автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологические методы диффузионного упрочнения, повышающие фреттинг-стойкость деталей машин

¿Г/; ¿V- ¿Г/ о

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СЕЛИВАНОВ Константин Сергеевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИФФУЗИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ, ПОВЫШАЮЩИЕ ФРЕТТИНГ-СТОЙКОСТЬ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д. т. н., профессор А. М. Смыслов

УФА 2000

ООДЕ-РЖШШЕ (}/ / ' - : ' ■"

ГЛАВА I АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ФРЕТТИНГА

1.1 Анализ условий эксплуатации и причин отказов деталей в

связи с проблемой фреттинга...............................б

1.2 Механизм фреттинга и решение вопроса по повышению фреттинг-усталости конструкционных материалов и деталей из них.......................................................13

1.2.1 Методы исследования фреттинга.......................13

1.2.2 Влияние внешних факторов на фреттинг................16

1.2.3 Методы физического моделирования фреттинга..........22

1.2.4 Анализ существующих способов защиты от фреттинга.... 29

1.3 Выводы, постановка цели и задач исследования..........39

ГЛАВА II ВЫБОР ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ *<&ОШЯЖ«НИЯ

2.1 Моделирование процессов при фреттинге с позиции структурно-энергетической теории изнашивания..............41

2.2 Адаптация обобщенной модели процесса внешнего трения и изнашивания к условиям фреттинга..........................45

2.3 Выбор объекта исследования............................48

2.4 Расчет основных параметров контактирования исследуемого сопряжения.................................. 50

2.4.1 Расчет напряженно-деформированного состояния сопряжения при приложении статической нагрузки........... 53

2.4.2 Расчет напряженно-деформированного состояния сопряжения при динамическом взаимодействии контактируемых поверхностей............................................. 57

2.5 Выводы............................................... 62

ГЛАВА III МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ

3.1 Материалы принятые для исследования

64

3.2 Методики растровой микроскопии и рентгеноспектрального анализа...................................................67

3.3 Методики микрорентгеноструктурного исследования.......69

3.3.1 Методика качественного фазового рентгеноструктур-ного анализа..............................................69

3.3.2 Методика прецизионного измерения периодов кристаллической решетки и межплоскостных расстояний.......71

3.3.3 Методика определения плотности и характера распределения дислокаций по анализу уширения линий дифрактограммы поликристалла..............................73

3.4 Методики измерения микротвердости.....................7 6

3.5 Методика проведения коррозионных испытаний............78

3.6 Методика и установка для измерения внутреннего трения....................................................78

3.7 Меодика проведения испытаний деталей на стойкость при фреттинге и установка для ее реализации...................82

3.8 Использованные для исследования технологические методы упрочнения деталей................................ 88

3.9 Выводы............................................... 93

ГЛАВА IV ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ НА УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1 Исследование физико-химического состояния поверхности. 4.1.1 Исследование структуры и фазового состава

поверхности...............................................95

4.1.1.1 Расчеты прецизионного периода кристаллической решетки...................................................101

4.1.1.2 Расчеты микронапряжения поверхности образцов.... 103 4.1.2 Исследование электродного потенциала..............104

4.2 Исследование микротвердости...........................107

4.3 Исследование механических свойств.....................110

4.4 Выводы................................................112

ГЛАВА V ОЦЕНКА ФРЕТТИНГ-УСТАЛОСТИ

5.1 Испытание на износ при фреттинге стальных образцов.... 114

5.1.1 Математическое планирование эксперимента..........114

5.1.2 Реализация эксперимента...........................120

5.1.3 Построение математических моделей и проверка их адекватности..................................... 121

5.1.4 Анализ результатов математического планирования эксперимента..............................................125

5.2 Рентгено-структурный анализ вторичных продуктов

фреттинга.................................................128

5.3.Результаты электронной микроскопии изношенной

поверхности...............................................133

5.4 Испытание на стойкость при фреттинге образцов из

титанового сплава ВТб................................139

5.4.1 Исследования влияния ионной имплантации азота на схватывания при фреттинге............................139

5.4.2 Исследование влияния различных технологических методов упрочнения на стойкость при фреттинге........141

5.5.Исследование микротвердости поверхности после фреттинга............................................147

5.5.1 Исследование микротвердости стальных образцов.....147

5.5.2 Исследование микротвердости титановых образцов.... 158

5.6.Исследование внутреннего трения после фреттинга.......160

5.6.1 Исследование внутреннего трения стальных образцов. 161

5.6.2 Исследование внутреннего трения титановых образцов..................................................163

5.7 Анализ процессов, протекающих на взаимодействующих поверхностях при фреттинге................................165

5.8 Технологические рекомендации по использованию технологи ионной имплантации азота с целью увеличения фреттинг-стойкости........................................170

5.9 Выводы................................................172

ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ФРЕТТИНГА

1.1 Анализ условий эксплуатации и причин отказов деталей в связи с проблемой фреттинга.

Анализ причин отказов узлов и агрегатов ГТД в ходе их длительной эксплуатации в составе полноразмерных изделий, а также результатов стендовых испытаний, периодически проводимых на авиадвигателестроительных предприятиях1,2'3 [20 ] , показывает, что фреттинг является одной из основных причин зарождения большинства усталостных дефектов, приводящих к разрушению. Установлено, что по причине появления и развития этого процесса преждевременно выходят из строя:

• бандажные и антивибрационные полки рабочих лопаток ГТД;

• замковые соединения рабочих лопаток с дисками;

• детали подшипниковых опор ротора двигателя и агрегатов;

• детали верхнего и нижнего автоматов перекоса лопасти винта вертолета;

• тяги подвески автоматов перекоса;

• проводка управления лопастью винта вертолета;

• рукава втулки верхнего винта и другие.

Особо остро стоит проблема износа контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток ГТД и их замковых соединений с дисками. Появление на рабочих поверхностях лопаток даже незначительных дефектов при их фреттинге, приводит к

Примечание

1. Технический отчет №5 п-96 по периодическим усталостным испытаниям агрегатов колонки Д2Б серийного производства за период с 01.09.1994 по 31.12.1995. - Уфа.: ОАО "УМПО", 1996. - 85с.

2. Технический отчет №223 п-93 по периодическим усталостным испытаниям агрегатов колонки Д2Б серийного производства за программу 1993 года. - Уфа.: ОАО "УМ110", 1994. - 73с.

3. Технический отчет №148 п-95 по контрольным периодическим испытаниями на выносливость элементов автомата перекоса винта вертолета за программу 1995 года. - Уфа.: ОАО "УМПО", 1996. 104с.

зарождению усталостных трещин, их катастрофическому росту под действием рабочих нагрузок и, в конечном итоге, к отказу и поломке двигателя [ 13,14,19,20 ]. Износ бандажных полок лопаток компрессора и турбины из-за вибрации вызывает уменьшение, а иногда и полное срабатывание конструкционного и эксплуатационного натяга. В результате увеличивается амплитуда виброперемещений и величина переменных напряжений пера лопатки, что может служить причиной ее усталостной поломки [ 21 ] . Следствием износа бандажных полок является также постепенное ухудшение рабочих характеристик двигателя: уменьшение КПД компрессора и турбины, увеличение расхода топлива, увеличение уровня вибраций и уменьшение запасов газодинамической устойчивости, которое может привести к аварийным ситуациям [20 ] . Кроме этого, очень часто работоспособность узлов двигателя в условиях вибрации под нагрузкой, ограничивается развитием локального схватывания, приводящего к появлению вырывов на поверхности деталей или к их заеданию и потере работоспособности сопряжения.

Эта проблема особенно актуальна для деталей из титановых сплавов, которые применяются в двигателестроении благодаря своему малому весу и высокой прочности. В тоже время, трибосопряжения, изготовленные из этих материалов, проявляют низкие антифрикционные свойства, склонность к адгезионному взаимодействию, что ведет к схватыванию контактирующих поверхностей, образованию задиров и снижению усталостной прочности [ 2,20 ]. По этой причине в настоящее время применение материалов на основе титана весьма ограничено.

Визуальное исследование многих деталей, которые подвергались фреттингу при эксплуатации, показывает, что внешние признаки этого процесса на поверхности детали проявляются в виде ярко выраженного схватывания в местах контакта; потертостей с сеткой мелких (не более 0,2 мм) усталостных трещин; образований в виде язв и каверн, заполненных порошком из окислов металла [ 4-7 ] . Вид каверн, при этом, зависит от условий протекания фреттинга. Визуально

их можно разделить на мелкие блюдцеобразные углубления и на глубокие отверстия в виде питтингов. Первые появляются в результате того, что продукты износа имеют возможность выхода из зоны первоначального поражения и начинают абразивное изнашивание вблизи нее. Вторые образуются, когда вторичные продукты фреттинга, окислы, полностью заперты внутри зоны первоначального поражения в результате того, что они занимают больший объем (в случае железа - в два с половиной раза), чем основной металл [ 4,7 ].

Анализ результатов упомянутых выше металлургических исследований причин возникновения усталостных поломок деталей авиационной техники [ 9,11,12 ] показывает, что большинство усталостных изломов деталей, которые работали "в условно неподвижном сопряжении, имеют началом разрушения по цвету темную от наклепа контактную выработку. В месте зарождения усталостных трещин наблюдается растрескивание металла поверхности с пленкой налета красно-бурого или коричневого цвета, что характерно для действия фреттинг-коррозии [ 4,6,712 ].

Так, например разрушение вилки автомата перекоса верхнего винта вертолета, которое произошло по двум проушинам, носит усталостный характер с началом от следов фреттинг-коррозии, рисунок 1.1. Металлургическими исследованиями установлено, что в зоне очага наблюдается растрескивание в результате фреттинга, очаги разрушения располагаются с уголков по внутреннему диаметру проушины с внутренней стороны. В рельефе очагов располагаются четкие рубцы, исходящие из одного фокуса, а также концентрические линии отдыха развития трещины.

Рисунок 1.1 - Разрушение вилки

Рисунок 1.2 - Вид излома

Поломка болта поводки управления втулки верхнего винта вертолета, рисунок 1.3, произошла в месте образования кольцевых следов приработки от сопрягаемой детали и следов фреттинг-коррозии. Последние располагаются по окружности болта в виде пятен красно-бурого цвета с язвами и раковинами на длине примерно 40 мм по обе стороны поломки. Очаг разрушения, рисунок 1.4, гладкий темный от наклепа. Он находится на поверхности болта в месте сильной местной приработки от сопрягаемой детали и грубой фреттинг-коррозии, глубина язв от которой достигает величины 0,035 мм.

Поломка втулки и оси нижней ползушки автомата перекоса винта вертолета также произошло в результате усталостного износа.

Разрушение оси наступило под втулкой, ближе к резьбе, рисунок 1.5. По месту излома наблюдается кольцевая контактная выработка с налетом красно-бурого цвета. Очаг разрушения гладкий темный от наклепа расположен с наружной поверхности детали, рисунок 1.6.

стрелочка указывает на место контактной выработки в результате фреттинга Рисунок 1.3 - Вид поломанного болта

Рисунок 1.4 - Вид излома по месту поломки

Разрушение втулки, рисунок 1.7, в начале произошло на фланце, а далее распространилось в тело на полудиаметре детали. Излом по месту разрушения носит усталостный характер и идет от наружной поверхности фланца с двух диаметрально противоположных сторон и далее переходит в тело втулки на все сечение, рисунок 1.8. На наружной поверхности фланца наблюдается фреттинг-коррозия.

Все дефекты, которые образуются при фреттинге являются эксплуатационными концентраторами напряжения [ 13 ] и приводят к интенсификации усталостного выкрошивания материала и зарождению усталостных трещин, их развитию и, как следствие, резкому сокращению выносливости и долговечности деталей. Так, испытания на усталость образцов, предварительно подверженных фреттингу показали, что их предел выносливости уменьшается примерно на 50-100 МПа [ 4,14 ] в зависимости от предварительной технологической обработки, рисунок 1.9, 1.10. Более того, комплексные исследования [ 4,13,14 ] свидетельствуют о том, что влияние процесса фреттинга на усталость качественно одинаково на всех материалах.

•"«и4

стрелочка указывает на выход усталостной трещины с противоположной стороны втулки Рисунок 1.8 - Характер излома по месту поломки

Число циклов

1-ППД;

2 - ППД+ низкотемпературный отпуск;

3 - отжиг;

4 - отжиг + низкотемпературный отпуск;

Рисунок 1.9 - Влияние

термической обработки на

фреттинг-усталость нержавеющей стали (10Х18Н9) [ 4 ]

О - гладкие образцы • - образцы после фреттинга а - литая сталь б - кованая сталь

Рисунок 1.10 - Кривые фреттинг-усталости для стали 24Х [ 4 ]

Кроме поломок деталей в результате появления и развития усталостных трещин распространенной причиной отказов и нарушения работоспособности является также образование и накопление продуктов фреттинг-коррозии в местах подвижных сопряжений деталей [ 4,9,20 ]. Это приводит к нарушению работы сопряжения, его заклиниванию, что при обслуживании затрудняет, а в некоторых случаях исключает, разборку узла без разрушения одной из деталей сопряжения (шарниров автомата

перекоса винтов вертолета, шаровых опор, сферических подшипников систем управления и др.) [ 9,20 ].

Анализ ресурсов INTERNET показывает, что проблемой фреттинга в настоящее время активно занимаются за рубежом в таких научных центрах, как

• лаборатория фреттинга при школе космонавтики и аэронавтики университета Пурдэ (США), где изучают проблему фреттинга заклепочных соединениях обшивки летательных аппаратов;

• объединенные лаборатории при государственном университете Нью-Мексико (США). Их предметом исследований является фреттинг электрических контактов;

• национальный исследовательский институт металлов (Япония), где проводятся исследования различных конструкционных материалов на усталостную прочность при фреттинге.

1.2 Механизм фреттинга и решение вопроса по повышению фреттинг-усталости конструкционных материалов и деталей из них.

1.2.1 Методы исследования фреттинга.

Для исследования механизма фреттинга многими учеными [ 23-32 ] были предложены различные схемы испытаний и сконструированы специальные установки для их проведения. Важнейшим требованием к их конструкции при моделирования фреттинга являлось способность создавать между двумя соприкасающимися поверхностями образцов колебательное тангенциальное относительное движение, или по другому -проскальзывание [ 4 ] . Для выполнения этого требования исследователи чаще всего применялись механические, реже гидравлические и электрические методы.

Механизм фреттинга обычно исследовался на образцах, которые контактировали друг с другом плоскими поверхностями.

Наряду с ними широко использовались, особенно в ранних опытах, образцы, которые контактировали друг с другом по схеме "цилиндр-плоскость" или:"сфера-плоскость". Рассмотрим наиболее известные из них.

Томплинсон (Tomplinson G.Ä.) [ 23 ] в своих исследованиях применял в качестве образцов металлический шарик в контакте с плоскостью поверхности основания. Шарик совершал непрерывное колебательное вращение вокруг своей диаметральной оси при неподвижной опоре. С помощью этой установки было установлено, что для начала фреттинга необходимо наличие колебательного проскальзывания. Применение смазывающих веществ при этом не предотвращало появление повреждений.

Такой же тип контакта сферы с плоскостью был использован в опытах Джонсоном (Johnson K.L.) [ 24 ], который исследовал характер повреждения пятен контакта.

Позднее Томплинсон, Торп и Гаф (Tomplinson G.A., Thrope P.L., Gough H.J.) впервые описали машину, вызывающую крутильные колебания кольцеобразных образцов, которые контактировали по плоским граням, рисунок 1.11. [ 4,25 ]. Этот же принцип был положен в конструкцию установки, сконструированной Улигом (Uhlig H.H.) [ 26 ] , которая обеспечивала контролирование амплитуды в пределах ±7,5 мкм.

Рисунок 1.11 - Аппарат и образец для исследования фреттинга, основывающийся на крутильной вибрации кольцевых обойм [ 4 ]

Аналогичный тип контакта используется в действующем в настоящее время ГОСТ 23.211-80 "Метод испытаний материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии" [ 33 ] . Сущность использованного в нем метода состоит в следующем. Цилиндрический подвижный образец (контр�