Введение. За последние десятилетия наметился значительный прогресс в области авиации

За последние десятилетия наметился значительный прогресс в области авиации. Этому, без сомнения, способствовало появление газотурбинных двигателей, которые в настоящее время достигли высокого термодинамического и конструктивного совершенства. Вместе с тем, развитие энергетики, атомной и ракетной техники, все более широкое использование ГТД в различных отраслях машиностроения обуславливает непрерывный рост требований, предъявляемых к показателям их качества.

Одним из важнейших показателей прогресса в изготовлении газотурбинных двигателей считается непрерывное повышение температуры газа перед турбиной. Если первые ГТД имели значение этой температуры около 1000 K, то в современных турбореактивных двухконтурных двигателях она превышает 1600 K, а в авиадвигателях пятого поколения будет доведена до 1800…1950 K. Немаловажное значение играет и снижение удельного веса двигателей. Так, за период с 1950 по 1990 гг. удельный вес двигателей снизился более чем в 2.5 раза.

Подобная тенденция требовала решения ряда наиважнейших задач, в числе которых – задачи улучшения физико-механических характеристик применяемых материалов при повышенных температурах для обеспечения работоспособности ответственных деталей двигателя. Условия работы таких деталей заставляют предъявлять к материалам, из которых они изготавливаются, очень высокие и, в тоже время, весьма противоречивые требования: они должны обладать достаточной прочностью при рабочих температурах, пластичностью, сопротивлением ползучести, выносливостью, коррозионной стойкостью, сопротивлением эрозионному разрушению и возможно меньшей чувствительностью к концентраторам напряжений [1]. Этим требованиям в полной мере отвечает широкий класс высоколегированных сталей и сплавов со специальными свойствами. Так, для изготовления турбинных лопаток применяются жаропрочные сплавы и суперсплавы на никелевой основе с содержанием хрома, вольфрама, молибдена, алюминия, бора, ниобия и других легирующих элементов; лопатки ротора компрессора чаще всего выполняются из коррозионностойких сталей, легированных хромом и никелем.

Вследствие особых требований, предъявляемых к материалам, их химический и фазовый составы отличаются высокой сложностью, в первую очередь обусловленной большим количеством легирующих элементов. Современные жаропрочные сплавы на никелевой основе могут содержать до 15 различных легирующих элементов в тщательно контролируемых количествах и до 10 примесных элементов. Это, безусловно, позволяет получить наибольший эффект упрочнения при сохранении необходимой жаростойкости, но с другой стороны, вносит свой отпечаток в технологический процесс последующей обработки материала.

Анализ показывает, что по мере повышения жаропрочности, значительно снижается обрабатываемость сплавов. Производительность при механической обработке таких материалов в 5-10 раз ниже производительности при обработке конструкционных сталей [2]. Это объясняется прежде всего низкой теплопроводностью, высокой прочностью и значительными абразивными свойствами жаропрочных и жаростойких сплавов.

Низкой теплопроводностью отличаются все жаропрочные материалы, поэтому при их обработке резанием перенос тепла в стружку и изделие невелик. Большее количество теплоты концентрируется вблизи режущей кромки, что способствует повышению её температурного потенциала и снижает стойкость режущего инструмента. Кроме того, температуры, при которых протекает обработка жаропрочных и жаростойких материалов, обычно в 1.5-2 раза выше температур, возникающих при обработке обычных материалов. В силу этих причин производительность методов обработки, использующихся для обычных конструкционных материалов, весьма ограничена. Всё это, безусловно, в той или иной степени отражается на эксплуатационных свойствах детали, поскольку остаточные напряжения в поверхностном слое оказывают влияние на целый комплекс характеристик, включающий точность обработки, статическую и динамическую прочность, а также стойкость к различным контактным процессам [3].

В связи с этим, на сегодняшний день актуальным является исследование повышения производительности обработки и обеспечение требуемых эксплуатационных показателей деталей ГТД, изготавливаемых из жаропрочных и жаростойких материалов с использованием инструмента с нанопокрытиями.