СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК C21D7/13 C22F3/00 

Изобретение относится к области обработки металлов, в том числе цветных, а именно к обработке деталей с изменением физико-химических свойств и структуры их поверхности, и может быть использовано при производстве конструкций двигателей летательных аппаратов, энергетики, в электронной и автомобильной промышленности, для реакторов управляемого синтеза и т.д.

Известен способ обработки лопаток, при котором окончательно изготовленную лопатку подвергают деформационному упрочнению путем виброгалтовки. При такой обработке стальные шарики, ударяясь в поверхность деталей, сглаживают неровности и пластически деформируют поверхностный слой [1] создавая сжимающие напряжения σ 35 кгс/мм² на глубину до 80 мкм.

Однако деталь, обработанная виброгалтовкой, имеет ограниченную прочность. Кроме того, низкий уровень эрозионной стойкости обработанной таким способом детали не позволяет использовать ее при работе в агрессивных средах и в сложных эксплуатационных условиях, где имеются высокие скорости набегания газоабразивного потока.

Известен способ обработки лопаток, при котором не окончательно изготовленную лопатку вакуумно-плазменным методом наносят покрытие из нитрида титана [2]
После такой обработки эрозионная стойкость детали значительно выше, чем в предыдущем способе. Но усталостная прочность детали ниже предыдущего способа и не удовлетворяет требованиям по ресурсу лопатки из-за растяг. напряжений s 19-21 кгс/мм² с глубиной 10-15 мкм.

Задачей изобретения является создание защитного от эрозионного износа слоя при одновременном повышении прочности материала лопатки на большую глубину.

Эта задача решается за счет того, что в способе обработки деталей типа лопаток ГТД, при котором окончательно изготовленную деталь подвергают вакуумно-плазменной обработке, согласно изобретению вакуумно-плазменную обработку проводят высокотемпературной импульсной плазмой (втип) с последующим виброшлифованием обработанной поверхности.

Лопатки, например компрессора газовоздушного тракта авиационных ГТД и газоперекачивающих агрегатов, изготавливаются из титановых сплавов типа ВТ-3, ВТ-8, ВТ-9, ВТ-20 и др. и имеют в равновесном состоянии структуру, состоящую из a и b -титане. Под воздействием высокотемпературной импульсной плазмы при температуре 10⁶K за время ее существования (2-5)х10^-6 сек происходит процесс пластической деформации высокотемпературный нагрев при больших скоростях охлаждения, что способствует образованию слоя толщиной 5-20 мкм с равномерной поверхностной аморфной структурой, которая является барьером для эрозионных процессов на границе поверхность детали среда. Этот слой придает лопатке более высокие прочностные свойства, а следовательно и повышенную стойкость к эрозии.

Кроме того под воздействием высокотемпературной плазмы в материале детали протекают электродинамические процессы, приводящие к перераспределению электронной плотности, что в конечном итоге сопровождается образованием вторичной плазмы и паров металла, расплавлением и сверхскоростной кристаллизацией. Все это приводит к коренному изменению структуры в поверхностном слое материала детали.

Направленное импульсное излучение является причиной образования в объеме материала акустических и ударных волн как за счет теплового расширения поверхностных слоев, так и при больших мощностях подводимой энергии за счет разлета ионов образующейся плазмы.

Было установлено, что следствием распространения как акустических, так и ударных волн в металлических материалах является изменение их структуры. После акустического возмущения структура кристаллического материала характеризуется высокой плотностью клубковых скоплений дислокаций, что является причиной существенного повышения объемной прочности материалов.

Обработка высокотемпературной плазмой проводилась в среде водорода по режимам:
Рабочее напряжение на электродах 25 кВт
Рабочее напряжение разрядников 3 кВт
Время задержки разряда на электродах 300 мкс;
Вакуумирование рабочей камеры 10^-3 10^-4 мм рт.ст.

Количество импульсов плазмы не менее 3 на каждую поверхность лопатки (спинка, корыто).

После обработки высокотемпературной импульсной плазмой на лопатке в поверхностном слое появляются остаточные растягивающие напряжения. Последующая обработка поверхности лопатки виброшлифованием позволяет снять эти напряжения и создать сжимающие напряжения на большую глубину.

Виброшлифование проводилось в среде, состоящей из:
Микрошарики (ГОСТ 3722-81) 45 55%
Корундовые гранулы размером 1,4х3-8 5 10%
Растворитель 35 45%
Обработка проводилась в течение 90-120 мин.

Эффективность предлагаемого способа была подтверждена экспериментально. Испытывались 3 окончательно изготовленных лопатки компрессора из одного материала ВТ-9 одной ступени:
1-я с финишным виброшлифованием;
2-я с покрытием толщиной 5-7 мкм из нитрида титана, нанесенного вакуумно-плазменным методом;
3-я с обработкой высокотемпературной импульсной плазмой и последующим виброшлифованием.

Во время испытаний все лопатки обдували абразивом с размером частиц не более 300 мкм со скоростью 195-210 м/с и углом атаки 20^o. Коэффициент эрозии определяли по изменению массы лопаток после каждого цикла обдувки. Коэффициент эрозионной стойкости у лопаток с нитридом титана и лопаток, обработанных предлагаемым способом, примерно одинаков (0,2) и в 2,5 раза выше, чем у лопаток, поверхность которых обработана только виброшлифованием (0,08).

При циклических нагрузках 2,0х10⁷ усталостная прочность (при 20^oC) у лопатки, обработанной втип + виброшлифование, s 46 кгс/мм² и уровень сжимающих напряжений порядка 75-80 кгс/мм² на глубину до 250 мкм. При тех же циклических нагрузках у лопатки с покрытием из нитрида титана уровень растягивающих напряжений 19-21 кгс/мм² в поверхностном слое глубиной до 10-15 мкм и усталостная прочность (при 20^oC) составляет s 32 кгс/мм², что ниже чем у предлагаемой лопатки примерно на 30%
При этом 1-я лопатка (виброшлифование) имеет упрочненный слой (сжимающие напряжения) s 35 кгс/мм² с глубиной до 80 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ обработки деталей, при котором окончательно изготовленную детали подвергают обработке высокотемпературной импульсной плазмой и последующему виброшлифованию, позволяет создать барьерный слой для защиты от эрозионных процессов при одновременном повышении усталостной прочности на большую глубину.

Использованная литература.

1. Изготовление основных деталей авиадвигателей./Под ред. А.В.Подзея, М. Машиностроение, 1972, с. 113 (аналог).

Барвинок З. А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. М. Машиностроение, 1990 с. 197 (прототип).

Использование: область обработки металлов, в том числе цветных, а именно обработка деталей с изменением физико-химических свойств и структуры их поверхности. Сущность изобретения: детали типа лопаток газотурбинных двигателей после окончательного изготовления подвергают обработке высокотемпературной импульсной плазмой с последующим виброшлифованием поверхности.

Способ обработки деталей типа лопаток газотурбинных двигателей, включающий вакуумно-плазменную обработку окончательно изготовленной детали, отличающийся тем, что вакуумно-плазменную обработку поверхности проводят высокотемпературной импульсной плазмой с последующим виброшлифованием поверхности.