Совершенствование технологического процесса изготовления деталей ГТД из титанового сплава с применением технологии лазерной ударной обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ширяев Алексей Александрович

• Ширяев Алексей Александрович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Ширяев Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

1.1 Дробеструйная обработка

1.2 Гидродробеструйная обработка

1.3 Малопластичное выглаживание

1.4 Лазерная ударная обработка

1.5 Сравнительная оценка применимости методов поверхностного упрочнения по критериям качества поверхности и эксплуатационным характеристикам

1.6 Основы технологического процесса лазерной ударной обработки

1.6.1 Описание процесса ЛУО

1.6.2 Физические основы процесса ЛУО

1.6.3 Влияние ЛУО на эксплуатационные характеристики деталей ГТД

1.6.4 Экспериментальные исследования процесса ЛУО

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЕ

2.1 Материалы и методика изготовления образцов для исследований

2.2 Установка для лазерной ударной обработки и её составляющие

2.3 Металлографический анализ

2.4 Контроль шероховатости

2.5 Испытания на усталость лопаток и образцов лопаток

2.6 Определение уровня остаточных напряжений

2.7 Выбор материала защитного слоя

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

3.1 Анализ профилей ОН

3.2 Исследования шероховатости и степени наклепа

3.3 Измерения геометрических размеров и деформаций

3.4 Планирование полнофакторного эксперимента

Результаты исследования влияния плотности мощности, количества проходов и перекрытия при ЛУО на глубину ОН

3.5 Зависимости уровня, глубины ОН, шероховатости, деформации от параметров ЛУО

3.6 Микроструктурные исследования

3.7 Обработка концентраторов напряжений (радиусы и отверстия)

Выводы по главе

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1 Взаимодействие лазерного излучения с твердыми телами

4.2 Модель процесса ЛУО

4.3 Моделирование процесса ЛУО в кромке пера лопатки компрессора

4.4 Анализ ОН, возникающих в результате ЛУО при различных параметрах

лазерного излучения и стратегиях обработки

Выводы к главе

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Методика выбора режимов лазерной ударной обработки авиационных материалов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологического процесса изготовления деталей ГТД из титанового сплава с применением технологии лазерной ударной обработки»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Создание перспективного газотурбинного двигателя (ГТД) - комплексный процесс, основанный компиляции последних достижений во многих отраслях науки и техники. Первым по значимости требованием, предъявляемым к перспективному ГТД, является снижение стоимости жизненного цикла и сроков его создания, что требует разработки и внедрения критических технологий, приводящих к повышению параметров цикла для улучшения тягово-экономических и габаритно-массовых характеристик двигателей [22, 34].

Существует потребность в увеличении производства количества отечественных самолётов и замены иностранных бортов. Это в свою очередь требует увеличения производства ГТД. При работе авиадвигателя его эксплуатационные характеристики в значительной мере обеспечиваются рабочими лопатки и роторными деталям.

Лопатки в процессе эксплуатации подвержены циклическим (мало- и многоцикловой усталости), тепловым нагрузкам, а также склонны к получению повреждений от попаданий посторонних предметов (лёд, песок, птицы, мусор на взлётно-посадочной полосе и пр.) (рисунок 1.1) [21].

а б

Рисунок 1.1. Причины повреждения лопаток и проточной части авиадвигателя: а) мусор на взлётно-посадочной полосе (показан воздушный «жгут» при малом

газе); б) песок, вода при посадке

Повреждения в проточной части ГТД (рисунок 1.2) выражаются в появлении

забоин на входных кромках лопаток, деформациях кромок, обрывам, отгибам

периферийных частей (рисунки 1.3 и 1.4). Повреждение лопаток приводит к преждевременному выводу двигателя из эксплуатации с целью замены поврежденных лопаток или зачистки повреждений [20, 36].

Забоины являются наиболее опасным повреждением кромки пера лопатки, поскольку являются концентратором напряжений и приводят к резкому (до 2 раз) снижению предела выносливости лопатки.

Рисунок 1.2. Газогенератор ГТД

Забоина Вмятина Отгиб

Рисунок 1.3. Виды повреждений кромок, концевых частей и их характеристики.

Обозначения для забоины и вмятины: а) длина; б) глубина; в) расстояние от торца до середины повреждения.

Обозначения для отгиба: а) величина отогнутой части по входной кромке; б) отклонение ширины лопатки; в) величина отогнутой части по периферийной части

Рисунок 1.4. Примеры повреждений кромок: а) забоины; б) вмятины

Для увеличения предела выносливости лопаток ГТД применяют различные методы поверхностной упрочняющей обработки: малопластичное выглаживание, дробе- и гидродробеструйное упрочнение, обработку на основе ультразвука, метод лазерного удара, применение электронных/ионных пучков энергии [2, 9, 28, 33, 37, 43, 57-59, 64, 66-67, 85, 200-201].

В авиадвигателестроительной отрасли наибольшее распространение получил метод гидродробеструйной обработки. Его применение позволяет повысить до 19 % предел выносливости лопатки и добиться эпюры сжимающих остаточных напряжений (ОН) на глубину до 0,2 мм [11-12]. Однако, глубина средней забоины составляет ~ 0,3 мм, что превышает глубину сжимающих ОН при применении серийных методов упрочнения. Стоит учесть, что глубина забоины может составлять до 1 мм.

Одним из методов, который позволит добиться большей глубины сжимающих ОН является лазерная ударная обработка [18-19, 31, 63, 70-72,75].

Степень разработанности темы.

Важнейший вклад в технологию повышения ресурса и надежности элементов авиационных двигателей внесли: А.Н. Петухов, В.В. Панасюк, В.П. Когаев, А.М. Сулима и др.

В разработку и развитие методов поверхностного пластического деформирования (ППД) применительно к авиационным двигателям большой вклад

внесли В.А. Горохов, В.Н. Ткачев, В.Ф. Макаров, Д.Д. Папшев, А.М. Сулима, Б.П. Рыковский и др.

Первыми работами, направленными на изучение технологии ЛУО и сферы её применения, были работы, проведенные в 60-х и 70-х гг. в СССР (Г.А. Аскарян, Е.М. Морозов, В.Б. Брагинский, Ю.В. Афанасьева) и в США (C.H. Skeen, N.C. Anderholm, F. Neuman, D.W. Gregg и S.J. Thomas).

Внедрение упрочняющей обработки методом лазерного удара в серийное производство деталей ГТД в США началось с 2010-х гг. и было обусловлено положительными результатами на элементарных образцах из материалов авиационного назначения.

В данный момент учёные и инженеры как в России (О.А. Плехов, А.Ю. Изюмова, М.А. Ляховецкий, Ю. А. Ножницкий), так и за рубежом (R. Sundar, N. Maharjan, X. Pan, R. Fabbro и другие), занимаются разработкой математической модели процесса ЛУО и исследованиями влияния параметров ЛУО на физико-механические свойства, сопротивление усталости и коррозии материалов для последующего внедрения ЛУО в промышленность.

В России применение ЛУО осуществляется только в исследовательских целях, что обусловлено отсутствием отечественного оборудования для ЛУО, а также комплектующих для создания установки, в первую очередь - лазера. Также недостаточно исследовано влияние параметров обработки на сплавы, применяемые для изготовления лопаток компрессора. С этой целью при участии автора работы в ИМСС УрО РАН создан экспериментальный комплекс, реализующий процесс ЛУО в широком диапазоне интенсивностей воздействия. Автор выражает благодарность сотрудникам ИМСС УрО РАН Гачеговой Е.Н и Вшивкову А.Н. за помощь в проведении исследований и плодотворные дискуссии.

Целью исследования является повышение качества поверхностного слоя и сопротивления усталости при изготовлении лопатки компрессора из титанового сплава на основе применения технологии лазерной ударной обработки.

Задачей диссертационной работы является исследование влияния основных параметров режима технологического процесса поверхностного упрочнения на

формирование параметров качества: шероховатость, точность размеров, упрочнение поверхностного слоя кромок пера и повышение сопротивления усталости лопаток компрессора из титанового сплава.

Для решения данной задачи и достижения поставленной цели необходимо:

1. Изучить физические закономерности механизма воздействия различных технологических параметров лазерной ударной обработки (плотность мощности, количество проходов, процент перекрытия пятен лазера) на поверхностный слой кромки пера лопатки.

2. Разработать методику научно-обоснованного выбора рациональных параметров лазерной ударной обработки, обеспечивающих повышение сопротивления усталости лопаток компрессора из титанового сплава.

3. Построить математическую модель оценки уровня и глубины остаточных напряжений в поверхностном слое кромки лопаток компрессора при одновременном двустороннем упрочнении в результате технологии ударной лазерной обработки.

4. Разработать практические рекомендации по реализации технологического процесса изготовления лопаток компрессора из титанового сплава с применением технологии лазерной ударной обработки, методику проектирования и научно-обоснованный выбор параметров режимов упрочнения поверхностного слоя лопаток.

Объект исследования: технологический процесс изготовления лопатки ГТД с применением лазерной ударной обработки.

Предмет исследования: исследование параметров технологического процесса изготовления лопаток компрессора с использованием лазерной ударной обработки (плотность мощности, количество проходов, процент перекрытия пятен лазера), обеспечивающих высокое качество поверхностного слоя лопатки компрессора (шероховатость, остаточные напряжения), а также предел выносливости.

Методология и методы исследования.

Экспериментальные результаты работы получены при использовании лазерной установки и оборудования для усталостных испытаний и анализа параметров поверхностного слоя с учётом использованием стандартов на испытания. Проведение статистической обработки и анализ полученных результатов с использованием методов факторного анализа. Проведение математического моделирования процесса лазерной ударной обработки выполнен в специализированном пакете. Приборы и оборудование сертифицированы и поверены.

Достоверность научных результатов:

Обеспечена необходимым объемом экспериментальных исследований, применением комплекса современных методов исследования, использованием сертифицированного и поверенного оборудования, воспроизводимостью результатов измерений, стандартными методиками исследований и испытаний.

Научная новизна:

• Установлены закономерности влияния параметров лазерной ударной обработки на глубину распределения и характер остаточных напряжений, шероховатость поверхности лопатки из титанового сплава

• Экспериментально подтверждена адекватность модели, описывающей пластическую деформацию материала при взрыве и описывающей процесс лазерного ударного упрочнения, протекающему со скоростями деформации, на порядок выше (более 106 с-1).

• Получена математическая модель процесса лазерной ударной обработки, позволяющая оценить и произведена оценка уровня и глубины остаточных напряжений в поверхностном слое кромки компрессорной лопатки ГТД при одновременном двустороннем упрочнении в результате технологии ударной лазерной обработки. Результат расчетов показал, что уровень напряжений составляет (-0,4...-0,2 отн. ед.) на глубине свыше 0,2 мм, что согласуется с результатами эксперимента.

• Разработаны практические рекомендации по реализации технологического процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД из титанового сплава с применением технологии лазерной ударной обработки, методику проектирования и научно-обоснованный выбор параметров режимов упрочнения поверхностного слоя лопаток.

Теоретическая и практическая значимость:

> Разработана методика научно-обоснованного выбора рациональных режимов технологического процесса изготовления лопаток ГТД с применением лазерной ударной обработки, обеспечивающих повышение сопротивления усталости кромок пера (или только лопаток) из титанового сплава на 26...37% по сравнению со стандартной технологией.

> Установлены рациональные режимы технологического процесса упрочнения кромки пера при изготовления компрессорных лопаток ГТД с применением ударной лазерной обработки. Получаемые в результате технологии изготовления лопаток с применением ударной лазерной обработки достигнутые значения параметра шероховатости поверхности Ra, обеспечивают снижение эффективного коэффициента концентрации напряжений (Ка) лопатки ГТД из (а+Р) титанового сплава в 1,4-2,0 раза.

> Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Передовой инженерной школе «Высшая школа авиационного двигателестроения» ПНИПУ в учебных дисциплинах магистерских программ по направлению 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и на АО «ОДК-Авиадвигатель» для назначения характеристик оборудования при разработке отечественной промышленной установки лазерного ударного упрочнения лопаток ГТД.

Положения, выносимые на защиту:

1. Установлены закономерности влияния технологических параметров процесса лазерной ударной обработки кромки пера лопатки из титанового сплава, обеспечивающие выполнение требований по глубине и характеру распространения остаточных напряжений, одновременному достижению установленного значения

параметра шероховатости поверхности ^а) лопатки, для увеличения прочности и сопротивления усталости.

2. Теоретико-экспериментальные исследования, показавшие применимость существующей математической модели формирования напряжений в материалах при скоростном деформировании, применительно к более скоростным процессам с использованием технологии одновременной двусторонней ударной лазерной обработки, для обеспечения требований к качеству поверхностного слоя и повышению сопротивления усталости лопаток ГТД из титанового сплава.

3. Практические рекомендации по реализации усовершенствованного технологического процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД из титанового сплава с применением технологии ударной лазерной обработки, методика проектирования и научно-обоснованного выбора рациональных режимов ударного лазерного упрочнения поверхностного слоя.

Степень достоверности результатов:

Обеспечена необходимым объемом экспериментальных исследований, применением комплекса современных методов исследования, использованием сертифицированного и поверенного оборудования, воспроизводимостью результатов измерений, стандартными методиками исследований и испытаний.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

> конгрессе по двигателестроению «НТКД-2024» (Москва, 2024);

> XXIV Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации - 2023» (Пермь, 2023);

> XXV Всероссийской научно-технической конференции, АКТТИ-2024 (Пермь, 2024);

> Международной научно-технической конференции им. Н.Д. Кузнецова «Перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2023);

> Молодёжь и будущее авиации и космонавтики (Москва, 2024);

> Международной научно-технической конференции «Перспективные машиностроительные технологии» (Санкт-Петербург, 2024);

> IX Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (АНТЭ-2024) (Казань, 2024);

> Научно-технической конференции «Климовские чтения» (Санкт-Петербург, 2024).

Публикации.

По теме диссертационного исследования опубликовано 25 работ, включая 12 научных статей, входящих в перечень ВАК [69, 72, 73] и 2 научные статьи, входящие в международные базы цитирования Scopus [182-183] и публикации, входящие в РИНЦ [70-71, 74-84].

Личный вклад соискателя.

Автор участвовал в определении цели работы и постановке задач исследования, активно принимал участие в обсуждении результатов диссертации, написании статей и тезисов докладов. Результаты, приведенные в данной диссертационной работе, неоднократно докладывались автором на международных и российских конференциях.

Автором самостоятельно проведена статистическая обработка экспериментальных данных и установлены эмпирические зависимости глубины остаточных напряжений и шероховатости от варьируемых параметров лазерной ударной обработки (плотность мощности, количество проходов и процент перекрытия).

Кроме этого, автором проводилось измерение остаточных напряжений, обработка результатов экспериментов. Все основные результаты работы получены лично автором.

Автором самостоятельно разработан алгоритм принятия решения при назначении рациональных технологических параметров лазерной ударной обработки кромки пера лопатки ГТД из (а+Р) титанового сплава.

Произведено моделирование процесса одновременного двустороннего упрочнения кромки пера лопатки и установлено, что данный способ обработки позволяет обеспечить требуемый уровень и глубину остаточных напряжений. Разработаны практические рекомендации по назначению технологических параметров лазерной ударной обработки.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по результатам работы, списка литературы из 223 наименований и одного приложения, общим объёмом 139 страниц, включая 99 рисунков, 10 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ

ДЕТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

Определенная роль в обеспечении высокого ресурса деталей и конструкций отводится технологическим методам упрочнения поверхностного слоя (ПС).

Для получения требуемых физико-механических свойств материала в различных отраслях промышленности применяют как традиционные методы: термическая обработка [5], диффузионное насыщение ПС другими элементами [6, 16, 27, 31-32], закалка токами высокой частоты [17], ППД, наплавка, так и методы на основе воздействия на ПС различными видами излучений (лазерное, магнитное, нейтронное) [26, 56].

Одним из способов увеличения усталостной долговечности лопаток компрессора является ППД. Из упрочняющих обработок наибольшее распространение получили дробеструйная и гидродробеструйная, а также ультразвуковая обработки, в меньшей степени - малопластичное выглаживание.

Рассмотрим преимущества и недостатки каждого из указанных методов упрочнения в сравнении с ЛУО.

1.1 Дробеструйная обработка

Метод основан на использовании кинетической энергии обрабатывающих сред, которые могут подаваться на обрабатываемую поверхность с помощью сжатого воздуха, жидкости под давлением [9, 11, 12, 30, 50, 64].

В качестве обрабатывающей среды применяется стальная, стеклянная и керамическая дробь диаметром 0,8-1,2 мм, стальные микрошарики диаметром 50500 мкм.

Варьируемыми параметрами являются:

• рабочая среда;

• расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности;

• угол падения дроби;

• давление воздуха;

• время обработки.

В работе [35] в результате обработки дробью цементованных образцов, из марок сталей 18ХГТ, 12ХНВА предел выносливости увеличился на 6 — 60 % в зависимости от параметров обработки; сопротивление усталости в образцах из стали 30ХГТ увеличилась в 2 раза.

В работе [71] применение для образцов после цементации (сталь 12Х2Н4А) стеклянной дроби привело к большему эффекту наведения сжимающих остаточных напряжений (до -1300 МПа), чем стальной дроби, причем распределение по глубине тоже было различным, но глубина упрочненного ПС была одинаковой.

Преимущества метода дробеструйной обработки:

а) большая зона обработки;

б) уменьшение шероховатости при обработке после точения, фрезерования;

Недостатки:

а) высокие локальные температуры;

б) глубина сжимающих до 0,15 мм в зависимости от материала (рисунок 1.5);

в) невозможность обработки отдельных зон и деталей с малой толщиной (кромок лопаток);

г) возможность переноса частиц дроби на поверхность детали (шаржирование);

д) быстрый износ сопел установки и дробеструйного тракта;

е) высокая стоимость расходных запасных частей;

ж) необходимость проводить отсев поврежденной дроби;

з) вероятность перенаклёпа.

1.2 Гидродробеструйная обработка

Данный метод является разновидностью дробеструйного метода, где в качестве обрабатывающей среды применяется водяная струя с круглой дробью (жидкость под давлением 0,1-1,0 МПа с концентрацией дроби 20-30%) [11].

Основными параметрами гидродробеструйного упрочнения являются:

• рабочая среда;

• расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности;

• состав обрабатывающей среды;

• давление жидкости;

• угол наклона сопла;

• время обработки.

При гидродробеструйной обработке исключается влияние температуры на формирование требуемых сжимающих ОН.

Преимущества гидродробеструйной обработки:

а) наведение сжимающих ОН на глубину до 0,2 мм в зависимости от материала (рисунок 1.5);

б) уменьшение шероховатости;

в) уменьшение шаржирования;

г) стабильность упрочнения;

д) большая зона обработки. Недостатки:

а) сложность;

б) дороговизна;

в) большое время обработки;

г) невозможность обработки отдельных зон и деталей с малой толщиной (кромок лопаток).

о

1С

в

~ -200 к к в

'i "400 &

а

га

« -600

я D"

§ -800 н

О1

О

-1000

0 5 10 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Глубина, мкм

Дробеструйное упрочнение дробью Дробеструйное упрочнение мнкрошариками Гидродробеструйная обработка

Рисунок 1.5. Распределение ОН по глубине при различных методах обработки

[11]

1.3 Малопластичное выглаживание

Процесс малопластичного выглаживания (ЬРБ) - вдавливание индентора (металлического/керамического шарика) в обрабатываемую поверхность. Диаметр применяемых шариков варьируется от 2 до 18 мм в зависимости от геометрии детали. Применяется также инструмент (шарики/ролики) одновременной двусторонней обработки для тонкостенных деталей, типа лопаток. Шероховатость обрабатываемого слоя в результате накатывания снижается в 1,5-3 раза [23, 41, 72, 75, 90-91, 122, 169]. Оборудование для ЬРБ позволяет устанавливать его в барабан для инструмента станков с ЧПУ.

Варьируемыми параметрами являются:

• диаметр инструмента;

• давление инструмента;

• подача;

• угол наклона инструмента.

В работе [14] показано изменение микротвердости и микрошероховатости от усилия накатывания, шага обработки, схемы накатывания. Так микротвердость увеличивается на 25-33%, а микрошероховатость улучшается в 2 и более раз.

Основными контролируемыми параметрами после упрочнения являются шероховатость и микротвердость [23, 90-91, 94, 109, 111-112, 123, 136, 149-151, 158], а также остаточные напряжения и микроструктура [120, 142, 179].

Применение малопластичного выглаживания позволяет увеличить твердость материала на 22-46 % в зависимости от сплава. В меньшей степени для титановых сплавов [15,42], в большей для никелевых сплавов [42] и сталей [42, 46].

Также предварительное применение ЬРБ перед операцией диффузионного насыщения позволило увеличить глубину диффузионной зоны [176].

Исследовательские работы по применению смазывающего охлаждения жидким азотом [176] при обработке Ть6А1-4У показали незначительное улучшение шероховатости поверхности (0,35 мкм) по сравнению с исходной (0,32 мкм) [196].

Дальнейшее развитие технологии малопластичного выглаживания часть авторов видят в комбинировании с методом ультразвукового воздействия с

частотами 20-40 кГц [132, 215], что приводит к увеличению глубины наклепанного слоя до 0,5 мм.

Основными производителями накатного инструмента являются компании ECOROLL AG [23] и Lambda Technologies [49].

Преимущества метода малопластичного выглаживания:

а) наведение сжимающих ОН на глубину свыше 0,5 мм;

б) уменьшение шероховатости;

в) стабильность упрочнения;

д) возможность обработки зон с малой толщиной (кромки лопаток);

е) отсутствие наклёпа в обработанном слое. Недостатки:

а) сложность (наличие станка с ЧПУ);

б) дороговизна расходных элементов (шарики);

в) большое время обработки.

1.4 Лазерная ударная обработка

Лазерная ударная обработка (ЛУО) начала активно применяться с появлением нано- и фемтосекундных импульсных лазеров. Упрочнение ЛУО применяется в деталях, которые в силу ограничений геометрии нельзя упрочнить остальными методами, например, кромка пера лопатки.

Основными параметрами процесса являются:

• энергия импульса;

• частота;

• схема обработки;

• перекрытие пятен обработки;

• диаметр/форма пятна;

• количество проходов;

• угол наклона лазерного луча;

• вид защитного покрытия мишени или его отсутствие;

• вид ограждающего слоя (вода, масло, стекло и т.д.).

Улучшение физико-механических, усталостных характеристик и коррозионных свойства обусловлено образованием сжимающих остаточных напряжений и измельчением зерна [110, 174]. При лазерной ударной обработке материал облучается импульсным лазером с длинами импульсов несколько наносекунд с большой плотностью мощности (до 25 ГВт/см2) [8, 144]. Облучаемая поверхность, как правило, покрыта непрозрачным слоем с низкой температурой испарения, например, черной краской для увеличения поглощения энергии лазера и предотвращения воздействия тепла на поверхность. А также находится под слоем воды, сдерживающей распространение температуры плазмы [65]. Плазма вызывает образование высокого давления на испарившейся поверхности. Поскольку процесс очень кратковременный (несколько нс) и величина давления очень велика, давление, создаваемое плазмой, передается материалу через ударные волны.

В ряде работ исследовано влияние параметров ЛУО, в том числе количество проходов лазерным импульсом и диаметр пятна, на изменения морфологии поверхности, микроструктуры, микротвердости и шероховатости [53, 127].

В России исследованиями по тематике ЛУО ведут коллективы в ИМСС УрО РАН [10, 47-48, 60-61, 137], МАИ [33, 62], ЦИАМ им. Баранова [38, 68], МГТУ им. Баумана и др.

Согласно отчету НИР/НИОКР [40] основная проблема в России использования ЛУО - отсутствие лазера (алюмоиттритиевого граната необходимых размеров и оптического качества). Для его создания потребуется несколько лет.

Преимущества метода лазерной ударной обработки:

а) наведение сжимающих ОН на глубину свыше 1,0 мм;

б) уменьшение/сохранение исходной шероховатости;

в) возможность обработки зон, труднодоступных другими методами обработки;

г) стабильность упрочнения;

д) возможность обработки поверхностей сложной геометрической формы;

е) отсутствие наклёпа в обработанном слое;

ж) наличие мобильных установок для эксплуатации.

Недостатки:

а) сложность;

б) дороговизна (наличие установки для лазерного упрочнения).

1.5 Сравнительная оценка применимости методов поверхностного упрочнения по критериям качества поверхности и эксплуатационным характеристикам

По итогам проведенного исследования была проведена сравнительная оценка их применимости к использованию при производстве деталей ГТД по критериям влияния на качество поверхности и эксплуатационные характеристики (таблица 11)

Таблица 1.1 - Сравнительная оценка методов упрочняющей обработки применительно к обработке титановых сплавов

№ параметра качества Дробеструйная обработка Гидробеструйная обработка Малопластичное выглаживание ЛУО (с защитным слоем) ЛУО (без защитного слоя)

Шероховатость, мкм 0,80 0,40 0,16 0,32 1,00

Глубина наведения сжимающих ОН, мм < 0,15 < 0,20 < 0,70 < 1,50 < 1,00

Степень наклепа, % 15-20 10-15 - - -

Возможность обработки сложнопрофильной геометрии + + + + +

Требования к оборудованию Закрытый бокс + дробеструйная установка + система очистки Гидродробеструй ная установка с ЧПУ Станок с ЧПУ Манипулятор + лазерная установка Манипулятор + лазерная установка малой мощности

Расходные материалы дробь дробь, СОЖ керамические шары защитный слой, вода, ресурс лазера вода, ресурс лазера

Производство оборудования в РФ + + - - -

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ширяев Алексей Александрович, 2026 год

- ■

_ П 111Я

Л_г1 1 IMIr lililí

Ú Г lili

гП IIIII ■ IIIIII ■

Huí н глубина Нет uno ним

С Крлбопы Дробь •

■нжсрмтсги гаттивка

Фреы ЭЭО 0.25* 0,125* Ни

Фреы 0,25*

ЭЭО 0,125"

ЛраГи + ia,troHRj

Ф|*ча ЭЭО 0.25" 0,125" Дробь балывой

mm!Hoamxmi

Фреи ЭЭО 0,25" 0,125' ЛУП

Рисунок 1.15. Влияние методов упрочения на предел выносливости лопаток с

забоинами двигателя Б101 [80]

Рисунок 1.16. Зона ЛУО для турбинных лопаток [98]

С появлением аддитивных технологий начали проводиться исследования по влиянию ЛУО на свойства выращенных образцов и деталей как после непосредственно изготовления методами 3D-печати, так и во время них. Применение ЛУО позволяет существенно улучшить характеристики материалов после 3D-печати (уменьшить пористость, нивелировать подповерхностные дефекты и навести сжимающие ОН) [87, 99, 130, 155, 217].

Применение упрочнения в деталях горячей части авиадвигателя ограничивается тем, что наведенные ОН быстро релаксируют при повышенных температурах [46] (таблица 1.2).

Длительное воздействие повышенных температур в сочетании с силовыми факторами приводит к релаксации остаточных напряжений, изменению пластических свойств материала. При Тэ > 700 °С во всех жаропрочных сплавах наблюдается релаксация ОН, интенсивность которой увеличивается с увеличением температуры. При температуре 900...950 °С в течении 2х часов в материале происходит практически полная релаксация ОН. Полное снятие ОН в титановых сплавах происходит при температуре 450. 500 °С (выдержка до 200 ч).

Несмотря на это, проводятся работы по развитию технологии горячей ЛУО, обеспечивающей устойчивые к воздействию повышенных температур сжимающие ОН [146].

В тоже время проведенные исследования [89] на сплаве Ti-6Al-4V показали, что эффект упрочнения при ЛУО может сохраняться до температуры 550 °С.

Таблица 1.2. Параметры поверхностного слоя и предел выносливости образцов из сплава ВТ9 после различных видов обработки [46]

№ Вид обработки Ra, мкм аост, МПа ^отн, а-ъ МПа при Гисп и N=108 циклов

20 °С 500 °С

1 Исходное состояние (шлифование+отжиг) 0,32.0,16 -100...+450 1,0 460 410

2 Накатка роликом 2,5.1,25 -800.-500 1,4 405 -

3 Накатка роликом + глянцевание 0,63 -700.-400 1,2 450 310

4 Гидродробеструйная обработка стеклошариками 1,25.0,63 -100.-500 1,4 540

ЛУО можно применять как постобработку при ремонте (наплавка) лопаток компрессоров и роторных деталей ГТД [101] и деталей планера самолета (при выявлении трещины) [179]. Также ведутся работы по созданию портативных установок для ЛУО [162, 162].

Большинство работ сопряжены с исследованием влияния параметров ЛУО на свойства титановых, алюминиевых и никелевых сплавов [117], также ведутся работы по следующим сплавам: магниевыми [160], циркониевым [106].

В заключении можно сказать, что ЛУО имеет широкую сферу применения. В первую очередь, где существует проблема увеличения усталостной прочности и сопротивления коррозии.

1.6.4 Экспериментальные исследования процесса ЛУО

Экспериментальные работы по исследованию процесса ЛУО можно разделить на следующие:

• эксперименты с одиночным импульсом на тонкий образец толщиной 0,3 .1,2 мм (определение распределения давления по времени лазерного импульса, определение демпфирующих свойств материала, откольное разрушение) [117, 168171];

• эксперименты с одиночным импульсом квадратной/круглой формы на образец большой толщины (сравнение разных защитных слоёв, несколько повторных импульсов) [119; 215];

• эксперименты с обработкой поверхности (определение уровня и глубины ОН, шероховатости, геометрии, пределов выносливости) [19, 69-71, 99, 174, 177, 203].

Выводы по главе 1

1. Анализ применяемых методов упрочнения в аэрокосмической отрасли показал, что ЛУО и малопластичное выглаживание превосходят остальные методы упрочнения (дробеструйная и гидродробеструйная обработки) по показателям глубины залегания сжимающих напряжений, шероховатости обработанной поверхности, отсутствию наклёпа.

2. Преимущество ЛУО состоит в возможности обработки поверхностей сложной геометрической формы (лопатки, моноколеса, замковые соединения, отверстия малого диаметра), а также наличии мобильных версий установки для эксплуатации.

3. Изучены основы процесса ЛУО, рассмотрено текущее состояние технологии, её виды и применимость для авиастроения.

4. Технология ЛУО широко изучается сотрудниками западных компаний. В связи с совершенствованием техники для ЛУО удалось существенно снизить её себестоимость применения. Появились и портативные маломощные установки.

5. Имеющееся в России оборудование позволяет реализовать холодную ЛУО с защитным слоем и без него. Анализ показал, что ЛУО может применяться для зон концентрации напряжений, после или в процессе 3D-печати, как замена дробеструйной обработке. Получила развитие маломощная скоростная ЛУО с высокой частотой обработки.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЕ

2.1 Материалы и методика изготовления образцов для исследований

В качестве материала объекта исследования был выбран титановый сплав.

Разработка технологии ЛУО началась с отработки режимов ЛУО на серии плоских образцов размерами 50х40х2 мм (рисунок 2.1), полученных электроэрозионной вырезкой из конструктивно-подобных элементов лопаток. После вырезки образца сторона для упрочнения полировалась до Яа 0,4. На противоположную сторону наносилась нестираемая маркировка (рисунок 2.1). Образец закреплялся со всех сторон на пластине, установленной на руке роботизированного манипулятора.

Определение уровня ОН по глубине образца проводилось в точке «А», рисунок 2.2а.

\ 17-ХХХХ

■-С1-

50

Рисунок 2.1 - Маркировка плоских образцов

Рисунок 2.2 - Геометрия плоских образцов для определения профилей ОН: а) эскиз; б) образцы с наклеенными тензодатчиками

При ЛУО имеется возможность регулировать такие параметры как энергию импульса лазерного излучения, форму пятна лазерного луча, процент перекрытия между импульсами, кол-во проходов.

При планировании эксперимента варьировались следующие параметры: энергия лазерного излучения Е, площадь пятна, % перекрытия пятен, количество проходов. Для круглого пятна диаметром 2 мм - 30% минимальное значение, чтобы не было пропусков в обработке. Для оценки влияния параметров обработки на профиль остаточных напряжений реализованы 35 режимов обработки.

Варьируемые параметры ЛУО:

1) Плотность мощности (0,16 1/1тах);

2) Количество проходов (1-2);

3) Процент перекрытия пятен лазерного импульса (0-30-50).

Скорость движения манипулятора определяется частотой следования импульсов - 5 Гц.

Связанным параметром с энергией импульса и формой пятна является плотность мощности I и пиковое давление Рреак ■'

/ = (21)

где Е - энергия импульса, t - длительность импульса, 5 - площадь пятна.

= 001 • • (22)

где 2 = (2 • 2ма1:ег • Я^/^ммег + - суммарный акустический импеданс воды и мишени, = 0,17^ 106 - акустический импеданс воды, = 1,7-106 -

акустический импеданс воды, а = 0,33 - коэффициент эффективности, I - плотность мощности.

Отбор режимов осуществлялся по глубине наведенных сжимающих ОН. Полученная глубина сжимающих ОН среди выбранных режимов составляет 0,951,5 мм. За -1,0 для ОН принят максимальный уровень из всех 35 режимов.

Оценка режимов будет выполняться относительно плотности мощности I, как параметра учитывающего технические особенности лазера.

После отработки ЛУО на плоских образцах переходили к обработке лопаток (рисунок 2.3). После упрочнения на часть лопаток наносились концентраторы напряжений типа «забоина» и определялся предел выносливости. Концентраторы наносились на входные кромки лопаток путем прорезания на фрезерном станке фрезой с углом заточки 60° и радиусом закругления R=0Д...0,2 мм согласно ОСТ 1 00304-79 (рисунок 2.4). Все параметры резания (скорость резания, подача на зуб) при нанесении концентратора были постоянными для всей партии лопаток. После нанесения концентратора его глубина была измерена глубиномером.

Концентраторы напряжений типа «забоина» наносились 2 видов: с глубинами 0,5 и 1,0 мм.

Рисунок 2.3. Эскиз рабочей лопатки с Рисунок 2.4. Рабочая лопатка с указанием зон упрочнения кромок пера У-образным концентратором

2.2 Установка для лазерной ударной обработки и её составляющие

Лазерную ударную обработку выполняли с помощью лазерной установки, собранной в ИМСС УрО РАН, и состоящей из:

1) твердотельного Nd:YAG лазера (рисунок 2.5);

Рисунок 2.5. Твердотельный лазер

2) роботизированного шести-осевого манипулятора, грузоподъемностью до 50 кг и точностью позиционирования детали 0,25 мм (рисунок 2.6а);

3) оптической системы (рисунок 2.6б). Реализуемые формы лазерного пятна: круг диаметром 2 мм, квадрат со стороной 1 мм и 3 мм.

Принцип работы лазерной установки заключается в том, что манипулятор перемещает предварительно закреплённую деталь с заданной скоростью (0,1.500 мм/с) вдоль оптической системы. Траектория и стратегия обхода обрабатываемой зоны лазерным лучом генерируется в специализированном ПО и реализуется отечественным программно-аппаратным модулем, разработанным сотрудниками ИМСС УрО РАН, на основе 3D-модели детали.

а б

Рисунок 2.6. Оборудование для ЛУО: а) роботизированный манипулятор STEP SR50; б) оптическая система

В качестве защитного слоя при ЛУО использовалась алюминиевая фольга толщиной 80 мкм на клеевой основе. Обработка проводилась при частоте лазерных импульсов 5 Гц.

2.3 Металлографический анализ

Микроструктуру образцов исследовали на шлифах на электронном сканирующем микроскопе «ZEISS Axio Observer» (рисунок 2.7). Шлифы исследовались по глубине обработанного слоя.

Рисунок 2.7. Электронный сканирующий микроскоп ZEISS 2.4 Контроль шероховатости

Измерение шероховатости проводилось профилометром-контурографом Mitutoyo (рисунок 2.8) на базе 5,6 мм. Количество измерений по поверхности составляло не менее 10.

Рисунок 2.8. Профилометр-контурограф МлМоуо

2.5 Испытания на усталость лопаток и образцов лопаток

Испытания на усталость лопаток проводились на электродинамических вибростендах ВЭДС-1500, LDS У875 (рисунок 2.9) при колебании по первой изгибной форме в условиях комнатной температуры = 20 °С), чтобы определить предел выносливости. Испытания велись до разрушения объекта исследований.

Предел выносливости лопаток для каждой группы лопаток определялся на 5 образцах.

а б

Рисунок 2.9. Электродинамические вибростенды: а) ВЭДС-1500; б) LDS У875

2.6 Определение уровня остаточных напряжений

Величина ОН в плоских образцах по глубине определена с помощью автоматизированной системы MTS3000 - Restan (рис. 2.10а) методом тензометрического сверления отверстий диаметром 1-2 мм согласно ASTM E837. При сверлении фиксируется с определенным шагом величина деформации отверстия, затем решается обратная задача, результатом решения которой является профиль ОН по глубине. Метод позволяет получить усреднённое значение ОН на базе измерения тензодатчика.

На лопатках ОН определялись методом Давиденкова на установке АПООН (рисунок 2.11) и рентгеновской дифрактометрии на роботизированнм дифрактометре Xstress Robot (рисунок 2.10б) в соответствии со стандартом EN 15305.

а

б

Рисунок 2.10. Установки для определения ОН: а) MTS3000 - Restan; б) Xstress Robot

2.7 Выбор материала защитного слоя

Физические характеристики покрытия и его адгезия к поверхности образца могут существенно влиять на результат ЛУО. В работе [118] исследовались три поглощающих покрытия, а именно черная поливинилхлоридная лента с липким слоем, алюминиевая фольга и черная алкидная краска при обработке трехмиллиметровых пластин из титанового сплава Ti-6Al-4V. Выбранные поглощающие покрытия обеспечили отсутствие прижогов поверхностного слоя при выбранном режиме обработки.

На рисунке 2.12 показаны профили остаточных напряжений для исследованных защитных покрытий. Образец, покрытый черной краской, показал наибольшие сжимающие ОН со значением -400 МПа, в то время как наибольшее значение глубины упрочненного слоя было достигнуто при использовании алюминиевой фольги.

1 100 а

В

2 он

ш -100

<ü 2

I

g -200 П

в

о -300

__

щ t +Н iill ? • I tu '

А А-А А А А -А * Li ...»

' т т -т * г jm * *_

• \ т Ii ■А j-# ♦ 1 ♦1

А исходный AI фольга

—• ПВХ — нет слоя

—■— --- ■- ■ —• - краска ---

1.0

Рисунок 2.12. Профили глубины остаточных напряжений в сплаве Ti-6Al-4V [118]

Процессы влияющие на эффективность ЛУО:

1) оценка импульса давления и пиковые давления;

Алюминиевая фольга, обработка без защитного слоя и краска позволяют получать практически идентичные импульсы давления, тогда как амплитуда импульса с ПВХ-лентой на поверхности примерно на 20% ниже.

2) отражение упругопластической волны на границе между защитным покрытием и образцом.

Если на границе имеется значительная разница в акустическом импедансе между поглощающим слоем и материалом образца, значительная часть энергии может быть отражена.

Использование алюминиевой фольги или черной краски приводит к 10% потере энергии на границе покрытие-образец, что соответствует почти 20% потере амплитуды импульса. Граница ПВХ-лента-образец непроницаема для волны, что приводит к потере до 80% амплитуды импульса. С технологической точки зрения алюминиевая фольга дает явное преимущество с точки зрения скорости нанесения и может эффективно использоваться для деталей с простой геометрией. Однако при работе с малыми радиусами кривизны и сложными геометрическими формами существует потенциальный риск потери адгезии между фольгой и деталью, что может привести к разрыву защитного слоя или образованию дефектов на поверхности материала в области разрывов на границе защитного слоя. В этом

случае нанесение краски является более подходящим вариантом, хотя и требует значительно большего времени нанесения для достижения необходимой толщины защитного слоя.

В работе [29] также сравнивались несколько видов покрытий, в т.ч. лакокрасочные (таблица 2.1).

Таблица 2.1. Параметры покрытий [29]

Тип покрытия Толщина Ra покрытия,

покрытия, мкм мкм

Алюминиевая лента 65 0,381

ПВХ лента 120 0,526

Цинкосодержащий грунт + 140 1,051

порошковая краска

Цинкосодержащий грунт - 200 0,25

2 слоя

Цинкосодержащий грунт + 200 0,181

полиэфирный грунт

Установлено, что при использовании покрытия на основе грунтов привело к изменению химического состава поверхностного слоя - образованию большого количества кислорода и углерода, а также натрия, серы, калия и кальция.

Использовании алюминиевой/ПВХ-лент и порошковой краски не дает такого эффекта.

Выводы по главе 2

1. В качестве материала объекта исследования был выбран титановый сплав. Отработка режимов упрочнения планируется на плоских образцах с габаритными размерами 50х40х2 мм.

2. Указано используемое оборудование в процессе исследования.

3. В качестве защитного слоя выбрана алюминиевая лента, приводящая к минимальной потере энергии при обработке по сравнению с остальными покрытиями.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

3.1 Анализ профилей ОН

Графики зависимостей максимальных сжимающих ОН от плотности мощности ЛУО при одном и 2-х проходах представлены на рисунках 3.1 и 3.2 соответственно.

| Квадрат • Круг

Рисунок 3.1. Зависимость максимальных сжимающих ОН от плотности мощности

ЛУО при одном проходе

МОЩНОСТИ. ТЯтият

'Квадрат

Рисунок 3.2. Зависимость максимальных сжимающих ОН от плотности мощности

ЛУО при двух проходах

Из рисунков 3.1 и 3.2 видно, что при плотности мощности свыше 0,5 Мтах уровень остаточных напряжений выходит на асимптоту. При увеличении числа проходов уровень ОН возрастает на 10-15% вне зависимости от формы.

Анализ данных глубины остаточных напряжений (обращение остаточных напряжений в ноль), показал, что при плотности мощности больше 0,5 1/1тах при одном проходе асимптоты по глубине воздействия не наблюдается, глубина линейно увеличивается. При увеличении числа проходов до 2х удаётся увеличить глубину прорабатываемого слоя на 30 %.

В целом два прохода позволяют получить уровень ОН и глубину воздействия выше по сравнению с одним проходом. Процент перекрытия также позволяет изменить уровень и глубину ОН, рисунок 3.3. Однако стоит иметь в виду, что при перекрытии в 50% и более происходит воздействие на уже обработанный материал и это может быть аналогично случаю с несколькими проходами и меньшим перекрытием. При плотности мощности более 0,75 1/1тах и перекрытии 50 % при обработке происходит повреждение защитного слоя.

0.2

8

; 0=0 0=2 0,4 0,6 0,8 ™ -1,0 1=2

•

^ __ А у

__ ч А

Ч ц

* •

■ч ■--- __

и '»А • ф 1

0.2

0.4 0,6 0,8

Плотность МОЩНОСТИ, Т.'Ъпат

■ 0% .30% а 50%

1,2

Рисунок 3.3. Зависимость максимальных сжимающих ОН от плотности мощности при разном проценте перекрытия. В скобках выделены режимы с квадратным

пятном

Согласно рисунку 3.3 явного влияния формы пятна на глубину ОН и уровень наведенных сжимающих ОН не выявлено. При квадратном пятне влияние перекрытия на глубину ОН проявляется слабее, чем при круглом пятне.

Увеличение процента перекрытия приводит к увеличению глубины и уровня сжимающих ОН.

При этом теоретический анализ позволяет утверждать, что на величину ОН влияет амплитуда давления и как следствие плотность мощности энергии. Глубина остаточных напряжений определяется длительностью импульса. Смена асимптотики зависимости величины остаточных напряжений от плотности энергии в точке 0,5 1/1тах подтверждает эффект образования второго плазменного факела на границе ламинарный поток воды - воздух, ограничивающего передачу энергии лазерного излучение к поверхности материала. Данный вывод подтверждает работа [38].

Также было установлено, что при интенсивной обработке поверхности образцов при повышенных значениях плотности мощности ~ 0,5 Мтах, а также при двойном и тройном ударе, был обнаружен эффект деградации поверхности в виде появления характерных дефектов (рисунок 3.4).

Такие повреждения появляются в результате образования пустот между приклеиваемым абляционным покрытием и поверхностью металла. При прохождении ударной волны через такие несплошности происходит их сжатие, что приводит к резкому увеличению температуры газа и воздействию его на металлическую поверхность. Такой нагрев приводит к окислению и образованию термических дефектов.

Косвенным подтверждением предположения является рисунок 3.4б, где показано совпадение образовавшихся дефектов с рельефом поверхности образца, полученным в результате шлифования: термические дефекты образовались в наиболее глубоких бороздах от шлифования.

а б

Рисунок 3.4. Дефекты поверхности образца, возникающие при интенсивной ЛУО

(плотность мощности > 0,3 Мшах, 2-3 повтора)

Оценим наличие анизотропии ОН по глубине для каждого из отобранных режимов (рисунок 3.6).

Направление определения ОН в плоском образце показаны на рисунке 3.5. За -1,0 принят минимальный уровень ОН из выбранных режимов.

Рисунок 3.5. Направления определения ОН в плоском образце

а

б

в

г

д

Рисунок 3.6. Распределение ОН по глубине для режимов: а) №9; б) №22; в) №26; г) №28; д) исходный

Анализ рисунка 3.6д для образца после электроэрозионной вырезки показал, что распределение ОН по глубине имеет изотропный характер ОН. После ЛУО на всех отобранных режимах наблюдается небольшая анизотропия (рис. 3.6 а-г)

Наведение сжимающих ОН на большую глубину приводит к подслойному развитию трещины [73], при этом перестают оказывать влияние на возникновение трещины поверхностные дефекты поверхностного слоя (шероховатость и т.д.) [25].

Анализ параметров поверхностного слоя, а также пределов выносливости лопаток компрессора из титанового сплава ВТ3-1 после различных методов обработки (таблица 3.1 [46]) показал, что на увеличение предела выносливости большее влияние оказывает уровень сжимающих ОН чем шероховатость.

Таблица 3.1. Параметры поверхностного слоя после различных видов обработки и пределы выносливости лопаток компрессоров из титанового сплава ВТ3-1 (симметричный цикл, К=108 циклов, Гисп=20 °С) [46]

№ Ступен Способ Иа, Наклеп Глубин ^ост, Глубина 0-1,

ь обработки мкм Н, % а МПа стост, мкм МПа

компре профиля наклепа (поверх

ссора лопатки кн, мкм ность)

1 VI Фрезерование + шлифование + полирование 0,32 12.15 50..100 -300.100 20.30 220 1,0

2 П. 1 + виброгалтовка 0,32 15 80 -500.400 30.40 290 1,32

3 П.2 + отпуск 530 °С (2 ч, воздух) 0,32 15 70 -150.0 0.20 400 1,82

4 П.2 + глянцевание 0,32 15 50 -150.50 10.20 410 1,78

5 П.1 + отпуск 530 °С (2 ч, аргон) 0,32 15 50 -150.0 0.20 440 1,91

6 V П.1 0,32 - - -300.200 50.60 250 1,0

8 П.1 + гидрогалтовка 0,63 10.12 150.20 0 -500.400 100.120 350 1,44

9 П.1 + отпуск 600 °С (2 ч, воздух) 0,32 12 100 0 0 390 1,55

10 П.9 + глянцевание 0,32 14 80 -300 20.40 490 1,95

Эффект упрочнения оценивается коэффициентом [46]

Ку = -^ (3.1)

0-1д

где а-1д - предел выносливости детали без упрочнения, 0"-1д.упр - предел выносливости детали после упрочнения.

3.2 Исследования шероховатости и степени наклепа

Согласно рисункам 3.7 и 3.8 ЛУО приводит к увеличению шероховатости вне зависимости от плотности мощности и пятна лазера. Вдоль направления ЛУО шероховатость в среднем равна Яа 0,37±0,04, поперёк - Яа 0,51±0,10. Образцы с шероховатостью выше Яа 0,8 - имеют прижоги (повреждение защитного слоя).

I Квадрат • Круг

Рисунок 3.7. Зависимость шероховатости от плотности мощности. Контроль шероховатости вдоль направления ЛУО

£

0=5 0,7 0=6 0=5 0=4 0=3 0=2 0=1 0

■

• ■

• 1 *

* • • • • 1 * ■ * • *

■ Исходная

0,0 0:1 0,2 0=3 0=4 0=5 0,6

Плотность мощности, 1/1шах

0,7

0,8

0,9

■ Квадрат • Круг

Рисунок 3.8. Зависимость шероховатости от плотности мощности.

Контроль шероховатости поперёк направления ЛУО

Рисунок 3.9. Зависимость шероховатости от плотности мощности от процента

перекрытия

Большой % перекрытия (50%), особенно при высокой плотности мощности приводит к повреждению защитного слоя при ЛУО (рисунок 3.9).

Явного влияния процента перекрытия на шероховатость не установлено.

Рисунок 3.10. Зависимость шероховатости от плотности мощности при 1-м

проходе

Рисунок 3.11. Зависимость шероховатости от плотности мощности при 2-х

проходах

Шероховатость при 1-м проходе практически не изменяется (рисунок 3.10). При втором проходе шероховатость увеличивается до Иа 0,4 для обоих пятен лазера. Возможно увеличение шероховатости связано с тем, что отражающая способность защитного слоя после одного прохода снижается (см. рисунки 3.10 и 3.11) и в образец на 2м проходе получает большую энергию от ЛУО. 3.3 Измерения геометрических размеров и деформаций Определялось изменение плоскостности образцов после ЛУО. Результаты представлены на рисунках 3.12-3.15.

| Квадрат * Круг

Рисунок 3.12. Зависимость плоскостности от плотности мощности

Рисунок 3.13. Зависимость плоскостности от плотности мощности при разном

проценте перекрытия

Увеличение плотности мощности приводит к увеличению плоскостности (рисунок 3.12), причём увеличение перекрытия оказывает меньшее значение (рисунок 3.13).

Рисунок 3.14. Зависимость плоскостности от плотности мощности при 1м проходе

0,45 0,4 0,35 1 0,3 Й У 0.25 од 0,05 л

■

■ • •

• • ♦ .

■ ■ * •

•

0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,6 0,7 0,8 0,

Плотность МОЩНОСТИ, 1Лшя* ■ Квадрат ■ Круг

Рисунок 3.15. Зависимость плоскостности от плотности мощности при 2х

проходах

На увеличение плоскостности оказывает влияние количество проходов и форма пятна лазера, которая больше проявляется на 2х проходах. При одном проходе при обеих формах пятна увеличение было пропорциональным, то при 2х проходах квадратное пятно приводит к большему увеличению плоскостности (см. рисунки 3.14 и 3.15).

Для тонкостенных объектов ЛУО обязательно проводить с обеих сторон, чтобы нивелировать деформацию от обработки. При обработке одной стороны изменение деформации составит 0,1.0,2 мм, что недопустимо.

3.4 Планирование полнофакторного эксперимента

В качестве варьируемых параметров выступали:

1) Х1 - плотность мощности I, (0,32. 0,42);

2) X - количество проходов (1.2);

3) Х3 - перекрытие, % (30, 50);

Всего требуется провести 23=8 экспериментов. На каждый из экспериментов закладывалось минимум 3 образца.

Метод математического планирования экспериментов [1, 54-55] позволяет значительно сократить количество опытов и образцов. В таблице 3.2 определены интервалы варьирования.

Таблица 3.2. Условия проведения полного факторного эксперимента

Переменные

Уровни Х1 Х2 Х3

Плотность Количество %

мощности проходов перекрытия

Верхний 0,42 2 50

Нулевой 0 0,37 1,5 40

Нижний 0,32 1 30

Интервал 0,05 0,5 10

варьирования

Зависимость уровня ОН от параметров Х1... Х4 - нелинейная, представим её в виде:

^/С % 1 /С % 1 /С

Ь1Х1+У У Ъц Х(Х] (3.2)

¿=1 ¿-4=1^-4=1+1

Полнофакторный эксперимент по типу N=2^ приведен в таблице 3.3. Тогда уравнение регрессии будет записано в виде формулы (3.3).

у = Ьо + Ъ1%1 + Ь2х2 + Ь3х3 + £12X1X2 + ^3X1X3 + £23*2*3 р

+ ^123Х1Х2Х3

Таблица 3.3. Матрица планирования эксперимента 23

№ опыта Хо Х1 Х2 Хз Х1 Х2 Х1 Хз Х2 Хз Х1Х2 Хз У

1 + + + + + + + + У1

2 + - + + - - + - У2

3 + + - + - + - - Уз

4 + - - + + - - + У4

5 + + + - + - - - У5

6 + - + - - + - + У6

7 + + - - - - + + У7

8 + - - - + + + - У8

Столбцы Х1...Хз - задают условие опыта; Х0, Х1Х2, Х1 Хз, Х2 Хз, Х1 Х2 Х3 необходимы только для расчета. Проведено три параллельных опыта, получены значения отклика и определено среднее значение. Произведен регрессионный

анализ с получением эмпирической математической модель, адекватность проверена по критерию Фишера.

Результаты исследования влияния плотности мощности, количества проходов и перекрытия при ЛУО на глубину ОН

При реализации запланированного эксперимента (таблица 3.3) произведено восемь опытов определения влияния энергии, количества повторов и перекрытия на величину глубины ОН при ЛУО.

С целью уменьшения влияния случайных факторов на эксперимент проведено три параллельных опыта. Среднее арифметическое значение функции отклика определяется формулой [54-55]:

(34)

7 и=1

где у - номер опыта, и - номер параллельного опыта, Пу - количество параллельных опытов ву-й строке матрицы, у]и - значение функции отклика в и-м параллельном опыте.

Дисперсия каждого среднего арифметического значения вычислялась по формуле [54-55]:

¿—хЪ»-*)2 (35)

1 и=1

Экспериментальные значения величины глубины ОН указаны в таблице 3.4. Таблица 3.4 - Экспериментальные значения глубины ОН

№ У1 У^ Уз

1 1,500 1,460 1,420

2 0,950 0,900 1,000

3 0,900 0,920 0,890

4 0,570 0,550 0,580

5 0,850 0,840 0,810

6 0,810 0,800 0,780

7 0,820 0,770 0,820

8 0,650 0,600 0,640

В таблице 3.5 приведены экспериментальные значения глубины ОН и расчетные значения по формулам (3.4), (3.5), (3.15).

Таблица 3.5 - Результаты глубины и расчетные данные

№ У1 У2 Уз У, 5,2 Г (У

1 1,500 1,460 1,420 1,46000 0,00160 1,45541667 2,115-05

2 0,950 0,900 1,000 0,95000 0,00250 0,95458333 2,1Е-05

3 0,900 0,920 0,890 0,90333 0,00023 0,90791667 2,1Е-05

4 0,570 0,550 0,580 0,56667 0,00023 0,56208333 2,1Е-05

5 0,850 0,840 0,810 0,83333 0,00043 0,82875 2,1Е-05

6 0,810 0,800 0,780 0,79667 0,00023 0,80125 2,1Е-05

7 0,820 0,770 0,820 0,80333 0,00083 0,80791667 2,1Е-05

8 0,650 0,600 0,640 0,63000 0,00070 0,62541667 2,1Е-05

X - 0,00084 -

52 ^ш.а.х - - - - - -

Оценка коэффициентов регрессии производилась по критерию Кохрена

2

т

х?7л2

С (3 6)

Предельное значение критерия Кохрена определяется по таблицам [54-55] при уровне значимости а=0,05.

Экспериментальное значение не превышает табличного (3.7), гипотеза об однородности дисперсий принимается.

£ = 0,3694 < Скр = 0,7679 (3.7)

Коэффициенты регрессии, характеризующие линейные эффекты [54-55]:

2?=^-у, (3.8)

1 N

Коэффициенты регрессии, характеризующие эффекты взаимодействия [5455]:

= Е;=1 хухуъ (3.9)

и А

где /, I - номера факторов; , хгу - кодированные значения факторов / и I ву-м опыте.

Ь0 вычисляют по формуле [54-55]:

(3.Ю)

Средняя арифметическая дисперсия всех опытов [54-55]:

У7} 52

= (З.И)

Дисперсия коэффициентов регрессии [54-55]:

(312)

В таблице 3.6 приведены расчётные коэффициенты и определена их значимость на влияние факторов на функцию отклика. Проверка гипотезы по критерию Стьюдента (формула 3.13) [54-55].

, N

и=тт (313)

Критическое значение 1кр определялось по таблицам [54-55] при #•(«-

1)=8-(3-1)=16 степенях свободы и уровне значимости а=0,05 критическое значение 1кр=2,12. Если ^>^р, то гипотеза отвергается и коэффициент Ь признается значимым.

Таблица 3.6 - Рассчитанные коэффициенты регрессии

Коэффициент Значение Дисперсия Критерий

Ьо 0,868 0,005936586 146,1979392

Ь1 0,132 0,005936586 22,24903828

Ь2 0,142 0,005936586 23,93350806

Ьз 0,102 0,005936586 17,19562896

Ь12 0,005 0,005936586 0,772048647

Ь1з 0,080 0,005936586 13,40557196

Ь23 0,093 0,005936586 15,65153166

Коэффициенты регрессий рассчитаны по методу наименьших квадратов и

получено уравнение регрессии (3.13):

V = -0,868 + 0,132 • х1 + 0,142 • х2 + 0,102 • х3 + 0,005 ■ х1х2 (3.14) + 0,08 ■ х1х3 + 0,093 • х2х2 + 0,039 • х1х2х3

где Ь12 не является значимым коэффициентом, тогда уравнение примет вид:

У = -0,868 + 0,132 • х1 + 0,142 • х2 + 0,102 • х3 + 0,08 • ххх3 (3.15) + 0,093 • х2х3 + 0,039 • ххх2х3

Составим эмпирическую математическую модель и проверим на адекватность через отклонение У (3.15) от результатов эксперимента 35 в точкеу-го опыта.

Находим дисперсию адекватности [54-55]:

п

= (316)

¿=1

где 35 - среднее арифметическое значение параметра оптимизации в /-ом опыте, уу - значение функции отклика, вычисленное по уравнению регрессии для условийу-го опыта, к - число факторов.

Проверим гипотезу об адекватности по критерию Фишера [54-55]:

5.

2

р = —^ =< ^ (3 17)

52{у} <^кр (317)

Табличное критическое значение Фишера для 5%-ного уровня значимости и числах степеней свободы /б=1 и /М=4. /Кр=7,7. Вычислим отношение:

0,000845

К = —-=<7,7 (3.18)

р 0,000126 ' v 7

Произведем математические преобразования уравнения (4.20) и получим:

У = -0,81 + 0,56 • + 1,724 • Х2 + 0,0082 • Х3 - 0,624 • Х1Х2 (3.19) - 0,0074 • Х1Х3 - 0,036 • Х2Х3 + 0,0156 • Х1Х2Х3

На основании коэффициентов уравнения (3.19) можно сделать вывод, что на глубину ОН наибольшее влияние оказывает количество проходов, затем по степени значимости - плотность мощности и наименьшее влияние оказывает % перекрытия.

Для перехода от кодированных значений факторов к натуральным подставим значения Х1,Х2,Х3 в уравнение регрессии и получим уравнение:

/2-(Ы1 -1п 0,42) ЬпН = -0,81 + 0,56 ■ ( —-—-т-гтг +1) + 1,724

\ 1п0,42 -1п0,32 '

'2 • (1пК-1п 2)

+ 1) + 0,0082

1п2-1п1 '2 • (1пР -1п50) 1п 50 — 1п 30

+ 1)- 0,624