Введение к работе
Актуальность темы. Жаропрочные стали и сплавы используют для изготовления деталей современных двигателей, работающих в исключительно тяжелых условиях, характеризующихся одновременным действием агрессивных сред, высоких температур, статических и динамических нагрузок.
Экстремальные условия эксплуатации двигателей приводят к разупрочнению и разрушению их ресурсоопределяющих деталей (рабочих и направляющих лопаток газотурбинных двигателей, гильз цилиндров и клапанов механизмов газораспределения поршневых двигателей) вследствие межкристаллитной и питгинговой коррозии, накопления дефектов и трещин, термоусталости, эрозионных повреждений, окисления и выгорания легирующих элементов, фреттинг-коррозии. Так, лопатки имеют срок службы в агрессивной высокотемпературной среде в среднем в 1,5 раз меньше других деталей газотурбинного двигателя.
Анализ литературных источников показал, что до 80% отказов техники обусловлено коррозионным разрушением деталей. Рядом авторов приводится статистика неисправностей изделий, выполненных из жаропрочных сталей и сплавов, вызванных коррозионными процессами различных типов.
Основными методами повышения коррозионной стойкости жаропрочных сталей и сплавов являются нанесение защитных покрытий различными способами. Используемые в настоящее время защитные покрытия многокомпонентны и многослойны, они содержат драгоценные и редкие элементы, процессы их нанесения включают несколько стадий, что делает технологии неэкономичными и энергозатратными.
Необходим поиск новых перспективных способов повышения антикоррозионных свойств жаропрочных сталей и сплавов, способов упрочнения. Поэтому проблема повышения стойкости к коррозии жаропрочных сталей и сплавов является актуальной в научном и прикладном аспектах.
Перспективным решением проблемы повышения коррозионной стойкости жаропрочных сталей и сплавов может стать использование лазерного излучения. Преимущества лазерной обработки очевидны: локальность воздействия, минимальные деформации детали, высокая концентрация энергии, отсутствие контакта с обрабатываемым изделием, возможность обработки труднодоступных участков, а высокая степень автоматизации, экологическая чистота, высокая производительность позволят получить существенный экономический эффект.
Поэтому в научном плане актуальным является изучение механизма фазовых и структурных превращений, протекающих в поверхностных слоях жаропрочных сталей и сплавов при лазерным облучении. Необходимо установить оптимальные режимы лазерной обработки, при которых достигается максимальная стойкость к коррозионному разрушению, микротвердость и износостойкость.
Диссертационная работа выполнялась в рамках проекта по теме № 403 7Ф аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы».
Цель работы: повышение антикоррозионных свойств и износостойкости жаропрочных сталей и сплавов методом лазерной поверхностной обработки.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Изучение влияния лазерной термообработки на коррозионную стойкость поверхности деталей из жаропрочных сталей и сплавов.
Исследование влияния лазерной термообработки и лазерного легирования на микротвердость, износостойкость, шероховатость поверхностных слоев изделий из жаропрочных сталей и сплавов.
Исследование и анализ структурных изменений в поверхностных слоях жаропрочных сталей и сплавов, вызванных воздействием лазерного излучения.
Определение режимов лазерной термообработки и лазерного легирования жаропрочных сталей и сплавов, обеспечивающих существенное повышение коррозионной и износостойкости.
Разработка технологии лазерной термообработки и лазерного легирования поверхностей деталей из жаропрочных сталей и сплавов с целью повышения стойкости к коррозии и износу.
Методы исследований.
Цель работы и сформулированные задачи исследования обусловливают использование комплекса экспериментальных и расчетных методов.
Обработка образцов сплава ЭП109 и сталей 38Х2МЮА, 45Х14Н14В2М проводилась на лазерных технологических установках ЛТУ-2М, «Квант-16» в различных режимах.
Скорость коррозии в кислой среде определялась весовым методом путем вычисления массового показателя коррозии. С целью подтверждения результатов проводились электрохимические коррозионные испытания потенциостатическим способом с применением потенциостата П-5827, скорость коррозии определяли методом экстраполяции поляризационных кривых с использованием программного пакета MathCAD.
Измерения микротвердости образцов сплава ЭП109 и сталей 38Х2МЮА, 45Х14Н14В2М осуществлялись на приборе ПМТ-3. Микроструктура образцов исследовалась на микроскопе МИМ-8 при увеличении 100х - 400". Износостойкость определялась весовым методом и через измерение геометрических размеров исследуемых образцов. Рентгеноструктурный анализ выполнялся надифрактометре Дрон-ЗМ.
Научная новизна:
Установлено повышение коррозионной стойкости жаропрочных сталей и сплавов при лазерной поверхностной обработке импульсами и непрерывно вследствие измельчения и уплотнения исходной структуры.
Раскрыт механизм повышения микротвердости и износостойкости
поверхностей жаропрочных сталей и сплавов, заключающийся в последовательном использовании лазерной термообработки и лазерного легирования, при этом лазерная термообработка приводит к измельчению структуры, а лазерное легирование и к дальнейшему измельчению структуры, и к вводу в поверхностный слой легирующих элементов.
На основе результатов исследований разработаны положения, определяющие взаимосвязь плотности мощности лазерного излучения и химико-механических показателей - коррозионной стойкости, микротвердости и износостойкости жаропрочных сталей и сплавов на никелевой основе, и позволяющие управлять процессами лазерной обработки.
Предложен способ двухэтапной лазерной обработки бандажных полок лопаток газотурбинного двигателя, включающий последовательное разделенное по времени выполнение процессов лазерной термообработки и лазерного легирования алюминидом кобальта, обеспечивающий повышение микротвердости поверхностных слоев в 2,7 раза, износостойкости в 3,4 раза.
Получены парные корреляционные зависимости между коррозионной стойкостью и микротвердостью жаропрочных сталей и сплавов после лазерной обработки и составлены математические модели, позволяющие определять степень их взаимного влияния и упрощающие задачи оптимизации режимов лазерной поверхностной обработки металлов.
Практическая значимость полученных результатов:
Разработан способ повышения коррозионной стойкости жаропрочных сталей и сплавов с использованием лазерного облучения.
В работе предложены оптимальные режимы лазерного упрочнения жаропрочных сталей и сплавов и лазерного легирования поверхности сплавов на никелевой основе.
Разработанные способы модифицирования поверхностей сталей и сплавов с помощью воздействия лазерного излучения использованы в условиях единичного или мелкосерийного производства с часто меняющейся номенклатурой деталей.
Разработан способ поверхностного упрочнения лопаток газотурбинного двигателя, гильз цилиндров дизельных двигателей.
Прикладные результаты, полученные в ходе разработки технологии, включены в курс лекций по дисциплине «Химия» для курсантов Омского танкового инженерного института.
На защиту выносятся следующие положения:
Процесс термической обработки поверхностей никелевых сплавов лазерным излучением, включающий быстрый и высокотемпературный нагрев, выдержку по длительности импульса лазерного излучения и охлаждение с высокой скоростью приводит к структурным и фазовым превращениям в зоне лазерного воздействия, что повышает коррозионную и износостойкость в высокотемпературной агрессивной среде.
Лазерное легирование сплава ЭП109 алюминидом кобальта СозА12
позволяет получать слои с повышенной твердостью и износостойкостью, что достигается за счет измельчения зерен основного металла в зоне лазерного воздействия и образования упрочняющих интерметаллидных фаз.
Оптимизацией режимов лазерной обработки поверхности жаропрочных сталей достигаются существенные структурные превращения, состоящие в образовании скрытокристаллических мартенситных структур, обусловливающих повышение коррозионной стойкости, микротвердости, износостойкости.
Способ двухэтапной лазерной поверхностной обработки сплавов, включающий последовательное, разделенное по времени выполнение процессов лазерной термообработки с целью измельчения структуры и лазерного легирования, позволяющего насыщать поверхностный слой легирующими элементами.
Парные корреляционные зависимости между микротвердостью и коррозионной стойкостью жаропрочных сталей и сплавов после лазерной обработки позволяют устанавливать закономерности их взаимного влияния и упрощают решение задач оптимизации режимов лазерной поверхностной обработки.
Апробация работы. Основные положения и материалы диссертации доложены и обсуждены на I Межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Броня - 2002); II Межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Броня - 2004); I Региональной научной конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А.С. Клинышкова «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники» (Омск, 2004); III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (ВТТВ-2005); Внеочередной конференции-семинаре Ассоциации автомобильных инженеров «Значение технических регламентов в решении проблем создания и эксплуатации автомобилей в условиях Сибири и Крайнего Севера» (Сургут, 2005); Международной научно-технической конференции «Качество. Инновации. Наука. Образование» (Омск, 2005); Объединенном научном семинаре кафедры ХТОВ ОмГТУ и кафедры физики и химии ОТИИ; III Межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Броня - 2006); IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (ВТТВ-2007); IV Межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Броня -2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе одна монография, 2 работы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций.
Объем и структура диссертации. Конструктивно диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников (130 наименований). Диссертация содержит 136 страниц основного текста, включая 35 таблиц и 63 рисунка. Всего 149 страниц.
