Спосіб гальмування зародження та розвитку тріщин втоми

1 Спосіб гальмування зародження та розвитку тріщин втоми, що виникають на поверхні металевої конструкції, що містить операцію зміни структури поверхневого шару матеріалу конст рукції, який відрізняється тим, що поверхню конструкції, що вже відробила частину свого ресурсу, піддають зміцнювальній обробці 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що як зміцнювальну обробку використовують іонне травлення поверхні до отримання залишкових стискувальних напружень 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що як зміцнювальну обробку використовують обробку поверхні плазмовим пучком до досягнення глибини, яка перевищує товщину пошкодженого шару матеріалу Пропонований винахід стосується засобів гальмування зародження та розвитку тріщин втоми у металевих конструкціях, зокрема, у компресорних лопатках газотурбінних двигунів Відомий спосіб гальмування розвитку тріщин втоми містить операцію зміни структури на шляху передбачуваного росту тріщин /А с СРСР № 1359548, МПК4 F 16 L 57/00, заявник - Інститут проблем МІЦНОСТІ АН УСРСР, Бюл №6 -1986 р / Недолік описаного способу - досить великі поверхня і глибина, які піддаються обробці Така обробка дозволяє суттєво зменшити швидкість розповсюдження тріщин, в тому числі і лавинних, але в той же час така обробка вносить значні пошкодження у металеву конструкцію, що суттєво послаблює її Найбільш близьким до пропонованого винаходу за технічною суттю є спосіб гальмування зародження та розвитку тріщин втоми, що виникають на поверхні металевої конструкції, що містить операцію зміни структури поверхневого шару матеріалу конструкції /Патент України № 38466, МПК 7 В23Н9/00, Опубл 15 05 2001 р, Бюл № 4/ ВІДПОВІДНО до описаного способу виконують локальну у вигляді острівців - зміну структури металевої конструкції шляхом и електроерозійної обробки Даний спосіб ефективний для гальмування зародження та розвитку тріщин втоми, що виникають на поверхні деталей при їх експлуатації в умовах малоциклового термомеханічного навантаження Основний недолік описаного способу полягає в тому, що в умовах багатоциклового навантаження локальна зміна структури матеріалу у вигляді острівців зумовлює також локальну концентрацію напружень, в яких з'являються тріщини втоми і починається процес руйнування В основу пропонованого винаходу поставлено задачу створення такого способу гальмування зародження та розвитку тріщин втоми, що виникають на поверхні металевої конструкції при и циклічному навантаженні, який би дозволив зменшити вірогідність передчасної появи локальних концентраторів напружень за рахунок створення під час обробки металевої конструкції, що вже відробила частину свого ресурсу, умов для виникнення стискуючих напружень у и поверхневих шарах Поставлена задача вирішується пропонованим винаходом, який, як і відомий спосіб гальмування розвитку тріщин втоми, що виникають на поверхні металевої конструкції при и циклічному навантаженні, містить операцію зміни структури поверхневого шару матеріалу конструкції, а, ВІДПОВІДНО до винаходу, поверхню конструкції, що вже відробила частину свого ресурсу, піддають зміцнювальній обробці Особливістю пропонованого способу є і те, що як зміцнювальну обробку використовують іонне травлення поверхні до отримання залишкових стискуючих напружень При цьому проводять не локальну (острівкову), як у прототипі, а суцільну зміцнювальну обробку - зміну структури всієї поверхні деталі з отриманням залишкових стискуючих напружень, наприклад, вакуум-плазмову обробку поверхні іонним травленням О ю СО 49350 Особливістю пропонованого способу є також і те, що як зміцнювальну обробку для зміни структури всієї поверхні деталі з отриманням залишкових стискуючих напружень використовують обробку поверхні плазмовим пучком Обробку виконують в атмосфері інертного газу до досягнення глибини, яка перевищує товщину пошкодженого шару матеріалу ВІДПОВІДНО ДО винаходу виконують обробку поверхні конструкції, що вже відробила частину свого ресурсу, тобто отримала частину пошкоджень поверхневих шарів матеріалу та появу тріщин втоми Обробка металевої конструкції пропонованим способом дозволяє "заліковувати" поверхневі мікродефекти та блокувати розвиток малих тріщин, що виникли на поверхні конструкції, яка працює в умовах циклічного навантаження при Н експлуатації і, тим самим, суттєво збільшити и ресурс Спосіб є технологічним і досить простим, оскільки для його використання досить зняту із експлуатації деталь на деякий час помістити, наприклад, у вакуумну камеру установки "ННВ-6,6 И 1" і здійснити обробку поверхні плазмовим пучком ІОНІВ Іонне травлення - сучасний спосіб обробки поверхні у вакуумі, який дозволяє "заліковувати" отримані при експлуатації пошкодження (мікродефекти) та блокувати стискуючими напруженнями розвиток малих (глибиною 0 1 - 0,3мм) тріщин втоми Даний спосіб ефективний для використання для невеликих деталей з невеликою глибиною пошкодження поверхні і які можна помістити у вакуумну камеру будь-якої традиційної установки, що має засоби для іонного травлення Для "заліковування" дефектів та малих тріщин (глибиною до 4мм) великогабаритних деталей, наприклад, валків прокатних станів, є метод обробки поверхні плазмовим пучком в середовищі інертного газу Такий спосіб ефективно дозволяє "заліковувати " макродефекти та малі (глибиною до 4мм) тріщини втоми Приклади Виготовляли лабораторні зразки у вигляді прямих паралелепипедів з розмірами 2х6х70мм із титанового сплаву ВТ1-0 Зразки випробували на циклічну втому на магнітострикційній машині "УМ20", виготовленій НІКІМП, з частотою ЮкГц Першу партію зразків випробовували на циклічну втому при амплітуді напружень ЗООМПа протягом Nf циклів до руйнування (Nf % 4х10 5 циклів) Другу партію зразків випробовували на циклічну втому при напруженнях теж ЗООМПа, але випробування припиняли при числі циклів N=0,5Nf =2x105 Після такого напрацювання (накопичень пошкоджень) зразки піддавали іонному травленню протягом 12 хвилин Далі зразки знову піддавали циклічному навантаженню при тій же амплітуді напружень, а випробування проводили до руйнування зразка При цьому сумарна циклічна ДОВГОВІЧНІСТЬ зразків складала в середньому 4,8х105 циклів навантаження Частину зразків з другої партії після циклічного навантаження до 0,5Nf =2х105 циклів, іонного травлення та повторного напрацювання до 0,5Nf =2,4х105 циклів знову піддавали іонному травленню і знову випробовували на циклічну втому до руйнування Сумарна ДОВГОВІЧНІСТЬ при цьому ся гала 5,2x10 циклів навантаження Проведені експериментальні дослідження показали, що перша вакуумплазмова обробка зразків, що напрацювали половину визначеного ресурсу при циклічному навантаженні, подовжує їх циклічну ДОВГОВІЧНІСТЬ на 25%, а зразків після наступного напрацювання і повторного іонного травлення - на 30% Таким чином, в результаті досліджень встановлено, що розроблений метод гальмування зародження та розвитку тріщин втоми можна застосовувати повторно після певного напрацювання деталей в умовах експлуатації Аналогічно проводили досліди на зразках із сталі Х18Н10Т Результати підтвердили ефективність способу Експериментальні дослідження впливу плазмової обробки поверхні зразків в середовищі інертного газу на їх циклічну ДОВГОВІЧНІСТЬ ПІСЛЯ певного попереднього напрацювання проводили на сталі 25X1М1Ф Були виготовлені лабораторні зразки 025мм і довжиною робочої частини 75мм Першу партію лабораторних зразків випробовували на малоциклову втому в умовах осьового віднульового розтягу на машині ИС 500-4 при амплітуді напруженні 420МПа Зразки руйнувались при циклічному навантаженні в середньому при 2200 циклів Другу партію зразків після напрацювання до 0,7Nf=1540 циклів знімали з випробувань і проводили поверхневу обробку плазменним пучком в атмосфері аргона на експериментальній ДОСЛІДНІЙ установці при швидкості обертання зразка 5об/хв Як показали попередні вимірювання макротвердості по поперечному перерізі зразка поверхнева обробка сягала глибини % 5мм Далі зразки знову підлягали циклічному навантаженню при тій же амплітуді напруг і випробування проводили до руйнування зразка При цьому сумарна циклічна ДОВГОВІЧНІСТЬ зразків сягала в середньому 3800 циклів навантаження Частину зразків з другої парти після циклічного навантаження до 0,7Nf =1540 циклів, плазмвої обробки та повторного напрацювання до 0,7Nf =2660 циклів знову піддавали плазмовій обробці і знову випробовували на циклічну втому до руйнування Сумарна ДОВГОВІЧНІСТЬ при цьому сягала 4600 циклів навантаження Проведені експериментальні дослідження показали, що циклічне напрацювання зразків до 0,7 визначеного ресурсу після першої плазмової обробки подовжує їх циклічну ДОВГОВІЧНІСТЬ на 72%, а після послідуючого напрацювання і повторної плазмової обробки - на 109% Таке підвищення циклічної ДОВГОВІЧНОСТІ досліджуваної сталі пов'язано з термічною обробкою поверхні зразка при її плазмовій обробці Таким чином, в результаті досліджень встановлено, що розроблений метод гальмування зародження та розвитку тріщин втоми можна застосовувати для крупно габаритних деталей, так як при цьому зміна структури матеріалу здійснюється на достатньо велику (до 5мм) глибину Повторна обробка поверхні після певного напрацювання деталей в умовах експлуатації також суттєво підвищує циклічну ДОВГОВІЧНІСТЬ зразків Аналогічні досліди проводили на зразках із сталі 34ХН1М Результати підтвердили ефективність способу 49350 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71