Способ комплексного упрочнения Российский патент 2004 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения усталостных характеристик деталей из титановых сплавов, в частности лопаток компрессора газотурбинных двигателей ГТД, изготавливаемых из деформируемых титановых сплавов.

Известны способы поверхностного пластического деформирования (ППД) деталей металлической и стеклянной дробью (шариками), разгоняемыми струей сжатого воздуха, жидкости или вращающимися лопастями дробеметного колеса. ППД позволяет повысить характеристики усталостной прочности деталей за счет наведения в их тонком поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, наклепа, а также "залечивания" (сглаживания, округления) поверхностных микродефектов (выровов, рисок, пор и т.п.) (см. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. Справочник. - М.: Машиностроение, 1987, с. 242-250).

Эффективность применения ППД ограничивается не только упругопластическим состоянием поверхностного слоя детали, несущим в себе особенности предыдущих обработок (так называемая технологическая "наследственность"), но и наличием конструкторских концентраторов напряжений (радиусов кромок у лопаток). Указанные особенности не позволяют в должной мере использовать энергетические возможности процессов поверхностного упрочнения, т.к. это может привести к проклепыванию кромок лопаток.

Установлено, что после ППД упрочненные поверхности обладают повышенной энергией и находятся в неуравновешенном состоянии. Это способствует адсорбции кислорода, который при наложении знакопеременных нагрузок может диффундировать внутрь детали, снижая сопротивляемость зарождению трещины. Вышеперечисленные факторы могут привести не только к снижению значений долговечности, но и предела усталости деталей.

Из уровня техники известен способ термообработки изделий из титановых сплавов, включающий механическую обработку в воздушной или защитной средах, последующий низкотемпературный отжиг при 450-510°С в течение 5-10 ч с последующим охлаждением и полировку (SU 411154, МПК-2 C 22 F 1/18, 15.01.1974, формула).

К недостаткам данного способа относится то, что отжиг позволяет лишь нейтрализовать отрицательные последствия механической обработки, но создать оптимальное регулируемое качество поверхностного слоя можно только поверхностным упрочнением, применение которого в приведенном авторском свидетельстве отсутствует.

Наиболее близким к заявленному способу является способ обработки деталей из титановых сплавов, включающий дробеструйную обработку микрошариками диаметром 160-200 мкм при давлении 2,5-3 атм в течение 5-6 мин с последующим отжигом при 550±10°С в течение 4-7 мин (SU 872595, МПК-3 C 22 F 1/18, 15.10.1981, формула).

Недостатком данного способа является то, что остаточные напряжения сжатия и наклепа, возникающие при дробеструйной обработке по режиму, указанному в данном авторском свидетельстве, полностью релаксируются при 550°С, что исключает эффект упрочнения, т.к. максимально допустимые температуры, при которых сохраняется эффект упрочнения ≤ 450°С. Далее, время выдержки при отжиге (5-7 мин) недостаточно для нейтрализации адсорбированного кислорода на поверхности детали, диффундирующего вглубь нее, и тем самым, вызывающего ускоренный рост усталостной трещины.

Задача изобретения заключается в повышении предела усталости деталей из титановых сплавов.

Задача изобретения достигается путем реализации способа комплексного упрочнения деталей из титановых сплавов, включающего дробеструйную обработку с последующей термической обработкой, согласно изобретению дробеструйную обработку на обрабатываемом участке детали осуществляют со скоростью 30-70 м/с в течение 30-60 с, а в качестве термической обработки проводят отпуск в течение 3-6 ч при температуре не ниже эксплуатационной и не выше 450°С.

В предпочтительном варианте осуществления способа дробеструйную обработку проводят стеклянными и/или металлическими микрошариками диаметром 50-400 мкм.

В предпочтительном варианте изобретения температура отпуска составляет 300-450°С.

В предпочтительном варианте изобретения в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора ГТД.

Следует отметить, что дробеструйная обработка в течение 30-60 с проводится на обрабатываемом участке детали, т.е. на участке, равном диаметру факела дроби. После обработки одного участка детали в течение 30-60 с проводят обработку следующего, необработанного участка детали в течение 30-60 с и так до тех пор, пока не будет обработана вся деталь. Это связано с тем, что обрабатываемые детали могут иметь различные формы и габариты и иногда не представляется возможным обработать всю деталь одновременно из-за недостаточного диаметра факела дроби.

Комплексное упрочнение, снижая значения остаточных напряжений сжатия и наклепа на 25-30%, образовавшихся после ППД, в тоже время, уменьшает их дисперсию, достигающую в зависимости от технологической "наследственности" с 25-100% на 30-40%, т.е. наряду со снижением, происходит их выравнивание по всей поверхности детали, что особо важно для конструкторских концентраторов, т.к. предотвращает их проклеп, а также технологических концентраторов, снимая резкий переход значений напряжений. Кроме того, снижение и выравнивание напряжений ведет к уменьшению поводки деталей, обеспечивая ее величину в пределах заданного допуска.

Комбинированное упрочнение позволяет получить "уплотненную" и наиболее рационально "ориентированную" однородную структуру с мелким зерном, эффективно препятствующую распространению трещины, особенно в переходной зоне.

В процессе проведения отпуска адсорбированный кислород связывается в стойкое химическое соединение (ТiO₂), не позволяя ему диффундировать внутрь поверхности. В результате чего понижается вероятность возникновения подслойной трещины.

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают применение заявленного способа.

Оценка эффективности комплексного упрочнения проводилась на лопатках из титанового сплава ВТЗ-1, изготовленных в соответствии с ОСТ1 90002-86, минимальные радиусы кромок которых равнялись R_к=0,2-0,22 мм.

В таблице приведены режимы пневмодробеструйной обработки (ПДО) и последующего отпуска лопаток.

На фиг.1 и 2 представлены результаты эксперимента, позволяющие оценить эффективность комплексного упрочнения.

Эксперимент показал, что упрочнение на режимах 1 и 2 дает наибольший эффект по сравнению с менее интенсивными режимами. При изменении режимов в сторону увеличения их энергетических параметров (режимы 1.1 и 2.1) имеет место падение предела выносливости по сравнению с режимами 1 и 2 с 460-480 МПа до 430-440 МПа.

Комплексное упрочнение (режимы 1.3 и 2.3) позволило получить наибольшие значения предела усталости 540 МПа, что соответствует остаточным напряжениям сжатия величиной 200-300 МПа и глубиной залегания 40-60 мкм.

Выбор режимов дробеструйного упрочнения осуществлялся с учетом последующего воздействия на параметры качества детали последующего отпуска с целью получения их наиболее рациональных значений для конкретных сечений радиусов кромок лопаток ГТД.

Режимы упрочнения корректируются в сторону снижения их энергетического уровня из-за склонности более высоких значений параметров качества релаксировать более интенсивно и, тем самым, снижать эффект упрочнения.

При назначении температуры необходимо исходить из того, что она должна быть не ниже эксплуатационной и не превышать 450°С, т.к. выше этого значения эффект упрочнения исчезает (согласно режиму 1.4 повышение температуры отпуска до 450°С вызвало снижение предела усталости до 510 МПа).

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения усталостных характеристик деталей из титановых сплавов, в частности лопаток компрессора ГТД, изготавливаемых из деформируемых титановых сплавов. Предложен способ комплексного упрочнения деталей из титановых сплавов, включающий дробеструйную обработку с последующей термической обработкой, при этом дробеструйную обработку на обрабатываемом участке детали осуществляют со скоростью 30-70 м/с в течение 30-60 с, а в качестве термической обработки проводят отпуск в течение 3-6 ч при температуре не ниже эксплуатационной и не выше 450°С. В предпочтительных вариантах изобретения дробеструйная обработка может быть проведена стеклянными и/или металлическими микрошариками диаметром 50-400 мкм, температура отпуска составляет 300-450°С, а в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора ГТД. Изобретение позволяет повысить предел усталости за счет комплексного упрочнения титановых сплавов. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ комплексного упрочнения деталей из титановых сплавов, включающий дробеструйную обработку с последующей термической обработкой, отличающийся тем, что дробеструйную обработку на обрабатываемом участке детали осуществляют со скоростью 30-70 м/с в течение 30-60 с, а в качестве термической обработки проводят отпуск в течение 3-6 ч при температуре не ниже эксплуатационной и не выше 450°С.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробеструйную обработку проводят стеклянными и/или металлическими микрошариками диаметром 50-400 мкм.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что температура отпуска составляет 300-450°С.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора ГТД.