Способ поверхностного упрочнения титановых сплавов

Решетневские чтения

УДК 629.7.023

А. Е. Михеев, С. С. Ивасев, А. В Гирн, Д. В. Орлова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Предложен способ поверхностного упрочнения титановых сплавов путем нагрева изделия в среде азота концентрированным источником энергии.

Одной из наиболее важных задач в машиностроении является улучшение механических характеристик деталей, работающих в условии изнашивания. Применение деталей из титановых сплавов, работающих в таких условиях, ограничивается его невысокой износостойкостью.

Анализ состояния современных методов упрочнения поверхности деталей машин показывает, что одним из наиболее перспективных направлений является упрочнение с использованием концентрированных источников энергии. Это обусловлено тем, что в последнее время основным направлением развития новых методов обработки является стремление повысить скорость нагрева, охлаждения и деформации. Это позволяет увеличить концентрацию дефектов кристаллической решетки обработанных материалов, изменить их распределение и в результате улучшить механические и другие важные для техники свойства материалов.

Задачей исследования является повышение износостойкости и коррозионной стойкости титановых сплавов.

В работе предложен способ поверхностного упрочнения титановых сплавов концентрированным источником энергии в среде азота. В качестве концентрированного источника может использоваться электрическая дуга или плазменная струя.

Установка для упрочнения (рис. 1) состоит из сварочной или плазменной головки 1, содержащей не-плавящийся электрод 2. Между электродом и обраба-тываемым изделием 3 горит электрическая дуга или плазменная струя 4.

Процесс упрочнения происходит следующим образом. Электрическая дуга или плазменная струя, горящая в атмосфере азота, перемещается по обрабатываемой поверхности со скоростью V и осуществляет практически мгновенный локальный нагрев верхнего слоя изделия. Одновременно с нагревом осуществляется насыщение поверхностного слоя азотом за счет высокой скорости диффузии азота в поверхность титана. В результате сверхскоростного нагрева и охлаждения за счет кондуктивного теплообмена, а также поверхностного азотирования на изделии образуется слой в виде дорожки с высокой микротвердостью и коррозионной стойкостью.

Плотность мощности электрической дуги или плазменной струи составляет д > 103 Вт/см3, сила тока I - 60...200 А, напряжение и - 35...45 В, диаметр пятна нагрева при этом составляет 3.8 мм. Скорость обработки Vсоставляет 0,005.0,03 м/с, расход азота 0 - 50.100 л/мин.

Способ позволяет обрабатывать изделия как плоской, так и цилиндрической формы. Обработка может производиться как с перекрытием дорожек, так и с шагом между ними.

Представленный на рис. 2 микрошлиф титана ВТ-6 показывает, что в результате обработки на поверхности титана формируется многослойная структура с высокой микротвердостью, состоящая из слоя нитрида титана 1, слоя диффузионного насыщения 2 и слоя термического влияния 3 плавно переходящего в основной объем материала 4.

Рис. 1. Схема установки для упрочнения титановых сплавов: 1 - сварочная головка; 2 - электрод; 3 - изделие; 4 - электрическая дуга

Рис. 2. Микрошлиф титана ВТ-6: 1 - слой нитрида титана; 2 - слой насыщения;

3 - слой термического влияния; 4 - основной материал

Поверхностный слой, имеющий характерный золотистый цвет, содержит наряду с нитридом титана включения окисной гидридной фазы. Микротвердость составляет от 9.12 ГПа, при исходной микротвердости около 4 ГПа. Глубина упрочненного слоя достига-

4

Проектирование и производство летательнъхаппаратов, космические исследования и проекты

ет 1,5 мм. Ширина дорожки за 1 проход составляет 2...6 мм.

Экспериментально установлено, что при режимах обработки V = 0,005.0,01 м/с и силе тока 100.200 А наблюдается качественная упрочненная поверхность с максимальной глубиной.

Максимальная микротвердость наблюдается при скорости до 0,01 м/с и силе тока до 120 А. При увели-

чении скорости обработки более 0,03 м/с и уменьшении силы тока менее 80 А, снижается толщина и микротвердость упрочненного слоя вследствие недостаточного времени термодиффузии и невысокой температуры нагрева. При уменьшении скорости обработки менее 0,005 м/с и увеличении силы тока свыше 150 А, происходит ухудшение качества поверхности, образование пор и трещин.

A. Ye. Miheev, S. S. lvasev, A. V. Girn, D. V. Orlova Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

METHOD OF SURFACE HARDENING OF TITANIUM ALLOY

Method of surface hardening of titanium alloy by heating of article in nitrogen medium with use concentrated energy source was offered.

© Михеев А. Е., Ивасев С. С., Гирн А. В., Орлова Д. В., 2010

УДК 621.396.67

М. М. Михнев, В. В. Злотенко, Н. Н. Ишенина, М. А. Гордовенко

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

ФОРМОВАНИЕ ТРЕХСЛОЙНОГО УГЛЕПЛАСТИКОВОГО РЕФЛЕКТОРА СПЕЦИАЛЬНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ФОРМЫ

Кратко описана конструкция и технология формования углепластикового рефлектора специальной пространственной формы, изготовленного на оправке из высокоплотного мелкозернистого графита ШЕМЗ. Представлены экспериментальные результаты.

Обслуживаемая территория (государство или группа государств), наблюдаемая с космического аппарата, находящегося в какой-либо точке стояния на геостационарной орбите, имеет сложную форму границ. Для локализации энергии сигнала на обслуживаемой территории необходима сложная форма поперечного сечения диаграммы направленности (ДН) антенны, достигаемая внесением в профиль ее гладкого базового рефлектора с круглой апертурой специального вида деформаций.

Поверхность таких рефлекторов, реализующих заданную контурную ДН, описывается следующим уравнением:

^ = + -— [Do +Di sin2

4 F R

где X, Y, Z - правая прямоугольная декартова система координат (СК) рефлектора; r, — - соответственно значения радиуса и полярного угла точки поверхности рефлектора в полярной СК апертуры рефлектора:

Ф = arctg[

X = Хц + r cos ф,

Y = Yц + r sin ф,

где Хц, Yц - координаты точки центра в общем случае эллиптической апертуры, ограниченной кривой;

ab

R

y¡a sin — + b cos —

где a, b - полуоси эллипса апертуры; F - фокусное расстояние параболоида вращения; До, Д1 - соответственно, амплитуды квадратичных и синус-квадратичных гладких деформаций, предварительно вносимых в параболоид вращения для расширения ДН; фо - плоскость апертуры рефлектора, в которой синус-квадратичные деформации отсутствуют.

При проектировании и изготовлении подобных антенн возникает ряд конструкторско-технологи-ческих сложностей. Во-первых, к данному типу антенн предъявляются жесткие требования по точности изготовления рефлектора, которые увеличиваются с повышением рабочего диапазона частот. Во-вторых, к рефлектору должны предъявляться жесткие требования по его стабильности при воздействии дестабилизирующих факторов.

Любые случайные и периодические ошибки в изготовлении профиля в совокупности приводят к уменьшению коэффициента усиления и диаграммы направленности антенны.