Исследование влияния метода обработки элинварных сплавов на прочность чувствительных элементов

2. Гурьянов, А. И. Эффективность сжигания топлива в вихревых горелочных устройствах [Текст] / А. И. Гурьянов, О. А. Евдокимов // Вестник Pыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева. - Pыбинск: PГAТУ, 2015. - №2 (33). - С. 39-43.

3. Veretennikov S.V., Piralishvili Sh.A., Evdokimov O.A., Guryanov A.I. Heat transfer simulation of unsteady swirling flow in a vortex tube // Journal of Physics: Conference Series, 2018, Vol. 980, pp. 1-6..

4. Юрков Н.К., Штыков P.A., Pазживина Г.П. Методика решения задач горения многокомпонентного газа [текст] / Н.К. Юрков, P.A. Штыков, Г.П. Pазживина // Труды международного симпозиума надежность и качество. - 2017. - т. 1. - с. 264 - 266.

5. Агафонов P.A., Мурашкина Т.И. О повышении надежности и эффективности производства водорода для энергетики на базе метано-водородной технологии и технологии волоконно-оптических систем [текст] / P.A. Агафонов, Т.И. Мурашкина // Труды международного симпозиума надежность и качество. - 2011. - т. 2. - с. 333 - 334.

6. Baird, В., Etemad, S., Karim, H., Alavandi, S., and Pfefferle, W. C., "Ultra Low NOx Using Rich Catalytic/Lean-Burn catalytic Pilots: Gas Turbine Engine Test," 2009, GT2009-60258, June 2009, Orlando, Florida.

7. Gur'yanov, A.I. Analysis of the gas turbine engine combustion chamber conversion to associated petroleum gas and oil [Text] / A.I. Gur'yanov, O.A. Evdokimov, S. A. Piralishvili, S.V. Veretennikov, R.E. Kirichenko, D.G. Ievlev // Russian Aeroautics. - New York: Allerton Press Inc., 2015. -Т. 58. - В 2. - С. 205 - 209.

8. Kononova V.V., Guryanov A.I. Experimental investigation of the burning of mixed and synthetic fuel counterflow burner module // Journal of Physics: Conference Series, 2017, Vol. 891, pp. 1-6.

УДК 539.3

Кошелев1 A.B., Крвтов2 М.С.

1Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие «Темп-Авиа», Арзамас, Pоссия

2ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. P-Е. Алексеева» , Арзамас, Pоссия

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТОДА ОБРАБОТКИ ЭЛИНВАРНЫХ СПЛАВОВ НА ПРОЧНОСТЬ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В работе решается задача повышения вибрационной прочности чувствительного элемента, выполненного из элинварного сплава. Приводятся результаты микроструктурного анализа экспериментальных образцов чувствительных элементов. Для этого используются современные методы цифровой обработки изображений и программные средства вычисления.

Показано, что вибрационные воздействия не оказывают заметного влияния на структуру материала чувствительного элемента, полученного методом холодной экструзии. У образцов, полученных из проката, вибрация приводит к структурным изменениям, а именно к повышению дислокационной плотности.

Выявлено, что структурные характеристики материала чувствительного элемента гироскопа, полученного методом холодной экструзии, обеспечивают его более стабильную и надёжную работу в условиях вибрационных и ударных нагрузок, по сравнению с аналогом, изготовленного по обычной технологии.

На основе проведенных исследований рекомендуется использование холодноэкструдированного элинварного сплава в качестве материала для изготовления чувствительных элементов гироскопа.

Ключевые слова:

МИКPОСТPУКТУPA, ЭЛИНВAPНЫЙ СПЛАВ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭКСТPУЗИЯ

Постоянно возрастающие требования к точност- влияния метода обработки элинварных сплавов с ным и эксплуатационным характеристикам чувстви- целью получения необходимых физико-механических тельных элементов измерительных приборов и си- свойств материала (ЧЭ) гироскопа является акту-стем вынуждают создавать новые материалы, спо- альной научно-технической задачей. собных сохранять структурную стабильность в за- Наиболее перспективными из групп этих сплавов

данном температурном диапазоне и при воздействии являются 4 4НХМТ и 4 6НХТЮ, получаемые методами механических факторов (удары, вибрации и т.п.). холодной экструзии. Они имеют высокую доброт-В настоящее время созданы настолько точные ги- ность, которая достигается холодной деформацией роскопические датчики, что дальнейшего повышения с последующим отпуском. Величина добротности в точностей многим потребителям не требуется, а материала в значительной степени обусловлена конкурентоспособность продукции заставляется внутренними напряжениями [4]. Напряжения умень-удешевлять как производство, так и стоимость из- шают время затухания колебаний ввиду того, что делий. при распространении звуковой волны через ферро-

Современные решения при разработке датчиков магнетик происходит смещение стенок домена. В первичной информации в навигационных системах случае необратимого смещения стенок происходит должны использовать потенциал достижений в со- затухание колебаний упругой волны. Внутренние здании прецизионных сплавов специально разраба- напряжения подавляют смещение границ доменов при тываемых для такой техники. прохождении звуковой волны и уменьшают затухание

Для чувствительного элемента (ЧЭ) гироскопов колебание, тем самым увеличивая добротность [1]. важно, чтобы собственная частота колебаний, а, Для увеличения времени затухания колебаний элин-следовательно, модуль упругости материала, из вары легируют элементами-инициаторами дисперси-которого он изготовлен, слабо завесили от тем- онного твердения: титаном, алюминием, пературы. Такие материалы получили название В настоящей работе проведено сравнение струк-

элинваров [1, 2]. Кроме этого сплавы для ЧЭ турных особенностей материалов ЧЭ изготовленных должны иметь малое низкое трение, чтобы макси- из сплавов 44НХТЮ, полученного по обычной тех-мально повысить постоянную времени затухания ко- нологии, и холодноэкструдированного (ХЭ) лебаний. Это позволяет получить высокую доброт- 4 6НХТЮМ.

ность сплава, конструкции и повысить точность. Для проведения исследований изготовлено по

Наличие таких свойств наблюдается у дисперси- два образца ЧЭ из сплавов 4 4НХТЮ и ХЭ4 6НХТЮМ. Из онно-твердеющих элинваров. На сегодняшний день двух образцов каждого сплава один проходил ис-наибольшее практическое применение получили дис- пытания на вибрацию (широкополосная случайная персионно твердеющие элинвары на железо-никеле- вибрация и гармоническая вибрация). Другие об-вой основе 4 2НХТЮ, 4 4НХТЮ и т.п. Однако в состо- разцы подвержены микроструктурному анализу. янии поставки указанная категория материалов не При исследовании образцов получены микрофо-

удовлетворяет требованиям прочности и темпера- тографии различных участков поверхности при раз-турной стабильности. Необходимое сочетание фи- ных увеличениях. С помощью системы энергодиспер-зико-механических свойств можно достичь при со- сионного микроанализа определено содержание эле-ответствующей технологии обработки сплавов [3]. ментов в различных локальных областях исследуе-Из вышесказанного очевидно, что исследование мого материала: в матрице, в объеме и границе

1ll

зерна, частицах второй фазы разной степени дисперсности. Данный метод основан на сравнении измеренной интенсивности рентгеновских линий, генерируемых в образце с интенсивностями соответствующих линий в надлежащем стандартном образце известного состава, при известных токах зонда и идентичных прочих аналитических условиях (одинаковое ускоряющее напряжение, одинаковая геометрии установки образца и стандарта, одинаковое состояние поверхности и др.). Содержание элемента рассчитывается из соотношения интенсивно-стей на образце и стандарте с известной концентрацией определяемого элемента в последнем.

Сложность расчета деформированного состояния материала, особенно при создании новых машин, в

настоящее время требует применения экспериментальных и численных методов, получивших в последние годы существенное развитие. Высокая эффективность современных численных методов теории упругости и пластичности, использующих ЭВМ [5], не устраняет необходимость применять экспериментальные методы, как при решении отдельных конкретных задач, так и для получения исходных данных и зависимостей для обоснования и проверки методов расчета на прочность элементов конструкций. Поэтому для определения главных компонентов деформации, ориентации зерен их размера и количества использовался программно-экспериментальный комплекс [6].

Основные полученные результаты исследований микроструктуры методом растровой электронной микроскопии приведены на рисунке 1.

а б

Рисунок 1 - Растровое электронно-микроскопическое изображение зерен в исходном состоянии материала ЧЭ из сплава 44НХТЮ (а) и бинаризованное изображение (б), увеличение*250

Для состояния материала ЧЭ, выполненного из сплава 4 4НХТЮ характерна микроструктура с достаточно крупным эффективным размером зерна, составляющем в среднем 25 мкм. Зерна имеют равноосную геометрию, что свидетельствует о развитии рекристаллизационных процессов. Характерно наличие локальной разнозернистости (рисунок 1, б). В матрице материала преимущественно состоящей из зерен относительно небольших размеров 2030 мкм имеются и достаточно крупные зерна размером 50-100 мкм (рисунок 1, а, б).

Характерные результаты исследований, проведенные методом просвечивающей электронной микроскопии, приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры зерен в исходном состоянии материала ЧЭ из сплава 4 4НХТЮ увеличение ><15000

Установлено, что для субструктуры материала ЧЭ, выполненного из сплава 4 4НХТЮ, типична очень низкая дислокационная плотность, что является результатом развития рекристаллизационных процессов при высокой температуре (рисунок 2). Выделение частиц у фазы преимущественно наблюдается на высокоугловых границах - границах зерен. Таким образом, подтверждаются результаты исследований, проведенных двумя методами: растровый электронно-микроскопический и методом просвечивающей электронной микроскопии.

Достаточно крупное зерно, низкая дислокационная плотность, распределение и морфология упрочняющей фазы являются определяющими структурными факторами, которые обуславливают уровень механических свойств исследуемого материала, упругих свойств и добротности [1, 3]. Исследование данной структуры материала показало, что эти показатели далеко не оптимальны.

Основные полученные результаты исследования микроструктуры материала ХЭ4 6НХТЮМ методом растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа приведены на рисунке 3.

Установлено, что для субструктуры материала ЧЭ из сплава ХЭ4 6НХТЮМ, типична высокая дислокационная плотность и ячеистый характер распределения дислокаций. Такие отличительные особенности являются результатом развития процессов дислокационных перестроек, происходящих при низкотемпературном отжиге высоконагартованного материала (рисунок 3).

а б

Рисунок 3 - Растровое электронно-микроскопическое изображение структуры зерен в исходном состоянии материала ЧЭ из сплава ХЭ46НХТЮМ (а) и бинаризованное изображение (б), увеличение*250

Характерные результаты исследований, проведенные методом просвечивающей электронной микроскопии, приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры зерен и частиц выделения у фазы в исходном состоянии материала ЧЭ из сплава ХЭ4 6НХТЮМ с увеличением х15000

Установлено, что для субструктуры материала ЧЭ из сплава ХЭ4 6НХТЮМ, типична высокая дислокационная плотность и ячеистый характер распределения дислокаций. Такие отличительные особенности являются результатом развития процессов дислокационных перестроек, происходящих при низкотемпературном отжиге высоконагартованного материала (рисунок 4). Выделение частиц у фазы преимущественно наблюдается на высокоугловых границах - границах зерен и субграницах - границах субзерен. Таким образом, как и в случае с анализом материала 4 4НХТЮ, имеется сходимость результатов различных методов исследования, что подтверждает их достоверность._

-

-А

ч

>

* : '1- -

х % *

• '-л. •

Рисунок 5 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры зерен после вибрационных испытаний ЧЭ, выполненного из сплава 44НХТЮ увеличение ><15000

Ярко выраженная дисперсная зеренная и субзе-ренная структура, высокая дислокационная плотность, дисперсный характер распределения и морфология упрочняющей фазы определяют уровень механических свойств исследуемого материала, упругих свойств и добротности [4].

Проанализируем результаты микроструктурного анализа образцов из исследуемых материалов, прошедших испытания на вибрации. Характерные результаты микроструктуры материала ЧЭ 4 4НХТЮ

методом просвечивающей электронной микроскопии приведены на рисунке 5.

Установлено, что для субструктуры материала ЧЭ, выполненного из сплава 4 4НХТЮ, типична низкая дислокационная плотность, что является результатом развитием рекристаллизационных процессов при высокой температуре (рисунок 5). Однако дислокационная плотность существенно выше по сравнению с аналогичным материалом в исходном состоянии, что может быть следствием локальных микродеформаций и причиной «невозврата» гиро-

скопа в начальное состояние.

Рисунок 6 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры зерен после вибрационных испытаний ЧЭ, выполненного из сплава ХЭ46НХТЮМ с увеличением х15000

Приведем результаты исследования микроструктуры образцов ЧЭ из сплава ХЭ4 6НХТЮМ, прошедших испытания на вибрацию, методом просвечивающей электронной микроскопии (рисунок 6).

Установлены, что основные характерные черты субструктуры материала ЧЭ, выполненного их сплава ХЭНХТЮМ после вибрационных испытаний: высокая дислокационная плотность и ячеистый характер распределения дислокаций - остались без изменений. Таким образом, показано, что в отличие от сплава 4 4НХТЮ, вибрация не приводит к изменениям субструктуры.

Проведенные исследования показали, что структурное состояние материала ЧЭ из сплава 4 4НХТЮ до и после испытаний на вибрацию имеет изменение на уровне субструктуры: испытания на вибрацию приводят к некоторому повышению дислокационной плотности, обусловленной пластическими деформациями. Эти изменения могут оказать существенное влияние на рабочие характеристики гироскопа.

Проведенные исследования показывают, что структурное состояние сплава ХЭ4 6НХТЮМ по сравнению с ранее рассмотренным случаем сплава 4 4НХТЮ в значительной степени может обеспечить требуемые физико-механические свойства для материала ЧЭ гироскопов.

Полученные результаты, представленные в данной работе, показывают высокую стабильность структурного состояния материала ЧЭ, выполненного из сплава ХЭ4 6НХТЮМ на микро и нано уровне при действии вибрации по сравнению с аналогом, изготовленного из сплава 44НХТЮ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бараз, В., Стрижак, В. Элинварные сплавы: особенности состава, структуры и свойств. УГТУ: Национальная металлургия, 2003, с. 95-98.

2. Голубчик Э.М., Копцева Н.В., Чукин Д.М., Ефимова Ю.Ю., Никитенко О.А., Медведева Е.М. Возможности применения высокопрочных инварных сплавов нового поколения // Труды международного симпозиума надежность и качество, 2015, Т1. с. 342-345.

3. Харитонов, С.В., Ошурина, Л.А., Редькина, Н.В. Влияние закалки и старения на структуру и фазовый состав элинварного сплав 44НХТЮ //Радиопромышленность. 2013. № 1. с. 138-1504.

4. Скуднов, В.А., Харитонов, С.В. Исследование структуры и особенностей фазовых превращений в элинварном сплаве после различных режимов термообработки // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 112. №3. с. 1-7.

5. Кузнецов М.Д., Шуваев П.В., Лысенко А.В., Анисимов А.Г., Емашкина Т.С. Анализ программных средств для определения усталостной прочности материалов конструкции рэс при воздействии внешних факторов // Труды международного симпозиума надежность и качество, 2017, Т2. с. 209-212.

6. Манцеров С.А., Кошелев А.В., Галкин В.В., Терещенко Е.Г. Определение величины зерна для количественной оценки холоднодеформированного состояния сталей и сплавов. Свидетельство программы для ЭВМ №2014613502 от 20.04.2014.