ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СТЕПЕНЬ УПРОЧНЕНИЯ И СТРУКТУРУ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

INFLUENCE OF THE MODES OF ULTRASONIC PROCESSING ON EXTENT OF HARDENING AND STRUCTURE OF TITANIC ALLOY

Natalya Volgina

candidate of Science, associate professor,

Moscow Polytechnical institute,

Russia, Moscow

Olga Kozyreva

engineer, graduate student Moscow Polytechnical institute,

Russia, Moscow

Svetlana Chlamkova

candidate of Science, associate professor, Moscow Polytechnical institute,

Russia, Moscow

Guzel Sharipzyanova

candidate of Science, associate professor, Moscow Polytechnical institute),

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Представлены исследования влияния режимов ультразвуковой обработки на степень упрочнения и структуру титанового сплава. Показано, что максимальная степень упрочнения (более, чем в 2 раза) была достигнута после обработки по режиму с амплитудой колебаний концентратора (a) =120 мкм.

ABSTRACT

Researches of influence of the modes of ultrasonic processing on a level of hardening and structure of titanium alloy are provided. It is shown that the maximum level of hardening (more, than twice) was reached after processing on the mode with a vibration amplitude of the hub (a) of =120 microns.

Ключевые слова: титан, термическая обработка, рельеф поверхности, твердость, упрочнение, наклеп, микроструктура, упрочняющая ультразвуковая обработка.

Keywords: the titan, heat treatment, surface relief, hardness, hardening, peening, microstructure, the strengthening ultrasonic processing.

Сплав Вт-9 применяется: для изготовления слитков, деталей, работающих при температурах до 500^оС, а также различных видов полуфабрикатов: листов, лент, фольги, полос, плит, прутков, профилей, трубных заготовок и труб, поковок и штампованных заготовок. В авиационном машиностроении применяется для изготовления деталей газотурбинных двигателей, в том числе и таких наиболее ответственных деталей, как лопатки компрессора [1; 6].

Лопатки компрессора работают при высоких циклических и динамических нагрузках в условиях аэродинамического нагрева из-за движения по их поверхности скоростных газовых потоков. Поэтому в числе требований, предъявляемых к таким изделиям, присутствуют высокое сопротивление малоцикловой усталости, коррозионной и контактной усталости, большая длительная прочность и т. д. [1].

Термическая обработка исходного прутка, применяемого для дальнейшего изготовления лопатки, не может передать лопаткам все вышеперечисленные свойства. Таким образом, встает вопрос о дополнительной упрочняющей обработке, способной обеспечить изделию все требуемые характеристики, и отработке соответствующего режима ее проведения.

На производстве, чаще всего в качестве подобной упрочняющей обработки используется метод ультразвукового поверхностного пластического деформирования – ультразвуковое упрочнение (УЗУ) [1]. Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УЗУ) – это вибрационное поверхностное пластическое деформирование (ППД) при ультразвуковой частоте.

Сущность УЗУ заключается в том, что обрабатываемая поверхность подвергается выглаживающему воздействию твердосплавного индентора, жестко связанного с концентратором ультразвукового преобразователя, который ударяет по поверхности с частотой 18–24 кГц и одновременно с этим вдавливается в поверхностный слой статической силой под постоянным давлением.

УЗУ может проводиться по различным режимам, при этом, в зависимости от выбранного режима изменяются микротвердость на обрабатываемой поверхности , степень наклепа, глубина измененного слоя, а следовательно, и получаемые прочностные характеристики [1–5].

Целью данной работы являлся сравнительный анализ характеристик прочностных свойств титанового сплава Вт9 после УЗУ, выполненного по различным режимам.

Материалом для исследования послужили три лопатки компрессора, выполненные из титанового сплава Вт9.

Технологический цикл производства лопаток включает в себя следующие операции:

• термообработку исходного прутка по режиму двойного отжига;
• штамповку;
• термообработку для снятия внутренних напряжений по режиму неполного отжига;
• механическую обработку;
• поверхностную упрочняющую обработку методом ультразвукового поверхностного пластического деформирования (ультразвуковое упрочнение (УЗУ)), с целью повышения механических свойств и ресурса.

Детали, прошедшие окончательную термическую обработку, имеют следующие механические свойства: s_в ³ 1200 МПа, s_0,2 ³ 1008 Мпа, d ³ 10 %, y ³ 35.

По окончанию механической обработки детали подвергают ультразвуковой упрочняющей обработке – УЗУ.

В настоящей работе готовые детали подвергали ультразвуковой упрочняющей обработке по двум режимам:

• режим упрочняющей обработки партии № 1: амплитуда колебаний концентратора (a) =120 мкм; время обработки (t) = 5 мин; диаметр шариков (d) = 1 мм;
• режим упрочняющей обработки партии № 2: амплитуда колебаний концентратора – (a) = 50 мкм; время обработки (t) = 5 мин; диаметр шариков (d) – 1 мм.

От каждой партии для определения изменения прочностных свойств по сравнению с исходным состоянием были отобраны по одному образцу-свидетелю.

Кроме того, в работе использовался один полированный образец в исходном состоянии, не подвергавшийся упрочняющей обработке.

В ходе исследования образцам – свидетелям лопаток были присвоены условные номера:

• лопатка № 1 – полирована войлочным кругом с абразивной пастой;
• лопатка № 2 – прошла УЗУ – обработку по режиму 1;
• лопатка № 3 – прошла УЗУ – обработку по режиму 2.

При внешнем осмотре поверхности образцов под бинокулярным микроскопом отмечается следующее:

• лопатка № 1: поверхность лопатки светлая, блестящая, имеет продольные сглаженные следы механической обработки (рисунок 1);
• лопатка № 2: поверхность лопатки светлая, блестящая. Характер рельефа обработанной поверхности грубый – в виде «апельсиновой корки», что является результатом воздействия рабочих тел в процессе ультразвукового упрочнения (рисунок 2);
• лопатка № 3: поверхность лопатки светлая, блестящая. Характер рельефа обработанной поверхности аналогичен рельефу лопатки № 2, но носит более сглаженный характер (рисунок 3).

а)                 б)

Рисунок 1. Внешний вид поверхности лопатки № 1: а) х40, б) х100

а)                 б)

Рисунок 2. Внешний вид поверхности лопатки № 2: а) х40, б) х100

а)                 б)

Рисунок 3. Внешний вид поверхности лопатки № 3: а) х40, б) х100

Микротвердость измерялась по методу Виккерса на поверхности и в сердцевине образцов. Результаты замера микротвёрдости, а также степени и глубины наклёпа приведены в таблице 1. Степень наклепа вычислялась по формуле:

_.

где:

HV_пов – микротвердость на поверхности (по Виккерсу);

HV_серд. – микротвердость в сердцевине.

Таблица 1.

Влияние режима обработки на прочностные характеристики исследованных образцов

Глубина наклепанного слоя определялась на оптическом микроскопе. За глубину наклепанного слоя принималось расстояние от поверхности до отпечатка индентора, соответствующего микротвердости сердцевины.

Как видно из таблицы, наибольшая степень упрочнения получена на образце № 2, прошедшем обработку по режиму 1. После обработки по режиму 2 степень упрочнения лопатки значительно ниже, но выше, чем у образца в исходном состоянии (рисунок 4).

Рисунок 4. Степень упрочнения лопаток после обработки по разным режимам: лоп. 1 – исходное состояние, лоп. 2 – режим 1 ((a) =120 мкм; время обработки (t) = 5 мин), лоп. 3 – режим 2 ((a) = 50 мкм; время обработки (t) = 5 мин)

Рисунок 5. Глубина наклепа в зависимости от режима обработки: лоп. 1 – исходное состояние, лоп. 2 – режим 1 ((a) =120 мкм; время обработки (t) = 5 мин), лоп. 3 – режим 2 ((a) = 50 мкм; время обработки (t) = 5 мин)

В случае обработке по режиму 1 при одинаковом времени обработки амплитуда колебаний концентратора в 2,4 раза выше, чем при обработке по режиму 2. Очевидно, что в этом случае и поверхность наклепывается лучше, чем при режиме 2. Соответственно, и глубина наклепа после первого режима обработки почти в полтора раза выше (рисунок 5).

Исследование поперечных микрошлифов на оптическом микроскопе показало, что микроструктура поверхностного слоя исследованных образцов не отличается друг от друга. Микроструктура основного металла образцов промежуточная, соответствует 6–7му типу 9-титипной шкалы микроструктур двухфазных титановых (α+β)-сплавов (рисунки 6–8) [7].

Дефектов металлургического характера в микроструктуре исследованных образцов не обнаружено.

а)                       б)

Рисунок 6. Микроструктура лопатки № 1, х500: а) поверхность, б) сердцевина

а)                       б)

Рисунок 7. Микроструктура лопатки под условным № 2, х500: а) поверхность, б) сердцевина

а)                       б)

Рисунок 8. Микроструктура лопатки под условным № 3, х500: а) поверхность, б) сердцевина

Выводы:

Результаты исследований влияния режимов ультразвуковой обработки на степень упрочнения и структуру титанового сплава показали:

1. Дефектов металлургического происхождения в исследованных образцах лопаток компрессора не обнаружено.
2. Максимальная степень упрочнения была достигнута при режиме упрочняющей обработки под номером 1: амплитуда колебаний концентратора (a) =120 мкм; время обработки (t) = 5 мин; диаметр шариков (d) = 1 мм.
3. Микротвердость на поверхности образцов, обработанных по первому режиму, также выше, в исходном состоянии и после обработки по второму режиму.
4. Сравнение исследованных режимов ультразвуковой обработки позволяет сделать вывод о том, что при исследованных параметрах режимов ультразвуковой обработки на характеристики прочности оказывает влияние только амплитуда колебаний концентратора: чем она выше, тем выше микротвердость, степень упрочнения и глубина наклепа.

Список литературы:

1. Аношкин Н.Ф., Бочвар Г.А., Ливанов В.А., Полькин И.С., Моисеев В.Н., Металлография титановых сплавов. – М.: «Металлургия» 1980 – 464 с.
2. Беккерт М., Клемм Х., Справочник по металлографическому травлению титановых сплавов. / – М.: «Металлургия», 1979 – 336 с.
3. ГОСТ 17746–79 «Титан Губчатый. Технические Условия».
4. ГОСТ 19807 – 91 «Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки».
5. ГОСТ 2999-75 «Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу».
6. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.: ил.
7. ПИ. 1.2.785 – 89 «Металлографический анализ титановых сплавов»: Отраслевая инструкция.