автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных характеристик деталей ГТД путем направляемого регулирования функциональных показателей качества поверхностного слоя.

Открытое акционерное общество «Моторостроитель» и Самарский государственный технический университет.

11а правах рукописи Для служебного пользования

Инвентарный №____

Экч.№ ^^

КУРЧАТОВ ВЛЛНРИЙ ПАВЛОВИЧ

1 кжмшение жеп.пашпионных харамериаик деталей ГТД IIVIсм направленною рс1 улирования функциональных иокашелеи качества поверхностного слоя.

Специальность 050705 Тепловые двигатели летательных аппаратов

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 1999г.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Демин Ф.И. Доктор технических наук Орлов В Н.

Ведущая организация - ОАО «Самарское конструкторское бюро машиностроения».

'Зашита диссеркщпи состоится «_»___1999г в

час на заседании диссертационного совета Д063 87 01 в Самарском государственном аэрокосмическом университете им академика С.Г1 Королева по адресу.

443086. г.Самара, Московское шоссе. 34

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета.

Диссертация в виде научного доклада ■ разослана » 1999г

Ученый секретарь

диссертационного совета ^____

д 1 к .профессор " Л м коптев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальные проблемы

Повышение мощности и уменьшение удельного расхода топлива имурбинных двигателей достигается как за счет конструктивных решений, так ¡а ^чсг повышения температуры газа на входе в газовую турбину.

15 связи с этим предъявляются высокие требования к прочности. 1 рос тонкости таких деталей, как лопатки, диски, дефлекторы.

Анализ причин ряда аварий показал, что для деталей типа дисков, дефлекторов зоных турбин особую роль в повышении усталостных характеристик играют кие параметры качества деталей и узлов, как деформационное упрочнение и :га точные напряжения, возникающие в поверхностных слоях при их го топлении.

Обширные исследования позволили установить, что остаточные напряжения . сашя увеличивают прочностные характеристики деталей. Наведение остаточных шряжемий сжатия осуществляется различными способами поверхностно-1ас 1 пческого деформирования (ППД). В настоящее время широкое применение 11\чил метод упрочнения микрошариками.

В процессе изготовления деталей металлорежущими инструментами с

/

^следующим упрочнением в поверхностных слоях возникает деформационное фочнение (наклеп). К этому следует добавить, что как правило, жаропрочные мани весьма склонны к наклепу. Например, для сплава ЭП742УИД, пользуемого для дисков турбин, дефлекторов, степень упрочнения при их потвлении может достигать величины 80%. В настоящее время накоплен к-1 а 1 очный статистический материат, из которого следует, что деформационное фочнение в поверхностных слоях деталей оказывает негативное влияние, снижая тллостные характеристики, особенно при работе их в условиях высоких ■чиератур.

В связи с этим, анализ, изучение и разработка технологических процессов, )и ко торых форм1фуется благоприятное напряженное состояние в поверхностном юе детали на финишных операциях при минимальных значениях степени ■формационного упрочнения, являются важной научной проблемой.

Изложенное определяет актуальность работы, направленной на решение юблем оптимального упрочнения деталей газовых турбин авиационных 13о1урбинных двигателей.

Цель работы.

Разработка нового технологического процесса упрочнения деталей тип; дисков, дефлекторов, позволяющего повысить их качественные характеристики.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задач! исследований:

1 .Разработать методику оценки влияния деформационного упрочнения н; предел выносливости образцов из жаропрочных сплавов ЭИ437Б, ЭП742У ИД.

2. Исследовать остаточные напряжения и деформационное упрочнение пр! точении и упрочнении микрошариками сплава ЭП742УИД (на дефлекторах 1 дисках).

3. На базе теоретико-экспериментальных исследований разработать систем; мероприятий, обеспечивающих снижение степени деформационного упрочнени: при сохранении достаточного уровня сжимающих остаточных напряжений н; поверхностях дефлекторов и дисков в процессе их изготовления.

4. Разработать научно обоснованные технологические рекомендацш улучшения качества поверхностного слоя дефлекторов и дисков турбин с цельк повышения их долговечности.

5. Внедрить результаты разработок в производство.

Методы исследования.

Реализация цели работы и решение поставленных задач осуществлялись н; базе теоретических разработок и экспериментальными методами. Длз теоретического анализа использовались подходы, базирующиеся на основны: положениях теории упругости и пластичности. Экспериментальные исследовани: проводились в лабораторных и производственных условиях на образцах и деталя; из жаропрочных сплавов ЭИ437Б и ЭП742УИД. Остаточные напряжения I деформационное упрочнение исследовались с использованием специальны; методик, основанных на работах Н.Н.Давиденкова, И. А.Биргера. Применялся такж! метод рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-ЗМ. Измененш динамических характеристик оценивалось путем сравнения напряженногс состояния и пределов выносливости на образцах с применением современной оборудования и вычислительной техники.

Научная новизна.

Установлены общие закономерности влияния деформационного упрочненш на предел выносливости жаропрочных сплавов ЭИ437Б и ЭП742УИД.

На базе указанных закономерностей разработаны теоретические основь рационального упрочнения деталей типа дисков и дефлекторов.

Предложена новая методика и разработано технологическое обеспечение позволяющее на финишных операциях изготовления дисков турбин и дефлекторо1 гарантироватьнеобходимоекачество параметров поверхностного слоя.

Практическая ценность.

На основании выполненных исследований разработан и внедрен в роизводство прогрессивный метод упрочнения поверхностей деталей, ¡ботающих при повышенных температурах и высоких вибрационных нагрузках, пределены оптимальные режимы нового технологического процесса упрочнения ickob турбин и дефлекторов.

Разработаны научно обоснованные рекомендации для производства в виде сггодик и руководящих технологических материалов.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на .-есоюзных научно-технических конференциях по конструкционной прочности зигателей:

г. Куйбышев - 1988 г. г. Москва 1990г. ЦИАМ г. Самара 1991 г. г. Самара 1999 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 статей и выпущено i ехнологических рекомендаций для производства.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Влияние качества поверхностного слоя на усталостные характеристики деталей.

Как показывает практика эксплуатации газотурбинных двигателей большой роцент выхода из строя таких деталей как, например, диски турбин, дефлекторы др. связан с усталостными разрушениями. Значительное влияние на ыносливость этих деталей оказывает качество поверхностного слоя, формируемое процессе их изготовления. Большой вклад в изучение качества поверхностного лоя и его влияния на усталостные характеристики деталей внесли исследования >.Ф. Балашова, И.А. Биргера, И.Г. Гринченко, С.И. Иванова, Н.Д. Кузнецова, Б.А. Кравченко, И.В. Кудрявцева, А.А, Маталина, А.Н. Овсеенко, И.А.Одинга, Д.Д. 1апшева, A.B. Подзея, Ю. П. Самарина, Д. Л. Юдина и других отечественных и арубежных исследователей.

В то время как связь между остаточными напряжениями и пределом ыносливости установлена и не вызывает сомнения, роль деформационного прочнения (наклепа) в механизме циклической прочности еще не совсем ясна, нк. например, по дшшым И.А. Одинга и А.И. Ефремова сквозное деформационное прочнение образцов независимо оттого каким путем оно наведено (сжатием,

Изменение а образцов, изготошилшых из предварительно

деформированных заголовок ( удлинение при растяжении )

I 0 ,10 ', МПа

Рис. 1

растяжением или комбинацией этих деформаций) вызывает повышен: предела выносливости как при малых так и при значительных деформаци: (до 204. удлинения или сжатия).

Аналогичные данные мы находим и у И.В. Кудрявцева (рис. 1).

В цитируемых работах указывается, что даже незначительное деформациошп упрочнение углеродистой стали (до предела текучести) уже заметно повышает предел выносливости.

Однако, имеются исследования, из которых вытекает более сложная свя между деформационным упрочнением и пределом выносливости. По данным Н.1 Черняка при малых деформациях образцов (растяжением) наблюдается снижен] предела выносливости (рис. 2).

И)мг.нение ст образцов, деформированных удлинением при растяжении СТЛ2ХНЗА, а, =340 МПа ; СТ.40Х, о , =365 МПа

' -1исх .1исх

2 70 - - 1 ------ деформация, 5 %

= 0 5 10 15 20 25 30

Рис.2

Как следует из приводимого рисунка, для стали 12ХНЗА предел ¡ыносливостинедеформированных образцов (ст =725 МПа, 3- 17,6%, (//=43,<8%) 1 интервале деформаций 0..1,5% падает. Еще большее снижение предела »ыносливости имеет место для образцов из стали 40Х (<тв=841 МПа, т0,=504МПа, 8 = 18,0%, у/ =66,6%). Для этой стали деформация удлинением шлоть до 12% снижает исходный предел выносливости (ст, = 365 МПа ). Аналогичные результаты имеют место и при исследовании деформированных >бразцов из сталей марок ст.45 и 15ХСНД.

В подтверждение своих выводов Н.И. Черняк ссылается на исследования 1.Н. Афанасьева, Ма1ео1П. По данным этих работ для образцов из ромоникелевои стали при деформащш растяжением в 1% предел выносливости нижается на 9,5%. Для хромомолибденовой и углеродистой сталей при той же ;еформации (1%) предел выносливости снижается соответственно на 16,7% и 2,6%.

Результаты опытов, изложенные выше, выполнены известными сследователями и с точки зрения достоверности, не вызывают сомнения. Тем е менее, необходимо отметить несоответствие в оценке роли деформационного прочнения, вытекающее из этих работ.

Следует, однако, заметить, что в этих работах имеют место методические тличия в изготовлении образцов для исследований.

Вработах И.А. Одинга, И.В. Кудрявцева образцы для исследования влияния еформационного упрочнения на предел выносливости изготавливались из рутков, предварительно деформируемых до требуемого удлинения (или корочения).

В исследованиях Н.И. Черняка и др. образцы для испытаний окончательно зготовлялись, а затем подвергались деформации (удлинению).

Как показано в работах Б.А. Кравченко, это отличие в изготовлении зразцов является причиной несоответствия конечных результатов. Дело в том, го усталостные образцы имеют определенную геометрическую форму, которая сдается путем механической обработки с последующей доводкой, например, 5разивной шкуркой. Так, при точении, фрезеровании на поверхности талостного образца в тонком поверхностном слое формируется новое формационное упрочнение и, как следствие, остаточные напряжен™. Причем, [К деформационное упрочнение, так и остаточные напряжения, возникающие ледствие обработки, зависят от материала и его прочностных свойств. Для ггериалов с кристаллографическим строением в виде кубической решетки после чения возникают растяпгвающие остаточные напряжения. Предварительная формация заготовок изменяет пластические свойства исходного материала, о выражается в уменьшении отношения сг/стог, так как у деформируемых готовок исходное значение сг02 растет с увеличением относительного л и нения.

Уменьшение пластических свойств содействует изменению процес стружкообразования, что может привести к наведению при определенш значениях относительного удлинения остаточных напряжений сжата Опытным путем установлено, что для состояния материала, при которс cr/<70, > 1,25, при резании формируются растягивающие остаточш напряжения, а при сг/<т02<1,25 - напряжения сжатия тем большие по cboi абсолютным значениям, чем меньше отношение сг/ст02. В подтвержден сказанному можно привести нижеследующее исследование. Из жаростойк стили 1Х18Н9Т, характеризуемой относительным удлинением 3= 50 - 60 были нарезаны призматические образцы с размерами I = 200 мм, b = Юм h - 4,0 мм. Затем часть этих образцов на разрывной машине бы деформированы до относительных величин 6- 5,10,15,20%. В дальнейш все образцы подвергались фрезерованию (у/=45°; >^+10°; v= 15 м1ш t=0.5 мм;5г=0,22 мм/зуб). После фрезерования были определены остаточн напряжения. Эпюры остаточных напряжений приведены на (рис.3).

Влияние предварительной деформации на формирование остаточных напряжений

СТ.ЭЯ1Т( IX18H9T) режим обработки : V=15 м/мин; (=0,5 мм; 5г=0,22 мм/зуб; у= +1

с010'>,МПа

60 ' • • ' Г"-" :

50 '

ЛП . - Я = --------•••

"1

До ' мк

100

200

300

400

500

Рис.3

Из анализа этих данных следует, что на исходном, недеформированном 1разце возникли растягивающие остаточные напряжения а0 = +360 МПа . тя образцов, деформированных до величин <5=5% и 5=10%, характерны гньшие значения растягивающих остаточных напряжений, соответственно ¡вных: <т0=+ЗООМПа и сг0=+160 МПа. У поверхности напряжения ниже: = + 120МПа и <т0=+ЗОМПа. На образцах, предварительно деформированных

> величин 6 >15%, на поверхности формируются только остаточные шряжения сжатия ег0>200МПа.

В свете этих данных, можно сделать такое заключение: в опытах А.Одинга и И.В. Кудрявцева при изготовлении усталостных образцов с еличением относительных деформаций в исходных заготовках остаточные [пряжения сжатия снижались и при определенных значениях относительно динения изменяли свой знак, переходя в область сжатия. Такой характер менения остаточных напряжений при изготовлении усталостных образцов шводил к ошибкам в сторону увеличения предела выносливости, так как таточные напряжения сжатия содействуют его повышению.

В опытах Н.И. Черняка и др. деформировались (удлинялись) ;ончательно изготовленные усталостные образцы, на поверхностях >торых, вследствие изготовления, формировались растягивающие таточные напряжения.

Удлинение образцов (деформация) изменяло напряженное состояние терхностного слоя и, при определенных (относительно небольших) формациях, исходное различие качества поверхностного слоя и основного чения образца нивелировалось. Поэтому результаты, полученные в работах .И. Черняка, Н.Н. Афанасьева ближе к реальным, чем аналогичные зульта'ты, изложенные в монографиях И.А. Одинга, И.В. Кудрявцева, емонотонный характер изменения предела выносливости с ростом носительного удлинения Н.И. Черняк усматривает в изгибе усталостных >разцов при их удлинении на разрывных машинах. Однако отмеченные гибы не могут повлиять на ав той степени, которая наблюдается в опытах.

Сопоставление обеих методик изготовления образцов и их влияние на , провел Б.А. Кравченко. Стандартные круглые образцы изготавливались стали 40ХМНФА (сг =825МПа, сг0 =630МПа, <£>12,3%). В партии образцов

> первой методике удлинялись заготовки. В партии образцов по второй гтодике удлинялись образцы. Толщина слоя с деформационным фочнением, возникшим при изготовлении образцов, измерялась на косых •езах (ПМТ-З)и не превышала ЛЛ=150мкм. В дальнейшем все образцы обеих ¡ртии на специальном приспособлении электрополировались - снимался ой ЛА=250 мкм.

Влияние деформации удлинения на предел выносливости образцов из ст. 40ХМНФА (удлинением при растяжении). (а„=825 МПА; 0^=630 МПА; 510=12,3%)

а, 10'1, МПа

их .... _______________________________

1 зо ------------!-- -—-—-

_____________ ____; _ _ деформация, 5%

0 1 2 3 4 5 6 7 Рис.4

В этих опытах было установлено, что электрополированные образцы, независимо от методики изготовления при одинаковых относительных удлинениях показали один и тот же предел выносливости (ст,) (рис.4).

Влияние относительного удлинения на предел выносливости характеризуется начальным падением <7,, а затем, по достижении определенной величины относительного удлинения (5%), его ростом. Однако, это повышение, как правило, не достигает значения ст , характерного для недеформированных образцов (5=0). Таким образом, можно утверждать, что деформационное упрочнение для деталей, изготовленных из углеродистых я легированных сталей, является вредным фактором, так как содействует снижению усталостных характеристик. Наблюдаемое снижение ал достигает 20...25". с.

Деформированный слой с максимальным падением ал находится вблизи поверхности детали. По видимому, по этой причине зарождение усталостных трешин часто наблюдается на некотором расстоянии от поверхности детали

Вместе с тем упрочнение детали - наведение в поверхностном слое деталей деформационного упрочнения (наклепа) - приводит к повышению ал.

С учетом изложенного кажущееся противоречие объясняется весьма просто Дело в том, что при упрочнении в поверхностном слое формируются остаточные пластические деформации определенной ориентировки - вдоль поверхности поэтому возникают остаточные напряжения сжатия, которые своим положительным воздействием перекрывают негативное влияние деформационного упрочнения.

и

Обычно при упрочнении наблюдается повышение ал примерно на

Однако если бы удалось ликвидировать или снизить вредное влияние формационного упрочнения, то положительный эффект остаточных напряжений )Жно было бы увеличить в ряде случаев почти вдвое.

Следует отметить, что согласно теореме Генки, для того чтобы остаточные пряжения по своей величине достигли значения предела текучести, достаточна носительная деформация частиц поверхностного слоя на уровне 5= 0,5%. Однако, пи при обычных методах поверхностного пластического деформирования вменить режим, соответствующий 5= -0,5%, то пластическая деформация зникает в очень тонком слое, соответствующем нескольким мкм, что не приводит келаемым результатам.

Изложенные выше результаты относятся, в основном, к упрочнению гтеродистых и малолегированных сталей. Что касается жаропрочных сплавов на келевой основе, то имеющиеся исследования не дают права сделать основанные выводы. Эти данные весьма противоречивы. Например, согласно боте A.M. Сулимы, для жаропрочных сплавов ЭИ617 на никелевой основе формационное упрочнение на уровне 2...4% относительной деформации иводит к повышению предела выносливости (рис.5).

зменение сг, образцоз из сплава ЭИ617 в зависимости от 5 и температуры испытания Т "С, f=1000 Гц, N=10' циклов, 1-Т=600°С; 2-Т=700°С ( A.M. Сулима)

I о.Ю-'.МПа

50 h-J--------- -----------i-г--

...30%.

40

30

20

деформация, 5 %

2

4

6

8

10

Рис.5

В то же время, по данным И.Г. Гринченко, выносливость жаропрочных сплавов ЭИ437Б (ХН77ТФР), ЭИ 617 (ХН70ВМТЮ) как при нормальной, так и при высокой температуре от наклепа, наведенного растяжением, во всем диапазоне степеней деформации понижается.

В литературе приводятся и другие исследования, из которых следует негативное влияние деформационного упрочнения на усталостные характеристики деталей, в частности работающих в условиях высоких температур. Тем не менее, методы ППД относительно широко используются для упрочнения таких деталей, как дисков турбин, дефлекторов, лопаток и др. Однако в свете имеющихся данных диктуется настоятельная необходимость продолжить исследования в этой области с целью установления целесообразности использования того или иного метода упрочнения, возможности их улучшения, модификации. Сказанное в большой степени относится к новым, современным жаропрочным материалам.

2. Технологические особенности изготовления дефлекторов.

Дефлектор по своей конструкции представляет деталь весьма сложной формы с радиусными переходами, которые представляют собой концентраторы напряжений.

Дефлектор играет весьма важную роль в системе охлаждения лопаток и дисков турбины. Избыточное давление между диском и дефлектором может достигать значений АР = 0,27...0,55 МПа. Поддействием этого давления в межлабиринтной зоне дефлектора возникаютзначительные напряжения, оценка которых методом конечных элементов дает значения на уровне ст=600...700 МПа. Этот уровень напряжений может изменяться за счет центробежных сил. При этом следует отметить и рабочую температуру, которая оценивается величинами порядкг 7=550...600°С.

Доминирующим процессом при изготовлении дефлекторов является токарна5 обработка, которая предшествует финишным операциям. Естественно, чтс поверхностный слой на изделии, возникающий после точения, проявляется I наследственности готовых изделий.

Токарной обработке подвергаются практически все поверхности дефлектора Однако наиболее сложной операцией представляется точение межлабиринтно! зоны, которая обрабатывается тремя резцами с радиусами при вершине г=3... 5мм форма лабиринтной зоны такова, что резцы с радиусом при вершине г = 5,0м% контактируют с изделием по дуге у/ =90°, поэтому ширина среза достигав-

величины Л=8,0 мм. По этой причине резание сопровождается значительными усилиями и большими удельными контактными нагрузками, что приводит к деформационному упрочнению поверхностных слоев и формированию оста точных напряжений. При этом следует иметь в виду и то обстоятельство, что жаропрочный сплав ЭП742УИД весьма склонен к упрочнению.

После аварии в июле 1990 года, когда разрушение дефлектора первой ступени турбины привело к гибели самолета, было установлено, что усталостные трещины возникали в межлабиринтной зоне. Для установления причин первоначального разрушения, исследованию подверглись три дефлектора, имевших трещины после эксплуатации с наработкой 506, 546, 721 часов соответственно и один дефлектор после 222 часов стендовых испытаний. Статистические данные приведены на рис.5а.

Исследования межлабиринтной зоны показали, что при изготовлении не обеспечивается постоянство параметров качества поверхностного слоя. Так, степень деформационного упрочнения колебалась в пределах U=25...70%. Остаточные напряжения в радиальном направлении <т = + (150...200) МПа, в окружном - а = + (1 ООО... 1200) МПа (на образцах).

Формирование остаточных напряжений и деформационного упрочнения при точении исследовалось с использованием реальных дефлекторов. Для первых двух проходов подача равнялась S = 0,2 мм/об, а для третьего чистового -S=0,15 мм/об. Глубина резания была постоянной и равнялась 0,3 мм. Обороты диска п- Юоб/мин, что соответствует для диапазона диаметров 0=416...516 мм-скорости V=13... 16м/мин.

Последний, 3-й чистовой проход производился острым заточенным резцом. Резцы ВК80М имели геометриюу=+10°; <р= 45°; г =5,0 мм.

Исследование остаточных напряжений на образцах показали, что в окружном направлении формируются растягивающие остаточные напряжения сг0=+800 МПа для резцов с износом w = 0...0.3 мм (серийнаятехнология).

Увеличение износа до н> = 0,9 мм сопровождается ростом остаточных напряжений до величины сг0= +1200 МПа. В радиальном направлении эпюра остаточных напряжений качественно отличается: на поверхности относительно небольшие растягивающие напряжения сг0«=+1 50 МПа, которые на глубине А& =20...25 мкм переходят в напряжения сжатия, достигающие уровня сг0= -(300.. .500) МПа. Истинные напряжения будут отличатся от приведенных.

Вырезка образцов во взаимно перпендикулярных направлениях изменила первоначальное напряженное состояние. Истинные напряжения, т.е.

Статистика проявления дефекта: растрескивание и разрушение по полотну дефлектора диска турбины

Рис.5а

[апряжения, которые были в детали до ее разрушения, можно определить огласно известным зависимостям:

а„ + иа

9м 1* ' р мы*

1-fi3

где а„ ст - остаточные напряжештя, измеренные на образцах в окружном радиальном направлениях, /^0,3 - коэффициент Пуассона.

И стинные напряжения отличаются от измеренных.

Из приведенных данных следует, что в окружном направлении формируются (стягивающие остаточные напряжения сг0=+800 МПа для резцов с износом =0...0,3 мм (серийная технология). Увеличение износа до н>=0,9 мм ировождается ростом остаточных напряжений до величины o¡=+l 200 МПа. В диальном направлении эпюры остаточных напряжений качественно отличаются: i поверхности относительно небольшие растягивающие напряжения »+150МПа, которые на глубине 4а=20... 25 мкм переходят в напряжения атия, достигающие уровня а = -(300...500)МПа. Приведенные результаты носятся к данным, полученным на образцах (рис.6).

Остаточные напряжения в межлабирннтнон зоне (истинные).

,МПа

-500-а ,МПа

окружное направление (теорет.)

w=0.3 мм

\V-0,9 мм

окружное направление

200

Д h, мкм.

радиальное направление

W=0,3 мм

радиальное направление (теорет.)

Рис.6

£Г

Истинные напряжения, полученные по приведенным ранее формула!» несколько отличаются: в окружном направлении - ст0нсг=+95О МПа, в радиально» а =+450 МПа.

рист

Формирование в окружном направлении больших растягивающих осгаточнь напряжений для деталей типа дефлекторов, дисков, если не принят соответствующих мер, может привести к усталостным разрушениям. Этон способствуют остаточные напряжения, которые развиваются в окружно направлении и, суммируясь с остаточными, могут привести ктрещинообразованш Эти напряжения,например, для плоского диска, могут быть подсчитаны г формулам С.П.Тимошенко.

Следует отметить, что максимальные окружные напряжения возникают внут отверстия и вблизи него.

Например, для реальных величин: Л=300 мм; г=80 мм; /»=8000 об/м напряжения составят <т0т11 = +520 МПа. Следует учесть, что эти напряжен

Различные по величине остаточные напряжения в осевом и радиальн направлениях связаны со спецификой процесса резания, что подтвердилос теоретическим анализом процесса формирования остаточных напряжений.

С увеличением износа инструмента деформационное упрочнен поверхностных слоев значительно возрастает.

Аналитическое определение остаточных напряжений проведено соглас

В этих зависимостях: у-удельный вес; У- окружная скорость; g - ускорение силы тяжести; /л - коэффициент Пуассона.

суммируются с напряжениями, возникающими за счет разности давления возду: о чем указывалось ранее.

ижеизлагаемой методике.

На рис.7 приведена схема силового воздействия в зоне резания.

Рис.7

Сила Я представляет собой равнодействующую составляющих сил резания. Момент М возникает вследствие вневершинного приложения силы Л. Для наших условий момент силы резания равен:

3

где 1п = а [ К1(1-^)+5ес7] - (формула Н.Т. Абуладзе).

а=0,3 мм - толщина среза;

К=2,5 - усадка стружки;

у= 10° - передний угол инструмента.

Упругие напряжения от действия силы Д в полярных координатах определяются по зависимости (рис.8):

Рис.8

2 R cosa

а; = —з—■

лог

где <т- радиальные напряжения; Ь - ширина среза;

г -расстояние до рассматриваемой точки; а - полярный угол.

При переходе к координатной системе XY

а л = al cos1 а ; с, = crl sin' а ; тху = a¡ sin a cos a -, г1 = Ах1 + Ay'.

Напряжения, вызываемые моментом резания в координатной системе IV, равны:

тгЬг

гдег|- полярный угол (рис.9).

„ 2М .

О-; =—у51п27; 7ЮГ

X /

Рис. 9

Суммарные напряжения составят:

+ег*; о-у =ст г =г +кт',

^ > ' У 4 хух 1у ту '

где * -

/ Л

■корректирующий коэффициент, учитьшающий специфику

»ужкообразования.

Имея данные об упругих напряжениях в поверхностных слоях, можт выделить область, где материал переходит в упругопластическое состояние. Эг, область находится из условия сг2<т0 2, где а - шггенсшность напряжений, которая как известно, определяется по зависимости:

о", = Ц- - о",)' + (сг3 - а,)' + (а, -а,)' , где главные напряжешь для условий плоской деформации равны

2

сг^ = /¿(сг, + сг,), ц=0,3 - коэффициент Пуассона.

Главные деформации определяем согласно зависимостей Г. А. Смирнова

Аляева:

Е, = с, cos30° ',

£г =о;

Et = COS30° .

Как следует из рис. 10 остаточная интенсивность деформаций равна

= £i~£ip-

Связь между интенсивностью напряжений и деформацией аппроксимируете степенной зависимостью.

а ,=Ае".

Интенсивность деформаций в точке, как это следует из рис. 10

определяется из отношения:

Рис.10

Е

а искомые напряжения - а* = Ае", <т *

тогда = —--.

Е

Последовательность расчета остаточных напряжений заключалась в задаиии шчений Лх0 и Лу0 и нахождении точки, где интенсивность напряжений аксимальна. Для этих точек определены относительные деформации е( и е3 и ол X, определяющий положение осей деформаций

2Тгг

<7«-<гх/

Затем определяется угол ф', который фиксирует положение оси с тболышш удлинением деформационной частицы в координатной системе Л- (рис.11).

Рис.11

<р' = а - Л, если < ; ср' = (90-а>)+А, если >ст1\

С учетом этого деформации в окружном (тангенциальном) направлешн составят:

е! = е,0 сох2 <р' + е30 х1пг ср';

в осевом с, = с, = 0.

Остаточные напряжения находятся по зависимостям

Рассчитанные значения остаточных напряжений нанесены на рис.6 Можно отметить достаточно удовлетворительную сходимость результатов Кроме того, теоретически показано, что радиальные остаточные напряжени: примерно в 3 раза по своей абсолютной величине ниже тангенциальных, чт< хорошо согласуется с опытными данными.

С увеличением износа инструмента деформационное упрочнени поверхностных слоев значительно возрастает. Степень упрочнения достигас величин 11=10.. .80%. Примерно такие же значения степени деформационной упрочнения получены и на установке ДРОН-ЗМ. Глубина проникновени: деформационного упрочнения также значительна и достигает величш ЛА=200 мкм и более.

Этими исследованиями установлено, что при механической обработк жаропрочного сплава ЭП742УИД формируются значительные по свое1 абсолютной величине остаточные напряжения и возникают деформационны упрочнения (наклеп).

Естественно, что эти параметры оказывают свое влияние на усталостны характеристики деталей. Поэтому в работе был проведен анализ влияни: раздельно деформационного упрочнения и остаточных напряжений на преде: выносливости. Эти исследования проводились на образцах из жаропрочны: сплавов ЭП742УИД и ЭИ437Б. Сплав ЭИ437Б в силу своего широкоп применения был выбран в качестве модельного.

3. Исследования влияния деформационного упрочнения и статочных напряжений на предел выносливости образцов из аропрочных сплавов на никелевой основе ЭИ437Б и ЭП742УИД.

Образцы для исследований из сплава ЭИ437Б изготавливались из руткового материала, а образцы из сплава ЭП742УИД вырезались из оковок диска. Все образцы имели форму согласно ГОСТ. Исследования роводились на одной усталостной машине МУИ-10000 для избежания ополнительных погрешностей. Образцы изготавливались точением на ежиме: V - 15 v/мин, t =0,3 мм, S = 0,15 мм/об, резец ВК8, у - +10°. = 1,0мм. Рабочий диаметр составлял 8,0±0,05мм.

Образцы заготовок на разрывной машине подвергались удлинению в ределах: сплав ЭИ437Б - 3= 0...6%; сплав ЭП742УИД - S= 0...9%. Затем все бразцы на специальной установке электрополировались при вращении.

Время электрополирования подбиралось таким образом, чтобы гравливался слой Ah = 250 мкм на сторону. Эта величина стравливания была становлена исследованием микротвердости на косых срезах.

Для исследования микротвердости и остаточных напряжений на ринятых режимах обрабатывались образцы имитаторы 0 8 мм. Остаточные апряжения исследовались на круглых образцах с использованием пециальной аппаратуры. Подсчет остаточных напряжений проводился по юрмуле А.Н. Овсеенко.

лЕ 0,816 R

dfM

1' (R-a)' da '

где R -начальный радиус, а - толщина снятого слоя, I - длина участка травления.

Формула справедлива для•случая, когда снимается слой с юлуокружности а=180°.

dj\a)lda - определяется по известной методике.

Результаты исследований остаточных напряжений показали, что на входных недеформированных образцах формируются растягивающие >с пп очные напряжения величиной сг0=+400МПа.

Последовательно при:

¿=3% - о=+250 Мпа;

<5=6% - а=-150 Мпа;

<5=9% - <т=-300 Мпа (сплав ЭП742УИД).

Качественно такие же результаты были установлены из сплава ЭИ437Б.

Как уже отмечалось ранее, уменьшение отношения сг/ег02 ведет к изменению процесса стружкообразования от непрерывного к элементообразному и поэтому формируются остаточные напряжения-, тем больше смещающиеся в область зоны сжатия, чем меньше отмеченное отношение <т/сг0 2. Так, для <5=0%, ст/с70 г = 1,45 - остаточные напряжения растягивающие, а при <5=9%, сг/сг02 = 1,08 и сг0 - сжимающие.

Результаты усталостных испытаний образцов из сплавов ЭИ437Б и ЭП742УИД, исходных и предварительно деформированных (растяжением) на различные величины относительных деформаций, приведены на рис. 12.

Влияние предварительной деформации образцов на предел выносливости

1 2 3 4 5 6 7 5,% Рис.12

Как следует из данных рисунка, дня сплава ЭИ437Б наибольшее падение предела выносливости наблюдалось при относительной деформации 5=1,5% и составило Ла= 80 МПа, или снижение ст, на 23%.

Аналогично для сплава ЭП742УИД (<т|1т111= 360 МПа): при 8= 6% сг)=280 МПа, что привело к снижению сг, на 22%.

В реальных условиях при обработке детали тем или иным ехнологическим приемом максимальные значения деформационного 'прочнения (наклепа) локализуются у поверхности, и по мере удаления в глубь [етали его степень уменьшается до нуля.

Для жаропрочных сплавов толщина слоя деформационного упрочнения наклепа) колеблется в пределах Лк ~ 150...250 мкм. Естественно, что в этом онком слое всегда будет присутствовать область, где относительные [еформации содействуют наибольшему снижению предела выносливости. В 1ашем случае для сплава ЭИ437Б это 5= 1,5%, а для сплава ЭП742УИД - <5=6%. Гопоставление этих данных позволяет сделать заключение, что для сплава Ш742УИД неблагоприятная зона с наибольшим падением а, будет сходиться ближе к поверхности детали, чем у сплава ЭИ437Б. С точки зрения сталости деформационное упрочнение для сплава ЭП742У ИД более опасно I сравнении со сплавом ЭИ437Б.

Необходимо учитывать, что при механической обработке резанием на юверхности возникают различного рода дефекты, поэтому приближение оны с пониженной сопротивляемостью усталости за счет деформационного прочнения к обработанной поверхности детали увеличивает вероятность арождения микротрещины.

Приведенные результаты справедливы для условий работы эксплуатации) в режиме обычных температур. В реальных условиях для дефлекторов, дисков газовых турбин, которые работают в условиях ювышенных температур, можно априори считать, что деформационное прочнение окажет еще большее негативное воздействие. Дело в том, что еформационное упрочнение усиливает диффузионные процессы, содействует оагуляции фаз и пр., т.е. приводит к нарушению исходной структуры юверхностного слоя с вытекающими отрицательными последствиями.

На предприятии ОАО «Моторостроитель» для упрочнения деталей [спользовались различные методы, в том числе микрошарики, ермопластическое упрочнение.

Для оценки влияния температуры и времени на релаксацию остаточны: напряжений были изготовлены образцы из сплава ЖС6ФН 08 мм. Одна парта образцов была подвергнута термопластическому упрочнению при 7=700°С Я=5атм, а вторая - обработке микрошариками 0160...200 мкм; К=76 м/сек т=45сек.

Образцы обеих парпш в среде аргона при 7=950°С выдерживались в течени г=2;8;25;50;75и 100 часов, соответственно. Затем были определены остаточны! напряжения.

На рис.13 приведены эпюры остаточных напряжений образцов упрочненных микрошариками.

Изменение остаточных напряжений в поверхностном слое образцоЕ в зависимости от времени выдержки при Т=950°С

20 40 60 80 100 120 Да, мкм

1- исходный; 2- 2 ч; 3- 8 ч; 4- 25 ч; 5- 50 ч.

Режим упрочнения: У= 76 м/с; т = 45 с; диаметр 160...200 мкм.

Рис.13

Из рассмотрения этих данных можно заключить: при г=50 часоЕ остаточные напряжения практически полностью релаксировались. При этом следует заметить, что сплав ЖС6ФН в сравнении со сплавом Э-42УИ.Д имеет более высокие показатели по жаропрочности.

На рис.14 приведены соответствующие эпюры для образцов после рмопластического упрочнения.

Влияние температуры и времени выдержки на остаточные

Рис.14

Через т=50 часов остаточные напряжения снизились всего на 25%, а при 100 часов - на 40% с тенденцией к последующей стабилизации.

Расчеты и замеры показали, что степень деформационного упрочнения ;ле ТПУ составила 8%, а после упрочнения микрошариками - 55%. Этими ледованиями установлено значительное влияние деформационного зочнения (наклепа) на релаксацию остаточных напряжений при шшенных температурах. При этом уместно еще раз заметить, что 1ышение выносливости напрямую связано с положительным воздействием гмающих остаточных напряжений.

Аналогичные исследования при снижении температуры испытания до 7(Ю°С показали, что релаксация остаточных напряжений замедляется. Для >азцов. упрочненных микрошариками за время г=100 часов, остаточные ряжения снизились с ст3=-1200 МПа до а"0=-470 МПа.т.е. на 60%. За этот период г^=100 часов при Т=700°С, на образцах, упрочненных ТПУ, не .подалась вообще релаксация остаточных напряжений.

4. Разработка системы технологических мероприятие! содействующих снижению величин деформационного упрочнени поверхностных слоев деталей из жаропрочных сплавов пр сохранении достаточного уровня остаточных напряжений сжатш

После основной операции точения для улучшения микрогеометри межлабиринтных поверхностей, а также снятия больших растягивающи остаточных напряжений, введены операции «Травление», «Абразивш жидкостная обработка» (АЖО), «Термообработка». После операции «Терм< обработка» остаточные напряжения снижаются до уровня о=+400...650 МП а степень деформационного упрочнения до значений 23-28%.

Для дальнейшего снижения растягивающих остаточных напряжений деформационного упрочнения перед операцией «обдувка микрошарикам1 введена дополнительная операция «Ажо» с режимом обработки: абразивн< зерно МАЮ;^- 3 кг/мм3; 1=30 мин; л^ = 15 об/мин; Осопла = 8мм. В процес операции «Ажо» снимаются микростружки, а также за счет ударе абразивных зерен происходит мягкое упрочнение. После этой операции последующего полирования остаточные напряжения изменяют свой знак достигают уровня ег< = -(200-350) МПа, степень деформационного упрочнен: снижается до * 25%. Одновременно уменьшается и глубина проникновен] ветви напряжений сжатия до 20-70 мкм. Последней финишной операци является (ППД) «упрочнение микрошариками» на специальной дробеметн* установке, которая позволяет упрочнить все поверхности дефлектор Введение этой операции имеет своей целью наведение достаточного уров сжимающих остаточных напряжений с целью увеличения усталости! прочности. Одновременно с наведением напряжений возникает деформационное упрочнение (наклеп), степень которого достигает величш 50-70%. Последний фактор, как отмечалось ранее, для деталей жаропрочных сплавов, работающих в условиях повышенных температэ является негативным фактором.

Дуализм «остаточные напряжения - деформационное упрочнени является следствием любого процесса ППД, в том числе и при «упрочнен микрошариками».

Снижение величины деформационного упрочнения при одновременном )храиении высокого уровйя остаточных напряжений предлагается решать 1едующим образом.

Эпюры остаточных напряжений и их диапазон рассеивания после операции упрочнение микрошариками» приведены на рис.15, а график изменения икрогвердости на рис. 16.

Напряженное состояние межлабиринтной зоны дефлектора после операции «Обдувка микрошарнкамн» ( т=10 мин!)

20 40 60 80 ЮТ 120 140 160 180 200 Да, мкм.

-1000

, МПа Степень деформационного упрочнения ПМТ-3-54% ДРОН-70%

Рнс.15

Работами A.M. Розенберга, Л.А. Хворостулина, Г.Д. Деля и др. было установлено, что между истинными напряжениями, которые возникают при пластической деформации, и деформационным упрочнением, выраженным в единицах микротвердости, существует простая связь

ст=0,ЗЗЯили Н= Зо;.

Микротвердость сплава ЭП742УИД после операции «упрочнение микрошариками»

Н , МПа

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 да, мкм Рис.16

На рис. 17 приведена диаграмма истинных напряжений (интенсивное™ напряжений) для сплава ЭП742УИД, найденная при растяжении образам по методике, разработанной Г.А. Смнрновым-Аляевым.

)

Диаграмма интенсивности напряжений при растяжении

а , МПа

1700 1600

1500 — - -

1400 -------

1300 Г 1200 1100 юоо —

образцов из сплава ЭП742УИД, Т=20° С

0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ¡2 13 14 15 16

Рис. 17

На основании диаграммы «интенсивности напряжений» легко треде лить величину напряжений, соответствующих искомой относительной ¡формации. Например, для <5=0,5% интенсивность напряжений составит = 1000 МПа (рис.17), а микротвердость согласно зависимости в=Зсг=ЗОООМПа. Если обратиться к данным рис.16, то можно определить ой под поверхностью детали, в котором микротвердость будет равна личине 77=3000 МПа. Глубина залегания этого слоя равна Ла=70 мкм. налогично для относительных деформаций £=1%, <5=4%, <5=6%. икротвердости и глубины их залегания будут соответственно равны: =3180МПа,/1а=70мкм; Я=3900МПа,Аа=20мкм; #,=4200МПа, Аа=\5 мкм. 1 основании данных, приведенных на рис.16 и 17, можно заключить, что ¡ксимальному снижению предела выносливости соответствует носительная деформация 5=6% и, что слой, которому соответствует эта формация, располагается на глубине Аа=\5 мкм, т.е. практически у самой верхности детали.

Для сплава ЭП742УИД максимальная степень упрочнения может быть 100а.

тсчитана. Так как - ^ >а ^тти=0з 2>то с Учетом прочностных )актериспп< сплава (сг = 1372 МПа, сг02=916 МПа; ^=17,7%), найдем:

и = а"-~<Т-< 100 = 82%

Из изложенного вытекает следствие: для того, чтобы уменьшить влияние юрмационного упрочнения на усталостную прочность, необходимо тем иным способом удалить некоторый слой с деформационным упрочнением , чтобы на поверхности осталась та часть его, где относительные ормации не превышали бы наперед заданную величину. Например, для «прочного сплава ЭП742УИД 5=0,5... 1%.

В этом случае снижение предела выносливости за счет влияния ормационного упрочнения составит Аал =25...35 МПа или 7. ..9% вместо | (Рис. 18).

Влияние удаления поверхностного слоя, упрочненного микрошариками, на изменение эпюры остаточных напряжений

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Да, м

Частичное удаление слоя с деформационным упрочнением мол осуществить электрополированием или абразивно-жидкостной обрабоп (АЖО). Если произвести подсчет по вышеприведенной методике, то пс операции «Упрочнение микрошариками» для достижения поставленной ц необходимо удалить слой ¿111=50...70 мкм.

Удаляя определенный слой с деформационным упрочнением, изменяем и остаточное напряженное состояние. Однако эта операция впо допустима, так как остающееся остаточное напряженное состояние впо достаточно с точки зрения повышения усталостных характеристик.

Влияние остаточных напряжений сжатия на предел выносливо исследовалось на образцах из сплава ЭП742УИД, упрочненных мето; «термопластического упрочнения» (ТПУ). Как известно, при ТПУ мо; навести остаточные напряжения сжатия практически без деформационн упрочнения (<5<0,5%). Эпюры остаточных напряжений, наведенные при Т1 показаны на рис. 18, а пределы выносливости упрочненных образцо! рис. 19.

Влияние остаточных напряжений на предел выносливости. (ЭП742УИД, круглые образцы, база 2х107 циклов, Т=20°С)

ст.,, МПа

500

400 360

300 200 100

465

а =ст, - 0,15 стп '

-1 -1 исх. 7 0 .

ст0> МПа

Рис.19

Как видно из рис.19, для исходных неупрочненных образцов |>|сх=360 МПа, с увеличением величины остаточных напряжений сжатия растет и при ст0=-7ОО МПа составляет сг1=465 МПа, т.е. увеличение тавляет 35% и выше. Связь между сг, и сг0 можно выразить простой гейной зависимостью:

= -0,15а,.

На основании приведенных данных можно заключил., что технологический |цесс изготовления деталей типа дисков, дефлекторов, необходимо построить так, бы при достаточном уровне наводимых остаточных напряжений сжатия, ормационное упрочнение не превышало 0,5... 1 % относительной деформации, что тветствует 8-15% степени деформационного упрочнения (наклепа).

На рис. 18 приведены эпюры остаточных напряжений в окружном направлении ^лабиринтной зоны дефлектора после окончательной операции «обдувка фошариками» по серийной технологии (сплав ЭП742УИД), а на рис.19 эра деформационного упрочнения, полученная на косом срезе (ПМТ-3) эбразце, вырезанном из межлабиринтной зоны после операции «обдувка фошариками». Степень деформационного упрочнения в этом случае тигает величины

Для этого реального примера при удалении слоя с деформационньп

упрочнением 5= 1%.ЛЛ=50мкм, эпюры остаточных напряжений отсекаютс

до уровня сго=-(500...800) МПа. При этом необходимо учесть

перераспределение напряженного состояния. Снижение остаточны

напряжений-можно оценить, используя расчетную зависимость дл

определения этих напряжений: Е "

{а-Ла)'

da

4(а - Aa)f(a)+Aaf(a)

Первый член этой зависимости учитывает напряжения в исследуемо! слое (при травлении), а второй и третий члены - влияние напряжений за сче ранее удаленных слоев. В нашем случае напряжения при снятии ело ¿1Л=50мкм уменьшаются, как показал И.А. Биргер, не более, чем на 10%, т.е на поверхности детали они сохранят значения на уровне

сг0 = -(450...750) МПа.

На рис.18 нанесены и реальные эпюры остаточных напряжений поел удаления Ah =50 мкм. Такой уровень остаточных напряжений, как показывав опыт, является оптимальным.

Для проверки полученного решения были изготовлены две парти] стандартных образцов из сплава ЭП742УИД, которые были упрочнень микрошариками на режиме, аналогичном применяемому при обдувк межлабиршгпюй зоны дефлектора. Затем одна партия прошла операцию «АЖО» при которой с образцов был удален слой Ah=50 мкм на сторону.

На рис.20 приведены результаты усталостных испытаний на машин МУИ-10000

Влияние удаления поверхностного слоя ' ст, МПа на усталостную прочность

550 ;

500

450

400

без АЖО

N, циклов

Ю6 5 1 06 1 07 2 1 07

Да=0 х-х-х- ои = -850 МПа; Hv=4400 МПа; ст =420 МПа Да=50мкм 0-0-0- ах^= -700 МПа; ^=3200 МПа- а. =480 МПа

Рис.20

Как следует из полученных графиков, образцы после операции «АЖО» сазали более высокие результаты. Прирост предела выносливости составил ,=60 МПа. Как следует из данных, приведенных на рис. 17, применение процесса ючнения микрошариками привело к повышению предела выносливости с =360 МПа для исходных образцов до сг1=420 МПа для упрочненных образцов, относительное повышение предела выносливости составило 17%.

Аналогичные сопоставления для процесса упрочнения микрошариками с :ледующим снятием слоя ¿1д=50 мкм даст соответственно: а = 360 МПа и -480 МПа. Повышение предела выносливости для этого варианта равно о. Таким образом, предлагаемая технология позволяет увеличить предел юсливости на 13%.

Ориентировочно ожидаемое повышение предела выносливости можно [считать на основании ранее приведенной зависимости: -0,15а,.

Очевидно, что для условий испытаний Г=20°С:

о--, = - 0,15а_ ср - 0,2а _,ша;

где а, =360 МПа, при 5=0, а =-900 МПа;

• I ис* 'Г » -ост ф *

0.22 (22%) - снижение исходного предела выносливости за счет ючнения.

В этом случае предел выносливости составит сг|=416 МПа.

После удаления слоя ДЬ=50 мкм

= 0,15а к

рстср '

где а =-700 МПа.

-ост ср

Для этого варианта сг, =488 МПа.

Относительный прирост предела выносливости будет равен: 488 — 416

Ао°/0 = — 100 ~ 14% -эти расчетные данные достаточно хорошо 416

ласовываются с опытными (13%).

Результаты исследований получены при температуре испытаний Т=20°С. гальных условиях эксплуатации дефлектор работает при относительно высокой тературе и можно с достаточной уверенностью утверждать, базируясь на :ющихся данных, что предложенная методика, позволяющая уменьшить ативное влияние деформационного упрочнения, приведет к еще большему личению эксплуатационных характеристик дефлекторов.

В подтверждение сказанному можно привести данные по исследованш влияния температуры на выносливость образцов из сплава ЭИ598. Испытывание плоские образцы при комнатной температуре 7=20°С и в условиях 7=750°С,баз испытаний 5-106 циклов. Все образцы были предварительн термообработаны. Одна часть образцов испытывалась в исходном виде, другая после упрочнения ТПУ.

При комнатной температуре были получены следующие результаты:

- после ТПУ <г,=580 МПа, а на исходных сг=4\0 МПа. Остаточны напряжения, наведенные ТПУ (сгд=-700 МПа), дали прирост усталости н 40%.

- Аналогичные опыты при температуре испытаний Т=750°( соответственно показали а ,=380 МПа и а =220 МПа - относительно увеличение 80%.

Результаты этих опытов показывают, что образцы с минимальны: наклепом дают более высокий относительный прирост предела выносливост при работе в условиях высоких температур. Очевидно, что этот эффект буде характерен и для натурных деталей.

В настоящее время на ОАО «Моторостроитель» все детали типа диско! дефлекторов после операции упрочнения микрошариками подвергаютс обработке методом «АЖО» для снятия слоя 0,05 мм. Созданы специальны установки.

Общие выводы.

1. В результате теоретического обобщения результатов исследований ешена актуальная научная проблема, имеющая важное народно-озяйственное значение, и заключающаяся в научном обосновании нового одхода к оценке влияния деформационного упрочнения (наклепа) на иклическую прочность деталей из жаропрочных сплавов.

2. На базе изучения и анализа существующих гипотез о влиянии статочных напряжений и деформационного упрочнения на циклическую рочность деталей показано, что существ уют взаимоисключающие концепции.

Ряд известных ученых на базе своих исследований считают, что .еформационное упрочнение оказывает положительное влияние на качество юверхностного слоя детали, повышая предел выносливости даже в большей тепени, чем сжимающие остаточные напряжения. Однако имеются штературные источники, в которых это положение оспаривается. К этому ледует добавить, что в процессе эксплуатации газотурбинных двигателей шкоплены статистические данные, из которых следует, что деформационное прочнение (наклеп) оказывает негативное влияние на долговечность деталей.

3. Г1 роведены исследования влияния деформационного упрочнения на предел )ыносливости деталей ш жаропрочных сплавов (ЭИ437Б,ЭП742УИД). Показано, гго деформационное упрочнение оказывает негативное влияние на усталостные характеристики. Степень этого влияния зависит от интенсивности упрочнения и } гличается немонотонностью.

4. Исследованиями на образцах, вырезанных из лабиринтной зоны дефлекторов, /становлено, что после операции точения формируются значительные остаточные ипряжения, в окружном направлении достигающие уровня о" ,= +1100... 1300 ЧПа, в радиальном сг =+200...400МПа. Деформационное упрочнение также этличается большими значениями - степень упрочнения достигает величины £/=50...70%.

5. Установлено, что термообработка на режиме Г=750°С±10°, т= 3 часа в :реде аргона оказывает малое влияние на параметры качества поверхностного слоя тетали. Остаточные напряжения и степень деформационного упрочнения снижаются всего на 10.. .20%.

6. Теоретически подтверждена наблюдаемая на практике специфи формирования остаточных напряжений при точении межлабиринтной зон! дефлекторах из жаропрочного сплава ЭП742УИД. Установлено, что в окружн направлении формируются растягивающие остаточные напряжения, досгигакш уровня сг^+900 МПа и более. В радиальном - остаточные напряжения по свс величине не менее, чем в три раза ниже в сравнении с окружными. Расчета показано, что под воздействием центробежных сил возникают растягивакж остаточные напряжения на уровне а^+500 МПа, которые, суммируяс; окружными остаточными напряжениями, создают напряженно-деформирован! состояние, опасное с точки зрения прочности дефлекторов.

7. Показано, что остаточные напряжения формируются вследств направленных остаточных деформаций. Поэтому деформационное упрочнег всегда присутствует.

Расчетным путем определено, что остаточные напряжения на уровне преде текучести обрабатываемого материала могут возникнуть в условиях, ког остаточные деформации не превышают величины 0,5... 0,6% относительнс удлинения частиц обрабатываемого материала поверхностного слоя детали.

Традиционные методы упрочнения сопровождаются относительны; деформациями в пределах « 5.. .20%.

. В работе показано, что предлагаемое решение позволяет и п традиционных методах упрочнения резко снизить вредное влиян деформационного упрочнения.

8. Показано, что имея диаграмму интенсивности напряжений, найденную п растяжении образцов из испытуемого материала, и д анные о микротвердости этс материала, полученные методом косых срезов, а также данные по влияш деформационного упрочнения на предел выносливости, можно рассчитать слс подлежащий удалению с целью повышения эксплуатационных характерист упрочненной детали.

9. Установлено, что удаление слоя с поверхности детали ¿1а=50...70 м; после ее механической обработки или упрочнения приводит к сняп основного слоя с деформационным упрочнением, оказывающего негативн влияние на усталостные характеристики. Остаточные напряжения при эт<

рераспределяются, но их величина сохраняется на достаточно высоком овне. Например, после операции «обдувка микрошариками» исходные та точные напряжения а=-1100 МПа снижаются до уровня сго=-800 МПа.

10. Показано, что в производственных условиях эффективным методом удаления оя с деформационным упрочнением является операция «АЖО» (абразивно-икостная обработка). Установлено, что образцы из сплава ЭП742УИД, рочненные методом «обдувка микрошариками» после снятия слоя Ла=50 мкм испытанные на усталостной установке МУИ-10000, показали предел шосливости (база N=2•• 107) на 60 МПа выше, чем исходные образцы после рдувки микрошариками. Этот эффект получен за счет снижения негативного ияния деформационного упрочнения, хотя остаточные напряжения после ерации «АЖО» уменьшились на 300 МПа. Это позволяет прогнозировать сличения относительного прироста предела выносливости деталей при высоких «пературах.

11. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработан ¡недрен комплекс конструктивно-технологических решений и рекомендаций, правленных на дальнейшее повышение эксплуатационных характеристик таких талей, как дефлекторы и диски газовых турбин.

Список основных печатных работ.

1. Скачков А.Н., Курбатов В.П. «Численный метод расчет напряженно деформированного состояния поверхностного слоя при термопластичес ком упрочнении» (Материалы XIII Всесоюзной научно-техническо: конференции по конструкционной прочности двигателей, г. Самара 1991г.).

2. Кравченко Б. А., Самарин Ю.П., Курбатов В.П. «Влияние деформационной упрочнения на выносливость деталей машин» («Известия высших учебны заведений», г. Москва, Машиностроение, 1993 г., №6).

3. Курбатов В.П., ШидловскийР.К.«Способ восстановлешиработоспособносп рабочих лопаток турбины из жаропрочных сплавов» (Журна. «Авиационная промышленность» 1991 г., №2 с. 82).

4. Курбатов В.П.,Сурай П.Я. «Исследование и разработка технологическое процесса восстановления усталостной прочности лопаток 1 ст компрессора» (Технический отчет, НИАТ 1981 г., №41584 с. 85).

5. A.C. №1223659 от 8 декабря 1985 года Шидловский Р.К., Курбатов В.П «Способ восстановления деталей из жаропрочных сплавов».

6. A.C. №1112783 от 8 мая 1984 года Кравченко Б.А., Курбатов В.П «Установка для термопластического упрочнения деталей».

7. Биргер И.А., Гриценко Е.А., Курбатов В.П. и др. «Анализ выполнени " работ по исследованию дефлектора 1 ст. турбины» (Технический отче

№001-10884, КМЗ, 1991г.).

8. Трофимов И.Г., Курбатов В.П. и др. «Исследование дефлекторов 1 ci турбины изделий, возвращенных с эксплуатации» (Технический отчет №8( Е. 1991г.).

9. К> :^цов Н.Д., Трофимов И.Г., Курбатов В.П. и др. «Исследован» дефлекторов 1 ст. турбины изделий, возвращенных с эксплуатации (Технический отчет №974-Е, 1991г.).

Ю.Шамарина Г.Г., Барвинок В.А, Курбатов В.П., Богданович В.Г «''прочнение теплозащитных покрытий» (Журнал «Проблем! машиностроения и автоматизации», 1995 г., №1-2).

11 A.C. №1279119 от 22 августа 1986г. Барвинок В.А., Курбатов В.П. «Спосо нанесения покрытия на боковую поверхность малоразмерных цилиндров:

12.Курбатов В.П., Шитарев И.Л. «Вибромашина для повышения чистот поверхности лопаток» («Новые технологические процессы и надежно« ГТД», ЦИАМ 1982 г., №5 с. 21-23).

1 З.Курбатов В.П., Емельянов В.В., Иванов Б.Г. «Опыт внедрения лить лопаток с равновесной структурой и направленной кристаллизацией («Сборник материалов отраслевой научно-технической конференции», Куйбышев, НИИД 1984 г., с. 106-110).