Введение к работе
Актуальность работы. Одна из важнейших проблем современного авиастроения - совершенствование технологии производства авиационных деталей, среди которых особую роль играют газотурбинные двигатели. Актуальность ее решения возрастает в связи с разработкой авиационной техники нового поколения, ростом силовой и тепловой напряженности всех деталей, включая ГТД, зубчатых колес, самых сложных в конструктивном и технологическом отношении элементов ГТД, а также несущих конструкций и многих других ответственных элементов. Важнейшим направлением повышения технических и эксплуатационных характеристик многих изделий авиакосмической и ракетной техники является увеличение срока службы и надежности ответственных нагруженных деталей и узлов при сохранении или улучшении предъявляемых к ним конкретных требований по трибологии, физико-механическим, теплофизическим и пр. специальным свойствам, а также требований к материалам, из которых они изготавливаются.
Применяемая на авиационных предприятиях технология химико-термической обработки, основанная на процессе газовой цементации в шахтных печах, несовершенна и требует разработки малодеформационных способов поверхностного упрочнения деталей. Одним из таких способов является азотирование, исследуемое в настоящей работе. Азотирование обеспечивает наиболее высокую твердость на поверхности, высокую теплостойкость, износостойкость, включая высокое сопротивление заеданию, и значительное снижение деформации деталей при этом процессе. Несовершенна и структура термического производства. ХТО выполняется в многоцикловом режиме, требующем многократного поступления деталей в термический цех, что приводит к разрыву технологического маршрута и удлинению процесса производства, например, вышеупомянутых зубчатых колес ГТД. Поэтому остается актуальной на авиационных предприятиях задача оценки эксплуатационных свойств деталей, возможности их повышения при использовании новых процессов или методов упрочнения.
В соответствии с мировой тенденцией на авиационных предприятиях проводятся работы по техническому переоснащению термического производства, предусматривающие применение вакуумного термического оборудования, в том числе для инновационных процессов ионного азотирования. Например, на заводе « Салют» впервые в России создан участок ионной и вакуумной химико-термической обработки, оснащенный импортными установками. Ионному азотированию как альтернативному процессу цементации подвергается широкая номенклатура деталей основного производства, такие как ведущие шестерни, обойма, ведомый и ведущий валы, валики, корончатые и венцовоые колеса, шлицевые втулки, валы КНД, сферы, поршни, сухари, цапфы, оси, пальцы и др.
Вместе с тем, технологии этих процессов должным образом не разработаны в связи с отсутствием закономерностей управления процессом азотирования при обработке углеродистых и сложнолегированных (например,
16ХЗНВФМБ) сталей, применяемых для изготовления ГТД. На сегодняшний день не разработаны технологии, позволяющие быстро и эффективно управлять процессом диффузионного насыщения и упрочнения азотируемых деталей. Не решены вопросы, связанные с экологией процессов химико-термической обработки, а также с выбросом вредных примесей в атмосферу. Остро стоит проблема водородного охрупчивания при азотировании деталей различного назначения. В связи с этим, настоящая работа, в которой исследуется процесс ионного азотирования и предлагаются методы резкого уменьшения хрупкости деталей ГТД, актуальна и приоритетна.
Следует отметить, что работы в области создания новых, регулируемых, ресурсосберегающих технологий упрочнения деталей авиационной и ракетной техники, одной из которых является представляемая работа, входят в перечень первоочередных задач современного авиационного материаловедения и технологии, поскольку от их решения в существенной мере зависит как прогресс в авиакосмической технике, двигателестроении и смежных областях промышленности в целом, так и получение ряда инновационных теоретико-прикладных разработок в области материаловедения
Задачи, решаемые в рамках данной работы, охватывают несколько разделов в перечнях «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ» и «Критические технологии РФ», утвержденных 21.05.2006 г. приказом Президента РФ (Пр-842, Пр-843).
Проводимые исследования в рамках данной работы в полной мере
соответствуют научным и научно-прикладным задачам, сформулированным в
Федеральной космической программе России на 2006 - 2015 гг. Ряд
исследований выполнен в рамках реализации Федеральной целевой программы
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 -
2013 годы (Государственные контракты № 14.740.11.0415 и № 02.740.11.0790),
а также при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных
исследований (код проекта № 08-08-00509-а). <
Цель работы^ исследование процессов газового и ионного азотирования для деталей авиационной техники, включая ГТД, а также возможности интенсификации этих процессов путем применения новых методов регулирования фазового состава, служебных характеристик авиационных деталей ГТД и устранения водородной хрупкости слоя, являющейся огромной проблемой прочности материалов и изделий из них.
Научная новизна
1) На основании большого экспериментального материала предложены научно-обоснованные технологические решения по выбору насыщающих сред с целью уменьшения хрупкости в сталях, используемых, в частности, для деталей ГТД.
-
Экспериментально изучено влияние состава насыщающей среды (аммиак, азот, аммиак + 80% азота), способа азотирования (газовое или ионное) и химического состава азотируемых сталей на степень их газонасыщенности.
-
Изучена кинетика образования диффузионного слоя легированных сталей, позволяющая определить степень наводораживания материалов, приводящая к хрупкому разрушению. Испытаниями на растяжение азотированных образцов показано, что при азотировании в газовой среде, в состав которой входит водород, происходит значительное наводораживание не только диффузионного слоя, но и сердцевины образцов, приводящее к охрупчиванию сталей, особенно легированных. При этом в азотированном слое установлена значительная пористость и трещины, кроме того, обнаружены дефекты в виде шелушения и сколов кромок. С повышением температуры азотирования хрупкость и пористость в слое увеличиваются.
-
Научно обоснованы и сформулированы принципы дополнительного вылеживания азотированных сталей с целью обезводороживания их, повышения сопротивления хрупкому разрушению и пластических свойств.
-
Обоснована целесообразность использования для азотирования деталей способов, при которых технологическая атмосфера циклически изменяется от высокой насыщающей способности до нуля. Установлено, что при этом важную роль играет развитая нитридная зона, которую не следует удалять шлифованием, что сокращает технологический цикл обработки.
Практическая значимость.
1) Практическое значение работы заключается в установлении влияния
водорода на структуру и свойства азотированного слоя. Проблема водородного
охрупчивания для азотируемых деталей узлов и агрегатов всегда остро стоит
перед термистами.
-
На основании экспериментальных данных впервые предложена технологическая операция обезводораживающего низкотемпературного отжига при 250-300С в течение 1,5-2,0 ч с целью повышения сопротивления материалов и азотируемых деталей хрупкому разрушению, снижению порога хладноломкости, повышению ударной вязкости и пластичности без снижения твердости азотированного слоя.
-
Предложен новый способ ионного азотирования, при котором технологическая атмосфера циклически изменяется от высокой насыщающей способности до нуля, что позволяет интенсифицировать процесс азотирования, получать большую толщину слоя при тех же прочностных характеристиках.
-
Экспериментально установлен новый технологический параметр -время циклов насыщения - позволяющий эффективно управлять процессом насыщения и технически просто регулировать фазовый состав и структуру поверхности азотируемых деталей авиационной техники.
Апробация работы.
Технология циклического ионного азотирования опробована на предприятии ФГУП «Завод «Топаз» для деталей спецназначения с повышенными требованиями по коррозионной стойкости и износостойкости. Предложенная технология опробована также в НПО «Плазма Поволжья», г. Саратов, для изготовления режущих инструментов в стоматологии и в учебно-научной лаборатории «Материаловедение и технология конструкционных материалов» при чтении курса лекций для специальностей 120700 и 190500, а также при разработке специального мелкоразмерного концевого инструмента для обработки костного ложа под установку внутрикостных имплантатов с плазменно-дуговыми биопокрытиями.
Результаты работы были доложены на XV и XVI Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Ярополец, 2010,2011 гг.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения и 4 глав на 163 страницах машинописного текста, выводов, списка литературы (124 источника). Диссертация содержит 8 таблиц, 51 рисунок.
