Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

УДК 669-1

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ LMD

ДЛЯ РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Е.В. Кондрашов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: Jonn1987@mail.ru

Рассмотрены примеры как внедряемых, так и уже внедренных в производство технологий порошковой наплавки LMD (Laser Metal Deposition). Даны теоретические сведения по LMD-

обработке. Приведены краткие сведения по металлографическим исследованиям, а также фотографии выполненных работ. Описаны преимущества, которые способствуют внедрению лазерной обработки в производство.

Ключевые слова: лазерная адаптивная наплавка, ремонт, блиск, лопатка, компрессор высокого давления, технология.

Аддитивные технологии находят все более широкое применение, открывая новые возможности при создании высокотехнологичных изделий. Технология прямого нанесения металла (LMD-технология) применяется для восстановления поврежденных деталей авиационного двигателя методом адаптивной газопорошковой лазерной наплавки. Стоимость восстановления таких деталей в разы дешевле, чем изготовление новых, к тому же ремонт осуществляется в самые короткие сроки.

На ОАО «Авиадвигатель» был внедрен лазерный обрабатывающий центр, который способен решать ряд технологических задач, в том числе газопорошковая лазерная наплавка (LMD). Результатынекоторыхэкспериментальныхработприведеныниже.

Восстановление входной кромки лопатки моноколеса методом LMD

Экспериментальные работы по адаптивной наплавке проводились путем восстановления входной кромки лопатки сектора моноколеса из титанового сплава. Для решения поставленной

171

задачи были подготовлены лопатки в составе сектора моноколеса из материала на основе титана с предварительно отфрезерованной под наплавку входной кромкой (рис. 1, а).

Для наплавки применялся сферический порошок из материала Ti6Al4V с размером гранул 45–75 мкм. Наплавленная входная кромка и торец лопатки приведены на рис. 1, б.

2

1

аб

Рис. 1. Восстановление лопатки моноколеса методом LMD:

а– форма наплавляемой кромки:

1– лопатка сектора моноколеса; 2 – наплавляемая зона;

б– наплавленная входная кромка и торец лопатки

Металлографические исследования качества наплавленной зоны показали, что между основным материалом и материалом наплавки имеется четкая граница раздела. На границе раздела и в материале наплавки дефектов типа трещин, пористости не выявлено. Микроструктура имеет мелкоигольчатое строение, что вероятнее всего свидетельствует о высокой скорости охлаждения наплавленного металла.

172

Восстановление конической поверхности стенки жаровой трубы камеры сгорания

Наплавка на деталь из жаропрочного никелевого сплава производилась порошком из аналогичного сплава. Предварительно на конической поверхности тестовой заготовки толщиной 1,2 мм был экспериментально подобран режим наплавки и определены геометрические параметры наплавленных слоев (ширина и высота).

Процесс наплавки LMD и полностью восстановленная поверхность стенки жаровой трубы после механической обработки приведены на рис. 2, а, б.

Рис. 2. Процесс наплавки LMD на поверхность восстанавливаемой стенки жаровой трубы камеры сгорания (а); поверхность после механической обработки (б); поперечный макрошлиф наплавленных слоев (в)

Металлографические исследования тестовых образцов (рис. 2, в) и визуальный осмотр не выявили в зоне наплавки дефектов типа трещин, микропор и несплавлений.

Восстановление крайних гребешков рабочих лопаток ТВД после эксплуатации

Была разработана и применена альтернативная технология восстановления крайних гребешков рабочих лопаток ТВД взамен применяющейся на серийном заводе с использованием аргоннодуговой сварки в специальной оснастке с водяным охлаждением.

Для восстановления был использован метод адаптивной импульсной лазерной порошковой наплавки.

173

Режим импульсной наплавки на рабочие лопатки, обеспечивающий отсутствие недопустимых дефектов (трещин, несплавлений), отрабатывался на образцах лопаток из жаропрочного сплава на никелевой основе.

Рис. 3. Наплавка крайних гребешков рабочей лопатки:

а – процесс наплавки рабочей лопатки ТВД; б, в – внешний вид наплавленных гребешков рабочей лопатки ТВД

Визуальный осмотр, а также дополнительно проведенный ЛЮМ-1ОВ контроль гребешков показал, что недопустимые дефекты (трещины, поры и т.п.) в материале наплавки отсутствуют.

Выводы по работе:

1.В результате проведенной работы показана эффективность применения модульной лазерной установки и реализуемых на ее базе технологий при восстановлении деталей и узлов авиационного двигателя. Лазерная наплавка жаропрочных никелевых, титановых сплавов позволяет продлить ресурс деталей за счет внедрения технологий ремонта.

2.Показана возможность применения технологии лазерной адаптивной наплавки LMD для ремонта лопаток моноколес компрессора газотурбинного двигателя.

174

УДК 621.787.6

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

А.А. Кочубей, В.А. Лебедев

Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия

e-mail: watchbox@mail.ru

Представлен обзор динамических методов поверхностного пластического деформирования (ППД). Определены предпосылки решения проблемы отделочно-упрочняющей обработки деталей авиационных изделий с применением вращающегося электромагнитного поля. Также приведен обзор общих закономерностей ферромагнитных инденторов, выполненных в различном конструктивном исполнении, их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: индентор, вращающееся электромагнитное поле, отделочно-упрочняющая обработка, поверхност- но-пластическое деформирование.

Имеющаяся на сегодняшний день научно-техническая литература предлагает большой спектр методов ППД, применяемых для отделочно-упрочняющей обработки поверхности.

Анализ методов ППД, получивших применение в технологических процессах отделочно-упрочняющей обработки деталей, позволяет классифицировать их по различным признакам, в частности, по виду обрабатывающей среды, характеру силового воздействия инструмента или обрабатывающей среды, виду источника энергии деформирующих тел, связи деформирующих тел с источником энергии, состоянию обрабатывающей среды.

В составе динамических методов ППД свободнодвижущимися телами можно выделить ряд методов: дробеструйная; гид-

175

родробеструйная; дробеметная; гравитационная; ударно-ба- рабанная; ударно-импульсная; виброударная; ультразвуковая; пневмодинамическая.

Эта группа методов достаточно фундаментально научно исследована и широко используется в технологиях отделочноупрочняющей обработки деталей на операциях удаления заусенцев, скругления острых кромок, шлифования, очистки от окалины, полирования, отделки, упрочнения.

Однако следует отметить, что указанные методы имеют ограниченную область рационального применения. До сих пор окончательно не решен вопрос применения этих методов для обработки деталей такого типа конструкций, как: длинномерные детали со сравнительно малой площадью сечения, внутренние поверхности полых деталей, тонкостенных деталей. Существующие методы очень громоздки, материалоемки и энергоемки, а методы обработки внутренних поверхностей полых деталей имеют сложную кинематическую схему связи деформирующих тел с источником энергии. Также вышепредставленные методы ограничены в применении приобработке маложестких итонкостенных деталей из-за возникающих геометрическихпогрешностей.

Воснове отделочно-упрочняющей обработки в условиях вращающегося электромагнитного поля лежит процесс взаимодействия хаотично двигающихся ферромагнитных инденторов

иподвергаемой обработке детали, представляющих в совокупности систему тел, находящихся под воздействием вращающегося электромагнитного поля.

Врезультате взаимодействия осуществляются процессы упругопластической деформации поверхностного слоя, сопровождающиеся тепловыми, адгезионными и диффузионными явлениями. При этом происходит охватывание всего объема обрабатываемой детали, что также относится к деталям, имеющим внутренние полости. Воздействие вращающегося электромагнитного поля, суммирующегося с локальными магнитными полями, излучаемыми самими инденторами, а также деформиро-

176

вание при контакте индентора с поверхностью, активируют химические и физические процессы, происходящие на поверхности обрабатываемой детали.

Таким образом, как следует из обзора работ1, процесс отде- лочно-упрочняющей обработки в условиях вращающегося электромагнитного поля является сложным комплексом механо- физико-химических явлений, оказывающих существенное влияние на состояние поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Вышеприведенные примеры, а также результаты предварительных экспериментальных исследований по использованию инденторов для обработки в различном геометрическом исполнении позволяют судить об области предпочтительного применения инденторов в цилиндрической форме исполнения с отношением l/d = 8…12 в технологических процессах отделочноупрочняющей обработки.

Специфика геометрии группы обрабатывающей среды с данными геометрическими характеристиками обусловлена особенностью магнитных свойств тел данного типа конструкций, в результатечегоформируетсяхарактердвижениявихревогослоя.

В отличие от элементов среды, выполненных в сферическом исполнении, они обладают большим магнитным моментом, что определяет характер большей хаотичности в их движении, в результате чего характеристики динамического состояния среды имеют более упорядоченную структуру с однородностью заполнения рабочей средой во всем сечении рабочей камеры, что исключает наличие темных зон, в отличие от тел другого геометрического исполнения при аналогичной природе воздействия обрабатывающей среды на технологический материал.

Область обработки изделий охватывает преимущественно обработку деталей авиационных изделий. Ввиду того что в качестве технологического материала можно использовать только немагнитные материалы, а в авиации применяются преимущест-

1 Логвиненко Д.Д., Щеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. Киев: Техника, 1976. 143 с.

177

венно детали на основе алюминиевых сплавов, область применения как нельзя лучше подходит для данного направления.

Указанные особенности обрабатывающих сред, с учетом присущих им общих закономерностей протекания процесса, при обработке динамическими методами ППД свободнодвижущимися телами предопределяют их технологическое назначение на операциях отделочно-упрочняющей обработки деталей, обладающих выраженными парамагнитными свойствами, таких как тонкостенные трубы, стрингеры, пояса, а также на операциях, обеспечивающих как подготовку поверхностей для сварки в среде инертных газов, нанесение антикоррозийных и других специальных покрытий, так и улучшение качества уже сформированных на поверхности покрытий.

Данный вид отделочно-упрочняющей обработки свободнодвижущимися телами, выделенный в группе динамических методов ППД, в силу его физической (магнитной) природы, имеет свои особенности и требует проведения специальных научных исследований, с целью обоснования его практического применения в технологии отделочно-упрочняющей обработки. Кроме того, очень важно подчеркнуть, что применение выбранного для исследований метода в технологических целях отделочноупрочняющей обработки позволит решить проблему обработки деталей такого типа конструкции, как длинномерные детали со сравнительно малой площадью сечения, внутренние поверхности полых деталей, тонкостенных деталей.

178

УДК 621.923.4

ТЕХНОЛОГИИ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАБОТКИ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.Ф. Макаров1, А.Е. Мешкас2, В.В. Ширинкин3

Пермский национальный исследовательский политехнический университет1, Пермь, Россия

АО «Пермский завод «Машиностроитель»2,3, Пермь, Россия

е-mail: makarovv@pstu.ru1, a-meshkas@mail.ru2, v-shirinkin@pzmash.perm.ru3

Рассмотрены основные проблемы, возникающие при механической обработке (сверлении, разрезке, точении, фрезеровании) современных высокопрочных полимерных композиционных материалов, применяемых в машиностроении. Проведено сравнение особенностей обработки различных полимерных композиционных материалов. Изучен процесс образования дефектов обработки при точении, фрезеровании и сверлении полимерных композиционных материалов на основе стеклоэпоксидных наполнителей. Проведены исследования применения современных методов обработки полимерных композиционных материалов. Представлены пути решения современных проблем механической обработки полимерных композиционных материалов. Проведен анализ качественной оценки результатов механической обработки полимерных композиционных материалов со стеклоэпоксидными наполнителями и углеродуглеродными волокнами.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, качество, сверление, разрезка, точение, фрезерование, дефекты, проблемы, анизотропия свойств, волокна, режущий инструмент, стойкость инструмента.

В настоящее время все большее количество предприятий во- енно-промышленного комплекса изготавливают продукцию гражданского назначения и специального назначения для авиацион-

179

ной и ракетно-космической техники с применением деталей и узлов ПКМ. Развитие этой современной наукоемкой техники неразрывно связано с разработкой новых конструктивных решений, прогрессивных технологий, совершенствованием существующих или созданием новых материалов из ПКМ. Среди новых материалов в последнее время большое внимание уделяется широкому использованию композиционных материалов, обладающих в отличие от жаропрочных сталей и сплавов специфичными уникальными свойствами. Объемы использования ПКМ во всех странах увеличиваются. Например, производство композитов в США в период 2000–2014 гг. увеличивалось на 35–40 % ежегодно, и сегодня наблюдается аналогичная динамика.

Цель данной работы – выявление механизмов взаимодействия между режущим инструментом и материалами, подвергающимися обработке, также изучение основных проблем механической обработки и пути их решения, возникающие при изготовлении узлов реверса перспективного двигателя ПД-14, разработчиком которого является ОАО «Авиадвигатель».

Более чем на 90 % узлы реверса двигателя ПД-14 изготавливаются из высокопрочных композиционных материалов, таких как препрег из углепластика ВКУ-29 ТУ 1-595-11-1352–2012, ВКУ-39 ТУ 1-595-11-1352–2012 и препрег из стеклопластика ВПС-48/7781 ТУ 1-595-10-1380–2013. Применение этих материа-

лов обусловлено тем, что стеклопластиковые и углепластиковые ПКМ образованы комбинацией волокон (стеклянных или углеродных) и полимерной матрицы. Волокна легкие, жесткие и прочные, они обеспечивают наибольшую жесткость и прочность. Полимерная матрица связывает волокна вместе, таким образом, перераспределяет нагрузки армированных волокон и обеспечивает защиту волокон от воздействия внешней среды. Различные виды ориентации волокон представлены в таблице.

При механической обработке (сверлении и фрезеровании) деталей из углепластика и стеклопластика возникают дефекты, такие как отслоение и вырыв волокна. Из-за данных дефектов резко сокращаются силы, противодействующие усталостным

180