В настоящее время в авиационном двигателестроении весьма актуальным является применение новых материалов для повышения экономичности и весовой эффективности газотурбинных двигателей (ГТД).
В данной статье представлены результаты предварительных экспериментов по разработке технологий размерной обработки перспективных конструкционных материалов применительно к одному из самых термонагруженных узлов ГТД – камере сгорания. Была опробована технология глубокой выборки керамических и композитных материалов методом лазерного фрезерования.
Рис. 1 Результаты лазерного фрезерования керамики ВМК-3
Актуальность применения в камере сгорания и форсажной камере керамических материалов связана с их низким удельным весом – в 2,5…3 раза меньше, чем у современных жаропрочных конструкционных сплавов, и более высокой (не менее 1500?C) рабочей температурой. Высокая прочность, твердость, хрупкость и температура плавления делает керамические материалы практически не обрабатываемыми лезвийными методами, а электроизоляционные свойства исключают возможность электроэрозионной обработки, что сдерживает их применение в высокоточных деталях. Практически единственным методом формообразования керамических деталей является лучевое испарение и наиболее оптимальным – испарение лучом лазера.
Целью работы являлось прецизионное формирование сложнопрофильных конструктивных элементов термонагруженных деталей, которые невозможно или крайне сложно выполнить другими способами.
1. Применяемые материалы
Экспериментальную отработку вели на двух типах керамики:
РЕФСИК, разработанной в ИФТТ РАН, г. Черноголовка;
ВМК3, разработанной в ВИАМе.
РЕФСИК [1]: Материалы РЕФСИК наилучшим образом подходят для изготовления высокотемпературных деталей, испытывающих воздействие механических нагрузок. Например: рабочие участки электронагревателей, детали высокотемпературных печей и двигателей. Материалы имеют прочный до 19002000°С (и выше) связный каркас из карбида кремния и могут быть армированы углеродными волокнами, углеродными тканями, графитными пластинками. Связкой и одновременно защитным покрытием в материале служит сочетание силицидов – твердых растворов (Mo,W)5Si3+(Mo,W)Si2 и/или (Mo,W)5Si3C+(Mo,W)Si2.
ВМК3[2] – это керамический композиционный материал типа SiCSiC, предназначен для изготовления теплонагруженных узлов и деталей перспективных изделий, в т.ч. для сегментов двустеночной камеры сгорания, работоспособный при 1500…1550°C в окислительной среде, обладает низкой удельной массой (2,4 … 2,8 г/см3), повышенной эрозионной, химической и коррозионной стойкостью в агрессивных средах, высокой стойкостью при термоциклических нагрузках по режиму 1500°C – 800°C более 5000 циклов (1 цикл – 1 мин.) без разрушения, при эксплуатационных температурах, обладает эффектом самозалечивания микродефектов и восстановления до 100% исходных механических характеристик. Свойства керамического композиционного материала ВМК3 приведены в таблице 1.
Возможна механическая обработка готовых деталей шлифованием или полированием.
Превосходит зарубежные аналоги по рабочей температуре и прочности (квоты превосходства – 15%).
2. Применяемое оборудование и технология обработки
- Обработка производилась на лазерном комплексе в составе:
- пятикоординатный станок САМ5850А4
- технологический лазерный модуль
– твердотельный импульсный лазер
– коллимирующая оптическая система
– лазерный резак
- источник питания
- блок охлаждения
- система подачи технологического газа
Образцы крепились на вертикальном столе станка.
Решаемой технологической задачей являлся поиск режимов, при которых усталостная прочность обработанной детали была бы, как минимум, не хуже, чем у элементов сформированных стандартным термопрессованием.
Основным материалом, на котором отрабатывалась технология фрезерования стал ВМК3. Метод обработки – послойная выборка материала посредством сканирования излучением площади, ограниченной заданным контуром, с пошаговым углублением.
Экспериментально подбирались следующие параметры обработки:
- энергия импульса,
- длительность импульса накачки,
- частота следования импульсов,
- фокусное расстояние рабочего объектива,
- технологический газ (или отсутствие такового),
- параметры сканирования:
- шаг сканирования по горизонтали (оси X,Y),
- шаг сканирования по вертикали (ось Z),
- скорость сканирования,
- конфигурация (рабочая программа) сканирования.
3. Результаты работы
Было испробовано более 30 вариантов конфигураций сканирования для получения наиболее приемлемых результатов.
Для демонстрации возможностей были реализованы следующие конфигурации выборки (фрезеровки): прямоугольник 7?5?2,5 мм, окружность o 5?2,5 мм, окружность
o 5?2,5 мм с выпуклым равносторонним треугольником (сторона 2,5 мм) в центре и другие (рис. 1).
Достигнутые характеристики обработки: шероховатость Rz 20,неперпендикулярность реза 0,1/1 мм глубины реза. Степень шероховатости в данной работе зависела от алгоритма обработки. Далее производилась «легкая» финишная зачистка поверхности. В дальнейшем планируется производить финишную зачистку специально сформированным излучением. При резке образцов из ВМК3 образуется тонкодисперсный порошок наиболее вероятно из частиц SiO2 или SiC с оболочкой из SiO2. Порошок частично спекался и экранировал излучение.
Используемый режим обработки не был чисто испарительным, что приводило к специфическому поверхностному спеканию (с частичным окислением SiC при взаимодействии с кислородом воздуха и образованием SiO2 и CO2), при этом потенциальные трещины залечивались, что способствовало сохранению термоциклической прочности на уровне обеспечиваемой стандартным прессованием. Образцы с лазерной фрезеровкой и исходные, изготовленные термопрессованием, выдержали одинаковое количество термоциклов.
Кромка образцов после лазерного реза имеет неперпендикулярность ~ 0,1 мм/мм толщины.
На материале РЕФСИК проводились ознакомительные технологические эксперименты. Для экспериментов использовали образец, прошедший предварительную стадию формовки. Техпроцессом изготовления предусматривается стадия окончательного высокотемпературного спекания, практически не влияющая на геометрические размеры образца.
В экспериментах производилась выборка материала прямоугольниками 4?3 мм при разных режимах обработки (рис. 2).
Рис. 2 Результаты лазерного фрезерования керамики «РЕФСИК»
Таким образом, в данной работе была продемонстрирована возможность глубокой лазерной фрезеровки и, соответственно, возможность требуемой размерной обработки деталей перспективного конструкционного материала ГТД – композитной керамики SiCSiC, обработка которого другими методами практически невозможна. Лазерное фрезерование не ухудшило термоциклической прочности материала по сравнению с необработанным. Разработана также экспериментальная технология резки графита толщиной до 6,5 мм.
Исаенко Ю.Ж.
Лыткаринский машиностроительный завод
Тел. 84997550897
Литература:
- Рекламный проспект на материал РЕФСИК Института физики твердого тела Российской Академии Наук, Московская обл., г. Черноголовка
- Рекламный проспект на материал ВМК3, ВИАМ. г. Москва
<"