В ПНИПУ узнали, как повысить качество изделий из сплава нового поколения

Экспериментальное исследование образования при обработке дефектов на поверхностном слое изделий из нового жаропрочного никелевого сплава, востребованного в авиационной и космической промышленности, провели ученые Передовой инженерной школы (ПИШ) Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 24 марта сообщает пресс-служба вуза.

Современное производство авиационной и космической техники предъявляет высокие требования к качеству изделий из металла, и в авиастроении в настоящее время широко внедряются жаропрочные сплавы нового поколения, которые за счет устойчивости к внешним нагрузкам и окислению позволяют увеличивать срок службы изготавливаемых из них конструкций.

Однако твердость таких материалов затрудняет применение механических методов изготовления деталей из них. На помощь может прийти метод проволочно-вырезной электроэрозионной обработки, при котором детали нужной формы и размера получают, используя электрические импульсы.

Внедрение этого способа в производство требует четкого понимания, какое влияние он оказывает на характеристики того или иного материала. Эту информацию решили получить для жаропрочного никелевого сплава ВВ751П в ходе экспериментов материаловеды ПИШ ПНИПУ.

Результаты исследования ученые представили в статье «Повышение качества изготовления изделий из жаропрочного никелевого сплава нового поколения с применением проволочно-вырезной электроэрозионной обработки», опубликованной в журнале «Обработка металлов», 2025 год. Полученные ими данные позволят производить качественные изделия для авиационной промышленности.

Достижение требуемой точности при производстве изделий из жаропрочных сплавов нового поколения механическими способами затруднено из-за их высокой твердости. Так как в процессе обработки режущий инструмент быстро изнашивается, а кроме того, при этом выделяется большое количество тепла, что отрицательно влияет на качество изделия.

Альтернативным методом, лишенным этих недостатков, может служить проволочно-вырезная электроэрозионная обработка, позволяющая изготавливать детали сложных форм и разных размеров. В таких станках проволока под действием электрических разрядов плавит материал, формируя по заданной программе на металлической заготовке нужный контур.

Такая технология подходит для обработки деталей из сплавов любой твердости. Но кратковременные электрические импульсы, воздействуя на металл, создают на его поверхности белый слой, имеющий другие, худшие значения твердости по сравнению с основным материалом.

Из-за остаточных напряжений в этом слое могут возникать трещины и другие поверхностные дефекты, что в процессе эксплуатации может привести к разрушению всего изделия. При этом толщина дефектного слоя определяется применяемым режимом обработки.

Из сплава ВВ751П, особенности электроэрозионной обработки которого исследовали ученые ПИШ Пермского Политеха, изготавливают ответственные детали авиадвигателей, такие как лопатки турбин, диски компрессоров, другие элементы, работающие в условиях высоких температур и механических нагрузок. Применение данного сплава позволяет увеличить срок службы и надежность этих деталей.

Для проведения экспериментов в ПНИПУ изготовили несколько образцов высотой 10 и 15 мм, которые потом подвергали электроэрозионной обработке, воздействуя электрическими импульсами длительностью 21 и 30 микросекунд. После этого ученые детально исследовали поверхностный слой образцов.

Директор Высшей школы авиационного двигателестроения ПНИПУ, кандидат технических наук Тимур Абляз рассказал о полученных результатах:

«Мы установили, что при проволочно-вырезной электроэрозионной обработке величина дефектного белого слоя остается стабильной на обоих режимах и составляет 10 микрометров. Изменение параметров почти не сказывается на глубине его образования. Однако происходят изменения в его структуре и параметров шероховатости».

Исследователи выяснили, что кратковременное действие импульса (21 микросекунда) не вызывает поверхностных дефектов в виде пор и трещин, однако при увеличении энергии импульса (длительность воздействия 30 микросекунд) материал плавится интенсивнее, что приводит к формированию неровностей и микротрещин.

Качество поверхности, как установили политехники, зависит и от высоты заготовок. На образцах высотой 15 мм образование микротрещин идет интенсивнее, независимо от мощности режима, а их размеры достигают 50–60 микрометров.

От высоты образца зависят и значения шероховатости, возрастая по параметру Ra (один из ключевых показателей для оценки и контроля шероховатости поверхности) от 1,62 мкм при 10 мм до 3,4 мкм при 15 мм.

Ученые ПИШ ПНИПУ, делая вывод из полученных результатов, указывают, что для деталей из никелевого жаропрочного сплава ВВ751П при их электроэрозионной обработке проволокой получить бездефектный верхний слой с низкими значениями параметра шероховатости можно, если контролировать подачу энергии электрического импульса и высоту самих заготовок.

Выявленные ими условия электроэрозионной обработки деталей из этого сплава нового поколения помогут авиастроителям создавать изделия более высокого качества и с улучшенной устойчивостью к внешним нагрузкам.