RU2224816C1 - Method of complex hardening - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; enhancing fatigue characteristics of parts made from titanium alloys such as compressor blades of gas-turbine engines. SUBSTANCE: proposed method includes shot blasting followed by heat treatment; shot blasting is performed at rate of 30-70 m/s and is continued for 30-60 s; heat treatment consists in tempering continued for 3-6 h at temperature not below operating temperature and not above 450 C. It is good practice to perform shot blasting with th aid of glass or metal micro-balls at diameter of 50-400 mcm; tempering temperature ranges from 300 to 450 C. Blades of compressors of gas-turbine engines are used as parts made from titanium alloys. EFFECT: increased fatigue limit. 4 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения усталостных характеристик деталей из титановых сплавов, в частности лопаток компрессора газотурбинных двигателей ГТД, изготавливаемых из деформируемых титановых сплавов.The invention relates to mechanical engineering and can be used to increase the fatigue characteristics of parts made of titanium alloys, in particular compressor blades of gas turbine engines of gas turbine engines made from wrought titanium alloys.

Известны способы поверхностного пластического деформирования (ППД) деталей металлической и стеклянной дробью (шариками), разгоняемыми струей сжатого воздуха, жидкости или вращающимися лопастями дробеметного колеса. ППД позволяет повысить характеристики усталостной прочности деталей за счет наведения в их тонком поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, наклепа, а также "залечивания" (сглаживания, округления) поверхностных микродефектов (выровов, рисок, пор и т.п.) (см. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. Справочник. - М.: Машиностроение, 1987, с. 242-250).Known methods of surface plastic deformation (PPD) of parts with metal and glass beads (balls), accelerated by a stream of compressed air, liquid or rotating blades of a shot blast wheel. PPD makes it possible to increase the fatigue strength characteristics of parts by inducing in their thin surface layer residual compressive stresses, hardening, and also “healing” (smoothing, rounding) of surface microdefects (cuts, scratches, pores, etc.) (see Odintsov L .G. Hardening and finishing of parts by surface plastic deformation. Handbook. - M .: Mashinostroenie, 1987, p. 242-250).

Эффективность применения ППД ограничивается не только упругопластическим состоянием поверхностного слоя детали, несущим в себе особенности предыдущих обработок (так называемая технологическая "наследственность"), но и наличием конструкторских концентраторов напряжений (радиусов кромок у лопаток). Указанные особенности не позволяют в должной мере использовать энергетические возможности процессов поверхностного упрочнения, т.к. это может привести к проклепыванию кромок лопаток.The effectiveness of the use of PPD is limited not only by the elastoplastic state of the surface layer of the part, bearing the features of previous treatments (the so-called technological “heredity”), but also by the presence of design stress concentrators (edge radii of the blades). These features do not allow the proper use of the energy capabilities of surface hardening processes, because this can lead to riveting the edges of the blades.

Установлено, что после ППД упрочненные поверхности обладают повышенной энергией и находятся в неуравновешенном состоянии. Это способствует адсорбции кислорода, который при наложении знакопеременных нагрузок может диффундировать внутрь детали, снижая сопротивляемость зарождению трещины. Вышеперечисленные факторы могут привести не только к снижению значений долговечности, но и предела усталости деталей.It has been established that, after PPD, hardened surfaces have increased energy and are in an unbalanced state. This contributes to oxygen adsorption, which, when alternating loads are applied, can diffuse into the part, reducing the resistance to crack nucleation. The above factors can lead not only to a decrease in the values of durability, but also to the fatigue limit of parts.

Из уровня техники известен способ термообработки изделий из титановых сплавов, включающий механическую обработку в воздушной или защитной средах, последующий низкотемпературный отжиг при 450-510°С в течение 5-10 ч с последующим охлаждением и полировку (SU 411154, МПК-2 C 22 F 1/18, 15.01.1974, формула).The prior art method of heat treatment of products made of titanium alloys, including machining in air or protective environments, subsequent low-temperature annealing at 450-510 ° C for 5-10 hours, followed by cooling and polishing (SU 411154, MPK-2 C 22 F 1/18, 01/15/1974, formula).

К недостаткам данного способа относится то, что отжиг позволяет лишь нейтрализовать отрицательные последствия механической обработки, но создать оптимальное регулируемое качество поверхностного слоя можно только поверхностным упрочнением, применение которого в приведенном авторском свидетельстве отсутствует.The disadvantages of this method include the fact that annealing allows you only to neutralize the negative effects of machining, but you can create the optimal controlled quality of the surface layer only by surface hardening, the use of which is absent in the above copyright certificate.

Наиболее близким к заявленному способу является способ обработки деталей из титановых сплавов, включающий дробеструйную обработку микрошариками диаметром 160-200 мкм при давлении 2,5-3 атм в течение 5-6 мин с последующим отжигом при 550±10°С в течение 4-7 мин (SU 872595, МПК-3 C 22 F 1/18, 15.10.1981, формула).Closest to the claimed method is a method of processing parts from titanium alloys, including bead-blasting with microspheres with a diameter of 160-200 microns at a pressure of 2.5-3 atm for 5-6 minutes, followed by annealing at 550 ± 10 ° C for 4-7 min (SU 872595, IPC-3 C 22 F 1/18, 10/15/1981, formula).

Недостатком данного способа является то, что остаточные напряжения сжатия и наклепа, возникающие при дробеструйной обработке по режиму, указанному в данном авторском свидетельстве, полностью релаксируются при 550°С, что исключает эффект упрочнения, т.к. максимально допустимые температуры, при которых сохраняется эффект упрочнения ≤ 450°С. Далее, время выдержки при отжиге (5-7 мин) недостаточно для нейтрализации адсорбированного кислорода на поверхности детали, диффундирующего вглубь нее, и тем самым, вызывающего ускоренный рост усталостной трещины.The disadvantage of this method is that the residual compressive and hardening stresses that occur during shot blasting according to the regime specified in this copyright certificate, completely relax at 550 ° C, which eliminates the hardening effect, because maximum permissible temperatures at which the hardening effect is maintained ≤ 450 ° C. Further, the holding time during annealing (5-7 min) is not enough to neutralize the adsorbed oxygen on the surface of the part, diffusing deep into it, and thereby causing an accelerated growth of the fatigue crack.

Задача изобретения заключается в повышении предела усталости деталей из титановых сплавов.The objective of the invention is to increase the fatigue limit of parts made of titanium alloys.

Задача изобретения достигается путем реализации способа комплексного упрочнения деталей из титановых сплавов, включающего дробеструйную обработку с последующей термической обработкой, согласно изобретению дробеструйную обработку на обрабатываемом участке детали осуществляют со скоростью 30-70 м/с в течение 30-60 с, а в качестве термической обработки проводят отпуск в течение 3-6 ч при температуре не ниже эксплуатационной и не выше 450°С.The objective of the invention is achieved by implementing a method of complex hardening of parts made of titanium alloys, including bead blasting followed by heat treatment, according to the invention, bead blasting on the treated area of the part is carried out at a speed of 30-70 m / s for 30-60 s, and as a heat treatment spend a vacation for 3-6 hours at a temperature not lower than operational and not higher than 450 ° C.

В предпочтительном варианте осуществления способа дробеструйную обработку проводят стеклянными и/или металлическими микрошариками диаметром 50-400 мкм.In a preferred embodiment of the method, shot blasting is carried out with glass and / or metal beads with a diameter of 50-400 microns.

В предпочтительном варианте изобретения температура отпуска составляет 300-450°С.In a preferred embodiment, the tempering temperature is 300-450 ° C.

В предпочтительном варианте изобретения в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора ГТД.In a preferred embodiment of the invention, GTE compressor blades are used as parts from titanium alloys.

Следует отметить, что дробеструйная обработка в течение 30-60 с проводится на обрабатываемом участке детали, т.е. на участке, равном диаметру факела дроби. После обработки одного участка детали в течение 30-60 с проводят обработку следующего, необработанного участка детали в течение 30-60 с и так до тех пор, пока не будет обработана вся деталь. Это связано с тем, что обрабатываемые детали могут иметь различные формы и габариты и иногда не представляется возможным обработать всю деталь одновременно из-за недостаточного диаметра факела дроби.It should be noted that bead-blasting for 30-60 s is carried out on the treated area of the part, i.e. on a plot equal to the diameter of the fraction torch. After processing one part of the part for 30-60 s, the next, unprocessed part of the part is processed for 30-60 s and so on until the entire part is processed. This is due to the fact that the workpieces can have various shapes and dimensions and sometimes it is not possible to process the entire part at the same time due to the insufficient diameter of the shot torch.

Комплексное упрочнение, снижая значения остаточных напряжений сжатия и наклепа на 25-30%, образовавшихся после ППД, в тоже время, уменьшает их дисперсию, достигающую в зависимости от технологической "наследственности" с 25-100% на 30-40%, т.е. наряду со снижением, происходит их выравнивание по всей поверхности детали, что особо важно для конструкторских концентраторов, т.к. предотвращает их проклеп, а также технологических концентраторов, снимая резкий переход значений напряжений. Кроме того, снижение и выравнивание напряжений ведет к уменьшению поводки деталей, обеспечивая ее величину в пределах заданного допуска.Complex hardening, reducing the values of the residual compressive and hardening stresses by 25-30%, formed after RPM, at the same time, reduces their dispersion, which, depending on the technological "heredity", reaches from 30-100% by 30-40%, i.e. . along with a decrease, they are aligned over the entire surface of the part, which is especially important for design concentrators, because prevents their riveting, as well as technological concentrators, removing a sharp transition of voltage values. In addition, the reduction and equalization of stresses leads to a decrease in the leash of parts, providing its value within the specified tolerance.

Комбинированное упрочнение позволяет получить "уплотненную" и наиболее рационально "ориентированную" однородную структуру с мелким зерном, эффективно препятствующую распространению трещины, особенно в переходной зоне.Combined hardening makes it possible to obtain a “compacted” and most rationally “oriented” homogeneous structure with fine grain, which effectively prevents crack propagation, especially in the transition zone.

В процессе проведения отпуска адсорбированный кислород связывается в стойкое химическое соединение (ТiO₂), не позволяя ему диффундировать внутрь поверхности. В результате чего понижается вероятность возникновения подслойной трещины.During the tempering process, the adsorbed oxygen binds to a stable chemical compound (TiO ₂ ), not allowing it to diffuse into the surface. As a result, the likelihood of a sublayer crack is reduced.

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают применение заявленного способа.The following examples confirm, but do not limit the application of the claimed method.

Оценка эффективности комплексного упрочнения проводилась на лопатках из титанового сплава ВТЗ-1, изготовленных в соответствии с ОСТ1 90002-86, минимальные радиусы кромок которых равнялись R_к=0,2-0,22 мм.Evaluation of the effectiveness of complex hardening was carried out on VTZ-1 titanium alloy blades manufactured in accordance with OST1 90002-86, the minimum edge radii of which were R _k = 0.2-0.22 mm.

В таблице приведены режимы пневмодробеструйной обработки (ПДО) и последующего отпуска лопаток.The table shows the modes of pneumatic shot blasting (PDO) and subsequent tempering of the blades.

На фиг.1 и 2 представлены результаты эксперимента, позволяющие оценить эффективность комплексного упрочнения.Figure 1 and 2 presents the results of the experiment, allowing to evaluate the effectiveness of complex hardening.

Эксперимент показал, что упрочнение на режимах 1 и 2 дает наибольший эффект по сравнению с менее интенсивными режимами. При изменении режимов в сторону увеличения их энергетических параметров (режимы 1.1 и 2.1) имеет место падение предела выносливости по сравнению с режимами 1 и 2 с 460-480 МПа до 430-440 МПа.The experiment showed that hardening in modes 1 and 2 gives the greatest effect compared to less intensive modes. When the modes change in the direction of increasing their energy parameters (modes 1.1 and 2.1), the endurance limit decreases compared to modes 1 and 2 from 460-480 MPa to 430-440 MPa.

Комплексное упрочнение (режимы 1.3 и 2.3) позволило получить наибольшие значения предела усталости 540 МПа, что соответствует остаточным напряжениям сжатия величиной 200-300 МПа и глубиной залегания 40-60 мкм.Complex hardening (modes 1.3 and 2.3) made it possible to obtain the highest values of the fatigue limit of 540 MPa, which corresponds to residual compressive stresses of 200-300 MPa and a depth of 40-60 μm.

Выбор режимов дробеструйного упрочнения осуществлялся с учетом последующего воздействия на параметры качества детали последующего отпуска с целью получения их наиболее рациональных значений для конкретных сечений радиусов кромок лопаток ГТД.The selection of shot peening modes was carried out taking into account the subsequent impact on the quality parameters of the details of subsequent tempering in order to obtain their most rational values for specific cross-sections of the radii of the edges of the GTE blades.

Режимы упрочнения корректируются в сторону снижения их энергетического уровня из-за склонности более высоких значений параметров качества релаксировать более интенсивно и, тем самым, снижать эффект упрочнения.Hardening modes are adjusted in the direction of lowering their energy level due to the tendency of higher values of quality parameters to relax more intensively and, thereby, reduce the effect of hardening.

При назначении температуры необходимо исходить из того, что она должна быть не ниже эксплуатационной и не превышать 450°С, т.к. выше этого значения эффект упрочнения исчезает (согласно режиму 1.4 повышение температуры отпуска до 450°С вызвало снижение предела усталости до 510 МПа).When assigning the temperature, it is necessary to proceed from the fact that it should be no lower than operational and not exceed 450 ° C, because above this value, the hardening effect disappears (according to regime 1.4, an increase in tempering temperature to 450 ° C caused a decrease in the fatigue limit to 510 MPa).

Claims (4)

1. Способ комплексного упрочнения деталей из титановых сплавов, включающий дробеструйную обработку с последующей термической обработкой, отличающийся тем, что дробеструйную обработку на обрабатываемом участке детали осуществляют со скоростью 30-70 м/с в течение 30-60 с, а в качестве термической обработки проводят отпуск в течение 3-6 ч при температуре не ниже эксплуатационной и не выше 450°С.1. The method of complex hardening of parts made of titanium alloys, including bead blasting followed by heat treatment, characterized in that the bead blasting on the treated area of the part is carried out at a speed of 30-70 m / s for 30-60 s, and as a heat treatment is carried out vacation for 3-6 hours at a temperature not lower than operational and not higher than 450 ° C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробеструйную обработку проводят стеклянными и/или металлическими микрошариками диаметром 50-400 мкм.2. The method according to claim 1, characterized in that the shot peening is carried out with glass and / or metal microspheres with a diameter of 50-400 microns. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что температура отпуска составляет 300-450°С.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the tempering temperature is 300-450 ° C. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора ГТД.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the parts of the GTE compressor are used as parts from titanium alloys.

Images