Комбинированная лазерно-водородная технология упрочнения поверхностей деталей из металлов и сплавов

Изобретение относится к области технологий по упрочнению поверхностных слоев металлических деталей, сочетающих лазерные и водородные технологии по созданию наклепа поверхностных слоев деталей машин, подвергающихся знакопеременным нагрузкам, и может быть использовано в технологии изготовления лопаток компрессоров и турбин, применяемых в самолетостроении. Способ упрочнения поверхности металлической детали включает обработку поверхности детали компрессионным сжатием путем уплотняющего воздействия дробью и/или лазерным лучом, при этом предварительно осуществляют насыщение поверхности металлической детали водородом в количестве, обеспечивающем заполнение всех концентраторов начала микротрещин, а после упомянутой обработки поверхности детали компрессионным сжатием проводят нормализацию металлической детали путем баротермической обработки водородом с нагревом при температуре 50-100 оС и давлении водорода 0,01-0,1 МПа с выдержкой 30-120 мин. В частных случаях осуществления изобретения обработку поверхности детали компрессионным сжатием проводят путем уплотняющего воздействия лазерным лучом в виде лазерного импульса. Обеспечивается уменьшение остаточных напряжений растяжения на поверхностях деталей, что способствует уменьшению зарождения микротрещин в условиях силового и теплового воздействия. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области технологий по упрочнению поверхностных слоев деталей из металлов и сплавов, сочетающих в себе лазерные и водородные технологии по созданию наклепа (упрочнения) поверхностных слоев деталей машин, подвергающихся знакопеременным нагрузкам. Изобретение имеет, в частности, отношение к турбомашинам, а именно к технологии изготовления лопаток компрессоров и турбин, применяемых в самолетостроении, и служит для увеличения срока их эксплуатации в условиях силового и теплового воздействия.

Известен способ [1] объемного импульсного лазерного упрочнения изделий из инструментальных и конструкционных материалов, заключающийся в том, что изделие подвергают однократным воздействием луча лазера на всю глубину с использованием лазера импульсного действия, при полезной энергии импульса 60-500 Дж, с диаметром луча, воздействующего на поверхность детали, (1,2-2,5) 10-3 м.

При такой концентрации энергии непосредственно на поверхности изделия образуется зона термического воздействия и как следствие образование кратера.

Такой способ пригоден для обработки режущего инструмента с последующей его заточкой, но не пригоден для обработки сформированного профиля поверхности лопаток турбомашин на конечной технологической операции.

Авторами [2] предложен способ исключения образования кратеров и выкрашивания упрочненного слоя от воздействия лазерным лучом методом применения абляционного слоя.

Предложенный способ заключается в нанесении первого слоя путем напыления или окунания тонкого технологического покрытия, не содержащего пузырьков воздуха. Наносят второй слой на первый и наносят импульс лазерного света на второй слой, при этом импульс лазера имеет достаточную плотность энергии для абляции участка второго слоя с образованием плазмы и создания ударной волны с дальнейшим воздействием ударной волны на первый слой и поверхность обрабатываемой заготовки.

Недостатками предложенного способа упрочнения поверхности заготовки являются трудности повышения энергии лазерного воздействия на поверхность обрабатываемой заготовки без разрушения ее поверхности.

Применение гибридных абляционных слоев с применением эластичных материалов, включая фольгу из мягких материалов, также малоэффективно, так как не исключает появления локальных кратеров.

Появление локальных кратеров и как следствие существенное повышение концентраторов напряжений на наружной упрочненной поверхности изделия при использовании лазеров с выходной энергией 50 Дж, частотой следования импульсов 0,25 Гц и длительности импульса 6-40 нс приводит также к внутренним концентраторам напряжений в приповерхностном слое.

Особенностью упрочнения поверхностного слоя обрабатываемого образца коротким лазерным импульсом и на малом пятне контакта локального ударного воздействия приводит к сжимающим остаточным напряжениям в обрабатываемом слое, как по самой поверхности, так и вглубь.

Но между упрочненным поверхностным слоем, для которого характерно объемное сжатие, в переходном слое, граничащим с одной стороны с поверхностным упрочненным слоем и нижележащим слоем, которого не достигла деформация, имеет место сложное напряженное состояние, при котором одним из главных напряжений будет иметь место остаточное растягивающее усилие.

Кроме того, как показали исследования в [3], при многократном лазерном воздействии в одну точку остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое возрастают, а значит, возрастают и растягивающие усилия в переходном слое.

При обработке протяженной поверхности образцов [4] лазерным лучом с перекрытием лазерных пятен возникает еще более сложная картина напряженного состояния в областях перекрытия лазерных пятен. В этих чередующихся зонах при пошаговом перемещении луча могут возникнуть зоны с растягивающими напряжениями в области предела прочности и как следствие высокая вероятность появления зародышей микротрещин.

Авторами этих исследований основное внимание уделено только состоянию поверхностным участкам обработанного материала при его объемном сжатии, а переходная область оставлена без внимания.

Проблема упрочнения материалов в виде наклепа широко известна в повседневной жизни. Это касается всех ударных инструментов, бойки которых разрушаются в виде сколов и отслоений в местах контакта с инструментом. Сюда следует отнести и разрушение обычного зубила при взаимодействии с бойком молотка.

В патенте [5], принятом за прототип, выявлены зоны с растягивающими напряжениями и предпринята попытка ликвидировать опасность зарождения микротрещин с дальнейшим их развитием на примере лопатки турбомашины.

Предложенная технология обработки металлической детали включает в себя дробеструйную обработку, по меньшей мере, одной первой зоны с, по меньшей мере, одним первым слоем, подвергаемым компрессионному сжатию, и второго нижележащего слоя расположенного на значительно большей глубине детали подвергаемого компрессионному сжатию обработкой уплотняющим воздействием лазерного луча.

При обработке детали сначала осуществляют дробеструйную обработку первой зоны, а затем компрессионное сжатие посредством уплотняющих ударов лазерного луча.

Авторами подтверждается, что в зонах поверхности, подверженных интенсивной обработке бомбардировкой дробью, как и в случае применения уплотняющих ударов лазерным лучом наблюдалось местное создание растягивающих напряжений в точках расположенных на периферии изделия.

Поэтому необходимо снижать возможность возникновения указанных растягивающих напряжений за счет исключения возможности образования значительных градиентов напряжений и удаления зон с напряжениями растяжения от особо нагруженных мест изделия.

Однако технологические операции, включающие в себя обработкой дробью и уплотняющих ударов лазерным лучом, лишь частично решают поставленную задачу повышения надежности работы металлической детали на усталость.

Авторы утверждают, что в предпочтительном варианте изобретения обе поверхностные зоны (одна обработанная дробью плюс лазером, а другая только дробью), примыкающие друг к другу, создают плавный градиент остаточных напряжений в противоположность деталям, которые содержат зоны, обработанные ударами лазерного луча и контактирующие с зонами без какой-либо обработки.

Поэтому создание плавного перехода в виде градиента остаточных напряжений между зонами, обработанными двойным и одинарным упрочнением, способствует уменьшению риска возникновения трещин на поверхности металлической детали в процессе ее эксплуатации.

Однако в предложенном патенте не затронута проблема вероятности образования концентраторов напряжений с дальнейшим развитием микротрещин на глубине слоя подверженного остаточным напряжениям растяжения.

Из проведенного анализа технологических приемов упрочнения поверхностей изделий из металлов и сплавов следует, что с формированием только одних остаточных напряжений сжатия поверхностного слоя с различными технологиями их применения принципиально невозможно избавиться от остаточных напряжений растяжения или их существенно уменьшить в слое и в меньшей степени на поверхности обрабатываемой металлической детали.

Очевидно, что проблема исключения зарождения микротрещин в концентраторах с остаточным напряжением растяжений в принципе не может быть решена с применением только одномерного физического воздействия на упрочняемую поверхность металлической детали.

Указанный недостаток устраняется с помощью применения комбинированной ударно-водородной технологии, которая заключается в том, что все потенциальные концентраторы начала микротрещин, вызванные сложным напряженным состоянием поверхности металлической детали в процессе и после упрочнения поверхности силовым воздействием, например с помощью компрессионного сжатия путем уплотняющего воздействия лазерным лучом в виде лазерного импульса, купируются предварительно растворенным в теле детали водородом, выполняющим роль легирующего элемента, с дальнейшей нормализацией состояния детали баротермической обработкой водородом.

Для этого предварительно осуществляют насыщение поверхности металлической детали водородом в количестве, обеспечивающем заполнение всех концентраторов начала микротрещин, а после упомянутой обработки поверхности детали компрессионным сжатием проводят нормализацию металлической детали путем баротермической обработки водородом с нагревом при температуре 50-100 °С и давлении водорода 0,01-0,1 МПа с выдержкой 30-120 мин.

Захват водорода энергетическими ловушками кристаллической структуры материала в виде дислокаций, вакансий, дефектов решетки упрочняет материал и впервые это явление было исследовано и применено еще в 1973 г. советским ученым В.А. Гольцовым [6].

Практическая реализация водородофазового наклепа связана с точной дозировкой растворенного водорода применительно к конкретному металлу детали.

А в 70-е годы была выдвинута гипотеза и экспериментально подтверждено существование явление управляемого внутреннего фазового водородного наклепа и представлены новые понятия сформулированных научных принципов и концепций.

Одними из основных принципов этого научного направления [7] являются то, что водород является универсальным внешним агентом и легирующим элементом, обеспечивающим возможность новых эффективных методов обработки металлических деталей, и что, используя воздействие водородом и водородофазовым наклепом, можно существенно упрочнять и пластифицировать поверхности этих металлических деталей.

На механизм благотворного влияния водорода на технологическую пластичность металлов и сплавов обращали внимание все больше исследователей. Из отечественных исследований можно отметить работы [8, 9, 10, 11].

Ввиду высокой подвижности растворенного водорода в металлах и сплавах, так согласно [12] коэффициенты диффузии водорода в металлах и сплавах на 15-20 порядков выше, чем для кислорода или азота при комнатных температурах, и на 20-30 порядков выше атомов собственной решетки металлов, растворенный водород проникает на большую глубину и занимает места в энергетических ловушках в переходной зоне с остаточными растягивающими напряжениями, вызванными силовым упрочнением поверхности материала дробью или лазером.

Перетекание растворенного водорода в места с растянутыми волокнами металла или сплава известно как эффект Горского [12, 13] и с учетом высокой подвижности растворенного водорода начало заполнения атомами водорода энергетических ловушек в виде дислокаций, вакансий, дефектов решетки происходит уже в процессе деформирования поверхности слоя металла и дополнительно их пластифицирует.

После силового упрочнения поверхности металлической детали дробью или лазером, водород, заполняя оставшиеся энергетические ловушки в виде дислокаций, вакансий, дефектов решетки, снимает растягивающие напряжения в слое и в местах перекрытия лазерных пятен на поверхности обрабатываемой металлической детали.

Обработку поверхности детали компрессионным сжатием проводят путем уплотняющего воздействия лазерным лучом в виде лазерного импульса.

Наиболее предпочтительным способом предварительного насыщения водородом поверхности металлической детали является баротермическая обработка детали газообразным водородом, например, представленная в [6], при которой производят дегазацию растворенных в металлической детали растворенных газов азота, кислорода и др., для чего металлическую деталь помещают в барокамеру и с нагревом создают вакуум. Затем на горячую деталь подают водород под давлением, выдерживают во времени и охлаждают в присутствии водорода.

На фиг. 1 представлена идеализированная изотерма предварительного насыщения водородом поверхности детали. На оси абсцисс отражено количество растворенного водорода ξ, на ординате - давление Р при фиксированной температуре Т.

Здесь участок 1 - отражает растворенный водород в металле или сплаве и обозначается как α фаза, 2 - участок (α+β)-начало фазового превращения с образованием гидридной β фазы и его полного образования до β фазы и участок 3 - растворение водорода в гидридной β фазе.

Начало 2 участка - это начало водородной коррозии и разрушения металла или сплава, поэтому для водородного наклепа используется начальная часть 1 участка, количество растворенного водорода в котором отражено заштрихованной областью.

Точное значение количества растворенного водорода индивидуально для каждого металла или сплава и принимается в пределах Δξ=(0-50)% α фазы.

После обработки поверхности детали компрессионным сжатием проводят нормализацию металлической детали путем баротермической обработки водородом с нагревом при температуре 50-100 °С и давлении водорода 0,01-0,1 МПа с выдержкой 30-120 мин.

Использованные источники

1. Патент РФ №2517632.

2. Патент РФ №2433896.

3. Сахвадзе Г.Ж., Гаврилина Л.В. Лазерно-ударная обработка материалов при однократных и многократных импульсных воздействиях. Журнал Проблемы машиностроения и надежности машин №6, 2015 г.

4. Сахвадзе Г.Ж., Гаврилина Л.В., Киквидзе О.Г. Влияние эффекта перекрытия лазерных пятен на остаточные напряжения при лазерно-ударно-волновой обработке материалов. Журнал Проблемы машиностроения и надежности машин №3, 2016 г.

5. Патент РФ №2407620.

6. А.с. СССР №510529.

7. Гольцов В.А. Водородофазовый наклеп и водородная обработка материалов. Журнал Альтернативная энергетика и экология, №1, 2014 г.

8. Ильин А.А. Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах, легированных водородом // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1987. №1. С.96-101.

9. Носов В.К., Колачев Б.А. Водородное пластифицирование при горячей деформации титановых сплавов. М.: Металлургия, 1986. 118 с.

10. Ливанов В.А., Колачев Б.А., Носов В.К. О механизме благоприятного влияния водорода на технологическую пластичность титановых сплавов // В кн.: Металловедение и литье легких сплавов. - М.: Металлургия. 1977, с. 312-320.

11. Носов В.К., Колачев Б.А., Павлов Е.И. Водородное пластифицирование жаропрочных титановых сплавов. Изв. АН СССР. Металлы. 1983. №1. С. 134-137.

12. Водород в металлах. Книга под редакцией Г. Алефельда и И. Фелькля, том 1, Основные свойства. Издательство <Мир>, Москва, 1981 г.

13. Водород в металлах. Книга под редакцией Г. Алефельда и И. Фелькля, том 2, Прикладные аспекты. Издательство <Мир>, Москва, 1981 г.

1. Способ упрочнения поверхности металлической детали, включающий обработку поверхности детали компрессионным сжатием путем уплотняющего воздействия дробью и/или лазерным лучом, отличающийся тем, что предварительно осуществляют насыщение поверхности металлической детали водородом в количестве, обеспечивающем заполнение всех концентраторов начала микротрещин, а после упомянутой обработки поверхности детали компрессионным сжатием проводят нормализацию металлической детали путем баротермической обработки водородом с нагревом при температуре 50-100 оС и давлении водорода 0,01-0,1 МПа с выдержкой 30-120 мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку поверхности детали компрессионным сжатием проводят путем уплотняющего воздействия лазерным лучом в виде лазерного импульса.



 

Похожие патенты:

Способ включает в себя формирование заданной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза с помощью имплантации ионами бора с энергией 10-100 кэВ, дозой облучения 1⋅1015-1.0⋅1020 ион/см2 через поверхностную маску.

Изобретение относится к способам защиты металлов от коррозии, в частности к способу нанесения защитного покрытия на подложку из железа, и может быть использовано для изготовления изделий и деталей, работающих в агрессивных средах, для нефтяной, газовой, химической и других отраслей промышленности.
Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к модификации изделий из твердых сплавов, применяемых в машиностроении для холодной и горячей механической обработки неметаллов, металлов и металлических сплавов, например, фрезерованием.

Изобретение относится к способу нанесения твердых износостойких наноструктурных покрытий из аморфного алмазоподобного углерода и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, медицине, химической промышленности.
Изобретение относится к способу защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии. Осуществляют упрочняющую обработку микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя лопаток блиска с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом.
Изобретение относится к способу упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или паровой турбины из титановых сплавов.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической деформации ответственных силовых деталей: лопасти компрессоров ГТД, валы, роторы и т.д.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для формирования покрытий путем импульсно-периодического плазменного осаждения, а также для изменения механических, химических, электрофизических свойств приповерхностных слоев материалов.
Изобретение относится к ионной химико-термической обработке и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и изготовлении инструментов.

Изобретение относится к способу ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов.

Изобретение относится к области термической обработки, в частности к дисковой пиле, используемой в деревообрабатывающей промышленности. Для создания термодинамических напряжений в полотне пилы в оптимальных зонах диска пилы, повышения динамической устойчивости пил при эксплуатации и качества подготовки к работе способ включает натяжение полотна круглой пилы, выполненное посредством разгона и бесконтактно индукционного нагрева по одной или нескольким локальным зонам пильного полотна, при этом нагрев ведут по заданным кольцевым следам в зоне 0,5-0,8 радиуса пилы, с шириной теплового следа, уменьшающейся по мере приближения к периферии диска, до температуры 400–600°С, при которой предел текучести материала пилы становится ниже механических радиальных напряжений, действующих при вращении в нагреваемых кольцевых зонах пильного полотна.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к горячештампованной стали, используемой в автомобилестроении. Горячештампованная сталь включает основной металл, выполненный в форме листа и имеющий отпущенный участок по меньшей мере на своей поверхности, и слой Zn покрытия, сформированный на упомянутом отпущенном участке основного металла.

Группа изобретений относится к горячештампованной стали. Часть стали является отпущенной, или вся сталь является отпущенной и имеет твердость, соответствующую 85% или меньше от максимальной закалочной твердости, определяемой как твердость по Виккерсу в положении глубины, отстоящем от поверхностного слоя на 1/4 толщины листа, при выполнении закалки в воде после нагревания до температуры, равной или выше, чем температура точки Ac3, и выдержки в течение 30 мин.
Изобретение относится к области металлургии. Для повышения надежности холоднодеформированных металлических изделий за счет повышения их пластичности и вязкости без снижения показателей прочности и твердости, а также снижения продолжительности обработки изделие после холодного пластического деформирования подвергают воздействию пульсирующим дозвуковым воздушным потоком, имеющим частоту, соответствующую частоте собственных колебаний обрабатываемого изделия, и звуковое давление 100-145 дБ при температуре от -20°С до +5°С..

Изобретение относится к области термической обработки и может быть использовано при термической обработке литых деталей из высокомарганцовистых сталей, работающих в условиях интенсивного абразивного и ударного воздействия.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроительной и радиотехнической промышленности. Техническим результатом изобретения является упрощение и сокращение процесса закалки и улучшение экологии.

Настоящее изобретение относится к металлургии, а именно к способам упрочняющей обработки окончательно изготовленных стальных деталей машин и инструментов без изменения их первоначальных размеров и структуры.

Изобретение относится к области машиностроения, а в частности к обработке металлических листов с целью обеспечения их жесткости. В способе обеспечения жесткости металлического листа посредством локального переплава механической и химической обработкой подготавливают металлический лист необходимых размеров в диапазоне (Д×Ш×Т) 300×100×2 мм до 3000×1500×12 мм из перлитных, бейнитных или мартенситных закаливающихся сталей марок 30ХГСА, 35ХГСА и прочих.

Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения эксплуатационных свойства режущего инструмента и деталей проводят химико-термическую обработку деталей в условиях акустического резонансного воздействия потоком сжатого воздуха путем нагрева до температуры от 150 до 450 С° и охлаждения деталей в газовой смеси, состоящей из воздуха и газообразных химических реагентов, при этом нагрев и охлаждение деталей осуществляют в резонаторной камере при давлении 1.5-4.5 атм и воздействии на детали циркулирующим потоком сжатого воздуха на резонансной частоте в диапазоне 500-5000 Гц, а концентрация газовых компонент по отношению к воздушной среде в камере составляет: по водороду: от 2 до 2.5%, по метану: от 10 до 25%, по азоту: от 15 до 25%, по аммиаку: от 15 до 45%.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к термической обработке горячекатаного рулонного проката из легированных доэвтектоидных сталей типа 50ХГФА, предназначенного для изготовления нажимных пружин сцепления.

Изобретение относится к области металлургии. Для предотвращения изменения температуры в области тепловой обработки труб способ обработки трубы включает: первый этап размещения во внутренней полости трубы через по меньшей мере одно отверстие, выполненное в ней, по меньшей мере одного расширительного элемента с подающей трубкой, выполненных из гибкого материала, и его расположения по меньшей мере с одной стороны нагреваемого участка трубы посредством воздушного потока, создаваемого во внутренней полости трубы; второй этап подачи текучей среды через гибкую подающую трубку в по меньшей мере один расширительный элемент с обеспечением надувания расширительного элемента и перекрытия внутренней полости трубы по меньшей мере с одной стороны нагреваемого участка трубы; третий этап нагрева участка трубы путем подачи электрического тока к индукционной катушке, расположенной на внешней поверхности нагреваемого участка трубы при одновременном перекрытии по меньшей мере с одной стороны нагреваемого участка внутренней полости трубы с помощью расширительного элемента. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области технологий по упрочнению поверхностных слоев металлических деталей, сочетающих лазерные и водородные технологии по созданию наклепа поверхностных слоев деталей машин, подвергающихся знакопеременным нагрузкам, и может быть использовано в технологии изготовления лопаток компрессоров и турбин, применяемых в самолетостроении. Способ упрочнения поверхности металлической детали включает обработку поверхности детали компрессионным сжатием путем уплотняющего воздействия дробью иили лазерным лучом, при этом предварительно осуществляют насыщение поверхности металлической детали водородом в количестве, обеспечивающем заполнение всех концентраторов начала микротрещин, а после упомянутой обработки поверхности детали компрессионным сжатием проводят нормализацию металлической детали путем баротермической обработки водородом с нагревом при температуре 50-100 оС и давлении водорода 0,01-0,1 МПа с выдержкой 30-120 мин. В частных случаях осуществления изобретения обработку поверхности детали компрессионным сжатием проводят путем уплотняющего воздействия лазерным лучом в виде лазерного импульса. Обеспечивается уменьшение остаточных напряжений растяжения на поверхностях деталей, что способствует уменьшению зарождения микротрещин в условиях силового и теплового воздействия. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх