Для исследования влияния технологических процессов упрочнения на усталость применяли круглые образцы с диаметром шейки 7 мм (рис. 1). Качество поверхности исследовали на плоских образцах размерами 120X20X6 мм, которые изготовляли из штамповок лопаток (сталь 12Х13Ш и 15Х11МФШ) одной плавки и партии термообработки. Усталостную прочность и состояние поверхностного слоя образцов исследовали по методике работ [1, 2]. За базовый вариант принята технология, приведенная в табл. 1. Предварительную Оптимизацию режимов во всех случаях упрочняющей обработки осуществляли по насыщению прогиба плоских образцов при одностороннем упрочнении. Особенности проведения процессов упрочнения заключались в следующем.,
1. Виброгалтовка (ВГ). Образцы обрабатывали на ЛЗТЛ на установке ВУД2500М [4]. Плоские образцы крепили по торцам в приспособлении на кронштейне установки, а усталостные нагружали навалом. Пространство вибробункера заполняли рабочей смесью, состоящей из стальных шариков диаметром 5—7 мм, и заливали 3%ным водным раствором триэтаноламина. Вибробункеру установки вместе с образцами и рабочей смесью сообщали колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях с амплитудой Ах=4+6 мм, Ау—3+4 мм и частотой /=24 Гц. Продолжительность обработки составляла 30 мин при левом вращении и 30 мин при правом вращении привода. Контроль режима упрочнения осуществляли по остаточному прогибу контрольных пластин Олмена Де из стали У8А размерами 76Х 19X 1,3 мм, который составил при этом 0,5+0,01 мм.
2. Ультразвуковое упрочнение (УЗУ) осуществляли по способу, предложенному Стебельковым И. А. [3]. Образцы обрабатывали в СПКТБЭО ПО «Лениградский металлический завод» на установке ЛЭ421 в комплекте с УЗГ2-10 [5]1. Рабочая смесь состояла из шариков (сталь ШХ15, 01,6 мм, загрузка 450 г) н 24 г трансформаторного масла. Режимы обработки, которые предварительно оптимизировали по насыщению прогиба плоских образцов при одностороннем упрочнении, были следующие: выходное напряжение вых=500В, /=2,65 А, частота колебаний /= —1,74 кГц, амплитуда Л30—60мкм, время обработки поверхности образца т=6 мин. Образцы закрепляли неподвижно и помещали в одну и ту же область рабочего пространства камеры. Прогиб контрольных пластин Олмена Де при этом режиме составил 0,7+0,01 мм.
3. Гидродробеструйное упрочнение (ГДУ). Обработку образцов осуществляли на экспериментальной установке ГДУ-Э1 [6] в ТПИ2. В процессе обработки образцы совершали возвратнопоступательное движение со скоростью —100 мм/мин относительно сопла эжектора с одновременным вращением образца вокруг его продольной оси. Рабочая смесь состояла из шариков (сталь ШХ15, 02 мм; загрузка 1600 г) и трансформаторного масла. Продолжительность обработки одного образца 4 мин; расход дроби и масла соответственно — Сдр^50 кг/мин, масла. 60л/мин; масло подавали в сопло-эжектор под давлением рук—60 МПа; Де= 1,03±0,01 мм.
Образцы, обработанные описанными методами, испытывали на выносливость на машинах типа УВР-Ш при комнатной температуре на базе #=Ь108 циклов. Переменный изгиб осуществляли в одной из плоскостей образца при частоте нагружения 200 ... 220 Гц. Испытания проводили в условиях асимметричного цикла нагружения при статическом растяжении хст=200 МПа. Эти условия соответствовали особенностям работы лопаток последних ступеней цилиндра низкого давления мощных паровых турбин, наиболее подверженных усталостным разрушениям. Асимметричный цикл нагружения по сравнению с симметричным более полно отражает действительные условия работы металла лопатод, вследствие чего получаемые на образцах сравнительные данные о влиянии тех или иных факторов (в данном случае различных видов упрочняющей поверхностной обработки) на сопротивление усталости являются наиболее достоверными.
Состояние поверхностного слоя исследовали по параметрам шероховатости, остаточных осевых напряжений I рода и микро-твердости. Шероховатость определяли с помощью профилографа профилометра мод. 201 завода «Калибр» по профилограммам и параметру.
Определение остаточных напряжений осуществляли на плоских образцах размером 12,0X20X6 мм по способу Н. Н. Давиденкова с учетом плоского напряженного состояния после упрочнения, а также на образцах, вырезанных из исследуемых усталостных образцов.
Травление производили в 70 %-ном растворе орто-фосфорной кислоты с добавкой 1 % поваренной соли. Деформацию образца в процессе удаления поверхностного слоя измеряли оптическим методом с помощью окуляр-микрометра МОВ1-15 ЛОМО. Микротвердость измеряли прибором ПМТ-3 при нагрузках 0,98 Н на поверхностях косых шлифов с углом 1 ... 5°, полученных на образцах размером 10X7X6 мм.
В качестве критериев оценки эффективности применения того или иного метода окончательной обработки были приняты: предел выносливости материала лопаток при 20 °С и асимметричном цикле нагружения (напряжение растяжения ст=200 МПа); характер распределения остаточных напряжений; глубина и степень наклепа; остаточный прогиб плоских образцов и шероховатость поверхности после обработки.
Результаты испытаний на усталость представлены в виде кривых выносливости на рис. 2, а данные по остаточному прогибу плоских образцов, наклепу и шероховатости поверхности образцов, обработанных по исходной технологии и после дополнительной упрочняющей обработки, представлены в табл. 2. Как видно из этих данных, сталь 15Х11МФ уже после шлифования обладает сравнительно высоким уровнем предела выносливости.
Обработка образцов из стали 15X11МФ путем виброгалтовки и ультразвукового упрочнения (по выбранным режимам) приводит к возрастанию предела выносливости образцов из этого материала на 12... 15 %. Наиболее заметный результат получен в случае гидродробеструйного упрочнения, прн котором предел выносливости образцов, выполненных из стали 15Х11МФ и 12X13, достигает наиболее высокого значения оа= =440 МПа. Это примерно на 22 % превышает предел выносливости образцов из стали 15Х11МФ в исходном состоянии. Важным является также тот факт, что в последнем случае расположение кривой ограниченной выносливости смещается вправо (примерно на 1 ... 1,5 порядка) по сравнению с ходом кривых выносливости образцов исходного материала после виброгалтовки и ультразвукового упрочнения, т. е. долговечность образцов, подвергнутых гидродробеструйному упрочнению в зоне перегрузки, примерно в 10 ... 15 раз выше, чем во всех' других случаях.
Анализ результатов исследований качества поверхностного слоя лопаток в зависимости от метода обработки позволяет установить условия и причины достижения высоких усталостных свойств металла после упрочнения.