УДК 621.068
Г.А. Сухочев, Д.В. Силаев, В.Н. Сокольников, А.М. Некрылов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ПРИСУТСТВИИ ВОДОРОДА
Статья содержит данные по исследованию комбинированных методов формообразования, локального упрочнения и повышения эксплуатационных показателей лопастных деталей по направлениям научной школы профессора Смоленцева Владислава Павловича. Представлена актуальность решаемых проблем, результаты экспериментов и описание технологических схем комбинированной обработки
Ключевые слова: комбинированное воздействие, эрозионно-химико-термическая обработка, активация микрошариками, анодный процесс, импульсно-силовое упрочнение, межлопаточный канал
Получить рабочие поверхности деталей сложного профиля с заданными эксплуатационными свойствами в большинстве случаев реализуется нанесением функциональных плазменным методом износостойких и теплозащитных слоев. Достаточный уровень адгезии покрытий с поверхностью определяется наличием активированного ювенильного микропрофиля без дефектов и посторонних включений с шероховатостью выше 60-70 мкм, обладающей загнутыми вершинами выступов. В большинстве случаев межлопаточные пространства турбин труднодоступны для профилированного инструмента. Межлопаточные каналы не имеют сквозного прохода инструмента для выполнения активационной обработки при подготовке поверхностей каналов под нанесение покрытий
[1].
Альтернативой традиционному подходу с использованием виброшлифования или струйно-абразивного достижения заданной шероховатости и степени активации химическим травлением под нанесение покрытий на поверхности межлопаточной зоны канала предложена технологическая операция активации с одновременным эрозионным и химико-термическим воздействием При этом на поверхности межлопаточного пространства происходит стабилизация микропрофиля с образованием ювенильной поверхности, повышающей сцепление нанесенного покрытия с основным материалом лопатки.
Исходными данными при проектировании операций с комбинированными воздействиями приняты технологические и геометрические показатели: видимая зона межлопаточного канала - до 50% по глубине, после которой профилированный инструмент не подходит к месту обработки; высотные значения шероховатости в интервале 60-70 мкм; площадь реального схватывания частиц покрытия с материалом детали не менее 80 %; якорная форма микровыступов обработанной поверхности для механического удержания падающих частиц
35
покрытия; напор потока газожидкостной токопроводящей среды до 0,3 Мпа; мощность эрозионного и термического воздействия не менее 5×106 Вт/см2 [2].
Предложенный метод обработки характеризуется объединением в единой технологической операции, по определенному алгоритму подключения к процессу, комбинированных воздействий на поверхность лопаточной детали при активации для нанесения покрытия.
Интенсифицированная термически эрозионная обработка обеспечивает формирование заданной шероховатости. При этом с минимально возможной величина микротрещин соизмерима с высотой микровыступов. Микротрещины устраняются электро-химико-механическое воздействием, наиболее интенсивно процесс идет по самым высоким вершинам, полученным после первого технологического перехода электроэрозионной операции.
Цель комбинированной обработки получить заданную шероховатость и активировать поверхность в труднодоступных местах межлопаточного пространства. Моделированием технологических режимов спрогнозированы результаты, достижимые интенсификацией эрозионных и химико-термических процессов в зоне обработки, с введением корректирующих эмпирических коэффициентов.
По итогам экспериментальной апробации системы технологического обеспечения активации поверхностей канала под плазменное покрытие, сформированной на основе режимов комбинированной обработки величина полученной после обработки термоактивными электродами шероховатости и вершин микровыступов на 30% больше значений при традиционной электроимпульсном режиме обработки. Адгезия покрытия с основой определяется величиной измененного слоя в углублении, полученном от единичного электрического импульса. На практике микротрещины до полутора раз превышают глубину кратера сформированной единичным импульсом. Глубина микротрещин не превышает 0,015-0,02 мм только при энергии электроразряда до 1,1-1,2 Дж.
Проведенные экспериментальные исследования установили - такое соотношение правомерно, когда тепловая энергия при кумулятивном эффекте от эрозионно-термического воздействия приводит к ощутимым отклонениям показателей качества поверхности от нормированных. Для небольших энергий импульса кумулятивный эффект не имеет подобной значимости, величина микродефектов становится равномерной при воздействии электрического разряда, как и при термодинамической ударной волне.
Дальнейшие исследования показали, что оптимальным будет интенсифицировать эрозионно-термический процесс до энергии импульса не более 1,2 Дж, а при последующей обдувке поверхности микрошариками в потоке газожидкостной среды с наложением тока низкого напряжения микротрещины остаются на глубине не более 2-3 мкм.
Обработка межлопаточных пространств турбины в два перехода общей длительностью 8 минут позволила достигнуть шероховатость высотой 70 мкм,
36
микровыступы которой имели загнутую, несколько расплющенную, форму, дефекты поверхности были незначительны. Поверхностный наклеп не превысил допустимое значение в 2,5 %, что не повлияло на степень адгезии основного материала с покрытием. Напыление защитного никель-хромового покрытия плазменным методом после предложенной комбинированной активации поверхности адгезия нанесенного материала с основой составила 95 Мпа. Это на 30 % больше прочности сцепления покрытия при обычной технологии подготовки и активации. Видимых зазоров между покрытием поверхностью по сечению лопатки не установлено при проведении металлографических исследований. Ресурсные испытания в эксплуатационных условиях при сложной термодинамике нагружений показали увеличение времени безотказной работы в 1,1 раза.
На основании результатов проведенных исследований предложена инже-
нерная методика технологического обеспечения активации поверхностей межлопаточных каналов под покрытие, работоспособного при высоких знакопеременных нагрузках и градиентах температур.
В другом направлении для турбонасосных агрегатов перспективных энергетических машин и двигательных устройств технологически проблемными деталей являются детали лопаточного типа с бандажом, который конструкционно формирует криволинейный сужающийся канал с характерной закруткой по радиусу. Технологическая недоступность для традиционных для открытых поверхностей лопаток процессов шлифования и дробеструйного упрочнения обусловлена отсутствием в таких каналах видимого осевого прохода для обрабатывающего профилированного инструмента. Малые размеры в поперечных сечениях сужающегося канала (менее 2-3 мм) глубиной более 10 мм не позволяют струйными и иными способами направить упрочняющий инструмент эквидистантно обрабатываемой поверхности. Поэтому на практике дробеструйным методом и/или виброшлифованием обрабатывают только открытые и условно доступные для инструмента участки, и разработчикам приходится назначать показатели качества только по кромкам лопаток, а в глубине канала они остаются на нижнем пределе допускаемых значений [3].
Такой подход ограничен удовлетворительным наклепом только доступных для обработки участков, а остальные элементы необоснованно усиливаются конструктивными методами, увеличивая металлоемкость конструкции и ухудшая рабочие показатели изделия.
Таким образом оказалось разработать методику технологического обеспечения упрочненного физико-механического состояния поверхности в ограниченном пространстве сужающегося криволинейного канала. Разрешить этот актуальный научно-технический вопрос предполагается разработкой методики технологического обеспечения равномерной обрабатываемости всей поверхности межлопаточного канала.
Комплексный анализ объекта исследований определяет, что детали с узкими сужающимися криволинейными каналами целесообразнее всего обраба-
37
тывать в паре: стыкуя их последовательно. Такое расположение дает возможность удвоить импульс удара большей массой порции шариков и в моменты совпадения скоростей импульсно-силового соударения и низкочастотного колебания встряской технологической системы разрыхлять упаковку сферических гранул, предотвращая их заклинивание в канале.
В результате был спроектирован способ комбинированного импульсноударного упрочнения поверхностей узких криволинейных каналов токопроводящими стальными шариками. Предложенный способ позволяет организовать комбинированной воздействие, которая обеспечивает почти 100% сплошность пластических отпечатков. Посредством постоянно повторяющегося импульсного удара происходит продвижение гранул внутрь межлопаточного пространства, последовательно упрочняя всю поверхность канала, формируя равнораспределенный наклепанный слой материала детали, поддерживая эффективное ударное взаимодействие в зоне обработки за счет интенсивного контактного истирания от предыдущих соударений и электрохимического растворения продуктов обработки (истирания материала детали).
При предложенном способе обработки сужающихся криволинейных каналов шарики за счет импульсно-ударного механического воздействия создают стабильный микрорельеф без зон с микротрещинами, формируют в поверхностном слое материала детали остаточные напряжения отрицательного знака, обеспечивают равномерный наклеп и, совмещая упрочнение с электрохимическим воздействием формируют заданную шероховатость по всем поверхностям лопатки. Режимы и длительность упрочнения обработки перед обработкой новой партии деталей корректируются по прогибу контрольных пластин.
Одним из проблемных вопросов технологического обеспечения результативности упрочнения узких каналов свободным (незакрепленным) инструментом (гранулами) является ограниченный период эффективности обработки от начала операции: в результате многочисленных контактов шариков с деталью формируется слоя твердых оксидов, замедляя интенсивность истирания в зоне контакта, загрязняя инструмент и поверхность. Обычно, с периодичностью 1520 минут непрерывной обработки возникает необходимость восстановления обрабатывающей способности путем замены гранул или добавления химически агрессивных компонентов, что не допустимо для сложнолегированных материалов. Главное препятствие эффективному протеканию процесса заключается в том, что продвижение шариков по каналу в условиях низкочастотных колебаний технологической системы идет стабильно только при небольшой (в пределах 5-10%) разности в размерах сечения канала по всей его длине. В узком сходящемся криволинейном шарики канале шарики постепенно, по мере сужения канала и из-за постоянных соударений между собой, теряют кинетическую энергию, происходит заклинивание в самом узком месте и процесс импульсноударного продвижения прекращается [4].
Поэтому при проектировании операции импульсно-ударного упрочнения приняты основные положения:
38
−процесс комбинированного упрочнения сочетает два вида воздействия, идущих совместно: импульсно-ударного воздействия шариков на внутреннюю поверхность лопатки и продвижения обрабатывающей среды вдоль образующей канала в условиях низкочастотных колебаний, и дополнительного электрохимического безразмерного воздействия в смачивающей место контакта шарика с выступами микрорельефа поверхности пленке технической воды.
−граничные условия: верхние величины требуемой степени наклепа поверхностного слоя материала лопатки в канале; максимальная величина давления в точке контакта шарика с поверхностью, формируемая весом порции шариков в объеме канала двойной глубины.
−определяющие режимные параметры технологической операции им- пульсно-ударного упрочнения поверхностного слоя канала - скорость деформирования и величина деформации.
−стабильность процесса импульсно-ударного продвижения шариков в канале определяет соотношения размера минимального межлопаточного размера в самом узком сечении канала и диаметров этих шариков.
Экспериментальные исследования технологических параметров импульс- но-ударного упрочнения на показатели качества обработки выполнялись с использованием специального приспособления, имитирующего сужающийся межлопаточный канал. Основным элементом этого устройства являются установленные в корпусе две вставки со скошенными боковыми поверхностями. Пространство между вставками представляет собой сквозной сужающийся канал, поверхности которого плоские. Чтобы корректировать ширину и углы схождения канала, вставки конструктивно выполнены съемными.
К наружному торцу приспособления, скошенным и плоским поверхностям полости, имитирующей канал, прикрепляются плоские контрольные пластины исследуемых материалов. Поставленная цель: установление соотношений показателей качества импульсно-ударной обработки узких сужающихся межлопаточных каналов криволинейного профиля (значения степени наклепа, остаточных напряжений отрицательного знака, их равномерности и зоны распространения, шероховатости на наружных и внутренних поверхностях канала, от режимов и времени комбинированного упрочнения, с учетом исходных фи- зико-механических свойств материала и наследованной шероховатости.
Рассмотренный технологический прием обеспечил быструю отладку режимов упрочнения на контрольных пластинах из стали У8А, в разы уменьшая затраты и время на подготовку и проведение производственной операции упрочнения поверхностей узких сужающихся криволинейных каналов.
Таким образом, была создана методика и технологическое обеспечение заданных показателей поверхности узкого сужающегося канала с закруткой по радиусу в и регламент проектирования операций комбинированного им- пульсно-силового упрочнения каналов при работе в экстремальных условиях.
Высокие статические и динамические нагрузки на высоких оборотах авиационно-космической техники влияют, прежде всего, на ресурс работы ко-
39