Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Разработка процесса лазерного термопластического упрочнения деталей из жаропрочных сплавов

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1 -й Международной научно-технической конференции, СГАУ (Самара 1999г) — на международной молодежной конференции XXV Гагаринские чтения (Москва 1999г) — на III Всероссийской научно-практической конференции, Приволжский 8 дом знаний (Пенза 2000г) — на IV Всероссийской научно-практической конференции, Приволжский дом знаний (Пенза 2001 г… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Виды упрочняющей обработки жаропрочных конструкционных сплавов
    • 1. 1. Влияние качества поверхности изделий на усталостную прочность
    • 1. 2. Общие вопросы регулирования остаточных напряжений
    • 1. 3. Термопластический способ упрочнения жаропрочных сплавов
    • 1. 4. Лазерная обработка материалов. Применение лазерного нагрева при упрочнении

Разработка процесса лазерного термопластического упрочнения деталей из жаропрочных сплавов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

Для современного авиамоторостроения характерны высокие требования к эксплуатационной надежности двигателей и ресурсу их работы. В связи с этим возрастает актуальность проблемы повышения надежности и прочности ответственных деталей и узлов, которые длительное время работают в условиях циклических нагрузок и повышенных температур. В настоящее время она решается путем создания новых современных конструкций, применения материалов с повышенными физико-механическими характеристиками [1,2,3], а также широкого применения в производстве прогрессивных финишных методов обработки, среди которых особая роль отводится методам упрочняющей технологии, основанным на поверхностном пластическом деформировании. Большое распространение получили такие 4 методы поверхностного упрочнения, как обдувка микрошариками, пневмо — и гидродробеструйная обработки, алмазное выглаживание и т. д. При ППД наводятся благоприятные остаточные напряжения сжатия уровня равного пределу текучести упрочняемого материала и даже выше. Одновременно возникает наклеп, степень которого может достигать 50−70% и более. Эксплуатация деталей, которые работают в горячих условиях, показала, что ППД не только повышает предел выносливости и циклическую прочность, но даже ее снижает. Причина снижения заключается в негативном влиянии наклепа. Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние, нагрев содействует снятию искажений решетки тем интенсивнее, чем больше наклеп и выше температура, возникает так называемый «возврат». Поэтому использование методов поверхностного пластического деформирования для деталей, работающих при повышенных температурах, имеет свои ограничения. Это относится в к таким сложным и тяжелонагруженным деталям авиадвигателей, как лопатки турбины. Наиболее оптимальными для них являются методы упрочнения, которые обеспечивают в 6 поверхностном слое благоприятные остаточные сжимающие напряжения при минимальной степени деформационного упрочнения [4,5].

В последние годы для повышения надежности и прочности ответственных деталей, которые длительное время работают в условиях циклических нагрузок и повышенных температур, начали использовать метод термопластического упрочнения (ТПУ), разработанный профессором Б. А. Кравченко. Большой вклад в развитие ТПУ внесли Д. Д. Папшев, Э. К. Салугин, Н. М. Гутман, В. И. Иващенко, К. В. Прокопович, В. В. Горелов, Г. Н. Костина, а в развитие процесса лазерной обработки А. Г. Григорьянц, Н. Н. Рыкалин,.

B.С.Коваленко, В. А. Леонтьев, Д. И. Кондратюк, В. С. Клыков, Г. С. Рябов,.

C.В.Каюков и другие отечественные и зарубежные ученые.

При термопластическом упрочнении наводятся благоприятные сжимающие остаточные напряжения при практически отсутствующем наклепе. В ноябре 2001 года в Самаре прошла Всероссийская конференция, посвященная применению метода ТПУ в двигателях газоперекачивающих станций. Было принято решение о внедрении ТПУ вместо ППД. Уместно заметить, что при этом методе идет дополнительное самоупрочнение деталей. Например, лопатки газовой турбины после ТПУ имели предел выносливости 260 МПа, а после наработки в составе изделия 10 000 часов предел выносливости увеличился до 420−440МПа на базе 2−10 циклов. Аналогично для ППД он снизился с 240 до 90МПа. Для упрочнения дисков, дефлекторов газовой турбины разработаны системы предварительного нагрева токами высокой частоты, газовым пламенем. Однако имеются детали, у которых переходы труднодоступны (захваты дефлекторов). В связи с этим, учитывая мобильность лазерного нагрева, была поставлена задача — использовать лазер для нагрева труднодоступных мест.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния лазерного нагрева и охлаждения воздухом на формирование остаточных напряжений в поверхностном слое образцов из сплава ЭИ698 (ХН73МБТЮ). Она также 7 включает экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи при охлаждении различными средами и теоретико-экспериментальный анализ напряженного состояния после упрочнения.

Цель работы. Теоретическая и опытная разработка способа ТПУ на базе нагрева упрочняемого участка детали из сплава ЭИ698 с помощью лазера при одновременном охлаждении сжатым воздухом.

Научная новизна работы. Впервые определены технологические параметры нагрева и охлаждения для процесса термопластического упрочнения с помощью энергии лазера, что принципиально важно для упрочнения труднодоступных локальных зон деталей газовых турбин.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при внедрении лазерного термопластического упрочнения в производство, например, для локального упрочнения дефлекторов, дисков турбин, а также лопаток газотурбинных двигателей (места крепления) в авиамоторостроении и при ремонте газоперекачивающих станций ОАО «Газпром».

На защиту выносятся следующие положения:

— принципиальное решение возможности ЛТПУ в труднодоступных местах деталей (дисков турбин, дефлекторов);

— разработка и создание соответствующей установки;

— исследование возможности использования воздуха для охлаждения при новом способе;

— результаты аналитических расчетов лазерного термопластического упрочнения (ЛТПУ).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1 -й Международной научно-технической конференции, СГАУ (Самара 1999г) — на международной молодежной конференции XXV Гагаринские чтения (Москва 1999г) — на III Всероссийской научно-практической конференции, Приволжский 8 дом знаний (Пенза 2000г) — на IV Всероссийской научно-практической конференции, Приволжский дом знаний (Пенза 2001 г). В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на объединенном заседании кафедр «Технология машиностроения», «Автоматизация технологических процессов в машиностроении», «Автоматизированных станочных комплексов», «Инструментальные системы автоматизированного производства».

Публикации. По содержанию диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, включая 14 таблиц, 73 рисунка, и состоит из введения, трех разделов, выводов, списка литературы 105 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Анализ литературных данных показал, что в процессе эксплуатации газотурбинных двигателей в местах захватов (дефлектора дисков турбин) появляются дефекты усталостного характера, вызванные как длительными силовыми и температурными нагрузками, так и большими напряжениями, возникающими по причине малых переходов (концентраторы напряжений). Повышение усталостных характеристик достигается методами упрочняющей технологии. Особенно эффективным методом для деталей, работающих при высоких температурах, является метод термопластического упрочнения.

2. Впервые для упрочнения труднодоступных мест предложено использовать лазерный нагрев. Проведенные комплексные исследования позволили разработать технологию лазерного упрочнения.

3. Проведено теоретическое исследование температурных полей при лазерном нагреве образцов из жаропрочного сплава ЭИ698. Показано, что для этих целей можно использовать теоретический подход, разработанный Н. Н. Рыкалиным для нагрева пламенем горелки.

4. Для расчета остаточных напряжений необходимо иметь данные о распределении температурных полей в процессе охлаждения газовыми средами. С этой целью были проведены специальные исследования по определению коэффициента теплоотдачи в зависимости от технологических.

146 параметров охлаждения (исходная температура нагрева, давление воздуха, расстояние до охлаждаемой поверхности, разность температур образца и сжатого воздуха).

5. Расчет остаточных напряжений был проведен также с использованием программы ANSYS. Получены результаты, сопоставимые с результатами расчета по методу Н. Н. Рыкалина.

6. Экспериментально определены остаточные напряжения в образцах, упрочненных на различных режимах. Показано, что аналитические расчеты, а также метод конечных элементов дают удовлетворительное совпадение с остаточными напряжениями, найденными опытным путем.

7. Показано, что для процесса ЛТПУ можно использовать в качестве охлаждающей среды воздух или его смесь с парами жидкого азота, что значительно расширяет технологичность процесса.

8. Усталостные испытания образцов из сплава ЭИ698 показали, что лазерное термопластическое упрочнение приводит к увеличению предела выносливости по сравнению с неупрочненным материалом (на базе N=5−106 циклов) с 410МПа до 480МПа, что составляет 17%.

9. Проведенные исследования показали возможность использования ЛТПУ как технологического инструмента, позволяющего навести сжимающие остаточные напряжения практически без наклепа, что имеет немаловажное значение для деталей, работающих в условиях высоких температур.

Показать весь текст

Список литературы

  1. М.А., Судаков B.C. Структура и свойства никелевых деформируемых сплавов сплавов для газовых турбин. Металловед, и терм, обраб. мет.- 1994. — № 12. — с.16−20
  2. CM247LC (Направленно- закристаллизованный никелевый сплав для лопаток турбин) CM247LC (directionally solidified nickel-base turbine blade alloy) // Alloy Dig.- 1992. -Oct. c. 3−4.
  3. И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1962. — 260 с.
  4. A.M., Евстигнеев М. И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974. — 255 с.
  5. А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев: Техника, 1971. — 144 с.
  6. М.А., Туровский М. Л. Технология поверхностного наклепа высоконагруженных деталей. В сб.: Повышение прочности и148долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием (НИИ ИНФОРМТЯЖМАШ). М.: 1970, № 12, с. 2 7.
  7. Г. Влияние остаточных напряжений на предел выносливости. -В сб.: Усталость металлов. М., 1961, с. 352 368.
  8. C.JI. Методы регулирования глубины поверхностного слоя и остаточных технологических напряжений с целью повышения надежности изделия. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1963, № 12, с. 210−220.
  9. JI.B., Гембара В. М. Расчет параметров локального нагрева пластин с целью создания остаточных сжимающих напряжений в заданных областях. ISSN 0556−17IX. Проблемы прочности.1994.№ 11., с.55−58.
  10. И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. М.: Машгиз, 1951.-27 8с.
  11. В.А., Лопатенко А. П., Макаренко Н. Б., Ободан Н. И. Создание объемных остаточных напряжений в лопатках ГТД. ISSN 0556−171Х. Проблемы прочности. 1993. № 2., с.58−63.
  12. И.В. О влиянии остаточных напряжений на усталостную прочность стали. В кн.: Повышение прочности элементов конструкций и деталей машин. М., Машгиз, 1959. — 98 с.
  13. Н.И., Пацюк А. Г., Лопатенко А. П. Повышение усталостной прочности конструкций с помощью локального лазерного нагрева ISSN 0556−171Х. Проблемы прочности. 1995. № 4., с. Ю-16.
  14. Д.Д. Влияние остаточных напряжений на динамическую прочность стальных втулок. Станки и инструмент, 1960, № 4, с. 31 — 32.
  15. Д.Д. Увеличение долговечности деталей формированием остаточных напряжений при упрочняющем обкатывании. Вестник машиностроения, 1966, № 12, с. 19 — 22.
  16. Д.Д. Упрочнение деталей обкаткой шариками. М.: Машиностроение, 1968, — 132 с.149
  17. Ю.Г. Распределение остаточных напряжений при дорновании деталей. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1961, № 2, с. 119 — 137.
  18. Reed, Viens. The influence of Surface residual strees on falique limit of titanium «Transaction ASME ser. B-Enginering for industry» — II, 1960.
  19. M.A. Упрочнение деталей машин. M.: Машиностроение, 1968. -196 с.
  20. И.В., Саверин М. М., Рябченков А. В. Методы поверхностного упрочнения деталей машин. М.: Машгиз, 1949. — 222 с.
  21. И.В. Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного наклепа. М.: Машиностроение, 1965. — 212 с.
  22. И.В. Экспериментальные исследования конструкционной прочности машиностроительных материалов и деталей машин. М.: Машиностроение, 1967. — 259 с.
  23. И.В. Повышение прочности и долговечности деталей машин. -М.: Машиностроение, 1969. 196 с.
  24. М.М. Дробеструйный наклеп. Теоретические основы и практика применения. М.: Машгиз, 1955. — 312 с.
  25. С.В. Механическая обработка поверхности и прочность деталей машин. В кн.: Прогрессивная технология машиностроения. М. — JI., Машгиз, 1962, ч.2,240 с.
  26. JI.B., Емельянов В. Н. Накатывание галтелей коленчатых валов с учетом коробления. М.: НИИ Информтяжмаш, 1970, с. 14−19.
  27. Л.М., Шахов В. И. Технология и приспособления для упрочнения и отделки деталей накатыванием. М.: Машиностроение, 1964, -184 с.•ЗЗ.Шнейдер Ю. Г. Холодная безштамповая обработка металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1967. 352 с.
  28. L. Matteoli, В. Andreini Mettallurgia (ital), 45,9,1953.
  29. С.И., Анисимова Н. В. Влияние наклепа на выносливость титанового сплава ВТЗ-1. В сб.: Статическая прочность и выносливость конструкционных сплавов при повышенных температурах. М., Оборонгиз, 1961, с. 54−57.
  30. .А. Технологические остаточные напряжения и их влияние на эксплуатационные свойства деталей из жаропрочных и титановых сплавов. Дисс. на соиск. учен, степени докт. техн. Наук / Куйбышев, 1972, -345 с.
  31. .А., Круцило В. Г., Гутман Г. Н. Термопластическое упрочнение резерв повышения прочности и надежности деталей машин. Научное издание. Самарский государственный технический университет. Самара. 2000,-215с.151
  32. Н.Д., Цейтлин В. И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. — 214 с.
  33. А.В., Сулима A.M., Евстигнеев М. И., Серебренников Г. З. Технологические остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1973. -216 с.
  34. Н.П., Богданов В. Н. Сварка металлов при высокочастотном нагреве. Машгиз, 1962.
  35. .А., Салугин Э. К. Формирование остаточных напряжений при нагреве токами высокой частоты с одновременным и последующим охлаждением. Тр. КуАИ, 1970, Вып 43, с 27 — 27.
  36. .А. Повышение выносливости лопаток газовых турбин методом термоупрочнения. В. кн.: Тезисы докладов 2-й научно-технической конференции: Конструкционная прочность двигателей. Куйбышев, 1972, с. 17−18.
  37. А.с. 191 601 (СССР). Способ повышения циклической прочности деталей машин / Авт. изобрет. Б. А. Кравченко.
  38. А.С. 601 961 (СССР). Способ повышения сопротивляемости усталостному разрушению охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей / Авт. изобрет. Б. А. Кравченко, Н. Г. Трофимов, К. А. Жуков, Б. И. Крамаровский, А. Е. Вишняков, Г. Н. Костина.
  39. Т.Н., Батрин JI.E. Нагрев с последующим резким охлаждением как метод увеличение долговечности деталей машин. В сб.: Механика. Прочность материалов и деталей машин. Куйбышев, 1974, с. 35 -37.
  40. Технологические остаточные напряжения. Под ред. А. В. Поздея. М.: Машиностроение, 1973, — 216 с. 53.фридман Я. Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение, 1974, 4.2.-472 с.
  41. Г. Н. Определение остаточных напряжений в пластине после нагрева с последующим охлаждением. В сб.: Механика. Куйбышев, 1975, с. 133 -136.
  42. Г. Н. Повышение сопротивляемости усталостному разрушению сплава ЖС6У. В сб.: Механика. Куйбышев, 1976, с. 73 — 74. (Куйбышевский политехи, ин-т. Сб. науч. тр.- вып.9).
  43. JI.B. Знакомьтесь лазеры. -М.: Радио и связь, 1988. -192с.: ил.
  44. Упрочнение деталей лучом лазера / Коваленко B.C., Головко Л. Ф., Меркулов Г. В.- Под общ.ред. Коваленко B.C.- К.: Техшка, 1981.-131с., ил.
  45. Ю.В., Исаков В.В, Прокопинская С. Г., Масленкова Е. А. Структурные изменения и особенности трещинообразования в жаропрочных никелевых сплавах после лазерного облучения. Металловед, и терм, обраб. мет. 1995,-№ 1-с.29−32.
  46. Лазерная технология. -М.: Знание, 1983. -64с.- (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Техника" — № 3)
  47. А.А., Гладуш Г. Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергоатомиздат, 1985.-208 с.
  48. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов -Справочник/ Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, И. Б. Зуев и др. -М.: Машиностроение, 1985.-496с.
  49. П .Я., Детлаф В. М. Справочник по физике. М.: Наука, 1979,944 с.
  50. М., Волъф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973.-720 с.
  51. А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989.-320 с.
  52. B.C. Лазерная технология. Киев: Высш. школа, 1989.-290 с.
  53. B.C. Термическая обработка стали и сплавов с применением лазерного луча и прочих прогрессивных видов нагрева. В сб.: Итоги науки и техники. Сер. Металловедение и термическая обработка. М.:ВИНИТИ, 1987, т.21, с.144−206.
  54. А.В. Оптические свойства металлов. М.: Физматгиз, 1961 .-464 с.
  55. Качанов М. И, Лифшиц И. М., Танатаров П. В. Релаксация между электронами и решеткой. Журнал экспериментальной и теоретической физики, т.956, т.31, Вып.2(8), с.232−237.
  56. Действие излучения большой мощности на металлы / Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В, — М.: Наука, 1970.-272 с.
  57. О.В. Курс высшей математики. М.:Высш.шк., 1991.-448 с.
  58. Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.-488 с.
  59. Н.Н., Углов А. А., Кокора А. Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975.-296 с.
  60. .С. Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера. Киев: Техника, 1998 .-192 с. 76. .Коваленко B.C. Обработка материалов импульсным излучением лазеров. Киев: Высшая школа, 1977. -144 с.
  61. Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1952.-296 с.
  62. B.C. Прогрессивные методы лазерной обработки материалов. Киев: Высшая школа, 1985, — 88с.
  63. Структура, сформированная лазерной термической обработкой в жаропрочных никелевых сплавах и ее устойчивость при последующем старении/ А. А. Никитина, Н. Т. Травина, Д. В. Штанский / Материаловедение и термическая обработка материалов, 1990, N7, с.39−42.
  64. В.Н., Рыжков Ф. Н., Позвонков А. Ф. Структура и свойства жаропрочных никелевых сплавов и плазменных покрытий после лазерной обработки. Материаловедение и термическая обраб. матер., 1990, N7, с. З6−39.
  65. П.А., Хан М.Г., Чеканова Н. Т. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1986, — 141с.
  66. Г. Н. Исследование и разработка метода повышения эксплуатационных характеристик деталей ГТД.- Дисс.канд. техн. наук. -Куйбышев, 1972.- 345л. ДСП.
  67. И.Б. Технологическое обеспечение работоспособности деталей газотурбинных двигателей с концентраторами методами поверхностного упрочнения. Дисс.канд. техн. наук. Куйбышев, 1984. -216л. ДСП
  68. А.Н. Разработка и исследование процесса термопластического упрочнения лопаток ГТД с покрытиями. Дисс.канд. техн. наук, — Самара, 1992, — 195л. ДСП.
  69. .А. Теория формирования поверхностного слоя деталей машин при механической обработке: Учеб. пособие.- Куйбышев- КптИ, 1981,90с.
  70. А.В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1967, 600с.
  71. А.Н. Модель процесса лазерного термопластического упрочнения. Математическое моделирование и краевые задачи: Труды одиннадцатой межвузовской конференции. 4−1. СамГТУ. Самара, 2001. cl 12−114.
  72. .А., Кравченко А. Б., Самарин Ю. П. Определение коэффициента теплоотдачи. Вестник Самарского технического университета. Серия ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, 1994, № 1, с 99 — 104.
  73. Г. М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954, 408 с.
  74. .А., Папшев Д. Д. Повышение выносливости и надежности деталей машин и механизмов. Куйб. книж. изд. 1966, 222 с.
  75. .А. Силы, остаточные напряжения и трение при резании металлов. Куйб. книж. изд. 1962.
  76. А.Н. Применение метода термопластического упрочнения для жаропрочных сплавов, — Труды 1-й Международной научно-технической конференции, СГАУ, 1999. С72−77.
  77. А.Н. Использование лазерного излучения в процессе ТПУ,-Перспективные материалы, технологии, конструкции: Сб. науч.тр./Под ред. В.В. Стацуры- ГАЦМиЗ. Красноярск. 1999. Вып.5, с259−261.
  78. А.В., Белявский А. К., Димитренко JI.H., Зеленская М. А. Восстановление деталей ГТД с использованием лазерного излучения. Авиационная промышленность № 3.1999., с.45−52.
  79. Обработка стали лучом лазера. Кокора А. Н., Жуков А. А., Шалашов В. А. и др. «Металловедение и термическая обработка металлов», 1966, N2, с.41−42.
  80. Структура и твердость поверхностных слоев после обработки лучом лазера. Белянин В. А., Жуков А. А., Кокора А. Н. и др.- «Физика и химия обработки материалов», 1967, N2, с. 115−116.
  81. Джон Реди. Промышленные применения лазеров. Пер. с англ., Издательство «Мир», Москва. 1981. 683с.
  82. Д.И., Клыкова B.C. Волоконно-оптическая система транспортировки лазерного излучения для обработки материалов, Р.Ж.23 «Квантовая электроника», 1999, № 7,7Д184.
  83. Г. С., Торопкин Г. Н., Усольцев И. Ф. Приборы квантовой электроники. Под ред. М. Ф. Стельмаха. М., «Сов. радио», 1976, 312с.
  84. С.В., Малыхин А. Н. Упрочнение тонких деталей из сплава ЭИ698 и использованием лазерного излучения. Вестник Самарского Государственного Технического Университета. Серия Технические Науки Научный журнал. № 11 2001. с 142 144.
  85. А.Н. Определение коэффициента теплоотдачи для сплава ЭИ698(ХН73МБТЮ). Тезисы докладов международной молодежной конференции XXV Гагаринские чтения, т.1. 1999. с220.
  86. А.Н. Упрочнение труднодоступных мест при ТПУ. Тезисы докладов международной молодежной конференции XXV Гагаринские чтения, т.2. 1999. с948.
  87. А.Н. Применение лазерного излучения при упрочнении.-Современные технологии в машиностроении. Сборник материалов III всероссийской научно-практической конференции. ч.1: Передовые промышленные технологии. Пенза. 2000. с75.
  88. А.Н. Применение лазера в качестве источника нагрева для ТПУ.- Труды молодежного научного общества, СамГТУ, Самара.1999.с108−115.
Заполнить форму текущей работой