СПОСОБ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2011 года по МПК C22F1/00 

Изобретение относится к термической обработке изделий и может быть использовано для упрочняющей обработки деталей, в частности лопаток газотурбинных двигателей.

Известен способ комплексного упрочнения деталей из титановых сплавов (патент №2224816, МПК C22F 1/18, опубл. 27.02.2004 г.), 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. Дробеструйную обработку проводят стеклянными и/или металлическими микрошариками диаметром 50-400 мкм, температура отпуска составляет 300-450°С.

Недостатком способа является его трудоемкость, сложность.

Наиболее близким по технической сущности является способ термопластического упрочнения деталей (АС №1487478, МПК C22F 1/10, опубл. 10.04.2005 г.), заключающийся в наращивании пера лопатки посредством крепления металлической накладки, нагрева выше температуры начала термопластической деформации с последующим резким охлаждением, при этом между пером лопатки и металлической накладкой устанавливают промежуточный элемент в виде эластичной металлической емкости, заполненной жаропрочным металлическим порошком.

Недостатком данного способа является повышенное термическое сопротивление между деталью и накладкой, недолговечность металлической емкости, заполненной жаропрочным порошком.

В основу изобретения поставлена задача - повысить сопротивления усталости материала тонкостенных деталей ГТД за счет создания в поверхностном упрочняемом слое лопатки значительных по величине сжимающих остаточных напряжений.

Эта задача решается за счет того, что в способе термопластического упрочнения деталей, включающем наращивание пера лопатки посредством крепления металлической накладки, нагрев выше температуры начала термопластической деформации и последующее охлаждение спрейерами, согласно изобретению накладку выполняют из металлического прессованного пористого материала, например металлорезины, а охлаждение производят со скоростью (10-15)·10³ °С/с.

Толщина накладки из металлорезины составляет 3-3,5 мм.

Данные величины скоростей обеспечивают наиболее эффективную теплоотдачу с поверхности нагретой детали, что обуславливает получение необходимого температурного перепада, а это, в свою очередь, влияет на величину создаваемых в поверхностном слое детали сжимающих остаточных напряжений. Меньшая скорость охлаждения поверхности детали не обеспечивает необходимую величину теплоотдачи материала, а большая скорость практически не повлияет на изменение температурного перепада в поверхностном слое детали.

На фиг.1 представлена схема установки и крепления накладки из металлорезины.

На фиг.2 показано изменение температуры (Tz,τ) в системе «деталь-накладка из металлорезины».

На фиг.3 показано изменение температуры (Tz,t) с системе « деталь-накладка с порошком».

Накладки 1 устанавливают на входную и выходную кромки пера лопатки 2. Их крепление осуществляется хомутом 3 в верхней и нижней частях пера лопатки.

Накладка из металлорезины представляет собой несколько слоев сетки, изготовленной из проволоки диаметром Ф 0,1-0,2 мм. Сетку собирают из нескольких параллельных рядов спиралей. Несколько слоев сетки укладывают один на другой и затем поджатием внедряют витки спиралей одних слоев между витками соседних. Количество слоев определяется исходя из обеспечения минимального зазора между витками проволоки. Толщина накладки из металлорезины составляет 3-3,5 мм. Накладка крепится с верхней и нижней стороны на тонкую кромку пера лопатки и скрепляется между собой.

Накладка из металлорезины позволяет создать более высокий градиент температур по толщине упрочняемой детали (ΔT₁). Поскольку остаточные напряжения напрямую зависят от создаваемого при охлаждении перепада температур, то напряжения будут возрастать. В подтверждение этого обстоятельства можно привести картину распределения температуры по толщине детали, упрочняемой с накладкой из емкости с порошком (прототип АС №1487478) и накладкой из материала металлорезины (фиг.2 и фиг.3).

Из сравнения графиков (фиг.2 и фиг.3) видно, что накладка из сетки, заполненной порошком, создает существенно большее термическое сопротивление R_T при передаче теплового потока между накладкой и деталью, чем для накладки из металлорезины (фиг.2). Эти потери выражаются в виде величины ΔT_R.

Известно, что создаваемые при ТПУ температурные напряжения σ_θ в значительной степени зависят от теплофизических свойств материала детали и скорости охлаждения. Для создания в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений σ₀ необходимо деталь подвергать поверхностному охлаждению со скоростями (10-15)10³ °C/c. Меньшие значения относятся к деталям из сталей и сплавов на основе железа, а большие значения скоростей - к деталям из титановых сплавов. Это связано с тем, что титановые сплавы имеют весьма низкие теплофизические свойства.

Сочетание свойств прочности и эластичности металлорезины гарантирует плотное (без зазора) прилегание накладки к тонким кромкам лопатки без применения дополнительной металлической пластины. Технология изготовления накладки из металлорезины значительно проще и, главное, дешевле, чем металлоемкости с порошком (применяются шарики из ЖС6У). Долговечность накладки из металлорезины выше.

Изобретение относится к термической обработке изделий и может быть использовано для упрочняющей обработки лопаток газотурбинных двигателей. Наращивают перо лопатки посредством крепления металлической накладки. Осуществляют нагрев лопатки выше температуры начала термопластической деформации и последующее ее охлаждение спрейерами. Накладку выполняют из металлического прессованного пористого материала. Охлаждение производят со скоростью (10-15)·10³ °С/с. В результате повышается сопротивление усталости материала лопаток газотурбинных двигателей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ термопластического упрочнения лопаток газотурбинных двигателей, включающий наращивание пера лопатки посредством крепления металлической накладки, нагрев выше температуры начала термопластической деформации и последующее охлаждение спрейерами, отличающийся тем, что накладку выполняют из металлического прессованного пористого материала, например металлорезины, а охлаждение производят со скоростью (10-15)·10³ °С/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина накладки из металлорезины составляет 3-3,5 мм.