Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Возникновение и распространение трещин в изделиях из жаропрочных никелевых сплавов при наплавке, сварке и аддитивных технологиях, связанных с использованием высококонцентрированных источников энергии, является существенной проблемой, снижающей качество изделий. Склонность к образованию горячих трещин при сварке и наплавке определяется составом и качеством сплавов, структурными факторами - размером зерна и структурной неоднородностью, составом присадочных материалов и технологией сварки и наплавки. При наплавке на малых скоростях уменьшается скорость кристаллизации металла наплавки, увеличивается ее площадь, ширина и растет высокотемпературная околошовная зона, что вызывает снижение интенсивности нарастания сварочных напряжений, которые релаксируются в большом объеме шва и околошовной зоне. Приводятся результаты исследования влияния параметров режима аргонодуговой и лазерной наплавки на структурообразование, свойства и склонность жаропрочных никелевых сплавов к образованию трещин при различных методах наплавки. Сплавы с большой структурной неоднородностью, особенно вследствие дендритной ликвации и преимущественно с более крупным зерном, обладают повышенной склонностью к образованию горячих трещин. Структура никелевых сплавов, заданная сбалансированным химическим составом, не всегда является гарантией хорошей трещиностойкости. Как показывает практика и результаты исследований, выбор технологии и параметров режима наплавки зачастую имеет решающее значение. Установлено, что аргонодуговая наплавка никелевого сплава в сочетании с дополнительным ультразвуковым воздействием создает модифицирующий эффект увеличения дисперсии фаз. Сочетание благоприятных структурных параметров - мелкозернистости g-твердого раствора и повышенной дисперсности g¢-фазы, которое реализуется при аргонодуговой наплавке с дополнительным УЗ-воздействием на оптимальных режимах, приводит к повышению микротвердости и жаропрочности никелевых сплавов. Трещин и пористости при оптимальном режиме наплавки не зафиксировано.

Одной из приоритетных производственных задач является получение литых заготовок высокой точности, поверхность которых не нуждается в дополнительной механической обработке. Методом, направленным на решение этой проблемы, является литье по выплавляемым моделям. При получении выплавляемых моделей холодным прессованием порошков воскообразных композиций достигаются высокие размерно-геометрические параметры формованных изделий, отличающиеся отсутствием усадочных дефектов. Однако недостатком такого способа формирования протяженных участков выплавляемых моделей является упругий отклик уплотненного материала, что в ряде случаев приводит к увеличению размеров прессовки в продольном прессованию направлении на 0,7-1,2 %, а в поперечном на 0,4-0,5 %. Сложность прогноза этого эффекта заключается в неравномерном распределении плотности в объеме получаемых прессовок. Управление размерами протяженных прессовок, в том числе с переменным сечением и сложной конфигурацией, представляется актуальной задачей для проектирования оснастки. Целью эксперимента стало определение возможности управления величиной упругого отклика протяженного участка выплавляемой модели, полученной выдавливанием порошка воскообразного материала через мундштук без его предварительного нагрева. Представлены результаты серии экспериментов по регулированию величины упругого отклика материала в ходе моделирования процесса получения протяженных прессовок, получаемых выдавливанием через мундштук. Изменяемым параметром в эксперименте была скорость выдавливания. Регистрируемыми параметрами были следующие: нагрузка, создаваемая в цилиндрическом поршне, заполненном фракцией воскообразного материала; температура выдавливаемого материала, плотность и величина его упругого отклика по длине получаемой прессовки. Изменением скорости формирования прессовок снижается неравномерность распределения свойств, что позволяет прогнозировать конечные размеры формовки, учет которых важен при проектировании пресс-оснастки.

Газодинамическое проектирование центробежной компрессорной ступени начинается с выбора основных размеров на основании некоторых правил - правил первичного проектирования. Метод универсального моделирования, разработанный в Санкт-Петербургском политехническом университете и успешно используемый в проектной практике, при выборе размеров входа в рабочее колесо ступени ориентирует на размеры, при которых относительная скорость минимальна. Угол лопаток выбирается из условия безударного обтекания входной кромки критической струйкой тока. Эти рекомендации оправданы при проектировании центробежных ступеней со средними и большими коэффициентами расхода. Авторами произведено сопоставление принципов первичного проектирования метода универсального моделирования (минимизация скорости на входе в РК и обеспечение безударного входа на расчетном режиме, при этом лопаточные углы на входе маленькие, межлопаточные каналы длинные, коэффициент потерь увеличенный) и принципов фирмы «Кларк» (оптимизация формы межлопаточных каналов за счет увеличения входного угла лопаток и коэффициента расхода путем уменьшения высоты лопаток на расчетном режиме, при этом имеет место положительный угол атаки и большая кинетическая энергия на входе). Анализ произведен на примере ступени с условным коэффициентом расхода 0,015 и коэффициентом теоретического напора 0,70. Сопоставлялись результаты расчетов ступеней по программе невязкого квазитрехмерного расчета 3ДМ.023 и по программе «Метод универсального моделирования». Анализ диаграмм значений скорости и расчеты характеристик малорасходных ступеней показали, что в силу малых лопаточных углов коэффициент потерь рабочего колеса большой, но может быть уменьшен при выполнении предложенных новых рекомендаций первичного проектирования.

Значительными конкурентными преимуществами обладают предприятия, применяющие технологии с низким потреблением ресурсов при получении металлоизделий конструкций, важнейшим критерием оценки качества которых является долговременная эксплуатационная прочность. Разрабатываемая технология направлена на восстановление эксплуатационных характеристик стальных деталей (в том числе протяженных, имеющих признаки износа) наплавкой металла на их поверхности. Процесс осуществляется в результате локального нагрева стальной детали совместным применением энергии электродугового и алюмотермического воздействий. Недостаток информации о таком процессе, структурах и свойствах получаемой наплавки и ее соединения с материалом детали определяет актуальность и востребованность результатов исследований. Основной целью работы является определение теплового режима такого воздействия в зоне наплавления металла на стальные элементы конструкции, при котором достигаются требуемые геометрические, структурные и прочностные характеристики получаемого изделия. Локальный нагрев в рассматриваемом процессе можно обеспечить при помощи подвода к поверхности изделия тепла, возникающего в результате совместного электродугового и алюмотермического воздействия от протяженного стержня-электрода, состоящего из стальной длинномерной оболочки, в которой заключен термитный наполнитель. Последний представляет собой смесь фракций оксида железа, восстановителя и добавок. Эти материалы являются отходами предприятий машиностроительного и металлургического комплекса, утилизация которых затруднительна. Процесс позволяет обеспечить возврат этих материалов в производство. Основными целями использования термитного материала, заполняющего полость протяженного сердечника, являются регулирование температуры и поставка металла в зону наплавки получаемого материала на поверхность детали-основы. Шлак, образующийся в результате алюмотермической составляющей теплового воздействия на ванну расплава, замедляет скорость отведения тепла от последней. Температурное воздействие на участок контакта наплавляемого материала с основой регулируется силой тока, напряжением и временем их пребывания в зоне термического влияния. После кристаллизации проводится химический анализ материала наплавки, определяются структура, прочностные и размерно-геометрические параметры получаемого изделия. В ходе эксперимента установлено соответствие химического состава наплавляемого металла в зоне термического влияния материалу основы, выполненной из Ст3сп, соответствующей ГОСТ 380-2005. Сравнением традиционных структур со структурами, полученными экспериментальным способом, установлен ряд незначительных различий. Определены параметры теплового воздействия на участок соединения наплавляемого металла с основой, при которых оно соответствует требуемым прочностным и размерно-геометрическим характеристикам.

Актуальной задачей является разработка технологии, позволяющей произвести финишную обработку поверхностей сложнопрофильных деталей, выполненных из труднообрабатываемых материалов, полученных методом электроэрозионной обработки. Целью работы является экспериментальное исследование применения технологии электролитно-плазменного полирования для финишной обработки поверхностей деталей, полученных методом копировально-прошивной электроэрозионной обработки. В качестве обрабатываемого материала выбрана конструкционная легированная сталь 38Х2Н2МА по ГОСТ 4543-71. Электроэрозионная обработка образца проходила на копировально-прошивном электроэрозионном станке Electronica Smart CNC. Эксперименты по электролитно-плазменной полировке экспериментальных образцов после электроэрозионной обработки проводились на лабораторной установке Polytech-15 мощностью 15 кВт. Метод электролитно-плазменной полировки основан на электроразрядных явлениях в системе металл-электролит, при этом обрабатываемая деталь является анодом. Полирование металлов происходит в области значений напряжения 200-350 В и плотности тока 0,2-0,5 А/см2. При напряжении более 200 В вокруг анода при переходе от пузырькового кипения к пленочному образуется устойчивая тонкая (50-100 мкм) парогазовая оболочка. Напряженность электрического поля в парогазовой оболочке достигает 104-105 В/см. Вблизи микровыступов напряженность электрического поля возрастает, и на этих участках возникают мигрирующие по поверхности микроплазменные разряды, которые обеспечивают комплексное химическое и физическое воздействие на материал поверхности изделия. В процессе исследования изучалось изменение шероховатости обработанной поверхности. В работе показана возможность применения технологии электролитно-плазменной полировки для повышения качества обработанной поверхности стали 38Х2Н2МА после электроэрозионной обработки. Установлено, что применение технологии электролитно-плазменного полирования за 5 мин рабочего времени позволило снизить шероховатость обработанной методом электроэрозионной обработки поверхности в среднем в 5 раз. Показано, что для получения шероховатости обработанной поверхности детали значением Ra = 1,6 мкм эффективнее использовать сочетание технологий электроэрозионной обработки на режимах № 2 и электролитно-плазменного полирования.