Повышение структурной стабильности материала лопаток газотурбинных двигателей из сплава ЭП718 за счет ограничения температурного воздействия в процессе механической обработки

величины зерна и критерия разнозернистости при шлифовании пера лопаток из аустенитных сталей.23.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.26.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПЕРА ЛОПАТКИ И ПРИЧИНЫ ИХ ПОЯВЛЕНИЯ.27.

2.1. Исследование величины зерна поверхностного слоя пера лопаток из аустенитных сталей.27.

2.1.1. Причины возникновения разнозернистоти структуры пера лопатки.27.

2.1.2. Существующие критерии оценки разнозернистости структуры жаропрочных сплавов.29.

2.1.3. Анализ влияния прижога на структуру пера лопатки из сплава ЭП-718.30.

2.2. Определение фазового состава материала лопаток после операции шлифования.32.

2.3. Исследование микротрещин пера лопаток из аустенитных сталей.34 2.3.1. Исследование причин возникновения микротрещин в поверхностном слое пера лопатки.34.

2.3.2. Влияние шлифовочных трещин на свойства лопаток из жаропрочного сплава ЭП-718.40.

2.4. Исследование наклепа и остаточных напряжений, возникающих при шлифовании пера лопаток из аустенитных сталей.43.

2.4.1. Анализ влияния наклепа на структуру лопаток из аустенитных сталей.43.

2.4.2. Исследование микротвердости поверхности лопаток.46.

2.4.3. Причины возникновения остаточных напряжений.50.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.57.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ ПРОЦЕССА.

ЛЕНТОЧНОГО ШЛИФОВАНИЯ.59.

3.1. Исследование факторов, влияющих на температуру в зоне резания при ленточном шлифовании.60.

3.2. Анализ параметров абразивной ленты KX10XW Р40.69.

3.3. Разработка специального устройства для правки шлифовальной ленты.74.

3.4. Исследование микротвердости пера лопатки из сплава ЭП718 на разных режимах шлифования.77.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.78.

ГЛАВА 4 УСТАНОВЛЕНИЕ ПОВЫШЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ МАТЕРИАЛА ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ СПЛАВА ЭП718 ЗА СЧЕТ ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО.

ВОЗДЕЙСТВИЯ В ПРОЦЕССЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.80.

4.1. Исследование поверхностного слоя пера лопатки, обработанной правленой лентой.80.

4.1.1. Анализ величины зерна и уровня разнозернистости образцов, обработанных правленой лентой.80.

4.1.2. Рентгенофазовый анализ поверхности пера лопатки из сплава ЭП-718.82.

4.1.3. Анализ шероховатости поверхности пера лопатки.83.

4.3. Распределение припусков на операции шлифования и полирования пера лопатки ГТД.90.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.89.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

92.

ПРИЛОЖЕНИЯ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ в т. ч. — в том числе др. — другие пр.- прочие т. е. — то есть т.н. — так называемый т.о.- таким образом т.к. — так как.

Одной из задач, от успешного решения которой в значительной мере зависит повышение работоспособности газотурбинных двигателей, является обеспечение структурной стабильности материала лопаток, которая часто нарушается в процессе их изготовления.

К материалам деталей, работающих в условиях высоких температур и агрессивных сред, к которым относятся лопатки газотурбинных двигателей, предъявляются достаточно жесткие требования, особенно по качеству поверхностного слоя. Особенностью обработки лопаток из жаропрочных сплавов является наличие шлифовальных и полировальных операций, при которых происходит термическое воздействие, вызывающее фазовые и структурные превращения, как правило, неблагоприятно влияющие на свойства материала.

Шлифование абразивной лентой вызывает различные дефекты, наиболее распространенным из которых является «прижог», приводящий к появлению трещин, как в поверхностном слое, так и в сечении пера лопатки.

Лопатки из жаропрочных сплавов — очень дорогие и ответственные изделия и поэтому необходимо использовать такие технологические приемы шлифования, которые позволят не выходить за пределы допустимых температур, обусловливающих возникновение дефектов.

В представленной работе процесс ленточного шлифования рассматривается как, своего рода, термическая обработка и исследованы фазовые, структурные и иные изменения лопаток из сплава ЭП718, что позволило принять научно обоснованные изменения в технологическом процессе изготовления таких изделий.

Исследования, проведенные в авиационной, автомобильной промышленности и других отраслях машиностроения, показали, что возникающие в процессе шлифования прижоги существенно снижают контактную и циклическую прочность деталей. Поэтому очень важным является получение бесприжогового поверхностного слоя детали при ее шлифовании, что наряду с другими показателями физического состояния рабочих поверхностей обеспечивает долговечность машин.

Прижоги — одна из наиболее распространенных и сложных «болезней» абразивной обработки закаленных сталей и сплавов. Их появление может привести к значительному изменению твердости обработанной поверхности, снижению усталостной прочности, износоустойчивости и, как следствие, долговечности деталей машин. Прижоги могут возникать систематически или случайно, на нескольких деталях или на всей партии. Образование одного и того же характера прижога (по внешнему виду) на одинаковых станках и операциях может быть результатом влияния абсолютно разных факторов-причин. Образование прижогов при шлифовании является одним из основных качественных показателей обработки, который определяет построение рабочего цикла, назначение режимов резания, производительность.

Образование прижогов связано с тепловыми явлениями, возникающими в процессе шлифования металлов. Как известно, процесс шлифования характеризуется повышенным тепловыделением, образованием значительных контактных температур в зоне резания, высокой скоростью нагрева и высокой концентрацией теплоты в тончайших поверхностных слоях шлифуемых деталей.

Температура в зоне резания и шлифуемой поверхности зависит от условий контакта множества одновременно работающих абразивных зерен с обрабатываемым металлом. Условия контакта существенно зависят от взаимного воздействия большого количества факторов. Помимо выбора металла и абразивного инструмента, эти условия определяются скоростью резания, скоростью перемещения детали, величиной снимаемого припуска, интенсивностью съема металла, составом СОЖ и методом ее подвода и т. д. При этом изменение одного из них может привести к резкому ухудшению качества обработки. Следовательно, для повышения качества обработки необходимо знать, как тот или иной фактор (отдельно или в сочетании с другими) влияет на процесс теплообразования.

Бесприжоговому шлифованию посвящено большое количество исследований [12, 30, 37, 38, 39, 46,47, 48, 49,50], разработаны рекомендации. Анализ этих работ показывает, что ряд факторов оказывает определенное и закономерное влияние на процесс теплообразования. Знание этих закономерностей позволяет управлять ими, подбирая наиболее благоприятные условия для уменьшения вероятности появления прижогов и обеспечение структурной стабильности материала деталей.

Все это предопределило направление настоящих исследований, целью которых является: обеспечение стабильности структуры и фазового состава материала лопаток газотурбинных двигателей при шлифовании путем снижения и равномерного распределения температуры по обрабатываемой поверхности за счет оптимизации поверхности абразивного покрытия ленты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать дефекты материала пера лопатки и причины их появления.

2. Определить влияние «прижога» на размер зерен поверхностного слоя пера лопатки.

3. Установить влияние режущей способности абразивной ленты и режимов обработки при шлифовании на микротвердость пера лопатки.

4. Изучить влияние температуры в зоне контакта при ленточном шлифовании на структурно-фазовые изменения в материале пера лопатки.

5. Минимизировать тепловое воздействие на поверхностный слой детали за счет рационального распределения припусков при обработке пера лопатки.

Методы исследований:

Цель работы и сформулированные задачи исследования обусловливают использование комплекса экспериментальных и расчетных методов.

В качестве объекта исследования были выбраны лопатки газотурбинного двигателя из сплава ЭП718 (ХН45МВТЮБР).

Ренттенофазовый анализ образцов сплава осуществлялся на рентгеновском дифрактометре D8 ADVANCE (BRUKER). Съемка проводилась в параллельном Cu-Ка излучении с шагом 0,05° и временем накопления в точке 10 секунд.

Микроструктура образцов исследовалась на микроскопе OLYMPUS GX41 при увеличении 50х — 100х с использованием системы SIAMS700 Photolab. Измерение микротвердости поверхности образцов осуществлялось на микротвердомере ПМТ-3. Шероховатость поверхности лопаток определялась при помощи профилометра-профилографа. Точность снятия припуска при ленточном шлифовании определялась на приборе ПОМКЛ.

Использованы пакеты прикладных программ Компас 3D V9, MS.

OfficeXP.

Научная новизна:

1. Установлено, что при шлифовании пера лопатки из сплава ЭП718 штатной лентой при затуплении зерен повышается температура в зоне контакта выше 1050 °C, вызывающая неравномерное упрочнение поверхностного слоя вследствие выделения интерметаллидной упрочняющей фазы Ni3Al, которое доминирует над разупрочнением вследствие растворения фаз Лавеса Cr2Nb, Fe2Nb и Fe2W и роста зерен.

2. Обосновано сохранение исходного фазового состава и ограничение роста зерен материала лопатки при ленточном шлифовании за счет снижения температуры в зоне резания путем применения правленой абразивной ленты и определения рациональных режимов шлифования.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработан способ повышения структурной стабильности поверхностного слоя пера лопатки, обеспечивающий повышение качества их изготовления.

2. Предложен метод правки абразивной ленты, приводящий к снижению трудоемкости и себестоимости изготовления деталей.

3. Разработано специальное устройство для восстановления режущей способности шлифовальной ленты.

4. Предложены рациональные режимы шлифования лопаток газотурбинных двигателей, обеспечивающие оптимальную температуру в зоне резания.

5. Результаты научных исследований апробированы на ФГУП ОМО им. П. И. Баранова в технологии изготовления лопаток газотурбинного двигателя.

Апробация работы:

Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Продукция высшей школы и ее конкурентоспособность» (г. Петропавловск — 2006) — Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы управления качеством в машиностроении» (г. Махачкала — 2007) — IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск — 2008) — IV Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию со дня рождения главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники» (г.Омск — 2009), а также на заседаниях кафедр «Метрология и приборостроение» и «Металлорежущие станки и инструменты» Омского государственного технического университетаVII Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (г.Омск — 2009).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в т. ч. одна работа в издании, рекомендованном ВАК для опубликования материалов диссертаций, получен один патент на полезную модель.

Личный вклад:

— проведены комплексные экспериментальные исследования влияния температуры в зоне контакта при ленточном шлифовании на структурно-фазовые изменения в материале пера лопатки газотурбинного двигателя;

— разработано в соавторстве устройство для восстановления режущей способности абразивной лентыпредложены рациональные скорости шлифования лопаток газотурбинных двигателей.

Положения, выносимые на защиту:

1. В процессе шлифования при затуплении зерен абразивной ленты и возникновении «прижога» на поверхности лопатки происходит рост зерен в материале пера лопатки до 1 балла и выше. Критерий разнозернистости при этом увеличивается до 5 единиц;

2. В зоне «прижога» сплава ЭП718 происходит растворение упрочняющих фаз Лавеса Cr2Nb, Fe2Nb и Fe2W, приводящее к неравномерному росту зерен, снижению уровня структурной стабильности и выделение интерметаллидной упрочняющей фазы №зА1, что приводит к неравномерному упрочнению поверхности лопатки;

3. Сохранение исходного фазового состава и ограничение роста зерен материала лопатки при ленточном шлифовании обеспечивается за счет снижения температуры в зоне резания путем применения правленой абразивной ленты и определения рациональных режимов шлифования.

Объем и структура диссертации:

Конструктивно диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников (80 наименований). Диссертация содержит 93 страниц основного текста, включая 2 таблицы и 32 рисунка. Всего 104 страницы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Основными дефектами при ленточном шлифовании лопаток из сплава ЭП718 в результате термического и механического воздействия являются: рост зерен, появление трещин, неравномерное увеличение микротвердости с 2780 до 4220 HV, наклеп и остаточные напряжения в поверхностном слое пера лопатки.

2. Повышенная температура в зоне «прижога», возникающая при шлифования и оказывающая негативное влияние на структуру материала лопатки, зависит от следующих основных факторов: числа одновременно работающих зерен абразивной ленты при шлифовании, уровня их затупления, величины подачи и скорости ленты.

3. В процессе шлифования при затуплении зерен абразивной ленты и возникновении «прижога» на поверхности лопатки происходит рост зерен в материале пера лопатки до 1 балла и выше. Критерий разнозернистости при этом увеличивается до 5 единиц, что является недопустимым.

4. В зоне «прижога» происходит растворение упрочняющих фаз Лавеса Cr2Nb, Fe2Nb и Fe2W, приводящее к неравномерному росту зерен, снижению уровня структурной стабильности и выделение интерметаллидной упрочняющей фазы Ni3Al, что приводит к неравномерному упрочнению поверхности лопатки.

5. При шлифовании правленой лентой со Ул=30м/с, в поверхностном слое лопатки наблюдается равномерное повышение микротвердости на 40% за счет выделения интерметаллидной упрочняющей фазы Ni3Al, при этом возможно возникновение «прижога».

6. В результате правки исправляются погрешности формы абразивной ленты, увеличивается число одновременно работающих зерен с 15 до 45%, что при уменьшении скорости шлифования с 30 до 15−17м/с, обеспечит наиболее благоприятный режим термического воздействия на поверхностный слой лопатки, повысит структурную стабильность материала, оптимизирует припуск под полирование.

7. Работа выполнена по заказу ФГУП ОМО им. П. И. Баранова, внедрена на предприятии и экономический эффект с 2007 года составил 534 600 рублей.