Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий



Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий
Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий

 

C21D1/10 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2529322:

ДЗЕ БОИНГ КОМПАНИ (US)

Изобретение относится к области обработки металлических изделий для упрочнения путем изменения их физической структуры и может быть использовано для получения дисперсионно-упрочненной структуры металлического сплава зубчатого колеса трансмиссии. Способ включает позиционирование металлической детали, возбуждение электромагнитного поля, нагревающего деталь, и воздействие инертным газом на ее поверхность во время возбуждения электромагнитного поля для создания обратного температурного градиента между наружной и внутренней зонами детали с получением термообработанной детали, причем при позиционировании детали ее помещают внутрь камеры, в которой находятся индукционная катушка, возбуждающая электромагнитное поле, и охлаждающий кольцевой коллектор. Устройство содержит камеру, индукционную катушку и систему подвода инертного газа с охлаждающим кольцевым коллектором, содержащим множество сопел, направленных на деталь, и расположенным внутри индукционной катушки. Технический результат: повышение прочности, износостойкости детали с возможностью снижения ее веса. 2 н.п., 6 з.п ф-лы, 11 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к изготовлению деталей, в частности к способу и устройству для получения упрочненных металлических структур. В особенности, настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения дисперсионно-упрочненной структуры металлического сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий.

Уровень техники

Зубчатое колесо является составной частью системы трансмиссии, способной передавать вращательное усилие на другое зубчатое колесо и/или устройство. Зубчатое колесо может иметь форму диска (округлой плиты) с зубьями. Зубья могут взаимодействовать и/или входить в зацепление с зубьями на другом зубчатом колесе и/или устройстве. Это взаимодействие может создавать возможность передачи усилия без проскальзывания с одного зубчатого колеса на другое зубчатое колесо и/или устройство.

Зубчатые колеса широко применяются на различных транспортных средствах, таких как летательные аппараты. В частности, на вертолете имеется ряд различных систем (агрегатов) трансмиссии, в которых используются зубчатые колеса. Так, например, вертолет имеет одну или несколько зубчатых передач из числа следующих: передача в носовой части двигателя, промежуточный редуктор, главный редуктор, хвостовой редуктор или другие соответствующие зубчатые передачи.

Зубчатые колеса для промышленных и/или аэрокосмических применений обычно имеют прочную и жесткую сердцевину. Сердцевину рассчитывают таким образом, чтобы она обладала сопротивляемостью распространению трещин и усталостному разрушению тела качения. Поверхность зубчатого колеса обычно имеет прочный, твердый слой, который образует зубья для зубчатого колеса. Эту поверхность рассчитывают таким образом, чтобы она обладала сопротивляемостью изнашиванию, которое может быть обусловлено скольжением поверхности зубьев зубчатого колеса по зубьям другого зубчатого колеса и/или устройства.

Эти свойства зубчатых колес достигаются применением различных типов металлов и/или металлических сплавов. Так, например, легированные стали подвергают обработке закалкой и отпуском с их последующим азотированием. Помимо достижения свойств этого рода, также желательно уменьшить вес зубчатых колес, особенно в аэрокосмических применениях. Так, например, в трансмиссии вертолета на зубчатые колеса может приходиться около трети веса систем.

Одним из решений этой задачи является использование титановых зубчатых колес. Титановое зубчатое колесо имеет меньшую плотность по сравнению с зубчатым колесом из легированной стали, что дает уменьшение веса. Однако имеющиеся в настоящее время зубчатые колеса из титановых сплавов обладают меньшей прочностью, чем зубчатые колеса из легированной стали аналогичных размеров. Например, зубчатые колеса, изготовленные из широко распространенных α+β-титановых сплавов, таких как Ti-6Al-4V или Ti-6Al-2Sn-4V-2Zr, обладают прочностью, на треть меньшей, чем зубчатое колесо из легированной стали.

Для компенсации такого рода различия в прочности, зубчатое колесо из титанового сплава может быть выполнено утолщенным, чтобы компенсировать меньшую прочность. Однако такая компенсация часто сводит практически на нет снижение веса, достигаемое за счет меньшей плотности титановых сплавов. Кроме того, поверхности зубчатые колеса из титановых сплавов также не столь тверды, как поверхности зубчатых колес из легированной стали в отношении сопротивляемости обусловленному трением скольжения изнашиванию при взаимодействии с другими зубчатыми колесами.

Поэтому существует потребность в способе и устройстве, которые учли бы одну или несколько рассмотренных выше проблем, а возможно, и других проблем.

Раскрытие изобретения

Объектом изобретения является способ изготовления детали. Деталь, состоящую из металлического сплава, позиционируют (устанавливают в заданном положении). Возбуждают электромагнитное поле, нагревающее позиционированную деталь. Во время возбуждения электромагнитного поля на поверхность позиционированной детали воздействуют инертным газом для создания обратного температурного градиента между наружной и внутренней зонами позиционированной детали с получением термообработанной детали.

В целесообразном варианте осуществления изобретения предлагаемый способ используют для изготовления зубчатого колеса. Плиту из металлического сплава подвергают ковке в β-области. Металлический сплав выбирают из числа следующих сплавов: дисперсионно твердеющие металлические сплавы, метастабильные титановые β-сплавы, дисперсионно твердеющие нержавеющие легированные стали и суперсплавы на основе никеля. Плита представляет собой заготовку зубчатого колеса, и после ковки в β-области ее подвергают ковке в α+β-области с получением поковки зубчатого колеса. После ковки заготовки зубчатого колеса в α+β-области полученную поковку зубчатого колеса подвергают в β-области термической обработке на твердый раствор. Поковку зубчатого колеса охлаждают в α-области. Охлаждение поковки выполняют путем охлаждения на воздухе или закалки в воде для предотвращения выделения α-фазы. Поковку зубчатого колеса подвергают механической обработке с получением зубчатого колеса. Зубчатое колесо позиционируют на держателе для обрабатываемых изделий в заданном положении относительно индукционной катушки с получением позиционированного зубчатого колеса. Держатель изделия, охлаждающий кольцевой коллектор и индукционная катушка расположены в камере. Индукционной катушкой возбуждают электромагнитное поле. Электромагнитное поле имеет частоту примерно от 1 Гц примерно до 10000 Гц и напряженность, порождающую в позиционированном зубчатом колесе вихревые токи для нагрева позиционированного зубчатого колеса до выбранной температуры в α+β-области, в которое происходит дисперсионное упрочнение. Частоту выбирают, исходя из глубины зубчатого колеса. При этом во время возбуждения электромагнитного поля на поверхности зубьев позиционированного зубчатого колеса воздействуют инертным газом для создания обратного температурного градиента между наружной зоной и внутренней зоной позиционированного зубчатого колеса с получением термообработанного зубчатого колеса. Термообработанное зубчатое колесо имеет постепенно изменяющуюся дисперсионно-упрочненную микроструктуру, а наружная зона термообработанного зубчатого колеса тверже, чем его внутренняя зона. Термообработанное зубчатое колесо подвергают шлифовке. На поверхности термообработанного зубчатого колеса выполняют лазерное ударное упрочнение детали для создания на поверхности термообработанного зубчатого колеса сжимающих напряжений. На поверхности зубьев зубчатого колеса наносят покрытие с получением снабженных покрытием поверхностей зубьев. Покрытие содержит материал, выбранный из числа нитрида титана, наносимого физическим осаждением из газовой фазы, карбида никеля, наносимого гальваническим методом, и системы "карбид вольфрама-кобальт", наносимой методом высокоскоростного газопламенного напыления с использованием кислорода и горючего. Снабженные покрытием поверхности зубьев зубчатого колеса полируют. Зубчатое колесо может использоваться в объекте, выбранном из числа следующих: подвижная платформа, стационарная платформа, конструкция наземного, водного, космического базирования, воздушное судно, вертолет, надводное судно, танк, транспортер для перевозки личного состава, поезд, космический аппарат, подводная лодка, автобус, легковой автомобиль, гоночный автомобиль, гоночный катер, механизированный пресс, силовая передача (трансмиссия), перегородка и производственное оборудование.

Объектом изобретения является также устройство, содержащее камеру, индукционную катушку и систему подвода газа. Индукционная катушка способна возбуждать в камере электромагнитное поле. Система подвода газа способна непрерывно подавать инертный газ к поверхности находящейся в камере детали во время возбуждения электромагнитного поля так, что в детали устанавливается обратный температурный градиент.

Особенности, функции и преимущества настоящего изобретения могут достигаться независимо друг от друга в различных вариантах его осуществления или могут комбинироваться в других вариантах осуществления изобретения, подробности которых раскрыты в приведенном ниже описании и на чертежах.

Краткое описание чертежей

Новшества, отличающие изобретение и характеризующие его в целесообразных вариантах его осуществления, изложены в прилагаемой формуле изобретения. Вместе с тем, целесообразные варианты осуществления изобретения, а также предпочтительный вариант его использования, дополнительные задачи и преимущества изобретения наиболее доходчиво рассмотрены в приведенном ниже подробном описании целесообразного варианта настоящего изобретения, сопровождаемого чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - схема, иллюстрирующая способ производства и эксплуатации летательного аппарата в предпочтительном варианте осуществления изобретения,

на фиг.2 - схема летательного аппарата, в котором может быть реализован целесообразный вариант осуществления изобретения,

на фиг.3 - структурная схема производственной среды в целесообразном варианте осуществления изобретения,

на фиг.4 - схематическое изображение системы термической обработки с обратным температурным градиентом в целесообразном варианте осуществления изобретения,

на фиг.5 - схематическое изображение камеры в системе термической обработки с обратным температурным градиентом в разрезе при виде сверху в целесообразном варианте осуществления изобретения,

на фиг.6 - схематическое изображение фрагмента камеры с расположенным в ней зубчатым колесом в целесообразном варианте осуществления изобретения,

на фиг.7 - схематическое изображение в разрезе фрагмента зубчатого колеса в целесообразном варианте осуществления изобретения,

на фиг.8 - диаграмма, иллюстрирующая типичные механические свойства дисперсионно-упрочненного сплава Ti-10V-2Fe-3Cr при различных обработках старением, которые могут использоваться для изготовления зубчатого колеса в целесообразном варианте осуществления изобретения,

на фиг.9 - диаграмма, иллюстрирующая последовательность стадий обработки титанового сплава в целесообразном варианте осуществления изобретения,

на фиг.10 - блок-схема способа изготовления детали в целесообразном варианте осуществления изобретения и

на фиг.11 - блок-схема способа изготовления детали в виде зубчатого колеса в целесообразном варианте осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Представленные на чертежах варианты осуществления изобретения рассматриваются в контексте способа 100 производства и эксплуатации летательного аппарата, представленного на фиг.1, и в контексте летательного аппарата 200, схематично представленного на фиг.2. На фиг.1 приведена схема, иллюстрирующая этапы осуществления способа производства и эксплуатации летательного аппарата в целесообразном варианте осуществления изобретения. В период подготовки к производству рассматриваемый в качестве примера способ 100 производства и эксплуатации летательного аппарата может включать в себя разработку технических требований (ТТ) к летательному аппарату и проектирование 102 летательного аппарата 200, показанного на фиг.2, и материально-техническое снабжение 104.

Стадия производства включает в себя изготовление 106 узлов (агрегатов) и комплектующих изделий, а также сборку 108 летательного аппарата 200, показанного на фиг.2. После этого летательный аппарат 200, показанный на фиг.2, может проходить сертификацию и процедуру поставки 110 для его принятия в эксплуатацию 112. Во время нахождения в эксплуатации у заказчика летательный аппарат 200, показанный на фиг.2, проходит плановые технические обслуживания и профилактический ремонт 114, которые могут включать в себя доработки, переоборудование, модернизацию и другие работы по эксплуатации и ремонту.

Каждый из процессов способа 100 производства и эксплуатации летательного аппарата может выполняться или осуществляться производителем, третьим лицом и/или оператором. Оператор в рассматриваемых примерах может быть заказчиком. Для целей настоящего описания производитель может включать в себя любое число предприятий-изготовителей летательных аппаратов и предприятий-смежников; третье лицо может включать в себя, не ограничиваясь нижеперечисленным, любое число продавцов, субподрядных организаций и поставщиков; оператором может быть авиатранспортная компания, лизинговая компания, военная организация, сервисная организация и т.д.

На фиг.2 показана схема летательного аппарата, в котором может быть реализован целесообразный вариант осуществления изобретения. В рассматриваемом примере летательный аппарат 200 изготавливается способом 100 производства и эксплуатации летательного аппарата, представленным на фиг.1, и может включать в себя планер 202 с системами 204 и интерьером 206. В качестве примеров систем 204 можно назвать одно или несколько из следующего: двигательная установка 208, электрическая система 210, гидравлическая система 212 и система 214 жизнеобеспечения. Летательный аппарат 200 может иметь различные формы исполнения. Например, летательный аппарат 200 может быть самолетом, вертолетом или иным подходящим типом воздушного судна. Летательный аппарат может быть оборудован любым числом других систем. Хотя в качестве примера рассматривается продукция авиакосмической промышленности, изобретение в различных целесообразных вариантах его осуществления может найти применение и в других отраслях, таких как автомобилестроительная промышленность.

Рассматриваемые в описании устройства и способы могут использоваться при осуществлении любой одной или нескольких стадий способа 100 производства и эксплуатации летательного аппарата, показанного на фиг.1. Например, узлы (агрегаты) и комплектующие изделия, изготавливаемые на стадии 106, показанной на фиг.1, могут изготавливаться аналогично изготовлению узлов (агрегатов) и комплектующих изделий, когда летательный аппарат 200 находится в показанной на фиг.1 стадии эксплуатации 112.

Кроме того, один или несколько из вариантов выполнения устройства, вариантов осуществления способа или их комбинация могут использоваться на стадиях производства, таких как показанные на фиг.1 стадия 106 изготовления узлов (агрегатов) и комплектующих изделий и стадия сборки 108, например, с существенным упрощением сборки летательного аппарата 200 или уменьшения его стоимости. Аналогичным образом, один или несколько из вариантов выполнения устройства, вариантов осуществления способа или их комбинация может использоваться при нахождении летательного аппарата 200 в эксплуатации 112 или во время технического обслуживания и ремонта 114, показанных на фиг.1.

Различные целесообразные варианты осуществления изобретения признают и учитывают потребность в легком в весовом отношении материале, который можно использовать для изготовления деталей, таких как зубчатые колеса. Различные целесообразные варианты осуществления изобретения признают и учитывают потребность в зубчатом колесе, внутренняя зона которого обладает сопротивляемостью возникновению трещин и разрушению при восприятии нагрузок, например нагрузок, снимаемых с вала, на котором может быть установлено зубчатое колесо.

Также различные целесообразные варианты осуществления изобретения признают и учитывают потребность в зубчатом колесе, наружная зона которого обладает достаточной твердостью для сопротивления изнашиванию при зацеплении с другими зубчатыми колесами. Кроме того, различные целесообразные варианты осуществления изобретения признают и учитывают потребность в зубчатых колесах с поверхностями, способными взаимодействовать с другими зубчатыми колесами таким образом, который помимо повышенной износостойкости обеспечивает повышенное сопротивление истиранию (трению).

Таким образом, в основе различных целесообразных вариантов осуществления изобретения лежит предлагаемый в изобретении способ изготовления детали. Согласно этому способу деталь, состоящую из металлического сплава, позиционируют, т.е. устанавливают в заданном положении. Возбуждают электромагнитное поле, нагревающее позиционированную деталь. Далее, во время возбуждения электромагнитного поля на поверхность позиционированной детали воздействуют инертным газом для создания температурного градиента между поверхностью позиционированной детали и внутренней зоной позиционированной детали с получением термообработанной детали.

На фиг.3 показана структурная схема производственной среды в предпочтительном варианте осуществления изобретения. Производственная среда 300 может использоваться для изготовления деталей для летательных аппаратов, например для летательного аппарата 200, показанного на фиг.2.

В рассматриваемом иллюстративном примере производственная среда 300 используется для обработки металлического сплава 302. Металлический сплав 302 может принимать различные формы. В частности, металлический сплав 302 может быть дисперсионно-твердеющим сплавом 304. Иначе говоря, в качестве металлического сплава 302 может быть выбран сплав, которому путем дисперсионного твердения можно придать повышенную прочность и/или твердость. Дисперсионно-твердеющим сплавом 304 является металлический сплав, способный к образованию дисперсных выделений 305 (выделению дисперсной фазы) при термической обработке.

В рассматриваемых иллюстративных примерах осуществления изобретения дисперсные выделения 305 повышают прочность дисперсионно-твердеющего сплава 304. Дисперсионное твердение - это термический процесс, в котором дисперсные выделения, например частицы 307, возникают из фазы пересыщенного твердого раствора в дисперсионно-твердеющем сплаве 304. Фаза пересыщенного твердого раствора - это фаза, в которой раствор содержит растворенные частицы в количестве, большем предела растворимости в растворе. Эти частицы также называют частицами 311 вторичной фазы.

В дисперсионно-твердеющем сплаве 304 дисперсные выделения 305 повышают прочность и твердость. Дисперсные выделения 305 могут препятствовать движению дислокации и/или дефектов в кристаллической решетке дисперсионно-твердеющего сплава 304. Дисперсные выделения 305 образуются при температуре, при которой выделившиеся частицы термодинамически устойчивы. Дисперсными выделениями 305 могут быть, например, частицы 307 и/или частицы 311 вторичной фазы.

В рассматриваемых примерах дисперсионно-твердеющий сплав 304 представляет собой, например, титановый β-сплав 306. В рассматриваемых примерах титановый β-сплав 306 имеет форму метастабильного титанового β-сплава 308, т.е. титанового сплава с метастабильной β-фазой. Метастабильный титановый β-сплав 308 может содержать β-стабилизатор 309 титана. β-стабилизатор 309 титана представляет собой любой элемент, способный стабилизировать высокотемпературную β-фазу метастабильного титанового β-сплава 308 при более низких температурах. В частности, β-стабилизатором 309 титана может быть молибден (Мо), ванадий (V), ниобий (Nb), хром (Cr) и/или железо (Fe).

Металлический сплав 302 может, в частности, представлять собой титановый сплав 310, нержавеющую легированную сталь 312, сплав 314 на основе никеля и другие подходящие дисперсионно-твердеющие металлические сплавы. Титановый сплав 310 может быть, например, любым метастабильным титановым β-сплавом. Нержавеющая легированная сталь 312 и сплав 314 на основе никеля могут быть реализованы с применением, соответственно, любой дисперсионно-упрочненной нержавеющей легированной стали и любого дисперсионно-упрочненного сплава на основе никеля. В рассматриваемых иллюстративных примерах титановый сплав 310 может, в частности, представлять собой сплавы Ti-10V-2Fe-3Cr, Ti-5Mo-5V-5Al-3Cr, Ti-4,5Fe-6,8Mo-1,5Al и/или любые иные подходящие титановые β-сплавы.

Металлический сплав 302 имеет форму плиты 316. Плита 316 может иметь различные формы. Например, плита 316 может быть круглой, прямоугольной, квадратной и/или может иметь иную подходящую форму. Кроме того, плита 316 может иметь различные толщины в зависимости от конкретного выполнения. В рассматриваемых примерах плиту 316 обрабатывают ковочной системой 318.

В рассматриваемом иллюстративном примере ковочная система 318 может включать в себя печь 320 и пресс 322. В печи 320 плиту 316 нагревают до степени, обеспечивающей возможность обработки плиты 316 давлением с помощью пресса 322. Пресс 322 придает плите 316 форму детали 326 с получением поковки 324. В рассматриваемых примерах деталь 326 может представлять собой, например, зубчатое колесо 328.

Обрабатывающим инструментом 330 поковку 324 подвергают механической обработке до размеров детали 326 с получением механически обработанной детали 332. Обрабатывающим инструментом 330 может быть любой инструмент для механической обработки, способный придавать детали 326 требуемые размеры. Обрабатывающий инструмент 330 может быть, в частности, строгальным, фрезерным, сверлильным, шлифовальным, полировочным инструментом и/или любой иной комбинацией инструментов.

Механически обработанную деталь 332 подвергают обработке при помощи системы 334 термической обработки (ТО) с обратным температурным градиентом. В изображенных на чертежах примерах систему 334 термической обработки с обратным температурным градиентом используют для дисперсионного упрочнения дисперсионно-твердеющего сплава 304 внутри механически обработанной детали 332. Систему 334 термической обработки с обратным температурным градиентом используют для осуществления старения и/или дисперсионного твердения с целью дополнительного управления окончательной структурой материала и получаемыми в итоге механическими свойствами механически обработанной детали 332.

Система 334 термической обработки с обратным температурным градиентом включает в себя индукционный нагреватель 336, систему 338 инертного газа, вакуумный насос 339 и камеру 340. Индукционный нагреватель 336 содержит блок 342 питания и индукционную катушку 344. Блок 342 питания может содержать, в частности, конденсаторы, трансформаторы и/или другие подходящие приборы. Индукционная катушка 344 расположена внутри камеры 340 и в изображенных на чертежах примерах также называется индуктором.

Блок 342 питания способен генерировать электроэнергию 348 с различными частотами. В частности, блок 342 питания генерирует электроэнергию 348 с частотой 350. Электроэнергия 348 подается на индукционную катушку 344 для возбуждения электромагнитного поля 346. В рассматриваемых примерах частота 350 может составлять примерно от 1 Гц примерно до 10000 Гц. Используемая частота и частоты, которые могут достигаться, колеблются в зависимости от реализации блока 342 питания. Блок 342 питания подает к индукционной катушке 344 охлаждающую воду для поддержания меньших температур при работе индукционной катушки 344 с целью уменьшения резистивных потерь.

Внутри камеры 340 расположен держатель 352 детали. Вакуумный насос 339 создает внутри камеры 340 вакуум 353. Система 338 инертного газа включает в себя установку 354 газоснабжения и систему 356 подвода газа. В установке 354 газоснабжения может храниться инертный газ 358, предназначенный для подачи в камеру 340 посредством системы 356 подвода газа.

Вакуумный насос 339 создает в камере 340 вакуум 353. Система 356 подвода газа подает в камеру 340 с вакуумом 353 инертный газ 358. Вакуум 353 создается вакуумным насосом 339. Этот процесс может повторяться несколько раз перед обработкой позиционированной детали 366.

В этом изображенном на чертеже примере система 356 подвода газа имеет вид охлаждающего кольцевого коллектора 360. Охлаждающий кольцевой коллектор 360 может быть выполнен из трубы, припаянной или приваренной к индукционной катушке 344 после охлаждения индукционной катушки 344. Охлаждающий кольцевой коллектор 360 может состоять из материалов, являющихся хорошими проводниками тепла и электричества. В частности, для изготовления охлаждающего кольцевого коллектора 360 можно использовать, например, медь и медные сплавы, имеющие низкое удельное электрическое сопротивление.

Механически обработанную деталь 332 позиционируют внутри камеры 340 на держателе 352 детали в виде позиционированной детали 366. При подаче на индукционную катушку 344 электроэнергии 348 на частоте 350 возбуждаемое электромагнитное поле 346 нагревает позиционированную деталь 366. Этот нагрев происходит не у поверхности 370 с рассеиванием тепла во внутреннюю зону 368 позиционированной детали 366, а во внутренней зоне 368 детали.

В изображенных на чертежах примерах электромагнитное поле 346 порождает во внутренней зоне 368 позиционированной детали 366 вихревой ток 372. Вихревой ток 372 вызывает нагрев 374 джоулевой теплотой (джоулев нагрев) во внутренней зоне 368 позиционированной детали 366. На поверхность 370 позиционированной детали 366 воздействуют инертным газом 358 в виде струи инертного газа 358, направляемой на поверхность 370.

Во время возбуждения электромагнитного поля 346 индукционной катушкой 344 на поверхность 370 позиционированной детали 366 через охлаждающий кольцевой коллектор 360 подается инертный газ 358. Инертный газ 358 может охлаждать поверхность 370 позиционированной детали 366. В изображенных на чертежах примерах воздействие инертного газа 358 на поверхность 370 происходит непрерывно в течение периода времени, в который осуществляют нагрев. Этот период времени может занимать все время, в течение которого к позиционированной детали 366 прикладывают электромагнитное поле 346, или некоторый отрезок времени, в течение которого к позиционированной детали 366 прикладывают электромагнитное поле, во время и после приложения электромагнитного поля 346 к позиционированной детали 366.

Такой нагрев и охлаждение выполняют для создания обратного температурного градиента 376. Обратный температурный градиент 376 характеризуется тем, что по мере углубления во внутреннюю зону 368 температура повышается по сравнению с поверхностью 370.

В результате такой обработки позиционированной детали 366 получают термообработанную деталь 378, в которой дисперсионно-твердеющий сплав 304 позиционированной детали 366 подвергнут дисперсионному упрочнению. После этого термообработанную деталь 378 обрабатывают шлифовальным инструментом 380. В рассматриваемом примере термообработанная деталь 378 имеет постепенно изменяющуюся (переменную) дисперсионно-упрочненную микроструктуру 377. Постепенно изменяющаяся дисперсионно-упрочненная микроструктура 377 представляет собой изменение количества и/или размеров дисперсных выделений в термообработанной детали 378.

В иллюстративных примерах осуществления изобретения количество выделившейся фазы увеличивается, а размер дисперсных выделений уменьшается наружу от поверхности 323 термообработанной детали 378 в противоположность направлению вглубь внутренней зоны 321 термообработанной детали 378.

Шлифовальным инструментом 380 термообработанную деталь 378 шлифуют до требуемых размеров с получением шлифованной детали 382. Шлифованную деталь 382 обрабатывают с помощью системы 384 обработки в кислотной ванне с получением обработанной кислотой детали 386.

В системе 384 обработки в кислотной ванне шлифованную деталь 382 подвергают обработке для удаления возможных дефектов металла, вызванных шлифовкой и термообработкой термообработанной детали 378. В рассматриваемых примерах в системе 384 обработки в кислотной ванне используется такая кислота 388, как азотная кислота (HNO3) и фтористоводородная кислота (HF).

Обработанную кислотой деталь 386 далее подвергают обработке с помощью системы 390 лазерного ударного упрочнения. В системе 390 лазерного ударного упрочнения обработанную кислотой деталь 386 покрывают черной матовой краской 391 и затем воздействуют на эту краску лучом лазера 392 для испарения черной матовой краски 391. Лазерное испарение черной матовой краски 391 может выполняться под слоем воды. Этот процесс создает на и/или у поверхности 370 обработанной кислотой детали 386 сжимающие напряжения 393. Сжимающие напряжения 393 могут повышать выносливость - сопротивление усталости, которая может возникать во время эксплуатации обработанной кислотой детали 386.

В рассматриваемых примерах в системе 390 лазерного ударного упрочнения может использоваться любой лазер, способный в требуемой мере создавать в обработанной кислотой детали 386 сжимающие напряжения.

Затем обработанную лазером деталь 394 обрабатывают с помощью системы 395 нанесения покрытия. Система 395 нанесения покрытия обеспечивает формирование на обработанной лазером детали 394 покрытия 396 с получением детали 397, снабженной покрытием.

Покрытие 396 обеспечивает повышенную сопротивляемость изнашиванию и истиранию. В рассматриваемых примерах покрытие 396 может иметь различные формы. В частности, покрытие 396 может состоять из материалов, выбранных из числа нитрида титана, наносимого физическим осаждением из газовой фазы, карбида никеля, наносимого гальваническим методом, и системы "карбид вольфрама-кобальт", наносимой методом высокоскоростного газопламенного напыления с использованием кислорода и горючего.

Снабженную покрытием 397 деталь можно отполировать полировальной машиной 398 с получением готовой детали 399. Затем эту готовую деталь 399 можно применять в летательном аппарате 200, показанном на фиг.2, или на других подходящих объектах, в которых используются зубчатые колеса.

Приведенная на фиг.3 иллюстрация производственной среды 300 не накладывает физических или архитектурных ограничений на возможности осуществления изобретения. В дополнение к компонентам, показанным на фиг.3, или вместо них в производственной среде 300 могут использоваться и другие компоненты. Кроме того, от некоторых компонентов производственной среды 300 можно отказаться.

В частности, в некоторых целесообразных вариантах осуществления изобретения в ковочной системе 318 вместо пресса 322 может использоваться молот.В других целесообразных вариантах осуществления изобретения молот может использоваться в сочетании с прессом 322. В качестве еще одного иллюстративного примера в некоторых целесообразных вариантах осуществления изобретения, помимо индукционного нагревателя 336, для обработки нескольких деталей могут использоваться дополнительные индукционные нагреватели.

Кроме того, в некоторых целесообразных вариантах осуществления изобретения ковочная система 318 может не потребоваться. В подобной реализации производственная среда 300 может начинать обработку детали, находящейся в уже частично законченном состоянии. В других целесообразных вариантах осуществления изобретения в зависимости от типа материала, используемого для нанесения покрытия 396, полировальная машина 398 может не потребоваться.

На фиг.4 приведено схематическое изображение системы термической обработки с обратным температурным градиентом в целесообразном варианте осуществления изобретения. В рассматриваемом примере система 400 термической обработки с обратным температурным градиентом является примером реализации системы 334 термической обработки с обратным температурным градиентом, показанной на фиг.3.

В рассматриваемом иллюстративном примере система 400 термической обработки с обратным температурным градиентом включает в себя источник 402 питания, источник 404 инертного газа, камеру 406, индукционную катушку 408, охлаждающий кольцевой коллектор 410, держатель 412 детали и вакуумный насос 414. Источник 404 инертного газа подключен к охлаждающему кольцевому коллектору 410, расположенному внутри индукционной катушки 408. Индукционная катушка 408 подключена к источнику 402 питания.

Источник инертного газа 404 подает инертный газ 416 во внутреннее пространство 418 камеры 406 во время возбуждения электромагнитного поля индукционной катушкой 408. Вакуумный насос 414 создает внутри камеры 406 вакуум. Кроме того, в этом иллюстративном примере вакуумный насос 414 также удаляет инертный газ 416. Вакуумный насос 414 также удаляет инертный газ 416 для уменьшения и/или исключения наддува камеры 406.

На фиг.5 приведено схематическое изображение камеры в системе термической обработки с обратным температурным градиентом в разрезе при виде сверху в целесообразном варианте осуществления изобретения. Деталь 500 является примером позиционированной детали 366, показанной на фиг.3. В рассматриваемом примере деталь 500 имеет вид зубчатого колеса 502 и установлена в заданном положении во внутреннем пространстве 418 камеры 406 на держателе 412 детали. Во время возбуждения электромагнитного поля 508 для нагрева зубчатого колеса 502 инертный газ 504 распределяется по поверхности 506 зубчатого колеса 502. Инертный газ 504 может быть охлаждающим инертным газом. Поверхность 506 включает в себя поверхности зубьев зубчатого колеса 502.

На фиг.6 приведено схематическое изображение фрагмента камеры с расположенным в ней зубчатым колесом в целесообразном варианте осуществления изобретения. В этом изображенном на чертеже примере секции 600, 602 и 604 являются участками индукционной катушки 408, показанными в разрезе. Как показано на чертеже, секции 606, 608 и 610 являются частями охлаждающего кольцевого коллектора системы подвода газа.

Инертный газ 612 подается в отверстия 614, 616 и 618 и выдувается на поверхность 620 зубчатого колеса 502. Эти отверстия также называются соплами. Инертный газ 612 охлаждает поверхность 620, в то время как внутренняя зона 622 зубчатого колеса 502 нагревается индукционной катушкой 408, представленной секциями 600, 602 и 604.

На фиг.7 приведено схематическое изображение в разрезе фрагмента зубчатого колеса в целесообразном варианте осуществления изобретения. В рассматриваемом примере фрагмент зубчатого колеса 700 является примером фрагмента готовой детали 399, показанной на фиг.3.

В рассматриваемом иллюстративном примере зубчатое колесо 700 имеет зубья 702 на круглом основании 704. Как показано на чертеже, зубчатое колесо 700 имеет внутреннюю зону 706 и наружную зону 708. Кроме того, зубчатое колесо 700 также может иметь покрытие 710, которое может быть сформировано на поверхности 712 зубчатого колеса 700.

В рассматриваемом иллюстративном примере наружная зона 708 имеет механические свойства состояния Н900, а внутренняя зона 706 имеет механические свойства состояния H1050. Обозначения H1050 и Н900 в этом иллюстративном примере относятся к состояниям сплава Ti-10V-2Fe-3Cr после термической обработки старением в течение одного часа при температурах соответственно 1050°F и 900°F.

В этих иллюстративных примерах наружная зона 708 имеет толщину 714, а покрытие 710 имеет толщину 716. В рассматриваемых примерах толщина 714 может составлять около 0,200 дюйма, а толщина 716 может составлять примерно от 0,002 дюйма примерно до 0,020 дюйма.

Наружной зоне 708 придана повышенная твердость или прочность путем дисперсионного упрочнения при помощи показанной на фиг.3 системы 334 термической обработки с обратным температурным градиентом. За счет того, что наружная зона 708 обладает повышенной твердостью и/или прочностью относительно внутренней зоны 706, зубчатому колесу 700 может быть придана повышенная износостойкость.

Внутренняя зона 706 является внутри более вязкой по сравнению с наружной зоной 708. Иначе говоря, внутренняя зона 706 способна воспринимать нагрузки без возникновения трещин в зубчатом колесе 700. Например, круглое основание 704 зубчатого колеса может воспринимать нагрузки, снимаемые с вала, на котором зубчатое колесо 700 установлено.

На фиг.8 приведена диаграмма, иллюстрирующая типичные механические свойства дисперсионно-упрочненного сплава Ti-10V-2Fe-3Cr при различных обработках старением, которые могут использоваться для изготовления зубчатого колеса в целесообразном варианте осуществления изобретения. В рассматриваемом иллюстративном примере график 800 может представлять ключевые свойства показанного на фиг.5 зубчатого колеса 502, выполненного из метастабильного титанового β-сплава. В рассматриваемом примере график 800 может иметь ось абсцисс 802, по которой отложен предел прочности при разрыве. По оси ординат 804 отложена вязкость разрушения.

Как показано на чертеже, в рассматриваемом примере зубчатое колесо 502 имеет свойства состояния H1050 в точке 806 во внутренней зоне зубчатого колеса 502 и свойства состояния Н900 в точке 808 в наружной зоне зубчатого колеса 502. В этом изображенном на чертеже примере внутренняя зона зубчатого колеса 502 имеет прочность и/или вязкость, обеспечивающую стойкость к образованию и развитию трещин. Иначе говоря, свойства внутренней зоне зубчатого колеса 502 дают стойкость к растрескиванию и разрушению. Твердость материала у поверхности зубчатого колеса уменьшает износ, обусловленный задирами, трением скольжения, заеданием и/или другие вида износа, которые могут иметь место на поверхности зубчатого колеса.

На фиг.9 приведена диаграмма, иллюстрирующая последовательность стадий обработки титанового сплава в целесообразном варианте осуществления изобретения. В рассматриваемом примере типичная диаграмма 900 состояния титана является псевдобинарной диаграммой. Типичная диаграмма 900 состояния титана имеет ось абсцисс 902, по которой отложено процентное содержание β-стабилизатора титана, и ось ординат 904, по которой отложена температура.

На типичной диаграмме 900 состояния титана обозначены области, в которых различные фазы находятся в равновесии в зависимости от температуры и состава. Эти области могут быть однофазными или двухфазными. Например, однофазными областями могут быть α-область и β-область. Двухфазной областью может быть α+β-область. На типичной диаграмме 900 состояния титана обозначены α- и β-области титановых сплавов.

Например, типичная диаграмма 900 состояния титана включает в себя α-область 906, β-область 908 и α+β-область 910. Областями с единственной фазой являются α-область 906 и β-область 908, а α+β-область 910 является областью со смесью α-фазы и β-фазы. Эти различные области разделены линиями 912 и 914. Температуры, расположенные вдоль линии 914, называют температурами β-перехода.

В рассматриваемых примерах титановый сплав 310 на фиг.3 может существовать в различных фазах, представленных на типичной диаграмме 900 состояния титана, в зависимости от процентного содержания используемого β-стабилизатора и/или температуры титанового сплава 310.

Для конкретного состава сплава точка β-перехода 915 на линии 914 представляет температуру β-перехода, или β-превращения, для этого состава. Эта точка представляет наименьшую температуру, при которой для титанового сплава 310 может существовать в равновесном состоянии 100%-ная β-фаза. Понижение температуры ниже точки β-перехода 915 на линии 914 может привести к тому, что титановый сплав 310 окажется в двухфазной области, такой как α+β-область 910. Аналогичным образом для конкретного состава соответствующая точка на линии 912 обозначает наивысшую температуру, при которой титановый сплав 310 может существовать полностью в α-области 906. При температурах, более высоких, чем эта точка на линии 912, титановый сплав может перейти в α+β-область 910.

Преобладающую фазу можно использовать для характеристики типов титанового сплава 310. В частности, титановый сплав в α-фазе обладает свариваемостью и имеет требуемую жаропрочность. Титановый сплав в α+β-фазе сочетает умеренную прочность с улучшенной вязкостью. Титановый сплав в метастабильной β-фазе может иметь более высокий, чем у других форм титана, предел прочности при растяжении благодаря его способности к дисперсионному твердению.

Процентное содержание β-стабилизатора на оси абсцисс 902 представляет элементы, которые могут добавляться для стабилизации β-фазы титанового сплава 310. Иначе говоря, добавление β-стабилизатора понижает температуру, при которой титановый сплав 310 может существовать в β-фазе.

В различных целесообразных вариантах осуществления изобретения титановый сплав 310 может обрабатываться в различных областях типичной диаграммы 900 состояния титана. В частности, титановый сплав 310 может представлять собой сплав Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr с содержаниями стабилизаторов V, Мо и Cr в точке 916.

В рассматриваемом иллюстративном примере титановый сплав 310 подвергают ковке в точке 918, находящейся в β-области 908 (стадия 930). Точка 918 может соответствовать повышенной температуре, составляющей около 1700°F. Во время ковки можно достичь требуемой микроструктуры титанового сплава 310, поддерживая температуру в нужной точке для получения требуемой α+β-микроструктуры.

Кроме того, способствовать получению требуемой микроструктуры может проведение обработки давлением (деформирования) с уменьшением размеров (уковкой) примерно от 20% примерно до 30%, осуществляемого с помощью ковочного молота и/или прессующего штампа. Такая обработка давлением приводит к процессу рекристаллизации, в результате которого можно получить двухфазную мелкозернистую и/или имеющую уменьшенный размер зерен двухфазную микроструктуру. Ковка в двухфазной α+β-области может ограничить рост зерен после рекристаллизация, обеспечивая меньший размер зерен. После этого в точке 920, находящейся в α+β-области 910, выполняют дополнительную ковку титанового сплава 310 (стадия 932). Точка 920 может соответствовать повышенной температуре около 1600°F.

Затем выполняют термическую обработку титанового сплава 310 (стадия 934) в точке 918 β-области 908. После этого в точке 920 α+β-области 910 выполняют окончательную ковку титанового сплава 310 (стадия 936). После этого в точке 918 выполняют термическую обработку на твердый раствор (стадия 938), за чем следует быстрое охлаждение на воздухе в β-области 908 до комнатной температуры (стадия 938).

В рассматриваемых примерах комнатная температура может быть температурой, при которой деталь можно держать руками. Комнатная температура может составлять примерно от 50 до 150°F. В некоторых целесообразных вариантах осуществления изобретения для образования пересыщенной метастабильной β-фазы при комнатной температуре охлаждение титанового сплава 310 может проводиться не на воздухе, а путем закалки в воде.

Затем для превращения сохраненной β-фазы в α- и β-фазы в точке 922 α+β-области 910 выполняют старение (стадия 940). Точка 922 может соответствовать температуре примерно от 900°F примерно до 1050°F. Термическую обработку старением на стадии 940 выполняют для придания титановому сплаву 310 требуемых характеристик. На стадии 940 эту термическую обработку выполняют с помощью системы 334 термической обработки с обратным температурным градиентом.

Система 334 термической обработки с обратным температурным градиентом нагревает титановый сплав 310 до требуемой температуры, находящейся в пределах α+β-области 910. При этом температура внутренней зоне титанового сплава 310 может достигать значений примерно от 1000°F примерно до 1100°F. Эта температура обеспечивает меньшую механическую прочность, но более высокую вязкость. Поверхность титанового сплава 310 охлаждают инертным газом 358.

Такое охлаждение позволяет удерживать пониженную температуру поверхности титанового сплава 310. Эта пониженная температура может составлять примерно от 800°F примерно до 900°F. Эта температура обеспечивает более мелкодисперсное выделение частиц α-фазы в β-фазе. Такой вид обработки обеспечивает достижение более высокой механической прочности (временного сопротивления) и/или более высокой износостойкости.

На фиг.10 приведена блок-схема способа изготовления детали в целесообразном варианте осуществления изобретения. Способ, иллюстрируемый на фиг.10, может быть реализован с использованием производственной среды, например производственной среды 300, показанной на фиг.3.

Осуществление способа начинают с позиционирования детали 326, состоящей из металлического сплава 302, с получением позиционированной детали 366 (стадия 1000). После этого для нагревания позиционированной детали 366 возбуждают электромагнитное поле 346 (стадия 1002). Для создания обратного температурного градиента 376 между поверхностью 370 и внутренней зоной 368 позиционированной детали 366 во время возбуждения электромагнитного поля 346 на поверхность 370 позиционированной детали 366 воздействуют инертным газом 358 с получением термообработанной детали 378 (стадия 1004), после чего процесс обработки завершают. В этих иллюстративных примерах воздействие инертным газом 358 на поверхность 370 во время возбуждения электромагнитного поля 346 осуществляется непрерывно. Термообработанная деталь 378 имеет различающиеся между наружной и внутренней зонами микроструктуры и/или механические свойства.

На фиг.11 приведена блок-схема способа изготовления детали в виде зубчатого колеса в предпочтительном варианте осуществления изобретения. Способ, иллюстрируемый на фиг.11, может быть реализован с использованием производственной среды, например производственной среды 300, показанной на фиг.3.

Осуществление способа начинают с ковки плиты 316 в β-области 908 (стадия 1100). Затем следует ковка плиты 316 в α+β-области 910 (стадия 1102).

В рассматриваемом иллюстративном примере плита 316 может иметь размеры 15×15×3 дюйма и может состоять из сплава Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr.

Плиту 316 подвергают термической обработке путем β-отжига в β-области 908 (стадия 1104). На стадии 1104 термическая обработка может выполняться путем повышения температуры плиты 316 до значения, находящегося в β-области 908. В рассматриваемых примерах β-отжиг можно выполнять при температуре, большей 1450°F. После этого плиту 316 в форме поковки 324 детали 326 охлаждают на воздухе с прохождением через α-область 906, что может вызвать выделение дисперсной фазы (стадия 1106).

Плиту 316 в форме поковки 324 детали 326 охлаждают на воздухе с прохождением через β-фазу 906, что может вызвать выделение дисперсной фазы (стадия 1107). В α+β-области 910 внутри β-фазы металлического сплава 302 могут выделяться частицы α-фазы металлического сплава 302. По мере снижения температуры частицы α-фазы выделяются в большем количестве, что связано с ускоренным образованием зародышей новой фазы при меньшей температуре в сочетании с их медленным диффузионным ростом. Такие выделения имеют меньший диаметр.

Металлический сплав 302 подвергают закалке на воздухе для предотвращения выделения частиц α-фазы во время охлаждения металлического сплава 302 из состояния после термической обработки отжигом на твердый раствор β-фазы, которую выполняют в завершение процесса ковки. Закалку на воздухе осуществляют со скоростью охлаждения, не оставляющей времени на образование зародышей выделяющейся фазы. Эти частицы удерживаются в метастабильном растворе в β-фазе металлического сплава 302 с возможностью выделения этих элементов во время последующей обработки. Более значительное повышение механических свойств происходит во время второй термической обработки с образованием дисперсных выделений. В рассматриваемых примерах достижение α-фазы 906 возможно при температуре, меньшей чем примерно 800°F.

Стадии 1100-1107 выполняют для достижения более высокой минимальной вязкости разрушения в сердцевине детали 326. Охлаждение на воздухе выполняют быстро для сохранения в растворе максимального количества α-фазы, которое должно выделиться во время последующей обработки, создающей обратный температурный градиент 376 (стадия 1108). В рассматриваемых примерах металлический сплав 302 можно разделить на богатые алюминием и богатые молибденом, железом, хромом, ванадием области. Богатые алюминием области металлического сплава 302 выделяют частицу α-фазы с гексагональной плотноупакованной кристаллической структурой, а области, богатые ванадием, железом, хромом и молибденом остаются β-фазой с объемно-центрированной кубической кристаллической структурой.

Металлический сплав 302 называется метастабильным β-сплавом после термической обработки на твердый раствор и быстрого охлаждения, поскольку металлический сплав 302 имеет полностью объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру β-титана. При комнатной температуре β-фаза 908 является термодинамически наиболее устойчивым состоянием этого состава, который находится в α+β-области 910. Термин "быстро" относится к выраженной в градусах Фаренгейта в секунду скорости охлаждения, которому металлический сплав 302 может быть подвергнут для предотвращения образования зародышей α-фазы при охлаждении из β-состояния после отжига на твердый раствор до комнатной температуры. Скорость, необходимая для подавления образования зародышей новой фазы, соотносится с охлаждающими средами, имеющими различные коэффициенты конвективной теплопередачи для обеспечения необходимой скорости охлаждения.

Эти охлаждающие среды ранжируются по возрастанию их коэффициентов конвективной теплопередачи следующим образом: естественная конвекция в спокойном воздухе, конвекция в принудительном потоке воздуха, закалка в соляной ванне, закалка в водяной ванне и закалка в насыщенной соляной ванне. Металлические сплавы, такие как Ti-10V-2Fe-3Cr, могут требовать более резкой закалки в воде для подавления образования зародышей их α-фазы, тогда как сплав Ti-5Mo-5Al-5V-3Cr требует лишь закалки на воздухе.

Рассматриваемый способ предусматривает механическую обработку (обработку резанием) поковки 324 детали 326 до требуемых для зубчатого колеса 328 размеров (стадия 1110). После этого деталь 326 подвергают термической обработке, возбуждая в детали 326 электромагнитное поле 346 и одновременно воздействуя на поверхность 370 детали 326 инертным газом 358 таким образом, чтобы создать обратный температурный градиент 376 (стадия 1112). В качестве инертного газа на этой стадии может использоваться аргон. На стадии 1112 происходит дисперсионное упрочнение, обусловленное выделением α-фазы. В этих иллюстративных примерах зубчатое колесо 328 имеет на поверхности 370 свойства состояния Н900, а во внутренней зоне 368 - свойства состояния Н1050.

Поверхность 370 зубчатого колеса 328 шлифуют до требуемых размеров (стадия 1114). На стадии 1114 форму изделия можно получать с большей точностью и/или меньшими допусками по сравнению с механической обработкой, выполняемой на стадии 1110. В рассматриваемых примерах шлифовку выполняют на зубьях зубчатого колеса 328. Затем способ предусматривает воздействие на зубчатое колесо 328 кислотой 388 с помощью системы 384 обработки в кислотной ванне (стадия 1116). На этой стадии устраняют дефекты металла зубчатого колеса 328, которые могли возникнуть во время шлифовки на стадии 1114. Кроме того, на этой стадии также удаляют с поверхности окалину и поверхностный слой α-фазы, оставшийся от термической обработки, выполненной на стадии 1112.

В рассматриваемых примерах в качестве кислоты можно применять, например, азотную кислоту (HNO3) и/или фтористоводородную кислоту (HF), которые используют для удаления вредного поверхностного слоя α-фазы или окалины, которые могли возникнуть во время термической обработки из-за наличия примесей в инертном газе. При температурах свыше 700°F титановый сплав может с повышением температуры все быстрее взаимодействовать с примесями кислорода в инертном газе с растворением атомов кислорода в кристаллической решетке титанового сплава, что может стабилизировать хрупкую α-фазу с гексагональной плотноупакованной решеткой на поверхности титанового сплава, называемую поверхностным слоем α-фазы.

В другом случае титановый сплав может с повышением температуры все быстрее взаимодействовать с примесями кислорода в инертном газе таким образом, что при относительном обилии кислорода в атмосфере на поверхности может образовываться серая оксидная (TiO2) пленка.

Относительно обильным присутствие кислорода в атмосфере можно считать, если в печи присутствует воздух. В обоих случаях на поверхности образуется хрупкая (богатая кислородом) α-фаза титанового сплава. Если эту фазу титанового сплава не удалить с поверхности, это может отрицательно сказаться на пластичности и вязкости разрушения изделия.

Окалина и α-фаза удаляются их растворением в кислотной ванне. Эта кислотная ванна может быть разбавлена до концентрации, обеспечивающей удаление слоев окалины и α-фазы. В рассматриваемых примерах в качестве кислоты может использоваться, например, азотная кислота (HNO3) и/или фтористоводородная кислота (HF).

Затем поверхность 370 зубчатого колеса 328 покрывают черной матовой краской 391 (стадия 1118). После этого на поверхность 370 воздействуют лучом лазера 392 (стадия 1120). Стадию 1120 выполняют для создания на поверхности 370 сжимающих остаточных напряжений, например сжимающих напряжений 393. Такие сжимающие остаточные напряжения могут уменьшать и/или предотвращать возникновение усталости, вызываемой контактом с другим зубчатым колесом. В рассматриваемых иллюстративных примерах выполнение лазерного ударного упрочнения может обеспечивать создание сжимающих остаточных напряжений, составляющих примерно 180 тыс. фунтов на кв. дюйм.

Затем на зубья зубчатого колеса 328 наносят покрытие 396 (стадия 1122). Покрытие 396 также называется износостойким покрытием и может быть, например, нитридом титана, наносимым физическим осаждением из газовой фазы, карбидом никеля, наносимым гальваническим методом, и системой "карбид вольфрама-кобальт", наносимой методом высокоскоростного газопламенного напыления с использованием кислорода и горючего. Эта стадия может проводиться с использованием покрытия, состоящего из карбида вольфрама и кобальта и наносимого методом высокоскоростного газопламенного напыления с использованием кислорода и горючего.

Затем выполняют полировку покрытия 396 (стадия 1124), на чем осуществление способа завершается.

Различные стадии способа, показанные на фиг.10 и 11, не ограничивают возможностей осуществления изобретения. Блок-схемы и схематические изображения, относящиеся к различным вариантам осуществления изобретения, иллюстрируют архитектуру, функциональность и принцип действия, заложенный в возможные варианты выполнения устройств и варианты осуществления способов. В этом отношении каждый блок приведенных блок-схем или диаграмм может представлять модуль, сегмент или участок, включающий одну или несколько операций, выполняемых для реализации конкретной функции или функций.

В некоторых альтернативных вариантах осуществления изобретения одна или несколько функций, обозначенные блоками блок-схем, могут выполняться в ином порядке, чем это указано на чертежах. Например, в некоторых случаях два блока, изображенных следующими друг за другом, могут выполняться по существу одновременно, или иногда, в зависимости от реализуемой функциональности, блоки могут выполняться в обратном порядке.

Например, в некоторых целесообразных вариантах осуществления изобретения полировка, в зависимости от типа покрытия, может не требоваться. В других целесообразных вариантах осуществления изобретения можно обходиться без ковочных операций, если деталь уже частично подвергнута обработке, например порошковой прессовке с использованием сплава на основе никеля или дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали для некоторых менее критичных применений.

В еще одном примере сжимающие остаточные напряжения на поверхности детали можно создавать, используя иные, нежели лазерное ударное упрочнение, механизмы. В частности, можно использовать любой процесс, позволяющий создавать сжимающие остаточные напряжения на поверхности изделия. Например, вместо лазерного ударного упрочнения также может использовать выглаживание поверхности на соответствующем станке.

Различные целесообразные варианты осуществления изобретения рассмотрены выше лишь для раскрытия изобретения, а приведенное выше описание не исчерпывает всех возможностей осуществления изобретения и не должно трактоваться как ограничивающее эти возможности раскрытыми вариантами. Для специалиста должна быть очевидной возможность осуществления изобретения в видоизмененной относительно рассмотренных вариантов форме. Хотя различные целесообразные варианты осуществления изобретения описаны применительно к изготовлению зубчатого колеса, изобретение подходит и для изготовления иных типов деталей (изделий).

К иным типам деталей относятся, в частности, вал или ось, коленчатый вал, клапан, кулачок, кулачковый вал, различные виды винтов (гребной винт, крыльчатка и т.п.), маховик и/или любая иная подходящая деталь. Кроме того, различные целесообразные варианты осуществления изобретения описаны выше в отношении изготовления деталей для летательного аппарата, такого как вертолет. В других целесообразных вариантах осуществления изобретение может использоваться применительно к иным типам объектов, отличным от летательного аппарата.

Например, различные целесообразные варианты осуществления изобретения могут использоваться применительно к таким объектам, как подвижная платформа, стационарная платформа, конструкция наземного, водного, космического базирования, воздушное судно, вертолет, надводное судно, танк, транспортер для перевозки личного состава, поезд, космический аппарат, подводная лодка, автобус, легковой автомобиль, гоночный автомобиль, гоночный катер, механизированный пресс, силовая передача (трансмиссия), перегородка и производственное оборудование и/или любой иной подходящий объект.

Кроме того, одни целесообразные варианты осуществления изобретения могут обеспечивать иные преимущества по сравнению с другими вариантами. Рассмотренные выше варианты осуществления изобретения выбраны таким образом, чтобы наилучшим образом разъяснить принципы и практическое применение изобретения, и раскрыть изобретение в объеме, достаточном для его осуществления специалистом с учетом его возможных видоизменений, адаптированных к конкретному применению.

1. Способ термической обработки детали, изготовленной из металла или металлического сплава, включающий позиционирование детали, возбуждение электромагнитного поля, нагревающего позиционированную деталь, и воздействие инертным газом на поверхность позиционированной детали, выполняемое во время возбуждения электромагнитного поля для создания обратного температурного градиента между наружной и внутренней зонами позиционированной детали с получением термообработанной детали, причем при позиционировании детали ее помещают внутрь камеры, в которой находятся индукционная катушка, возбуждающая электромагнитное поле, и охлаждающий кольцевой коллектор, расположенный внутри индукционной катушки.

2. Способ по п.1, в котором электромагнитное поле возбуждают с частотой примерно от 1 Гц примерно до 10000 Гц.

3. Способ по п.1, в котором термообработанная деталь имеет постепенно изменяющуюся дисперсионно-упрочненную микроструктуру.

4. Способ по п.2, в котором деталь представляет собой зубчатое колесо, а частоту выбирают с учетом глубины зубчатого колеса.

5. Способ по п.1, дополнительно включающий создание на поверхности термообработанной детали сжимающих напряжений путем выполнения лазерного ударного упрочнения на поверхности детали.

6. Способ по п.1, дополнительно включающий нанесение на поверхность детали покрытия, содержащего материал, выбранный из числа нитрида титана, наносимого физическим осаждением из газовой фазы, карбида никеля, наносимого гальваническим методом, и системы карбид вольфрама - кобальт, наносимой методом высокоскоростного газопламенного напыления с использованием кислорода и горючего.

7. Устройство для термической обработки детали, изготовленной из металла или металлического сплава, содержащее камеру, индукционную катушку, способную возбуждать в камере электромагнитное поле, и систему подвода газа с охлаждающим кольцевым коллектором, способным непрерывно подводить инертный газ к поверхности находящейся в камере детали во время возбуждения электромагнитного поля так, что в детали устанавливается обратный температурный градиент, причем охлаждающий кольцевой коллектор системы подвода газа содержит множество сопел, направленных на деталь, и расположен внутри индукционной катушки.

8. Устройство по п.7, содержащее также блок питания, способный вырабатывать электрический ток, заставляющий индукционную катушку возбуждать электромагнитное поле на частоте, обеспечивающей возникновение вихревых токов во внутренней зоне детали.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области пучково-плазменных технологий улучшения эксплуатационных свойств конструкционных материалов, а также изготовленных из данных материалов изделий за счет модификации их поверхности плазмой в вакууме.

Изобретение относится к способам получения порошка квазикристаллических сплавов системы Al-Cu-Fe и может быть использовано для антифрикционных присадок, антипригарных покрытий, для создания износостойкого инструмента.

Изобретение относится к способам получения гранул металлических материалов с квазикристаллической структурой и может быть использовано для наполнителей композиционных материалов.
Изобретение относится к способам получения порошка металлических материалов с квазикристаллической структурой. .
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам упрочнения жаростойких покрытий деталей из жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано для увеличения прочности и долговечности лопаток турбин газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению ретикулярных никелевых структур из металлизированных поропластов, которые могут быть использованы в качестве основ при производстве аккумуляторов, фильтрующих материалов или носителей катализаторов.
Изобретение относится к области производства труб и может быть использовано при изготовлении тонкостенных и особотонкостенных труб из жаропрочных дисперсионно упрочняемых сплавов на основе никеля.

Изобретение относится к новым химическим соединениям, в частности к хром-кобальт-иттриевому алюминиду с низким содержанием иттрия состава Cr0,180 Co0,215 Al0,60 Y0,005, который может быть применен в качестве материала для жаростойких плазменных покрытий никелевых сплавов, работающих при 900-1000oС в длительном режиме.

Изобретение относится к области термической обработки титана и его сплавов. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам обработки фольги различных типов. .

Изобретение относится к устройствам термообработки стальных изделий непосредственным действием волновой энергии и может быть применено в серийном производстве газовых центрифуг на рабочем месте выполнения технологической операции лазерной закалки торцевой поверхности малогабаритной опорной иглы.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки штампов из полутеплостойких и теплостойких сталей повышенной вязкости, к примеру 5ХНМ и 4Х5МФС, а также пресс-форм из стали 4Х5МФС.

Изобретение относится к способам упрочнения поверхности металлических материалов с помощью формирования наноразмерных покрытий путем воздействия лазерного излучения и может быть применено в различных отраслях промышленности для получения износостойких и антифрикционных покрытий.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии. Для повышения твердости и увеличения глубины прокаливаемости осуществляют предварительную обработку путем нагрева изделия выше критической точки стали, из которой изготовлено это изделие, выдержки и последующего охлаждения на воздухе, причем в процессе охлаждения к изделию прикладывают ударно-импульсные колебания с частотой нанесения ударов от 30 до 10000 герц, а затем проводят закалку.

Изобретение относится к области термической обработке отливок из коррозионно-cтойкой стали мартенситного класса, используемых для высокоточных деталей машиностроения и приборостроения.

Изобретение относится к термообработке, такой как, например, высокочастотная закалка металлических деталей. Устройство для индукционной закалки содержит катушки (26) для индукционного нагрева, которые индуктивно нагревают различные части обрабатываемого целевого участка (A) в осевом направлении заготовки (12), причем заготовка (12) и катушка (26) для нагрева совершают относительное движение вдоль окружного направления (R) обрабатываемого целевого участка (A).
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса, применяемых для изготовления элементов тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.

Изобретение относится к способу термомеханической обработки для получения толстого листа (1) из исходного материала с повышенной вязкостью, в частности низкотемпературной вязкостью.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения. Для предотвращения брака по механическим свойствам непрерывно отожженной металлической заготовки и обеспечения максимального выхода годного осуществляют управление непрерывной термообработкой металлических заготовок, которое включает неразрушающий непрерывный контроль получаемой в результате термообработки характеристики механических свойств, при этом в качестве контрольной характеристики используют значение удельных энергозатрат, проводят сравнение значений текущих энергозатрат со значениями энергозатрат, полученными из предварительно установленных регрессионных зависимостей механических свойств от удельных энергозатрат, обеспечивающими получение необходимых механических свойств, и регулируют режим термообработки заготовки, обеспечивая попадание величины удельных энергозатрат в интервал допустимых значений.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке лазером при изготовлении и ремонте различных машин и механизмов. Для повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов осуществляют лазерную обработку изделий с использованием лазера импульсного действия при полезной энергии импульса 60-500 Дж, плотности мощности импульса 1,2·1010-4,3·1011 Вт/м2, длине волны 1,064·10-6 м, продолжительности импульса 0,8·10-3 с, диаметре луча 1,2·10-3-2,5·10-3 м и расстоянии от места облучения до упрочняемой поверхности 12-30 мм.
Изобретение относится к защитным покрытиям для сталей и сплавов от окисления при технологических нагревах. Технический результат изобретения заключается в уменьшении сцепления покрытия к сталям и увеличении вязкости покрытия при сохранении температуроустойчивости до 1150°C. Защитное покрытие содержит следующие компоненты, мас. %: SiO2 - 23-55, MgO - 6,5-20, Na2O - 0,5-6,5, 3СаО·Al2O3 - 1,5-8,0, BaO·Al2O3· SiO2 - 1,5-4,0, Al2O3- остальное. 2 табл.
Наверх