Вплив технологічної спадковості підготовки поверхонь деталей авіаційних двигунів при газодетонаційному напилюванні - Автореферат

В даний час в авіаційному двигунобудуванні актуальними стали питання створення комплексних технологій, таких, як нанесення покриттів і подальша їх обробка, що дозволяє регулювати і практично управляти такими показниками якості деталей, як хвилястість, шорсткість, фізико-механічні властивості матеріалу. У промисловості широке застосування отримали різні методи нанесення покриттів, як для додання спеціальних властивостей поверхні - основа деталі виготовляється з одного матеріалу, який забезпечить міцність і задані параметри конструкції, а на поверхні, які повинні володіти спеціальними властивостями, наносять тонкі шари інших матеріалів, покриттів, додаючи поверхневим шарам необхідні властивості, так і для відновлення. Проаналізувавши тенденції розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів, був складений класифікатор за різними складовими, що впливають на процес, в який входять: способи нанесення, установка для напилювання, системи подачі порошку, конструкція стовбура детонаційної установки, системи подачі і розподілу газової суміші, системи автоматизованого управління процесом, підготовка поверхні під напилювання. При попередній механічній обробці деталі точінням, шліфуванням поверхневий шар зазнає значні зміни і його фізико-хімічний стан відрізняється від матеріалу серцевини. для розрахунку раціональних параметрів процесу нанесення покрить провести дослідження початкових залишкових напружень в поверхневих шарах деталей при підготовці до напилювання;У першому розділі виконаний аналіз механізмів формування фізико-механічних властивостей поверхневого шару деталей авіаційних двигунів при детонаційному напилені і фінішній обробці, що дозволив зробити висновок про нестаціонарність процесів, рівень якої надає істотний вплив на вибір технологічних параметрів. Базові рівняння, що описують рухи суміші, будуть наступними: Ця система рівнянь є записом законів збереження газу і псевдогазу частинок, де с, Р, V - відповідно щільність, тиск і масова швидкість газу, F - сила, що діє на одиницю поверхні стовбура з боку газу у напрямі його руху, q - щільність теплового потоку через стінки стовбура, l = Е V/2, де Е - повна внутрішня енергія одиниці маси продуктів детонації. Дослідження проводилось на зразках у вигляді циліндричних втулок, заввишки 100 мм із зовнішнім діаметром 50 мм і внутрішнім 30 мм; марки матеріалу зразків: кольорові сплави - Д16Т, ВТ3-1; сталеві - 40Х, 12Х18Н9Т. Проведений аналіз різних методів визначення залишкових напружень в поверхневому шарі деталі, і вибраний рентгенівський метод, що дає можливість знаходити залишкові напруження в тонкому поверхневому шарі без руйнування деталі. Так після механічної обробки титанового сплаву ВТ3-1 спостерігаються наступні закономірності: токарна обробка формує в поверхневому шарі зразків з титанового сплаву залишкові напруження стиснення; спостерігається значна відмінність значень напружень по величині на одній і тій же партії зразків (за виключенням зразків, що були пошліфовані) (рис.На основі розробленого класифікатора тенденцій розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів визначено місце впливу підготовки поверхонь під напилювання. Чисельна реалізація уточненої математичної моделі течії двофазного середовища в стовбурі установки з урахуванням співвідношення тангенціальних напружень до нормальних в діапазоні 0,65 ? КПД ? 1 дозволяють дати рекомендації з вибору раціональних енергетичних параметрів детонаційного процесу нанесення покриттів. На основі комплексних досліджень встановлено, що нормальні напруження на зразках із сплаву Д16Т і сталі 12Х18Н9Т у всіх випадках стискаючи на внутрішній поверхні, тоді як на зовнішній поверхні розтягуючи змінялися стискаючими, що приводить до виникнення на внутрішній поверхні неоднорідного по величині і знаку плоского напруженого стану, і повязано з різними умовами механічної обробки на зовнішній і внутрішній поверхні. Отриманий стан поверхневого шару, що напружено-деформується, сталей 40Х, 12Х18Н9Т і сплавів ВТ3-1, Д16Т після механічної обробки визначається багатьма чинниками. Він викликає: нерівномірну пластичну деформацію поверхневого шару, перерозподіл температурного поля між деталлю, стружкою і інструментом, тобто температурні умови різання; фазові і структурні перетворення з утворенням вторинних структур з різними питомими обємами.

Основний зміст роботи

1. На основі розробленого класифікатора тенденцій розвитку технологічного процесу і устаткування для детонаційного напилювання покриттів визначено місце впливу підготовки поверхонь під напилювання.

2. За наслідками комплексних теоретичних і експериментальних досліджень проведено уточнення моделі течії двофазного потоку в стовбурі установки. Чисельна реалізація уточненої математичної моделі течії двофазного середовища в стовбурі установки з урахуванням співвідношення тангенціальних напружень до нормальних в діапазоні 0,65 ? КПД ? 1 дозволяють дати рекомендації з вибору раціональних енергетичних параметрів детонаційного процесу нанесення покриттів. А також дати рекомендації по уточненню характеристичних параметрів, і застосуванню енергоносія пропан-бутан.

3. Розроблена методика інженерного розрахунку визначення параметрів поверхневого шару при підготовці до напилювання. Методика дозволяє визначати основні складові, що впливають на процес нанесення покриттів. На основі комплексних досліджень встановлено, що нормальні напруження на зразках із сплаву Д16Т і сталі 12Х18Н9Т у всіх випадках стискаючи на внутрішній поверхні, тоді як на зовнішній поверхні розтягуючи змінялися стискаючими, що приводить до виникнення на внутрішній поверхні неоднорідного по величині і знаку плоского напруженого стану, і повязано з різними умовами механічної обробки на зовнішній і внутрішній поверхні.

4. Отриманий стан поверхневого шару, що напружено-деформується, сталей 40Х, 12Х18Н9Т і сплавів ВТ3-1, Д16Т після механічної обробки визначається багатьма чинниками. В першу чергу це силовий чинник і фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу і ріжучого інструменту. Силовий чинник обумовлюється швидкістю обертання деталі, швидкістю подачі, глибиною різання, геометрією ріжучого інструменту і іншими. Він викликає: нерівномірну пластичну деформацію поверхневого шару, перерозподіл температурного поля між деталлю, стружкою і інструментом, тобто температурні умови різання; фазові і структурні перетворення з утворенням вторинних структур з різними питомими обємами.

5. Отримані експериментальні дані щодо впливу фізико-механічні властивостей матеріалу і ріжучого інструменту на залишково-напружений стан, що формується після механічної обробки. Особливо це стосується таких властивостей, як межа текучості, коефіцієнт лінійного розширення і інших. Сумісний вплив вказаних чинників, що діють в протилежних напрямах, забезпечують різноманітність напружено-деформованого стану поверхневого шару після механічної обробки.

6. На алюмінієвому і аустенітному сплавах, що володіють високим коефіцієнтом температурного розширення і високою пластичністю, різання (Rz 20) викликає появу розтягуючих напружень значної величини, що може негативно позначитися на експлуатаційних властивостях деталі. Шліфування надає сприятливий вплив на залишково-напружений стан. Незалежно від оброблюваного матеріалу в поверхневому шарі деталі формуються залишкові напруження стиснення, роль яких у більшості випадків позитивна.

7. Дослідження мікротвердості поверхневих шарів показало, що практично після всіх видів точіння в поверхневих шарах сталей 40Х, 12Х18Н9Т і сплавів ВТ3-1, Д16Т спостерігається більша мікротвердість, чим в серцевині зразка, що пояснюється зміцненням його при пластичній деформації. Проведені мікроструктурні дослідження і дослідження мікротвердості методом похилих шліфів показали, що токарна обробка сталей 12Х18Н9Т, 40Х і сплавів Д16Т, ВТ3-1, виконана приведеними режимами різання, викликає пластичну деформацію і повязані з нею зміни фізико-механічних властивостей поверхневих шарів металу. В результаті точіння в мікроструктурі зерна поверхневих шарів сталей і сплавів витягнуті у напрямі різання.

8. Виконана оцінка впливу механічної обробки на деформаційне зміцнення. При деформаційному зміцненні поверхневий шар в результаті механічної обробки сталей 40Х, 12Х18Н9Т і сплавів ВТ3-1, Д16Т зміцнюється неоднаково. Так для сплаву Д16Т ступінь зміцнення складає 8-161%. Для ВТ3-1 ця величина складає 5,2-16%. Сталь 12Х18Н9Т поверхнево зміцнюється на 3-35%; 40Х - 3,5-4,6%. Результати вимірювання мікротвердості дозволили встановити глибину шару різних сталей і сплавів, що піддався деформаційному зміцненню. Для ВТ3-1 і 40Х вона складає 12 мкм; для Д16Т і 12Х18Н9Т - від 0,784 до 10,98 мкм.

9. Проведена оцінка комплексних технологій підготовки поверхні і нанесення покриттів. Проведені дослідження зносостійкості деталей, зміцнених газо-детонаційним напилюванням в порівнянні з іншими методами нанесення покриттів: електроіскровим легуванням і наплавленням сплаву хастеллой, підтвердили правильність вибраного напряму досліджень.

1. Долматов А.И., Петренко А.П. Дозирующие устройства порошковых материалов в детонационных установках // Авиационно-космическая техника и технология: Зб. наук. праць. - Х., 1998. - Вып. 6. - С. 85-99.

2. Качан А.Я., Петренко А.П. Влияние режимных параметров и параметров качества поверхностного слоя на предел выносливости лопаток ГТД при их виброупрочнении // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. - Х., 1999. - Вип. 42. - С. 102-104.

3. Качан А.Я., Жеманюк П.Д., Ковган А.И., Петренко А.П. Управление формообразованием аэродинамических поверхностей лопаток ГТД // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. - Х., 1999. - Вип. 42. - С. 105-109.

4. Качан А.Я., Петренко А.П. Влияние параметров схем формообразования на стабильность сил шлифования // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. - Х., 1999. - Вип. 42. - С. 110-113.

5. Багмет М.Н., Петренко А.П. Оборудование для детонационно-газового нанесения покрытий // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. - Х., 2000. - Вип. 89. - С. 37-41.

6. Леховицер З.В., Балушок К.Б., Петренко А.П., Багмет М.Н. Пневматические дозаторы порошка в установках для детонационного напыления // Вісник ХДПУ: Зб. наук. праць. - Х., 2000. - Вип. 104. - С. 65-74.

7. Петренко А.П. Исследование остаточных напряжений при механической обработке стали 12Х18Н9Т // Вопросы проектирования, производства и конструкции летательных аппаратов: Зб. наук. праць. - Х., 2000. - Вып. 23 (6). - С. 124-126.

8. Петренко А.П. Остаточные напряжения при механической обработке алюминиевых сплавов // Вопросы проектирования, производства и конструкции летательных аппаратов: Зб. наук. праць. - Х., 2000. - Вып. 21 (4). - С. 88-91.

9. Петренко А.П., Нижник С.Н., Куципак В.И. Исследование остаточных напряжений при механической обработке титановых сплавов // Вопросы проектирования, производства и конструкции летательных аппаратов: Зб. наук. праць. - Х., 2000. - Вып. 22 (5). - С. 65-68.

10. Петренко А.П. Технологическая наследственность и ее влияние на распределение характеристик поверхностного слоя некоторых сталей и сплавов при точении и шлифовании // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 8 (44). - С. 25-30.

11. Петренко А.П. Остаточные напряжения в поверхностном слое образцов после различных методов механической обработки // Инженерия поверхности и реновация изделий: Материалы Междунар. Науч.-техн. конференции. Феодосия, 29-31 мая 2001 г. - Феодосия; - К., 2001. - С. 197.

12. Петренко А.П. Оценка качества поверхностного слоя образцов с газотермическими покрытиями // Инженерия поверхности и реновация изделий: Материалы Междунар. Науч.-техн. конференции. Ялта, 28-30 мая 2002 г. - Ялта; - К., 2002. - С. 152.

В працях, виконаних в співавторстві, авторові належать: [1] - проведено аналіз існуючих дозуючих пристроїв для детонаційно-газових установок.

[2] - проведено обробку експериментальних результатів і розроблено емпіричні залежності, які встановлюють звязок глибини, та ступеня зміцнення та залишкових напружень з часом віброзміцнення лопаток.

[3] - проведено обробку експериментальних результатів.

[4] - проведено аналіз двох схем формоутворення лопатки ГТД, побудовані графічні залежності для коефіцієнтів стабільності сил шліфування.

[5] - проведено аналіз існуючих установок для детонаційно-газового нанесення покриттів.

[6] - проведено аналіз існуючих пневматичних дозуючих пристроїв для детонаційно-газових установок.