Введение к работе
Актуальность работы.
В решении комплекса проблем по повышению надежности авиационной техники и увеличению сроков ее службы важное место занимают вопросы повышения износостойкости и надежности работы трущихся деталей.
В процессе эксплуатации неизбежно происходит интенсивное изнашивание узлов трения. При этом наблюдаются не только изменения геометрии деталей, но и их свойств.
Учитывая, что многие эксплуатационные характеристики определяются структурой и свойствами поверхности материала, весьма актуальным является разработка методов их целенаправленного изменения.
Значительный прогресс в технологии обработки поверхности металлов и сплавов связан с развитием ионно-имплантационного металловедения. Развивающиеся при ионном легировании процессы модификации структуры происходят в условиях, далеких от равновесных, и позволяют получать поверхностные слои с уникальным комплексом химических и физико- механических свойств.
В последнее время большое внимание уделяется изучению влияния ионной имплантации одновременно несколькими ионами различных элементов, внедрение которых позволяет повысить целый комплекс эксплуатационных свойств исследуемых материалов.
В работах, выполненных в МГИУ Якутиной С.В., показана высокая эффективность применения в качестве материала катода имплантора медно- свинцового сплава монотектического состава, что позволило повысить износостойкость и коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А. Поскольку ранее в работах, выполненных в МГИУ, было установлено положительное влияние алюминия, олова и висмута на антифрикционные свойства медно-свинцового сплава монотектического состава, нами было высказано предположение о том, что добавление этих элементов в медно-свинцовый катод может также привести к повышению уровня эксплуатационных свойств изучаемой стали 30ХГСН2А.
Научные исследования по данной теме проводились в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (тема №16.740.11.0558 от 23.05.2011
г.).
Цель работы.
Целью настоящей работы является повышение эксплуатационных свойств деталей летательных аппаратов из стали 30ХГСН2А методом многоэлементной ионной имплантации, с применением в качестве материала катода сплава на основе трех несмешивающихся компонентов.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Обосновать выбор состава материала катода и метода получения многокомпонентных катодов на основе несмешивающихся компонентов.
-
Уточнить методику контактного легирования применительно к задаче получения трехкомпонентного катода на основе системы медь-свинец.
-
Исследовать распределение ионов в поверхностном слое стали 30ХГСН2А, получаемое путем имплантации с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец.
-
Исследовать влияние многоэлементной ионной имплантации на структуру поверхностного слоя стали 30ХГСН2А.
-
Провести экспериментальные исследования влияния многоэлементной ионной имплантации на износостойкость, усталостную прочность и коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А.
-
Провести промышленную апробацию результатов диссертационных исследований и разработать технологические рекомендации по имплантации с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец для повышения износостойкости деталей конструкций летательных аппаратов.
Объект исследования. Объектом исследований является поверхностный слой деталей летательных аппаратов из стали 30ХГСН2А, работающих в условиях трения и воздействия агрессивных сред.
Предмет исследования. Предметом исследования является изучение процесса имплантации деталей из стали 30ХГСН2А с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец дополнительно легированных алюминием, оловом или висмутом, а также закономерностей изменения свойств имплантированного поверхностного слоя деталей.
Методы исследования.
Эксперименты проводились в лабораториях Московского государственного индустриального университета (ФГБОУ ВПО «МГИУ»), Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») и Исследовательского Центра «Сколково» на следующем оборудовании: машина УРС-2000; машина трения, Tribometer, CSM Instruments, Швейцария; нанотвердомера Nano-HardnessTester NHT, CSM; камера соляного тумана марки SС450; оптический микроскоп «Carl Zeiss»; электронный сканирующий микроскоп «Karl Zeiss» EVO 50; многоцелевой электронный микроскоп Tecnai G2 20 ПЭМ; дифрактометр ARL X'TRA (Швейцария); установка «Physical Electronics» PHI-6600 SIMS System.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов работы подтверждается двумя патентами на разработанную технологию ионной имплантации катодами на основе несмешивающихся компонентов. Достоверность обеспечивается использованием современных методов исследования, автоматизированного аналитического и метрологического оборудования.
Научная новизна.
1. Впервые применены трехкомпонентные антифрикционные сплавы на основе несмешивающихся компонентов в качестве источника ионов для синтеза антифрикционных имплантированных слоев в поверхностных областях деталей, непосредственно подвергающихся износу при трении.
2. Впервые установлен факт увеличения глубины проникания ионов в имплантированном слое при легировании монотектического сплава третьим компонентом.
Практическая значимость результатов работы:
-Уточнена методика контактного легирования применительно к задаче получения трехкомпонентного катода на основе системы медь-свинец, содержащего дополнительно алюминий, олово или висмут.
-
Разработаны технологические рекомендации по ионной имплантации поверхности авиационных деталей из стали 30ХГСН2А с применением ионов монотектического сплава Cu64Pb36, дополнительно легированного оловом, висмутом или алюминием.
-
Опробована и успешно прошла стендовые испытания партия серийных авиационных деталей после имплантации поверхности ионами монотектического сплава Cu64Pb36, легированного оловом, висмутом или алюминием. Поскольку использование ионной имплантации не требует коренной перестройки технологии изготовления деталей, это открывает перспективы ее быстрого и успешного внедрения в производство как выпускаемых, так и разрабатываемых летательных аппаратов.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были представлены в докладах: VI Международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2011); I Всероссийской конференции «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы» (Рубцовск, 2011); 14-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2012); VIII mezinarodni vedecko - prakticka konference «Dny vedy - 2012» (Praha, 2012); II-й международной заочной конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2013); 15-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2013) .
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получены 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы.
Настоящая работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы (125 наименований), приложения и содержит 165 страниц машинописного текста, в том числе 71 рисунок и 24 таблицы.
