Realizacja · Obróbka cieplna · Lotnictwo

Hartowanie gazowe nawęglanych kół zębatych przekładni silnika lotniczego

Koła zębate w przekładni silnika z przekładnią redukcyjną (geared turbofan) przenoszą ekstremalne obciążenia przy dużych prędkościach, dlatego twardość warstwy, własności rdzenia i geometria są ściśle określone. Wysokociśnieniowe hartowanie gazowe jest czystsze i łatwiejsze do kontrolowania niż olejowe — ale tylko wtedy, gdy hartowanie zaprojektowano pod konkretną część.

W skrócie

Jeden model — od profilu węgla do końcowego kształtu.

Prace zrealizowano w ramach doktoratu wdrożeniowego naszego założyciela, dr. inż. Bartosza Iżowskiego, na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej; rozprawa została wyróżniona. Powstały cyfrowe bliźniaki dwóch wariantów hartowania kół zębatych silnika turbowentylatorowego nowej generacji z przekładnią redukcyjną.

CZĘŚĆNawęglane koło zębate przekładni, stal Pyrowear 53
PROCESNawęglanie próżniowe (LPC), a następnie hartowanie w oleju lub wysokociśnieniowe hartowanie gazowe (HPGQ)
PROBLEMOdkształcenia i rozrzut twardości po hartowaniu zwiększają naddatki na szlifowanie i ilość braków drogich kół.
WALIDACJAProfil węgla po nawęglaniu LPC przewidziany ze średnim błędem 0,03% mas. C (maks. 0,06% mas.) względem zmierzonych profili. Odpowiedź dylatometryczna podczas nagrzewania i hartowania odtworzona z dokładnością do 1,3 µm (średnio 0,2–0,6 µm). Obliczony udział austenitu szczątkowego (~8%) mieści się w zmierzonym zakresie 4–10%.
WYNIKDobór ciśnienia hartowania i ułożenia części na drodze obliczeń — i prognoza odkształceń, zanim zahartuje się pierwsze koło.

Wyzwanie

Nawęglanie daje twardą, odporną na zużycie warstwę na ciągliwym rdzeniu. Hartowanie, które po nim następuje, decyduje o tym, czy warstwa osiągnie wymaganą twardość — i jak bardzo koło przy tym „popracuje”. Przy hartowaniu gazowym współczynnik wymiany ciepła zmienia się na powierzchni części w zależności od ciśnienia i prędkości gazu oraz ułożenia części w piecu. Cienkie i grube przekroje chłodzą się z różną szybkością, wysokowęglowa warstwa przemienia się później niż rdzeń, a wynikiem jest kombinacja naprężeń własnych i odkształceń trudna do przewidzenia na podstawie samego doświadczenia.

Podejście

Każdy wariant — konwencjonalne hartowanie w oleju i wysokociśnieniowe hartowanie gazowe — zamodelowano jako jedno sprzężone zagadnienie cieplno-metalurgiczno-mechaniczne:

  • Skalibrowany model materiałowy stali na podstawie zmierzonych własności i danych o przemianach fazowych.
  • Dyfuzja węgla podczas pulsacyjnego nawęglania próżniowego — profil węgla w warstwie.
  • Nieustalona wymiana ciepła podczas hartowania, ze współczynnikami wymiany ciepła wyznaczonymi metodą odwrotną dla oleju oraz dla gazu przy różnych ciśnieniach i przepływach.
  • Kinetyka przemian fazowych zależna od lokalnej zawartości węgla i szybkości chłodzenia.
  • Rozwój naprężeń i odkształceń, z uwzględnieniem odkształceń od przemian, do prognozy naprężeń własnych i odkształceń hartowniczych.

Co to umożliwia

Ze skalibrowanym modelem ciśnienie hartowania, przepływ gazu i sposób ułożenia części można porównać wirtualnie. Dla każdego wariantu przewiduje się twardość, grubość warstwy, naprężenia własne i odkształcenia — próby służą wtedy do potwierdzenia wybranej technologii, a nie do jej szukania.

Co to oznacza dla Ciebie

Ta sama metodyka ma zastosowanie do nawęglanych i hartowanych na wskroś kół zębatych, wałów i elementów łożysk — w przekładniach samochodowych, przemysłowych, lotniczych i wojskowych — przy hartowaniu w gazie, oleju lub roztworach polimerowych.

Koła zębate odkształcają się po obróbce cieplnej?

Prześlij rysunek i przebieg obróbki cieplnej. W ramach NDA powiemy, co może przewidzieć model.