Термопластическое упрочнение (ТПУ) крупногабаритных деталей

Проблемами упрочнения крупногабаритных деталей, какими являются диски газотурбинных двигателей, а также крупногабаритные шестерни и другие ответственные большеразмерные детали различных установок, в первую очередь являются их размеры [1, 3, 9].

Упрочнять одновременно целиком всю крупногабаритную деталь нецелесообразно, так как это резко удорожает соответствующую крупногабаритную установку для упрочнения. Наиболее экономичным в этом случае является локальное упрочнение. Однако при локальном упрочнении возникают свои специфические проблемы.

В первую очередь это возникновение переходных зон на границах упрочняемых участков. В этих зонах происходит повторное упрочнение при технологических параметрах, отличающихся от параметров основного участка упрочнения. Это требует как теоретического обоснования параметров упрочнения в переходных зонах, так и экспериментальных исследований практической реализации процесса упрочнения.

Для упрочнения ответственных деталей различных установок существует множество мето-

Круцило Виталий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные станочные и инструментальные системы».

Ситкина Лариса Петровна, старший преподаватель.

Разумова Ирина Николаевна, ассистент.

дов [2-11]. В данной работе показано преимущество метода термопластического упрочнения (ТПУ) по сравнению с традиционными методами методами поверхностно-пластического деформирования.

Метод ТПУ предназначен для использования в области тепловой обработки, а именно для поверхностной упрочняющей обработки деталей [4-7], заключающейся в нагреве детали до температуры начала термопластических деформаций с последующим резким (спрейерным) охлаждением. Метод ТПУ может найти свое применение для упрочняющей обработки деталей из жаропрочных и жаростойких сплавов и сталей, работающих в условиях повышенных температур и знакопеременных нагрузок.

ТПУ является достаточно новым и эффективным методом упрочнения ответственных деталей сложных агрегатов, заменяющий методы поверхностного пластического деформирования (ППД), и в частности ППД с использованием ультразвуковых колебаний.

ТПУ деталей ГТД достаточно широко используется в авиационной и газоперекачивающей отрасли. Существуют установки с использованием нагрева природным газом, который перекачивается для производственных и бытовых нужд.

Недостатками этой установки являются: нестабильность процесса нагрева, сложность в настройке и управлении, повышенные требования безопасности, вредные производственные факторы, невозможность автоматизации работы, низкая производительность. В связи с этим возникает необходимость использовать более совершенные методы нагрева, в частности электронагрев [2].

ОБСУЖДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Метод ТПУ с использованием электронагрева позволяет повысить повысить усталостную прочность и долговечность за счет обеспечения стабильности параметров процесса нагрева и, как следствие, равномерности формирования сжимающих остаточных напряжений заданного уровня в поверхностном слое деталей.

В настоящее время разработана установка для термопластического упрочнения пазов газотурбинных дисков с использованием электронагрева.

На рисунке 1 показана конструкция установки, где: 1-спрейер, 2-гидроаккумулятор, 3-печь, 4-емкость гидравлическая, 5-шкаф управления, 6-компьютер, 7-редуктор, 8- датчик температуры воды, 9-манометр, 10-клапан избыточного давления, 11, 17-клапан соленоидный, 12-датчик давления, 13-клапан обратный, 14-насо-сный агрегат, 15-фильтр сетчатый, 16-сигнализатор уровня жидкости, 18-кожух, 19-датчик бесконтактный, 20-электродвигатель, 21-пирометр, 22-заслонка.

Установка показанная на рис.1 позволяет производить локальное упрочнение крупногабаритных деталей с высоким качеством. Сам процесс упрочнения полностью автоматизирован. Преимуществом данной установки является то, что процесс термопластического упрочнения может осуществляться без снятия диска с ротора, то есть без дорогостоящего монтажа.

Процесс ТПУ является экологически чистым в отличии от газового нагрева.

Электронагрев является более приспособленным для регулирования и автоматизации процесса.

Установка имеет две основные системы: систему нагрева и систему спрейерного охлаждения. Контролируемыми параметрами являются: давление воды, температура нагрева упрочняемой детали, время охлаждения, температура охлаждающей жидкости.

На рисунке 2 показано расположение пазов газотурбинного диска в зоне упрочнения печи и циклограмма поворота диска во время процесса упрочнения.

Были проведены сравнительные исследования остаточных напряжений и усталостной прочности на образцах, вырезанных из детали, неупрочнен-ных и упрочненных методами ТПУ и ППД.

Результаты этих исследований приведены на рис. 3 и 4. На неупрочненных образцах остаточные напряжения равны 0.

Рис. 1. Установка для термопластического упрочнения пазов газотурбинных дисков

Зона упрочнена (9 Зубьев )

87 8586

83     ¹²⁰

88 89

Оектор 1

Ожтзр 10 \

11 12

120 16

Ожтзр 2

_ Диск турбины

Рис. 3. Остаточные напряжения на образцах: 1 – после упрочнения ТПУ; 2 – упрочненные ТПУ после наработки; 3 – после упрочнения ППД;

4 – упрочненные ППД после нарабоки

Рис. 2. Процесс термопластического упрочнения

Рис. 4. Пределы выносливости образцов:

1 – упрочненные ТПУ; 2 – упрочненные ППД;

3 – без упрочнения со стабилизирующим отпуском;

4 – без упрочнения и стабилизирующего отпуска

В процессе эксплуатации дисков под воздействием температуры происходит релаксация полезных сжимающих остаточных напряжений, которые являются причиной повышения усталостной прочности. Были проведены повторные исследования образцов после наработки 6 тыс. часов. Исследования показали, что остаточные напряжения образцов, упрочненных ТПУ практически не релаксируют, а упрочненных ППД снижаются до нуля. Соответственно у образцов упрочненных ППД снижаются показатели усталостной прочности.

ВЫВОДЫ

• 1.    Метод термопластического упрочнения (ТПУ) является более эффективным по сравнению с методом ППД.

• 2.    Метод ТПУ экологически чистый.

• 3.    Метод ТПУ позволяет автоматизировать

процесс упрочнения с использованием микропроцессорного управления (ПК).