Технология лазерного наклепа для увеличения срока эксплуатации деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология лазерного наклепа для увеличения срока эксплуатации деталей машин

Ллойд Хакель

(«Метал Импрувмент кампании»)

Технология лазерного наклепа (или, как ее еще называют «упрочения») была разработана и поставлена на коммерческую основу компанией Metal Improvement Company (MIC) и, начиная с 2002 г. и до сих пор используется в коммерческой и военной авиации, в энергетике и мотоспорте. Внедряя глубокие уровни остаточного напряжения сжатия в металлические компоненты, лазерный наклеп подавляет растрескивание вследствие усталости и коррозии под напряжением даже для самых высоконапряженных применений, таких, как сечение у основания лопастей большого вентилятора для широкофюзеляжных самолетов с двигателями большой тяги; в наиболее напряженных областях лопастей газовых и паровых турбин, вырабатывающих электроэнергию и в высоконагруженных узлах двигателей гоночных автомобилей Formula 1. Применение лазерного наклепа увеличили срок службы этих компонентов в 20 раз больше в сравнении с тем, что обеспечило классическое дробеструйное упрочнение и глубокая холодная прокатка. Лазерное упрочнение доказало эффективность затрат, как правило, добавляя менее чем несколько процентов к чистой стоимости изготовления компонентов, в то же время на порядок увеличивая срок службы и тем самым получая довольно значительную экономию.

При изготовлении компонентов с повышенной надежностью и готовностью систем и одновременном уменьшении потребности в запчастях или дополнительных системах, сохраняемых в материально-производственных запасах, окупаемость затрат может составить 100 - 1000.

Лазерное упрочнение компании MIC - единственная технология по внедрению этих глубоких уровней сжимающих напряжений, сертифицированная FAA (Federal Aviation Administration) - Федеральным авиационным управлением США и EASA (European Aviation Safety Agency) Европейским агентством по авиационной безопасности, а также по ISO 9001. Кроме того, лазерный наклеп доказал, что может достичь высокого уровня производительности, необходимого для развертывания парка воздушных судов. Продемонстрирована возможность обработки свыше 35 000 лопастей больших вентиляторов для реактивных двигателей копании Trent, которые приводят в движение Boeing 777 , Airbus A340 и более современные новые 787 Dreamliner. MIC также использует технологию лазерного упрочнения чтобы обрабатывать тысячи лопастей для ведущих производителей газовых и паровых турбин для выработки электроэнергии. Данная технология также используется для формирования cложных изгибов обшивки крыла для нового самолета с оптимальным расходом топлива 747-8 фирмы Boeing, где большие площади поверхностей, которые были подвергнуты лазерному упрочнению, ясно демонстрируют возможность высокой производительности и великолепную надежность системы MIC.

Также в недавней разработке предпринятой совместно с NAVAIR, образцы, воспроизводящие геометрию и нагруженность ствола крюка механизма остановки реактивного учебно-тренировочного самолёта Т-45 при испытаниях на усталостное разрушение, имитирующих самые высоконагруженные стопорные приспособления авианосца, показывают увеличение срока эксплуатации более чем в 2,5 раза

Применение T-45 готово для окончательной квалификации и использования. Стоимость лазерного упрочнения стволов крюков лежит в пределах нескольких процентов от стоимости замены, означая, что экономия составит сумму в миллионы долларов в год в отношении именно лазерного упрочнения только одного компонента.

лазерный упрочнение наклёп машина

Рисунок 1. Лазерное упрочнение производит остаточное напряжение в 4 или более раз глубже, чем вызванное традиционным дробеструйным упрочнением.

Технология основывается на подтвержденной и самой современной технологии лазера с высокой пиковой мощностью и поддерживается современным пониманием физических процессов при ударных воздействиях, вызванных лазером.

MIC продвинул эту работу далее, передавая лазерную технологию в системы лазерного упрочнения, полностью поставленные на коммерческую основу.

Мы дополнительно поддержали разработку технологии моделирования, чтобы точно прогнозировать образование ударных воздействий, вызываемых лазером и применение данных воздействий для производства глубоких уровней остаточного напряжения в металлах.

Это тот самый глубокий уровень остаточного напряжения, который и создает сопротивление возникновению растрескивания и росту трещины и т.о. получает увеличенный срок службы компонента.

Рисунок 2 показывает сравнение остаточного напряжения вызванного обычным дробеструйным уплотнением и вызванного лазерным упрочнением в высокопрочном материале Inconel 718. Как можно видеть, лазерная обработка производит гораздо более глубокий уровень остаточного напряжения и это и есть то глубокое напряжение, которое обеспечивает великолепное улучшение усталостных свойств. Это тот самый уровень остаточного напряжения, который может быть приложен к основным компонентам самолета, которые страдают из-за ограниченного срока службы вследствие усталости и / или коррозии.

Глубокие уровни остаточного напряжения, обеспечиваемые лазерным упрочнением могут в значительной степени увеличить долговечность при усталостных нагрузках компонентов, подверженных высоко- и малоцикловой усталости, а также существенно усилить защиту от коррозионного растрескивания под напряжением.

Рисунок 2, приведенный ниже, показывает долговечность при усталостных напряжениях образца MP35N с надрезом (Kt= 1.3), высоколегированный никелевый сплав, используемый, например, в подводных лодках. Как можно видеть, данное применение лазерного упрочнения при весьма высокой нагрузки в 170 ksi увеличивает долговечность при усталостных нагрузках в 7 раз. Семикратное увеличение срока эксплуатации во многих ситуациях может означать то, что выходящий из строя компонент может теперь продлить срок службы самолета.

Можно также видеть, что при фиксированном сроке службы лазерное упрочнение в данном случае делает возможным 70% увеличение нагрузки, которое может быть приложено (усталостная прочность) при сохранении той же самой геометрии компонента. Это можно прямо интерпретировать как улучшенную характеристику, поскольку компоненты могут теперь продолжить безопасную работу при условиях повышенной нагрузки.

Рисунок 2. Долговечность при усталостных нагрузках и усталостная прочность показывают значительное возрастание вследствие лазерного упрочнения в надрезанном образце (Kt=1.3) MP35N, коррозионно-устойчивый высокопрочный никелевый сплав

Очень серьезная проблема для ядерных ректоров, нефтезаводов и химических предприятий - это коррозионное растрескивание под напряжением в результате воздействия на материалы коррозийными химическими веществами или окружающей средой, такой как морской воздух и внешние погодные условия

Лазерное упрочнение предлагает великолепную защиту от растрескивания и может быть применено во многих ситуациях, чтобы предотвратить такие отказы и сохранить функционирование систем в условиях эксплуатации. Рисунок 4 иллюстрирует великолепный пример возможностей лазерного упрочнения по сдерживанию коррозии напряжения. Здесь образцы подготовлены для испытаний по ASTM G47-98 на растрескивание от коррозии под напряжением. Образцы были либо оставлены необработанными, либо проводилось дробеструйное или лазерное упрочнение, и затем они были подвержены постоянному натяжению с усилием 180 ksi в 3.5% растворе NaCl. Как видно, необработанные образцы и образцы, подвергнутые дробеструйному упрочнению вышли из строя раньше, не выдержав 450 часов, то время как глубокие уровни остаточного напряжения созданные лазерным упрочнением дали возможность образцам проработать свыше 1500 часов без отказа. Совершенно очевидно, что лазерное упрочнение может быть применено для подавления коррозионного растрескивания для широкого спектра военного оборудования.

Рисунок 3. Лазерное упрочнение значительно уменьшает коррозийное растрескивание под напряжением в стали 300M.

Рисунок 4. Лазерное упрочнение существенно увеличивает срок службы лопастей вентиляторов нового и б/у реактивного двигателя Trent для широкофлюзеляжных самолетов. Более 35,000 лопастей было обработано для международного флота воздушных судов

Рисунок 4 показывает увеличение срок службы обеспеченного для лопастей вентилятора Ti 6/4 двигателя Trent 800 с лазерным упрочнением и без лазерного упрочнения . Rolls Royce напечатал в прессе, что для лопастей с лазерным упрочнением срок службы увеличивается в 20 раз. При стоимости лазерного упрочнения в размере 1% от стоимости замены лопасти, использование данного процесса в результате приведет к экономии многих миллионов долларов каждый год, особенно если включить стоимость замены лопастей, экономию на техобслуживании и большую готовность самолета к работе. Эта экономия реализуется как для новых, так и для б/у лопастей.

Дробеструйное упрочнение и глубокая холодная прокатка не способны принести подобную выгоду. В скором времени стало понятно, что выгода полученная для лопастей Trent 800 может быть выгодой и для других лопастей двигателей и других компонентов. Соответственно, компоненты для BR710, Trent 500 и нового Trent 1000, приводящего в движение Boeing 787 - все пользуются преимуществами лазерного упрочнения.

Резюме

В заключение - лазерный наклеп MIC - это проверенная технология, доказавшая свою экономическую эффективность и приводящая к существенной экономии вложений. MIC готово предоставить услуги по лазерному упрочнению

Размещено на Allbest.ru