Повышение качества поверхностного слоя изделий из титанового сплава методом ультразвуковой обработки (1095101), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Исходя из соотношения Sпрод и Sпоп количество ударов индентора на 1 мм2составляло 66'000…132'000 штук.Для исследования микрогеометрии поверхности использовался способ контактногопрофилометрирования, а для изучения физико-механических свойств – методы вдавливанияиндентора, оптической и просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновскойдифрактометрии.
При исследовании физики твёрдого тела из заготовки были вырезаны и13подготовлены горизонтальные и поперечные микрошлифы посредством шлифования,полирования, электролитической полировки и химического травления, а также изготовленытонкие фольги путём химического растворения, электрополировки и бомбардировки ионами.ДляизучениявлияниятехнологическихрежимовУЗОнагеометрическиехарактеристики поверхности (шероховатость и волнистость) были обработаны результатывсегопланаэксперимента(№1…25),анафизико-механическиехарактеристики(микротвёрдость, остаточные макронапряжения, глубина наклёпа, плотность дислокаций) –нижнее, центральное и верхнее значения плана (№1 - Fст = 50 Н и Sпрод = 360 мм/мин,№13 - Fст = 100 Н и Sпрод = 270 мм/мин, №25 - Fст = 150 Н и Sпрод = 180 мм/мин), которымсоответствуют слабая, средняя и сильная степень наклёпа.
При этом во всех случаяхполученные данные сравнивались с исходным образцом.Для обработки результатов по модели полного двухфакторного экспериментаиспользовался математическо-статистический метод множественной линейной регрессии.Для проведения регрессионного и корреляционного анализов было задействованопрограммное приложение Microsoft Excel. При этом регрессионный анализ включал в себярегрессионную статистику и дисперсионный анализ.При проведении экспериментальных исследований в качестве образца использоваласьзаготовка-плита из деформируемого титанового сплава марки ВТ6 с гетерогеннойструктурой.
Фазовый состав представлен -фазой с ГПУ-решёткой (порядка 90% объёма) и-фазой с ОЦК-решёткой (не более 10%). Структура образца соответствует отожженномусостоянию. По морфологии её можно отнести к дуплексной (бимодальной), поскольку-фаза представлена двумя структурными составляющими – глобулярными частицами ипластинами. Формирование хорошо проработанной по сечению структуры свидетельствует отом, что исходный слиток был подвергнут горячей обработке давлением с последующимотжигом в верхнем температурном интервале (+)-области.Сплавы типа ВТ6 (Ti—6Al—4V) мартенситного (α+β)-класса относятся к числунаиболее распространённых за рубежом.
Около 50% используемых в авиакосмическойпромышленности титановых сплавов приходится именно на сплав ВТ6. Столь широкоеприменениеданногосплаваобъясняетсяегоудачнымлегированием.Алюминий(α-стабилизатор) в сплавах системы Ti-Al-V повышает прочностные и жаропрочныесвойства, а ванадий (β-стабилизатор) относится к числу тех немногих легирующихэлементов в титане, которые улучшают не только прочность, но и пластичность за счётобразования β-фазы. В связи с этим сплав ВТ6 обладает высокой коррозионной стойкостью,хорошими технологическими свойствами с достаточным ресурсом пластичности, большойциклической прочностью, высокой ударной вязкостью, лёгкой свариваемостью и низкой14теплопроводностью.
Позднее разработанные титановые сплавы превосходят ВТ6 либо поуровню прочности или пластичности, либо по характеристикам жаропрочности или вязкостиразрушения, но ни один из них не имеет столь сбалансированных физико-механическихсвойств (табл. 4 и 5).Табл. 4 «Механические свойства титанового сплава ВТ6 при Т = 20°С»Сортаментσв ,МПаσт,МПаσR ,МПаδ, %ψ, %KCU, кДж/м2ТермообработкаШтамповка1100100057010-1335-60400-800ОтжигТабл.
5 «Химический состав титанового сплава ВТ6 (%)»TiAlVFeZrOSiCNHПримеси86.5 - 91.25.3 - 6.83.5 - 5.3до0.3до0.3до0.2до0.15до0.1до0.05до0.015до 0.3В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований состоянияповерхностного слоя деталей из титанового сплава ВТ6 после ультразвуковой обработки.Исходные геометрические показатели качества поверхности на базовой длинеl = 2,5 мм имели следующие значения (рис. 2):- высотныепараметрышероховатостиRa исх = 0,41 мкм,Rz исх = 3,28 мкм,Rmax исх = 4,08 мкм, Rq исх = 0,55 мкм, Rp исх = 1,50 мкм, Rv исх = 1,78 мкм;- шаговые параметры шероховатости Sm исх = 0,1275 мм, tm исх = 50%;- общая высота волнистости профиля Wt исх = 1,18 мкм.Рис.
2. Исходная шероховатость поверхности заготовки из титанового сплава ВТ6Исходные физико-механические показатели качества поверхностного слоя имелиследующие значения:- твёрдость HRBисх = 106;15- микротвёрдость HVисх = 540;- остаточные макронапряжения σ'ост исх = -90 МПа;- плотность дислокаций ρDисх ≈ 5×1011 см-2;- размер частиц (в фольгах толщиной 100 нм) dисх ≈ 200 нм.После обработки образцов на указанных режимах УЗО (табл. 1) высотные параметрышероховатости поверхности снизились в среднем 2…4 раза, средний шаг неровностейпрофиля Sm уменьшился в 3,4…5,8 раз, относительная опорная длина tm увеличилась в1,1…1,9 раз, а волнистость Wt уменьшилась в 1,2…3,2 раза (на 20 из 25 обработанныхдорожек), достигнув следующих значений (рис. 3):- высотныепараметрышероховатостиRa = 0,10…0,20 мкм,Rz = 0,88…1,68 мкм,Rmax = 1,13…2,82 мкм, Rq = 0,15…0,30 мкм, Rp = 0,38…1,06 мкм, Rv = 0,50…0,84 мкм;- шаговые параметры шероховатости Sm = 0,0221…0,0375 мм, tm = 55…95%;- общая высота волнистости профиля Wt = 0,37…1,35 мкм.Рис.
3. Шероховатость поверхности обработанного образца при Fст = 50 Н иSпрод = 180 мм/минПутём использования метода множественной линейной регрессии с помощьюпрограммного приложения Microsoft Excel были получены математические зависимости,устанавливающиесвязьмеждувходными(технологическими)ивыходными(геометрическими) параметрами УЗО, позволяющие прогнозировать высотный и шаговыезначения неровностей профиля обработанной поверхности в исследуемом диапазонережимов обработки:Ra 0,03 4,5 104 Fст 3 104 Sпрод (мкм);Sm 0,01 7,5 105 Fст 4,3 105 Sпрод (мм);tm 127,5 0,175 Fст 0,15 Sпрод (%);16где Ra – среднее арифметическое отклонение профиля (мкм); Sm – средний шагнеровностей профиля (мм); tm – относительная опорная длина профиля на уровне среднейлинии (%); Fст – сила статического прижима инструмента к заготовке (Н); Sпрод – скоростьпродольной подачи (мм/мин).На основании сопоставления экспериментальных и расчётных данных были полученырегрессионныезависимости,отражающиезакономерностьизмененияпараметровшероховатости поверхности в зависимости от выбранного режима обработки (рис.
4-6).Рис. 4. График зависимости средней шероховатости Ra (мкм) от скорости подачиSпрод = 180…360 (мм/мин) при различных значениях силы статического прижимаинструмента к заготовке Fст = 50…150 (Н)Рис. 5. График зависимости среднего шага неровностей профиля Sm (мм) от скоростиподачи Sпрод = 180…360 (мм/мин) при различных значениях силы статического прижимаинструмента к заготовке Fст = 50…150 (Н)17Рис.
6. График зависимости относительной опорной длины профиля tm (%) от скоростиподачи Sпрод = 180…360 (мм/мин) при различных значениях силы статического прижимаинструмента к заготовке Fст = 50…150 (Н)После обработки заготовки на указанных режимах УЗО у образцов №1 (слабыйнаклёп), №13 (средний наклёп) и №25 (сильный наклёп) твёрдость поверхности HRBповысилась на 2…4 единицы, микротвёрдость HV на 20…110 единиц, уровень остаточныхсжимающих макронапряжений σ'ост вырос в 6…8,3 раза, плотность дислокаций ρDувеличилась в 9,4…19,6 раз (рис.
7-11):- твёрдость HRB = 108…110;- микротвёрдость HV = 560…650;- остаточные макронапряжения σ'ост = -540…-750 МПа;- плотность дислокаций ρD ≈ 4,7…9,8×1012 см-2;- глубина наклёпа hн = 60…160 мкм;- размер частиц (в фольгах толщиной 100 нм) d ≈ 50…100 нм.Рис. 7. Макроструктура топографии поверхности титанового сплава ВТ6 после чистовогофрезерования и УЗО (×4 на поверхности)18Рис. 8. Микроструктура поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 до и после УЗО(×280 по глубине)Рис. 9. Наноструктура приповерхностного слоя (толщина 100 нм) титанового сплава ВТ6до и после УЗО (×235000 на поверхности)19Рис.
10. Аппроксимированная зависимость изменения микротвёрдости HV (кгс/мм2)поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 по глубине h (мкм)Рис. 11. Эпюра распределения величины остаточных макронапряжений σ'ост (МПа)поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 по глубине h (мкм) в результате послойногоанализаВ приповерхностном слое толщиной ~ 100 нм при исходном размере частицdисх ≈ 200 (нм) в результате пластического деформирования средний размер наночастицуменьшился в 2…4 раза, достигнув значений d = 50…100 (нм). Анализируя представленныеданные можно сделать вывод, что плотность дислокаций возрастает, а размеры частицуменьшаются при увеличении силы статического прижима инструмента к заготовке иуменьшении скорости продольной подачи.20Былаустановленазакономерностьсниженияпараметровшероховатостиприуменьшении силы статического прижима инструмента к заготовке и скорости продольнойподачи, которая имеет характер, близкий к линейному (рис.
4-6). При увеличении силыстатического прижима и уменьшении скорости подачи наблюдается закономерностьповышения глубины наклёпа, микротвёрдости, остаточных сжимающих макронапряжений иплотности дислокаций. При этом в первом случае изменение носит линейный характер, вовтором – близкий к параболическому, а в третьем и четвёртом – строго выраженныйлогарифмический (рис. 12).Рис. 12. Взаимная совместимость глубины наклёпа, микротвёрдости, остаточныхсжимающих макронапряжений и плотности дислокаций в поверхностном слое титановогосплава ВТ6 при различных режимах УЗО21После оценки результатов экспериментальных исследований на основании данныхлитературного обзора был проведён сравнительный анализ повышения качестваповерхностного слоя изделий из титанового сплава классическими методами ППД стехнологией УЗО.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
