НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ ЭКСПРЕССНОГО ВЫЯВЛЕНИЯ ЗОН НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ СО ШЛИФОВОЧНЫМИ ИЛИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ПРИЖОГАМИ
NONDESTRUCTIVE METHOD FOR RAPID DETECTION OF ZONES ON SURFACE OF METAL COMPONENTS WITH POLISHING OR OPERATIONAL BURN MARKS

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля на поверхности металлических деталей зон с шлифовочными или эксплуатационными прижогами и может быть использовано при производстве, эксплуатации и ремонте металлоконструкций с целью своевременного и достоверного выявления и удаления прижогов или отбраковки деталей с прижогами.
При шлифовании лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) из титановых сплавов часто, особенно при ручном шлифовании, возникают прижоги. В трущихся парах машин, например в подшипниках качения (ПК), при нарушении режимов работы деталей или условий смазки пар трения также возникают прижоги в поверхностях трения. Прижоги - это местные изменения структуры металла в результате локального перегрева поверхности в этой зоне. Прижоги сопровождаются изменением механических свойств поверхностного слоя металла с возникновением поверхностных остаточных напряжений растяжения, которые могут привести к образованию трещин. Все это ведет к снижению усталостной прочности, ударной вязкости, долговечности деталей с прижогами.
Основными причинами шлифовочных прижогов деталей из титановых сплавов являются:
- свойства титана - низкая теплопроводность (в 13 раз ниже, чем у алюминия), высокая прочность, высокая физико-химическая активность к окислительным процессам, высокий коэффициент трения;
- специфические условия, возникающие при резании титановых сплавов, - большая энергия резания, импульсное приложение сил резания, налипание металла на вершины зерен шлифовальных кругов, недостаточная эффективность смазочно-охлаждающих жидкостей;
- нарушение исполнителем технологии обработки [1-4].
Многие из перечисленных причин появления шлифовочных прижогов имеют место и при шлифовании деталей из высокопрочных, в том числе инструментальных, сталей и сплавов.
Принятый в настоящее время в моторостроении и на авиаремонтных предприятиях метод контроля шлифовочных прижогов лопаток из титановых сплавов во многом несовершенен. Прижоги контролируют методом химического травления в водных растворах азотной и плавиковой кислот по сложной энерго- и трудоемкой технологии. Прижоги выявляются в виде белых пятен и полос (соли азотнокислого и фтористого титана), которые появляются из-за большей скорости травления титана над активированной прижогом поверхностью лопатки по сравнению с поверхностью, свободной от прижогов. На поверхностях беговых дорожек ПК прижоги выявляют осмотром с применением визуально-оптического способа по темным полосам продуктов горения смазочных веществ.
Недостатки существующих методов контроля
Травление дает информацию лишь о грубых структурных изменениях в поверхностном слое, снижающих прочностные характеристики лопаток в десятки раз. Данный метод контроля прижогов трудоемкий, требует больших энергетических и финансовых затрат, экологически опасен. А визуально-оптический метод качественный и его достоверность сомнительна и во многом зависит от опыта оператора.
Цель изобретения
Предложить неразрушающий экспрессный метод, позволяющий быстро и достоверно выявлять на деталях (в том числе на доступных участках деталей, находящихся в собранных и эксплуатирующихся изделиях) опасные зоны с прижогами.
Указанное позволяет обоснованно и своевременно принимать решения о необходимости замены или ремонта деталей с прижогами.
Данная цель достигается путем применения неразрушающего контроля на поверхности детали флуктуации работы выхода электрона (РВ), измеряемых неразрушающим методом контактной разности потенциалов (КРП) [5, 19, 20]. Наличие и границы прижогов определяются по скачку КРП на границе перехода от неповрежденной части к прижогу при сканировании по поверхности лопатки датчиком прибора «Поверхность-9», разработанного нами. Флуктуации показаний прибора «Поверхность-9» реагируют на изменения остаточных напряжений, структуры и фазового состава поверхностных слоев лопатки. Соответственно, в месте прижога по мере увеличения его интенсивности РВ уменьшается (фиг.1), а КРП увеличивается [5, 15]. Заброс КРП более 5 мВ свидетельствует о наличии прижога.
Для более глубокого анализа причин появления прижогов на деталях из сплавов титана рассмотрим этот процесс на структурно-фазовом уровне. Для этого воспользуемся наличием аналогии между физико-химическими процессами, происходящими в поверхностном слое титана при шлифовании и упрочнении методом поверхностного пластического деформирования (ППД). При ППД методом обкатки роликами имеют место, как и при шлифовании, вызывающем прижоги, интенсивное тепловыделение и пластическая деформация тонкого поверхностного слоя металла. Для неразрушающей количественной оценки нами принято измерение флуктуации РВ (Δφ, мВ).
Для указанного исследования был поставлен следующий эксперимент [5]. Обкатке на трехроликовом приспособлении (ролики диаметром 50 мм и радиусом закругления 10 мм) подвергались образцы диметром 14 мм из сплавов ВТ3-1 и ВТ14 (фиг.1). На фиг.1 приведены зависимости РВ и твердости на поверхности от усилия обкатки. При ППД варьировалось усилие обкатки Р, Н, измерялись РВ φ, мВ, и твердость на поверхности HV, МПа.
Изменение φ сплава ВТ3-1 в состоянии поставки по усилию прижима ролика Р, Н (фиг.1, позиция 7) носят не монотонный характер, а при усилии обкатки 1500 Н РВ падает и становится ниже исходной. Такое аномальное поведение, очевидно, можно объяснить фазовыми превращениями на поверхности [6-10], которые в условиях высоких контактных напряжений могут протекать и при пониженных температурах.
Литературные данные [11] и наши исследования [5] показывают, что у двухфазных титановых сплавов величина остаточных напряжений растяжения при точении зависит от количества β-фазы: чем больше β-фазы, тем меньше остаточных напряжений растяжения. При остывании после ППД на глубине проникновения пластической деформации β-фаза переходит в α-фазу, имеющую меньший удельный объем, что и вызывает остаточные напряжения растяжения. Фазовый анализ показывает [11], что после пневмодробеструйного упрочнения количество остаточной β-фазы в поверхности уменьшается до 6%.
Процессы β→α перехода авторы [11] объясняют пластическими деформациями, а α→β переход - наводораживанием, т.к. водород - β-стабилизатор [12], причем источником водорода они считают среду ППД. Однако в работе [13] показано, что чем ниже температура, тем больше растворимость водорода в β-фазе по сравнению с α-фазой. Значит, с понижением температуры водород переходит внутри сплава из α-фазы в β-фазу без участия внешней среды. Причем, в работе [12] указывается, что при температурах старения выше 500°С распад β-фазы в сплаве ВТ3-1 происходит лишь с выделением α-фазы, хотя α-фаза образуется и при температурах менее 500°С.
Отсюда можно сделать вывод, что соотношение количества фаз β и α при пластическом деформировании и β→α переход определяются, в основном, температурными условиями деформирования. Этот вывод подтвержден усталостными экспериментами [11] титановых сплавов после ППД различными методами, когда по мере применения более щадящего (с точки зрения интенсивности тепловыделения и попутного охлаждения) метода ППД долговечность росла. При выбранных режимах ППД интенсивность тепловыделения росла [11] в последовательности: пневмовиброобработка, гидровиброобработка, гидродробеструйная обработка, а предел выносливости соответственно падал.
Значительный рост предела выносливости и долговечности лопаток компрессора из титанового сплава ВТ3-1 при применении гидрогалтовки показан также в работе [14]. Итак, с ростом контактных температур при ППД следует ожидать не только увеличение количества α-фазы и величины напряжений растяжения, но и, следовательно, уменьшения β-фазы и уменьшения количества водорода. Оба этих фактора должны привести к росту φ, т.к. водород уменьшает РВ [5, 15, 16] (см. фиг.2).
На фиг.1 при усилии обкатки P=1500 Н Δφ сплава ВТ3 (кривая 1) резко возрастает, что связано с β→α переходом и с диффузией водорода с поверхности вглубь. Однако в области Р=1000 Н также наблюдается слабо выраженный минимум, который можно объяснить протеканием двух противоположных процессов. С увеличением пластической деформации растет плотность несовершенств структуры, твердость растет (кривая 1'), интенсифицируется направленная диффузия водорода к дефектам [17, 18], что уменьшает рост φ, связанный с началом β→α перехода. По мере увеличения тепловыделения начинает проявляться β→α переход, появляются напряжения растяжения (твердость стабилизируется, а затем даже падает), водород диффундирует с поверхности вглубь и φ растет.
Для выяснения влияния температурных условий деформирования на упрочнение титановых сплавов нами были обкатаны образцы из ВТ 14 без охлаждения (фиг.1, кривые 2 и 2') и с охлаждением (3 и 3'). Охлаждение производилось струей водной эмульсии сульфанола. Кривые 2 и 3 изменения φ у ВТ 14 практически такие же, как и у ВТ3 (кривая 1), только сдвинуты в область больших усилий, значит, позже наступает β→α переход и позже начинают появляться напряжения растяжения. Это подтверждается смещением максимума кривой твердости для охлаждаемых образцов (кривая 3') по сравнению с кривой 2' и менее крутое ее падение в области выпадения α-фазы. Заметим, что момент падения твердости на поверхности (кривые 2', 3') соответствует минимумам φ.
Таким образом, для исключения прижогов при шлифовании титановых сплавов необходимо либо выбирать режимы шлифования с меньшим тепловыделением, либо применять интенсивное охлаждение.
Отсюда, интенсивное шлифование, вызывающее прижог, сопровождающийся β→α переходом даже при температурах нагрева менее 500°С, опасный не только появлением напряжений растяжений в связи с меньшим удельным объемом α-фазы, но и с образованием на поверхности тонкой, очень твердой и хрупкой пленки «альфированного титана» из-за высокого сродства α-фазы к кислороду [5]. Альфированный поверхностный слой титана является источником появления и начала развития усталостных трещин, сильно снижающих долговечность сплава в целом. Из указанного следует, что прижог необходимо тщательно удалять, не оставляя его следов.
2
Анализ прижогов более 50 тысяч титановых лопаток компрессоров отечественных ГТД показывает, что прижоги выявляются у 11% лопаток, из них 63% прижогов появляются в районе выходных кромок лопаток там, где плохой теплоотвод из-за малых толщин и где применяется ручное шлифование. 99% прижогов имеют площадь от 2 до 20 мм.
Порядок работы
1. Поверхность контролируемой детали протирается тампоном, смоченным петролейным эфиром.
2. Через 5-7 секунд выдержки датчиком прибора «Поверхность-9» (фиг.3) сканируют по поверхности объекта контроля и отмечают границы зон, где КРП скачком возросло более чем на 5 мВ.
Внедрение контроля прижогов деталей из титановых и высокопрочных сплавов методом флуктуации КРП при производстве, ремонте и эксплуатации изделий позволит более эффективно выявлять прижоги на деталях, и, тем самым, повысить надежность машин и механизмов, и повысить экономическую эффективность процессов производства, ремонта и эксплуатации изделий.
Фиг.3 - блок-схема прибора измерения работы выхода электрона в любых пространственных положениях «Поверхность-9»: 1 - генератор фиксированной частоты; 2 - пьезодинамический вибратор; 3 - корпус-цилиндр Фарадея; 4 - предварительный усилитель; 5 - АЦП-1; 6 - табло индикации «нуля»; 7 - блок автоматической компенсации КРП; 8 - АЦП-2; 9 - табло индикации «КРП»; 10 - блок управления автоматической компенсацией; 11 - блок юстировки нуля; ИЭ -заменяемый измерительный электрод; Д - исследуемая деталь; Н - заменяемый наконечник цилиндра Фарадея; БП - блок питания; АБ - аккумуляторная батарея; ИР - индикатор разрядки; DC/DC - диси-диси преобразователь напряжений; Б - батарея «Крона».
Литература
1. Колачев Б.В., Ливанов В.А., Буханова А.А. Механические свойства титана и его сплавов. - М.: Металлургия, 1974. - 544 с.
2. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов: Справочник. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1987. - 205 с.
3. Горынин И.В., Чечулин Б.Б. Титан в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1990. - 399 с.
4. Кучер A.M. Технология металлов. - 4-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1987. -215 с.
5. Кочаров Э.А. Исследование и разработка энергетического метода неразрушающего контроля поверхностных слоев деталей… Дисс. канд. техн. наук. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1971. - 234 с.
6. Ростовцев Г.Н. Экзоэлектронная эмиссия при разовых превращениях в металлах и сплавах. / Труды УПИ. Сб. №177. - Свердловск: Изд. УПИ, 1969. - С.42-45.
7. Кортов B.C., Минц Р.И. Перспективы использования эффекта экзоэлектронной эмиссии в науке и технике. / Труды УПИ. Сб. №177. - Свердловск: Изд. УПИ, 1969. - С.153-165.
8. Ростовцев Г.Н., Макаров В.Д. Труды МАТИ, вып.66. - М.: Машиностроение, 1966. - С.166.
9. Гаприндашвили А.И., Еголаев В.Ф. Изучение фазовых превращений в аустенитных сплавах методом экзоэлектронной эмиссии. / Труды УПИ. Сб. №177. - Свердловск: Изд. УПИ, 1969. - С.76-86.
10. Ибрагимов Х.И., Корольков В.А. Работа выхода электрона в физико-химических исследованиях. - М.: Интерметинжиниринг, 2002. - 526 с.
11. Сидоров Н.Ф. и др. В сб. №12-70-4. Повышение прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластических деформированием. - М.: НИИ ИНФОРМТЯЖМАШ, 1970. - С.70.
12. Колачев Б.А., Лясоцкая B.C. Влияние водорода на процессы, происходящие в сплаве ВТ3-1 при старении. / Труды МАТИ, вып.66. - М. Машиностроение, 1966. - С.87-95.
13. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.А. Распределение водорода между узлами в (α+β)-титановых сплавах. / Труды МАТИ, вып.66. - М.: Машиностроение, 1966. - С.76-86.
14. Гринченко И.Г., Исаева И.А. В сб. №12-70-2. Повышение прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. - М.: НИИ ИНФОРМТЯЖМАШ, 1970.
15. Царев Б.М. Контактная разность потенциалов. - М.: ГИТТЛ, 1955. - 280 с.
16. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов. Справочник. -Киев: Наукова думка, 1981.
17. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.А. О высокотемпературном провале пластичности титана. Труды МАТИ, вып.66. - М.: Машиностроение, 1966. - С.96-102.
18. Назимов О.П. Диффузия водорода в титане и его сплавах. Автореферат дисс…. канд. техн. наук. - М.: МАТИ, 1971.
19. Осепян Р.И., Кочаров Э.А., Санников А.А. Конденсаторный метод и средства прямого измерения контактной разности потенциалов. / В сб. Научно-методические материалы по восстановлению авиационной техники./ Под ред. Н.В.Моисеенкова. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1983.
20. Кочаров Э.А., Санников А.А., Осепян Р.И. Техническое описание и инструкция по эксплуатации портативного прибора «Поверхность-2» для измерения контактной разности потенциалов. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1983.