається розпад детонаційної хвилі на ударну хвилю, рухому по інертному газу.

Рис.1. Схема розповсюдження детонаційної хвилі в стовбурі установки

Базові рівняння, що описують рухи суміші, будуть наступними:

Ця система рівнянь є записом законів збереження газу і псевдогазу частинок, де с, Р, V – відповідно щільність, тиск і масова швидкість газу, F – сила, що діє на одиницю поверхні стовбура з боку газу у напрямі його руху, q – щільність теплового потоку через стінки стовбура, l = Е + V/2, де Е – повна внутрішня енергія одиниці маси продуктів детонації.

Одним з основних чинників, що впливають на енергетичні параметри перебігу двохфазного середовища, є склад детонуючої суміші, який характеризується характеристичним критерієм KVT – зв'язок швидкості і температури напилювання частинок залежно від співвідношення об'єму робочих газів, який може бути розрахований і уточнений на підставі розробленої математичної моделі.

Як свідчать результати досліджень, для отримання якісних покриттів, що володіють високими фізико-механічними властивостями, в більшості випадків, застосовують суміші ацетилену і кисню, причому об'ємне відношення кисню до ацетилену в суміші повинне знаходитися в межах від 1,05 до 2,5.

Розробка моделі дозволяє отримати розподіл значень тиску (Р), щільності (с), температури (Т), швидкості (V) продуктів детонації уздовж стовбура установки (рис. 2, 3), а також залежності розгону і нагріву частинок порошку у високотемпературному газовому потоці (рис. 4, 5).

Рис. 2. Розподіл температури продуктів детонації уздовж осі стовбура | Рис. 3. Розподіл швидкості продуктів детонації уздовж осі стовбура

Рис. 4. Профілі швидкостей частинок (1, 3, 5) і швидкостей продуктів детонації що розгонять відповідні частинки (2, 4, 6) уздовж осі стовбура.

Частинки ВН-20 діаметром 60 мкм.

Початковий склад суміші:

1, 2 – O2/C2H2 = 1,2;

3, 4 – O2/C2H2 = 1,2; Xk = 1,2

5, 6 – O2/C2H2 = 1,2+ 30%N2 | Рис. 5. Профілі температур частинок (1, 3, 5) і температур продуктів детонації що нагрівають відповідні частинки (2, 4, 6) уздовж осі стовбура.

Частинки ВН-20 діаметром 60 мкм

Початковий склад суміші:

1, 2 – O2/C2H2 = 1,2;

3, 4 – O2/C2H2 = 1,2; Xk = 1,2

5, 6 – O2/C2H2 = 1,2+ 30%N2

Представлені дослідження в роботі дозволяють дати рекомендації по максимальній кількості порошку, що вводиться в стовбур та після виявлення співвідношень тангенціальних і нормальних напружень дати рекомендації по співвідношенню O2/C2H2 = 1,21. Дослідження також дозволяють виявити характер зміни швидкості і температури частинок на кінці стовбура і дати рекомендації по вибору початкового положення частинок в стовбурі установки.

У третьому розділі описана методика і обґрунтування вибору кільцевих зразків для експериментального дослідження впливу режимів обробки на формування залишкових напружень. Дослідження проводилось на зразках у вигляді циліндричних втулок, заввишки 100 мм із зовнішнім діаметром 50 мм і внутрішнім 30 мм; марки матеріалу зразків: кольорові сплави – Д16Т, ВТ3-1; сталеві – 40Х, 12Х18Н9Т. Втулки виготовлялися точінням на токарному верстаті 16К20 і шліфуванням на шліфувальному верстаті 3151. Режими обробки та шорсткість поверхонь приведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Режими обробки досліджуваних зразків | Шорсткість поверхні | Марка матеріалу | Параметри різання | Частота обертання, об/хв. | Швидкість, м/хв. | Подача, мм/об. | Глибина різання, мм. | Чорнове точіння в Rz 20 | Д16Т | 1000 | 188,5 | 0,15 | 1,5…2,0 | ВТ3-1 | 315 | 59,4 | 0,14 | 1,5…2,0 | 40Х | 630 | 118,8 | 0,1 | 1,0…1,5

12Х18Н9Т | 315 | 59,4 | 0,12 | 1,0…1,5 | Чистове точіння в Rz 10 | Д16Т | 1000 | 188,5 | 0,11 | 1,5…2,0 | ВТ3-1 та 12Х18Н9Т | 315 | 59,4 | 0,097 | 1,5…2,0 | 40Х | 630 | 118,8 | 0,097 | 1,0…1,5 | Шліфування в Ra ,32 | Д16Т | 1000 | 0,07 | 1,5…2,0 | ВТ3-1 та 12Х18Н9Т | 630 | 0,07 | 0,15…0,2 | 40Х | 630 | 0,07 | 0,3…0,5 |

Проведений аналіз різних методів визначення залишкових напружень в поверхневому шарі деталі, і вибраний рентгенівський метод, що дає можливість знаходити залишкові напруження в тонкому поверхневому шарі без руйнування деталі.

Профіль дифракційної лінії реєструвався по крапках способом набору імпульсів за заданий час при зйомці на ДРОН-3 за допомогою рахунково-реєструючого пристрою. Погрішність вимірювання періоду решітки не перевищувала . Визначалася нормальна уx0 та тангенціальна уz0 складова залишкових макронапружень на зовнішній і внутрішній поверхні зразків після різної механічної обробки. Залишкові напруження знаходилися по утворюючім.

Для визначення глибини і ступеня наклепу був застосований метод вимірювання мікротвердості на поверхні косих зрізів, який на сьогодні набув найбільшого поширення.

Навантаження на діамантову піраміду було постійним і дорівнювало: для сплаву Д16Т – 20 грам, для сплаву ВТ3-1 і сталей 40Х, 12Х18Н9Т – 50 грам. Вимірювання мікротвердості проводилося на не труєних косих шліфах від краю поверхні углиб серцевини. З урахуванням розкиду в отриманих результатах, робилося не менше чотирьох ланцюжків відбитків твердості від поверхні углиб. Мікроструктурний аналіз проводився на оптичних мікроскопах МИМ-7, МИМ-8 після хімічного і електрохімічного труїння підготовлених шліфів в спеціальних реактивах (таблиця 2), після виявлення напряму пластичної деформації на найбільш характерних ділянках даної деталі.

Таблиця 2

Реактиви і режими труїння досліджуваних зразків | Матеріал | Реактив | Режим труїнняД16Т | Келлера:

2,5 мл HF, 1,25 мл HNO3

1,25 мл HCl, 95 мл H2O | T = 20°

час труїння 10…20 сек | ВТ3-1 | 10 мл HF, 20 мл HNO3;

60 мл H2O | T = 20°

час труїння 10 сек | 12Х18Н9Т | 10%-ний розчин щавлевої кислоти | Електролітичне труїння: Tелектроліту = 20°

анодна щільність струму 0,5-0,8 А/см3

час труїння 45 сек | 40Х | 4%-ний розчин HNO3 у етиловому спирті | T = 20°

час труїння 10…15 сек | Обґрунтовано теоретично і експериментально вибір методу дослідження залишкових напружень. Обґрунтовані методики визначення мікроструктури, мікротвердості і залишкових напружень.

У четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень про виникнення в поверхневому шарі залишкових напружень, величини мікротвердості і деформаційного зміцнення, а також структурно-фазових перетворень після чорнового, чистового точіння і шліфування для алюмінієвих і титанових сплавів, чорних і легованих сталей.

Так після механічної обробки титанового сплаву ВТ3-1 спостерігаються наступні закономірності: токарна обробка формує в поверхневому шарі зразків з титанового сплаву залишкові напруження стиснення; спостерігається значна відмінність значень напружень по величині на одній і тій же партії зразків (за виключенням зразків, що були пошліфовані) (рис. 6–9).

Рис. 6. Нормальні залишкові напруження на зовнішній поверхні зразків зі сплаву ВТ3-1 | Рис. 7. Тангенціальні залишкові напруження на зовнішній поверхні зразків зі сплаву ВТ3-1

Рис. 8. Нормальні залишкові напруження на внутрішній поверхні зразків зі сплаву ВТ3-1 | Рис. 9. Тангенціальні залишкові напруження на внутрішній поверхні зразків зі сплаву ВТ3-1

Особливість напруженого стану на титанових сплавах виявляється в тому, що шліфування викликає найбільший рівень нормальних залишкових напружень при найменшому рівні тангенціальних напружень, що пов'язано з фізико-хімічними властивостями титанових сплавів.

На зразках з титанового сплаву ВТ3-1 при точінні до Rz 20 та Rz 10 максимальна твердість спостерігається на глибині 1,569 мкм від поверхні (Hм50 =3620…3840 МПа) (рис. 10–13). Твердість серцевини складає Hм50 =3260…3480 МПа. |

Рис. 10. Розподіл мікротвердості поверхневого шару по його глибині для шорсткості Rz 20 на зовнішній стороні зразків | Рис. 11. Розподіл мікротвердості поверхневого шару по його глибині для шорсткості Rz 20 на внутрішній стороні зразків

Рис. 12. Розподіл мікротвердості поверхневого шару по його глибині для шорсткості Rz 10 на зовнішній стороні зразків | Рис. 13. Розподіл мікротвердості поверхневого шару по його глибині для шорсткості Rz 10 на внутрішній стороні зразків

При шліфуванні титанового сплаву ВТ3-1 помітно зсув максимальної твердості на глибину 2,3 мкм (Hм50 =3740…3810 МПа) (рис. 14, 15) в порівнянні з точінням, де максимальна твердість спостерігається на глибині 1,5 мкм від поверхні (Hм50 =3620…3840 МПа) (рис. 10–13).

Рис. 14. Розподіл мікротвердості поверхневого шару по його глибині для шорсткості Ra 0,32 на зовнішній стороні зразків | Рис. 15. Розподіл мікротвердості поверхневого шару по його глибині для шорсткості Ra 0,32 на внутрішній стороні зразків

Ступінь наклепу для сплаву ВТ3-1 складає:

на зовнішній стороні зразків:

Чорнове точіння в Rz 20 – 19,12%

Чистове точіння в Rz 10 – 11,29%

Шліфування в Ra 0,32 – 13,52% | на внутрішній стороні зразків

Чорнове точіння в Rz 20 – 20,16%

Чистове точіння в Rz 10 – 13,85%

Шліфування в Ra 0,32 – 17,93% | Проведені дослідження металографії структури сплаву ВТ3-1 за допомогою оптичного мікроскопа МИМ 8 показали, що мікроструктура серцевини сплаву ВТ3-1 двофазна і складається з бв-структури (рис. 16). Поверхневий шар металу обточених зразків в основному не має значного спотворення структури. На окремих зразках поблизу поверхні, приблизно на глибині 1,569 мкм є видимими площини зрушення, що свідчить про наявність пластичної деформації (рис. 17–19).

Рис. 16. Мікроструктура серцевини сплаву ВТ3-1. Ч 100 | Рис. 17. Мікроструктура сплаву ВТ3-1 після чорнового точіння (поверхневий шар. Ч 100)

Рис. 18. Мікроструктура сплаву ВТ3-1 після чистового точіння (поверхневий шар Ч 100) | Рис. 19. Мікроструктура сплаву ВТ3-1 після шліфування (поверхневий шар Ч 100)

В результаті впливу температури і середовища в зоні контакту абразивного круга і матеріалу зразків відбувається зміна структури і співвідношення фаз.

У поверхневому шарі сплаву на глибині приблизно 2,3 мкм через велику концентрацію теплоти при механічній обробці в зоні контакту інструмент-метал відбувається зникнення в-фази, внаслідок чого замість двофазного сплаву (б + в)- структури кошикової будови фіксується шар однофазного характеру б-структури (рис. 19).

При чорновій механічній обробці різанням поверхні зразків із сплаву Д16Т утворюється розтягуючи залишкові напруження. Це свідчить про вирішальну роль температурного чинника. При чистовому точінні зниження подачі до 0,11 мм/об призводить до зниження дії температурного чинника, і, як наслідок, до зменшення величин розтягуючих залишкових напружень і до переходу в деяких випадках до стискуючих залишкових напружень.

Спостерігається певне співвідношення між величиною нормальних і тангенціальних залишкових напружень, яке свідчить, що в поверхневому шарі зразків із сплаву Д16Т і сталей 40Х, 12Х18Н9Т в результаті механічної обробки формується такий напружений стан, що уx = уz (рис. ).

Напружено-деформований стан поверхневого шару після механічної обробки обумовлений силовим чинником і фізико-механічними властивостями оброблюваного матеріалу і ріжучого інструменту. Зміна видів і режимів обробки міняє характер напруженого поля в зоні різання і питоме значення теплоти. У зв'язку з цим змінюється як величина, так і знак залишкових напружень поверхневого шару.

При режимах обробки, що реалізовуються (дивись таблицю 1), спостерігається тенденція до зниження величини розтягуючих залишкових напружень. При зменшенні шорсткості спостерігається поява стискуючих залишкових напружень.

Вимірювання мікротвердості на зразках із сплаву Д16Т показало, що мікротвердість збільшується до поверхні зразка щодо серцевини на всіх зразках для всіх режимів різання. Мікротвердість на зразках із сплаву Д16Т змінюється в межах від Hм20 = 340 МПа до Hм20 = 1284…2157 МПа.

У поверхневому шарі зразків із сталі 40Х, незалежно від режимів різання, формується, як правило, двовісний напружений стан. Режими різання роблять вплив на величину залишкових напружень і на співвідношення між нормальною і тангенціальною складовими цих напружень. Так, на зразках з шорсткістю Rz 20 нормальні напруження в 2 рази більше, ніж тангенціальні; при шорсткості Rz 10 співвідношення між нормальною і тангенціальною складовими складає 1,5, а при величині шорсткості Ra ,32 (шліфовані зразки) уn = уф.

Тільки у разі шліфованих зразків величина залишкових напружень практично однакова на всіх зразках, оброблених за одним режимом. У всіх інших випадках (Rz 20, Rz 10) спостерігається не тільки відмінність за величиною залишкових напружень, але і за знаком.

Чорнове точіння зовнішньої поверхні зразків приводить до отримання максимальної мікротвердості на глибині 2,353 мкм, для решти зразків максимум мікротвердості знаходиться на глибині 1,569 мкм від внутрішньої і зовнішньої поверхонь.

Мікроструктура основного металу сталі 40Х складається з аустенітних зерен та мартенситу.

У поверхневому шарі спостерігається дрібнозерниста будова і характерна спрямованість зерен, що свідчить про наявну пластичну деформацію.

На зовнішній поверхні зразків 12Х18Н9Т характер зміни напруженого стану, залежно від режимів різання, аналогічний результатам, отриманим на сплаві Д16Т. А саме: на поверхні зразків утворюються розтягуючі залишкові напруження. Чистове точіння приводить до зменшення величин розтягуючих залишкових напружень.

На зразках із сталі 12Х18Н9Т спостерігається збільшення мікротвердості на глибині 0,78…1,57 мкм, потім йде зниження мікротвердості нижче за рівень мікротвердості серцевини на глибині від 1,569 мкм до 6,28 мкм і далі підвищення до рівня значень серцевини.

У мікроструктурі серцевини зразків із сталі 12Х18Н9Т після електролітичного труїння в 10% водному розчині щавлевої кислоти виявляються межі аустенітних зерен, двійники, лінії ковзання, д- ферит.

По краю мікрошліфів в зоні механічної обробки є інтенсивніше труєння мікроструктури, спостерігається ущільнення мікроструктури, виражене в тому, що зерна по краю мікрошліфа вужчі в порівнянні з серцевиною і витягнуті уздовж краю шліфа. Також спостерігається строкатість структури, усередині зерна йде ущільнення і зрушення дислокацій також уздовж краю шліфа (уздовж ліній механічної обробки).

Показано, що фізико-механічний стан, що утворився після попередньої підготовки поверхонь до напилювання механічною обробкою, впливає на якість нанесеного покриття.

Рис. 21. Залежність зносостійкості деталей від способу їх зміцнення

БДЗ – без додаткового зміцнення

ЕІЛ – електроіскрове легування

ДЗ – детонаційне зміцнення

НХ – наплавлення сплавом хастеллой | Рис. 22. Ступінь зносу деталі від способу їх зміцнення

БДЗ – без додаткового зміцнення

ЕІЛ – електроіскрове легування

ДЗ – детонаційне зміцнення

НХ – наплавлення сплавом хастеллой

Проведені дослідження з порівняння зносостійкості деталей, підданих детонаційному напилюванню, з деталями, зміцненими іншими методами нанесення покриттів. Зносостійкість після детонаційного напилювання складає 1800 циклів навантаження, деталей без додаткового зміцнення – 1000, після електроіскрового легування – 1300 і після наплавлення сплавом хастеллой – 2100 циклів (рис. 21, 22).

Проведені дослідження зносостійкості деталей, зміцнених газо-детонаційним напилюванням в порівнянні з іншими методами нанесення покриттів, електроіскровим легуванням і наплавленням сплаву хастеллой, підтвердили правильність вибраного напряму досліджень.

Висновки

1. На основі розробленого класифікатора тенденцій розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів визначено місце впливу підготовки поверхонь під напилювання.

2. За наслідками комплексних теоретичних і експериментальних досліджень проведено уточнення моделі течії двофазного потоку в стовбурі установки. Чисельна реалізація уточненої математичної моделі течії двофазного середовища в стовбурі установки з урахуванням співвідношення тангенціальних напружень до нормальних в діапазоні 0,65 ? КПД ? 1 дозволяють дати рекомендації з вибору раціональних енергетичних параметрів детонаційного процесу нанесення покриттів. А також дати рекомендації по уточненню характеристичних параметрів, і застосуванню енергоносія пропан-бутан.

3. Розроблена методика інженерного розрахунку визначення параметрів поверхневого шару при підготовці до напилювання. Методика дозволяє визначати основні складові, що впливають на процес нанесення покриттів. На основі комплексних досліджень встановлено, що нормальні напруження на зразках із сплаву Д16Т і сталі 12Х18Н9Т у всіх випадках стискаючи на внутрішній поверхні, тоді як на зовнішній поверхні розтягуючи змінялися стискаючими, що приводить до виникнення на внутрішній поверхні неоднорідного по величині і знаку плоского напруженого стану, і пов'язано з різними умовами механічної обробки на зовнішній і внутрішній поверхні.

4. Отриманий стан поверхневого шару, що напружено-деформується, сталей 40Х, 12Х18Н9Т і сплавів ВТ3-1, Д16Т після механічної обробки визначається багатьма чинниками. В першу чергу це силовий чинник і фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу і ріжучого інструменту. Силовий чинник обумовлюється швидкістю обертання деталі, швидкістю подачі, глибиною різання, геометрією ріжучого інструменту і іншими. Він викликає: нерівномірну пластичну деформацію поверхневого шару, перерозподіл температурного поля між деталлю, стружкою і інструментом, тобто температурні умови різання; фазові і структурні перетворення з утворенням вторинних структур з різними питомими об'ємами.

5. Отримані експериментальні дані щодо впливу фізико-механічні властивостей матеріалу і ріжучого інструменту на залишково-напружений стан, що формується після механічної обробки. Особливо це стосується таких властивостей, як межа текучості, коефіцієнт лінійного розширення і інших. Сумісний вплив вказаних чинників, що діють в протилежних напрямах, забезпечують різноманітність напружено-деформованого стану поверхневого шару після механічної обробки.

6. На алюмінієвому і аустенітному сплавах, що володіють високим коефіцієнтом температурного розширення і високою пластичністю, різання (Rz 20) викликає появу розтягуючих напружень значної величини, що може негативно позначитися на експлуатаційних властивостях деталі. Шліфування надає сприятливий вплив на залишково-напружений стан. Незалежно від оброблюваного матеріалу в поверхневому шарі деталі формуються залишкові напруження стиснення, роль яких у більшості випадків позитивна.

7. Дослідження мікротвердості поверхневих шарів показало, що практично після всіх видів точіння в поверхневих шарах сталей 40Х, 12Х18Н9Т і сплавів ВТ3-1, Д16Т спостерігається більша мікротвердість, чим в серцевині зразка, що пояснюється зміцненням його при пластичній деформації. Проведені мікроструктурні дослідження і дослідження мікротвердості методом похилих шліфів показали, що токарна обробка сталей 12Х18Н9Т, 40Х і сплавів Д16Т, ВТ3-1, виконана приведеними режимами різання, викликає пластичну деформацію і пов'язані з нею зміни фізико-механічних властивостей поверхневих шарів металу. В результаті точіння в мікроструктурі зерна поверхневих шарів сталей і сплавів витягнуті у напрямі різання.

8. Виконана оцінка впливу механічної обробки на деформаційне зміцнення. При деформаційному зміцненні поверхневий шар в результаті механічної обробки сталей 40Х, 12Х18Н9Т і сплавів ВТ3-1, Д16Т зміцнюється неоднаково. Так для сплаву Д16Т ступінь зміцнення складає 8-161%. Для ВТ3-1 ця величина складає 5,2-16%. Сталь 12Х18Н9Т поверхнево зміцнюється на 3-35%; 40Х – 3,5-4,6%. Результати вимірювання мікротвердості дозволили встановити глибину шару різних сталей і сплавів, що піддався деформаційному зміцненню. Для ВТ3-1 і 40Х вона складає 12 мкм; для Д16Т і 12Х18Н9Т – від 0,784 до 10,98 мкм.

9. Проведена оцінка комплексних технологій підготовки поверхні і нанесення покриттів. Проведені дослідження зносостійкості деталей, зміцнених газо-детонаційним напилюванням в порівнянні з іншими методами нанесення покриттів: електроіскровим легуванням і наплавленням сплаву хастеллой, підтвердили правильність вибраного напряму досліджень.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Долматов А.И., Петренко А.П. Дозирующие устройства порошковых материалов в детонационных установках // Авиационно-космическая техника и технология: Зб. наук. праць. – Х., 1998. – Вып. 6. – С. 85–99.

2. Качан А.Я., Петренко А.П. Влияние режимных параметров и параметров качества поверхностного слоя на предел выносливости лопаток ГТД при их виброупрочнении // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. – Х., 1999. – Вип. 42. – С. 102–104.

3. Качан А.Я., Жеманюк П.Д., Ковган А.И., Петренко А.П. Управление формообразованием аэродинамических поверхностей лопаток ГТД // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. – Х., 1999. – Вип. 42. – С. –109.

4. Качан А.Я., Петренко А.П. Влияние параметров схем формообразования на стабильность сил шлифования // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. – Х., 1999. – Вип. 42. – С. 110–113.

5. Багмет М.Н., Петренко А.П. Оборудование для детонационно-газового нанесения покрытий // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. – Х., 2000. – Вип. 89. – С. 37–41.

6. Леховицер З.В., Балушок К.Б., Петренко А.П., Багмет М.Н. Пневматические дозаторы порошка в установках для детонационного напыления // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. – Х., 2000. – Вип. . – С. 65–74.

7. Петренко А.П. Исследование остаточных напряжений при механической обработке стали 12Х18Н9Т // Вопросы проектирования, производства и конструкции летательных аппаратов: Зб. наук. праць. – Х., 2000. – Вып. 23 (6). – С. 124–126.

8. Петренко А.П. Остаточные напряжения при механической обработке алюминиевых сплавов // Вопросы проектирования, производства и конструкции летательных аппаратов: Зб. наук. праць. – Х., 2000. – Вып. 21 (4). – С. 88–91.

9. Петренко А.П., Нижник С.Н., Куципак В.И. Исследование остаточных напряжений при механической обработке титановых сплавов // Вопросы проектирования, производства и конструкции летательных аппаратов: Зб. наук. праць. – Х., 2000. – Вып. 22 (5). – С. 65–68.

10. Петренко А.П. Технологическая наследственность и ее влияние на распределение характеристик поверхностного слоя некоторых сталей и сплавов при точении и шлифовании // Авиационно-космическая техника и технология. – 2007. – № 8 (44). – С. 25–30.

11. Петренко А.П. Остаточные напряжения в поверхностном слое образцов после различных методов механической обработки // Инженерия поверхности и реновация изделий: Материалы Междунар. Науч.-техн. конференции. Феодосия, 29–31 мая 2001 г. – Феодосия; – К., 2001. – С. .

12. Петренко А.П. Оценка качества поверхностного слоя образцов с газотермическими покрытиями // Инженерия поверхности и реновация изделий: Материалы Междунар. Науч.-техн. конференции. Ялта, 28–30 мая 2002 г. – Ялта; – К., 2002. – С. 152.

В працях, виконаних в співавторстві, авторові належать:

[1] – проведено аналіз існуючих дозуючих пристроїв для детонаційно-газових установок.

[2] – проведено обробку експериментальних результатів і розроблено емпіричні залежності, які встановлюють зв’язок глибини, та ступеня зміцнення та залишкових напружень з часом віброзміцнення лопаток.

[3] – проведено обробку експериментальних результатів.

[4] – проведено аналіз двох схем формоутворення лопатки ГТД, побудовані графічні залежності для коефіцієнтів стабільності сил шліфування.

[5] – проведено аналіз існуючих установок для детонаційно-газового нанесення покриттів.

[6] – проведено аналіз існуючих пневматичних дозуючих пристроїв для детонаційно-газових установок.

[9] – здобувачем розроблено задачі, вибрано методику проведення експерименту, проведено аналіз експериментальних результатів і зроблено виводи по даному дослідженню.

Анотація

Петренко А.П. Вплив технологічної спадковості підготовки поверхонь деталей авіаційних двигунів при газодетонаційному напилюванні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 – процеси фізико-технічної обробки. – Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2007.

Дисертація присвячена забезпеченню параметрів фізико-механічних властивостей поверхневого шару деталей авіаційних двигунів при нанесенні газо-детонаційних покриттів.

Проведений аналіз газотермічних методів нанесення покриттів на деталі і вузли авіаційних двигунів. Вибраний детонаційний метод нанесення покриттів для деталей авіаційних двигунів, що працюють в умовах високих температур і екстремальних навантажень. На підставі комплексного дослідження тенденцій розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів розроблений класифікатор і визначено місце впливу підготовки поверхонь під напилювання.

Проведено уточнення моделі течії двофазного потоку в стовбурі установки з урахуванням співвідношення тангенціальних напружень до нормальних, що дозволило дати рекомендації щодо вибору раціональних енергетичних параметрів детонаційного процесу нанесення покриттів.

Досліджений вплив механічної обробки на фізико-механічні властивості поверхневого шару деталей авіаційних двигунів з титанових, алюмінієвих сплавів, чорних і легованих сталей, що дозволяє надалі дати рекомендації по напилюванню покриттів.

Проведена оцінка комплексних технологій підготовки поверхні і нанесення покриттів. Проведені дослідження експлуатаційного показника зносостійкості деталей, зміцнених газо-детонаційним напилюванням в порівнянні з іншими методами нанесення покриттів, що підтвердили правильність вибраного напряму досліджень.

Основні результати роботи знайшли застосування при виготовленні деталей авіаційних двигунів на АТ “Мотор Січ” м. Запоріжжя, Україна, а також упроваджені в учбовий процес.

Ключові слова: технологічна спадковість, підготовка поверхні, режими обробки, параметри детонаційного напилювання.

Аннотация

Петренко А.П. Влияние технологической наследственности подготовки поверхностей деталей авиационных двигателей при газодетонационном напылении. – 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 “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена решению важнейшей народно-хозяйственной задачи обеспечения параметров физико-механических свойств поверхностного слоя деталей авиационных двигателей при нанесении газо-детонационных покрытий.

Проведен анализ газотермических методов нанесения покрытий на детали и узлы авиационных двигателей. К рассматриваемым методам относятся газопламенный, плазменный, ионно-плазменный, электроискровой и детонационный.

Выбран детонационный метод нанесения покрытий для деталей авиационных двигателей, работающих в условиях высоких температур и экстремальных нагрузок. На основании комплексного исследования тенденций развития технологического процесса и оборудования для детонационного напыления покрытий разработан классификатор и определено место влияния подготовки поверхностей под напыление.

Работоспособность деталей с покрытиями в значительной степени зависит от состояния их поверхностного слоя перед нанесением покрытия, поэтому проведен анализ существующих методов предварительной подготовки поверхности под последующее нанесении покрытий.

В теоретической части по результатам комплексных теоретических и экспериментальных исследований произведено уточнение модели течения двухфазного потока в стволе установки с целью определения энергосиловых параметров газо-детонационного нанесения покрытий.

Численная реализация уточненной математической модели течения двухфазной среды в стволе установки с учетом соотношения тангенциальных напряжений к нормальным в диапазоне 0,65 ? КПД ? 1 позволяет дать рекомендации по выбору рациональных энергетических параметров детонационного процесса нанесения покрытий. Показано, что изменяя состав взрывчатой смеси и навески порошка, можно изменять энергетические параметры частиц и таким образом управлять процессом напыления и свойствами покрытий. Также даны рекомендации по уточнению характеристических параметров и применению энергоносителя пропан-бутан.

Описана методика и обоснование выбора кольцевых образцов для экспериментального исследования влияния режимов обработки на формирование остаточных напряжений. Обосновано теоретически и экспериментально выбор метода исследования остаточных напряжений. Обоснованы методики определения микроструктуры, микротвердости и остаточных напряжений.

Экспериментальная часть работы посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния при предварительно подготовке поверхностей при газо-детонационном нанесении покрытий.

При предварительной механической обработке детали точением, шлифованием поверхностный слой претерпевает значительные изменения и его физико-химическое состояние отличается от материала сердцевины. Состояние поверхностного слоя оказывает влияние на качество нанесенного покрытия, прочность сцепления его с подложкой, долговечность покрытия, и, в конечном счете, на ресурс детали.

Исследовано влияние механической обработки на физико-механические свойства поверхностного слоя деталей авиационных двигателей из титановых, алюминиевых сплавов, черных и легированных сталей, позволяющее в дальнейшем дать рекомендации по напылению покрытий.

Черновое точение на алюминиевом и аустенитном сплавах, которые обладают высоким коэффициентом температурного расширения и высокой пластичностью, вызывает появление растягивающих напряжений значительной величины, что может отрицательно сказаться на эксплуатационных свойствах детали. Напротив, шлифование оказывает благоприятное влияние на остаточно-напряженное состояние. Независимо от обрабатываемого материала в поверхностном слое детали формируются остаточные напряжения сжатия, роль которых в большинстве случаев положительная.

Особенностью напряженного состояния поверхностного слоя титановых сплавов является то, что шлифование вызывает наибольший уровень нормальных остаточных напряжений при наименьшем уровне тангенциальных остаточных напряжений, что связано с физико-химическими свойствами титановых сплавов.

Исследование микротвердости поверхностных слоев показало, что практически после всех видов точения в приповерхностных слоях сталей 40Х, 12Х18Н9Т и сплавов ВТ3-1, Д16Т наблюдается бульшая микротвердость, чем в сердцевине образца, что объясняется упрочнением его при пластической деформации.

Проведенные микроструктурные исследования и исследования микротвердости методом наклонных шлифов показали, что токарная обработка сталей 12Х18Н9Т, 40Х и сплавов Д16Т, ВТ3-1, вызывает пластическую деформацию и связанные с нею изменения физико-механических свойств приповерхностных