Содержание к диссертации
Введение
1. Модификация поверхностных слоев деталей гтд сильноточными импульсными электронными пучками (литературный обзор) 13
1.1 Особенности модификации физико-химического состояния а+р-титановых сплавов .. 13
1.1 Оборудование 18
1.2 Процессы, протекающие в твердом теле при облучении электронными пучками 23
1.3 Влияние электронно-лучевой обработки на физико-химическое состояние материала в поверхностных слоях деталей из жаропрочных сталей и сплавов 27
1.4 Влияние электронно-лучевой обработки на свойства деталей из жаропрочных сплавов и сталей 31
2. Методики облучения, исследования состояния поверхности и испытаний лопаток гтд из жаропрочных титановых сплавов 35
2.1 Материалы, модельные образцы и детали для исследований 35
2.2 Оборудование для исследования 37
2.3 Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения 38
2.4 Методики исследования состояния поверхностных слоев облучаемых мишеней 39
2.5 Методики определения эксплуатационных свойств лопаток компрессора 43
2.6 Методики термодинамического и кинетического анализа для выбора режимов
облучения 44
3. Влияние электронно-лучевой обработки на элементный состав поверхностных слоев лопаток из жаропрочных титановых сплавов 52
3.1 Исследование влияния режимов облучения на изменение химического состава в поверхностных слоях лопаток из титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9 52
3. 2. Выбор оптимальных режимов облучения 59
4. Исследование влияния режимов облучения на структурые характеристики материала в поверхностных слоях лопаток из титановых сплавов 61
4.1 Структурные изменения в поверхностных слоях образцов и лопаток из сплавов ВТ6, ВТ8иВТ9 61
4.2 Исследование процесса кратерообразования на поверхности деталей из титановых сплавов 76
4.3 Выбор оптимальных режимов облучения по результатам структурных исследований 89
5. Влияние режимов облучения на свойства лопаток из сплавов ВТ6
5.1 Усталостная прочность 91
5.2 Жаростойкость 99
5.3 Эрозионная стойкость 100
5.4 Сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования 102
5.5 Прочность, пластичность и трещиностойкость 108
5.6 Методики испытаний облученных и серийных лопаток на технологическом изделии 112
5.7 Разработка технологических карт процессов электронно-лучевой обработки лопаток из сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9 115
Выводы 123
Список использованных источников
- Особенности модификации физико-химического состояния а+р-титановых сплавов
- Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения
- Исследование влияния режимов облучения на изменение химического состава в поверхностных слоях лопаток из титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9
- Структурные изменения в поверхностных слоях образцов и лопаток из сплавов ВТ6, ВТ8иВТ9
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Повышение требований к эксплуатационным характеристикам, экономичности и надежности газотурбинных двигателей (ГТД), что обусловлено необходимостью существенного увеличения ресурса, создает порой неразрешимые сложности при выборе материалов и разработке технологических процессов изготовления из этих материалов, наиболее нагруженных деталей вентилятора, компрессора и турбины ГТД, прежде всего лопаток и дисков [1-3]. Решить данную проблему можно только с использованием комплексного подхода, включающего с себя разработку новых материалов, улучшение уже применяемых сплавов, развитие методов изготовления заготовок и способов модифицирования поверхности деталей. Среди всех материалов авиационной техники особое место занимают титановые сплавы, которые являются одними из основных конструкционных материалов в отрасли. Достаточно отметить, что на долю титана приходится до 10% от общего веса гражданского самолета [4]. Для деталей изготовленных из псевдо-а и а+р-титановых жаропрочных сплавов характерна совокупность высоких прочностных и коррозионных свойств при относительно низкой плотности и хорошей обрабатываемости [5]. Перспективным представляется разработка новых Р- и, особенно, у-титановых сплавов, причем последние, уже в ближайшем будущем, могут почти полностью заменить в авиационном двигателестроении жаропрочные стали и, даже, никелевые сплавы [5, 6]. Общая же тенденция в авиационном двигателестроении остается неизменной на протяжении последних 20 лет. На первом месте находятся проблемы снижения затрат на производство и эксплуатацию двигателей при снижении их веса и повышении рабочих характеристик на базе уже созданных материалов при экстремально возможном увеличении эффективности использования этих материалов для изготовления наиболее нагруженных компонентов ГТД [5].
То, что возможности повышения эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов и, в частности, псевдо-а и а+р-титановых жаропрочных сплавов, практически исчерпаны, подтверждается последними публикациями специалистов одного из головных институтов отрасли ВИАМ [7-9]. Все, что было предложено промышленности в этих публикациях, это «...новый жаропрочный титановый сплав, созданный на базе "относительно нового" сплава ВТ18У путем применения дополнительного легирования такими элементами, как W и Fe, что обеспечивает увеличение предела прочности до 1030 МПа и предела
длительной прочности (за 100 часов при 600 С) до 330 МПа при сохранении или даже некотором повышении характеристик пластичности... »[9]. Здесь необходимо подчеркнуть, что «относительно новый» титановый сплав ВТ18У был разработан более 20 лет назад, а обеспечение однородного распределения вольфрама и железа было технологически сложной задачей, до конца нерешенной, даже при использовании гранульной технологии, при получении сплавов ВТ18У и ВТ25У [10]. Отсюда становиться совершенно не ясно, каким образом авторам работ [7-9] удалось повысить характеристики пластичности сплава ВТ18У при добавлении вольфрама и железа, и насколько снизились жаростойкость и коррозионная стойкость сплава в результате такого легирования.
Более перспективным представляется подход, развиваемый в последнее десятилетие В. Эвансом, Д. Элоном, П. Мартиным, Р. Халлом, Г. Лютерингом, С. Семиатиным, И. Уэсом и др. [11-20], который направлен на совершенствование термомеханической обработки заготовок из титановых сплавов в р- и а+р-областях диаграммы состояния и установление взаимосвязи между режимами термомеханической обработки, формируемыми структурами и свойствами, такими как, усталость, фреттинг-усталость, пластичность, ползучесть, длительная прочность и др. Подобные исследования в России были проведены еще в 70-80 годы сотрудниками ВИАМ [21,22]. По результатам этих исследований были составлены атласы формируемых структур по девятибалльной шкале для Российских титановых сплавов, используемых в качестве базовых при изготовлении дисков и лопаток компрессора высокого давления. Эти атласы успешно используются в промышленности при реализации операций выборочного контроля в технологических процессах производства лопаток и дисков. Тем не менее, при проведении подобных исследований проявляется заметный консерватизм разработчиков титановых сплавов, ошибочно полагающих, что только структурные характеристики материала определяют его свойства, причем последние автоматически считаются свойствами детали, изготовленной из выбранного сплава. Более того, в периодике, и даже в учебной литературе [23], можно встретить утверждения о «состоянии поверхности сплава» или о том, что «...решение задачи повышения термостабильности титановых сплавов определяется в основном природой основы сплава и состоянием поверхности детали, которая может быть улучшена путем применения различных видов лучевой обработки с имплантацией некоторых элементов...» [9]. Эти причины, несомненно, оказывают отрицательное влияние на прогресс в инженерии поверхности деталей из титановых сплавов, представляющей собой в настоящее время одно из наиболее перспективных
направлений в авиационном материаловедении. Среди наиболее известных методов инженерии поверхности деталей ГТД, таких как нанесение гальванических покрытий, химико-термическая обработка (альфирование, азотирование, гидрирование и др.), детанационное упрочнение, плазменное нанесение покрытий, вакуумно-плазменная технология высоких энергий, электроискровой метод, анодирование, гидро дробеструйная обработка, лазерная обработка, виброгалтовка, ультразвуковое упрочнение, микродуговое оксидирование и др., обработка поверхности деталей из титановых сплавов пучками заряженных частиц (ионная имплантация, обработка мощными ионными пучками, обработка сильноточными импульсными электронными пучками) занимает особое место. Это обусловлено возможностью модифицировать поверхностные слои без изменения физико-химического состояния материалов в объеме детали, причем методика модификации материала в поверхностных слоях толщиной от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров происходит в результате взаимодействия высокоэнергетических ионов и электронов с мишенью на уровне элементарных частиц, что позволяет конструировать уникальное состояние материала на нанометровом уровне. Кроме того, обработка поверхности деталей из титановых сплавов пучками заряженных частиц позволяет решить многие проблемы, связанные с «технологической наследственностью» при реализации различных операций технологического процесса изготовления этих деталей, что особо подчеркивается в публикациях, одного из ведущих специалистов ЦИАМ, Петухова А.Н. [3].
Эффективность использования ионной имплантации и обработки мощными ионными импульсными пучками уже была доказана результатами работ [24-30] для деталей авиационной техники из сталей, жаропрочных титановых и никелевых сплавов, а облучение сильноточными импульсными электронными пучками (СИЭП) - для лопаток компрессора КВД из жаропрочных сталей ферритного и аустенитного классов ЭШббш и ЭП718ИД [31-36]. В то же время исследований, направленных на модификацию свойств деталей из титановых сплавов с помощью СИЭП, до сих пор, практически, проведено не было, за исключением работ Д.И. Проскуровского, В.П. Ротштейна и В.А. Шулова, выполненных на модельных образцах из сплавов ВТ6 и ВТ18У, подвергнутых облучению на ускорителе ИСЭ (Институт Сильноточной Электроники СО РАН, г. Томск) низкоэнергетическим электронным пучком (Е= 10-30 кэВ) [37, 38]. В этих публикациях приведены данные о возможности, посредством обработки поверхности мишеней из титановых сплавов СИЭП, повышения таких эксплуатационных свойств, как жаростойкость, усталостная прочность и коррозионная стойкость в результате плавления
и высокоскоростной перекристаллизации материала поверхностных слоев толщиной несколько микрометров. Однако были выявлены и негативные последствия обработки СИЭП: формирование поверхностных микродефектов, имеющих форму кратеров (кратерообразование) и являющихся концентраторами напряжений при усталостном нагружении, к которым особо чувствительны детали из жаропрочных титановых сплавов. К недостаткам обработки СИЭП, по данным работ [37, 38], можно отнести неоднородность фиксируемого физико-химического состояния материала в различных макроточках облученной части мишени, что связано с аппаратурными характеристиками, заложенными при проектировании и создании ускорителей ИСЭ. Относительно низкие однородность распределения энергии по сечению пучка и воспроизводимость величин средних плотностей энергии от импульса к импульсу, а также достаточно широкий спектр энергий электронов в пучке, наряду с неоднородностью физико-химического состояния материала поверхностных слоев исходных мишеней, приводит к формированию кратеров [39-41]. Кроме того, толщины модифицированных поверхностных слоев деталей из жаропрочных титановых сплавов после облучения СИЭП на ускорителе ИСЭ не превышают нескольких микрометров, что является недостаточным для наиболее нагруженных деталей КВД (лопатки и диски). Действительно, эрозионное воздействие при эксплуатации лопаток и дисков КВД, особенно в районах с засушливым климатом, сопровождается повреждением поверхностных слоев толщиной до 10-20 мкм при песчаной нагрузке со скоростями твердых частиц 100-300 м/с, поэтому толщины модифицированных приповерхностных областей этих деталей должны превышать 20-25 мкм (толщины, используемых в авиадвигателестроении эрозионностойких покрытий на основе нитридов циркония и титана, лежат в пределах от 20 до 30 мкм). Большой научный интерес и практическую значимость представляют ускорители СИЭП, разработанные в НИИЭФА имени Д.В. Ефремова (г. Санкт-Петербург), «GESA-1» и «GESA-2» [42], которые характеризуются высокими однородностью распределения плотности энергии по сечению пучка (до 10 %) и воспроизводимостью величин средних плотностей энергии от импульса к импульсу. Толщины модифицированных поверхностных слоев при использовании ускорителей «GESA-1» и «GESA-2» достигают 20-30 мкм, что было показано в работах [31-36] для лопаток из сталей ЭП866ш.
В этой связи целью настоящей диссертации являлась разработка основ технологических процессов электронно-лучевой модификаций поверхности лопаток компрессора ГТД из жаропрочных ос+р-титановых сплавов, а также внедрение
разработанных технологических процессов в серийное производство, что должно обеспечить кардинальное повышение уровня служебных свойств этих деталей.
Таким образом, актуальность данной работы в научном плане определяется -необходимостью формирования и обобщения банка экспериментальных результатов о влиянии режимов облучения сильноточными импульсными электронными пучками на физико-химическое состояние поверхности и рабочие характеристики деталей из жаропрочных титановых сплавов, эксплуатируемых в составе ГТД при одновременном воздействии знакопеременных и постоянных нагрузок, а также при ударном нагружении мелкодисперсными частицами в условиях повышенных температур и агрессивных сред, а с практической точки зрения - возможностью, уже в ближайшем будущем, внедрить некоторые электронно-лучевые техпроцессы в серийное производство на предприятиях авиационной промышленности.
Для достижения цели было необходимо реализовать постановку и последующее решение задач методического, научного и практического плана: (1) разработка методики исследования физико-химического состояния (химический состав, фазовый состав и структурные характеристики) поверхностных слоев деталей из жаропрочных а+р-титановых сплавов, основанной на применении таких методов, как: электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), рентгеноструктурный анализ (при регистрации дифрактограмм с фокусировкой по Брегту-Брентано на малых и больших углах, а также при использовании методики скользящего пучка, РСА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), экзоэлектронная эмиссия (ЭЭЭ), рентгеновский микроанализ (РМА), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), оптическая металлография в поляризованном свете, измерение шероховатости поверхности (Re) и др.; (2) разработка методики выбора режимов облучения СИЭП по результатам расчетов температурных полей в поверхностных слоях мишеней в зависимости от времени и по результатам термодинамического анализа процессов, протекающих в поверхностном слое при таком воздействии на поверхность деталей из титановых сплавов; (3) оценка оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток из жаропрочных титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9; (4) определение кинетики абляции материала с поверхности облучаемых СИЭП лопаток с эрозионностойким покрытием на основе нитрида циркония; (5) исследование явления кратерообразования на поверхности мишеней из титановых сплавов при облучении СИЭП; (6) обоснование режимов сравнительных натурных испытаний серийных и обработанных электронным пучком лопаток из сплава ВТ9 в составе двигателя РДЗЗ; (7) определение эксплуатационных характеристик лопаток 3 ступени
проточной части компрессора ГТД РДЗЗ, прошедших электронно-лучевую обработку (усталостная прочность и циклическая долговечность с использованием высокочастотных испытаний, микротвердость, жаростойкость, эрозионная стойкость, коррозионная стойкость в условиях термоцикл ирования и др.); (8) обсуждение и обобщение расчетных и экспериментальных данных, полученных на стадиях исследования и подготовки к натурным испытаниям; (9) создание технологических карт процессов электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток компрессора и вентилятора из сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9; (10) составление технического задания на проектирование и разработка технической документации для изготовления электронных ускорителей для серийного производства. Научная новизна работы.
Достижение сформулированной цели, в соответствии с общим планом исследований, практически полностью отражает научную новизну полученных данных. Впервые не только доказана высокая эффективность использования сильноточных электронных пучков для модификации свойств и ремонта лопаток вентилятора и компрессора высокого давления из титановых сплавов, но и разработаны технологические процессы электроннолучевой обработки и ремонта этих деталей двигателей РДЗЗ и РД 1700.
Кроме того, впервые были получены экспериментальные результаты влияния режимов облучения СИЭП на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и свойства компонентов двигателя, изготовленных из а+Р-титановых сплавов, что позволяет получить уникальные данные для моделирования процессов, протекающих в твердом теле при экстремально высоких скоростях нагрева и охлаждения, открывая, тем самым, широкие возможности для определения оптимальных режимов облучения, с точки зрения, достижения экстремально высоких эксплуатационных характеристик обрабатываемых деталей.
Эта часть работы является одной из важнейших составляющих проблемы создания перспективных высокоинтенсивных технологий электронно-лучевой обработки деталей широкой номенклатуры, изготавливаемых из различных материалов.
С точки зрения протекающих при облучении СИЭП процессов, впервые подробно изучены: явление «кратерообразования» протекающее на поверхности облучаемых СИЭП мишеней из титановых сплавов, если обработка реализуется в режиме уноса материала по взрывному механизму; закономерности перераспределения элементов в поверхностных слоях титановых сплавов при облучении импульсным электронным пучком в режимах плавления, испарения и абляции; текстурообразование, как результат высокоскоростной перекристаллизации материала поверхностного слоя, нагретого СИЭП; фазообразование,
протекающее в приповерхностных областях при облучении и финишной термообработке; изменение уровня остаточных напряжений (в рамках модели плоско напряженного состояния) в зависимости от режимов электронно-лучевой обработки; механизмы влияния облучения на основные свойства деталей из жаропрочных титановых сплавов ВТб, ВТ8 и ВТ9 (прочность, пластичность, усталостная прочность, жаростойкость, эрозионная стойкость, сопротивление горячей солевой коррозии в условиях термоциклирования); кинетика абляции с поверхности деталей из жаропрочного титанового сплава ВТ9, в том числе после наработки на двигателе.
Разработанные технологии электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток КВД из титановых сплавов не имеют аналогов в авиационном двигателестроении и составляют основу для создания перспективных технологий изготовления двигателей нового поколения (на примере двигателей РДЗЗ и РД1700). На защиту выносятся:
1. Методика выбора оптимальных режимов, позволяющая построить профили
распределения температуры и напряжений по глубине мишени в зависимости от
времени и определить те режимы облучения электронным пучком (при
микросекундной длительности импульса, т>10 цс, и высоких энергиях, Е>100 кэВ),
когда достигаются плавление, испарение, плазмообразование, разложение и
формирование различных фаз в поверхностных слоях деталей из жаропрочных
титановых сплавов, на основании основных положений химической термодинамики и
гидродинамики.
Методика определения физико-химического состояния материала в приповерхностных областях титановых лопаток вентилятора и компрессора высокого давления, а также рабочих характеристик лопаток подвергнутых различным методам поверхностной обработки.
Результаты исследования влияния режимов электронно-лучевой обработки на ускорителях "GESA-2" и "GESA-I" (энергия электронов, Е=П5-150 кэВ; длительность импульса, 7=15-40 цс; плотность энергии в импульсе, W-15-90 Дж/см ; число импульсов п=1-10 имп) на физико-химическое состояние материала в приповерхностных областях лопаток из жаропрочных титановых сплавов ВТб, ВТ8 и ВТ9 (химический состав, фазовый состав, структурные характеристики, остаточные напряжения и шероховатость поверхности).
Данные о влиянии режимов электронной и термической обработок на эксплуатационные свойства модельных образцов и лопаток из жаропрочных титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ6.
Особенности методики длительных натурных испытаний облученных деталей из титановых сплавов в составе технологического изделия (РДЗЗ).
Результаты исследования физико-химического состояния материала в поверхностных слоях облученных лопаток из титановых сплавов, подготовленных к испытаниям на технологическом изделии.
Механизмы перераспределения элементов в поверхностных слоях деталей из жаропрочных а+Р-титановых сплавов в процессе сильноточной импульсной электронно-лучевой обработки.
Электронно-лучевые технологии обработки и ремонта лопаток компрессора ГТД РДЗЗ, изготовленных из сплава ВТ9.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследования.
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований обоснованы рекомендации, обеспечивающие разработку и внедрение новых технологических процессов модификации поверхности и ремонта деталей широкой номенклатуры из жаропрочных а+р-титановых сплавов с применением сильноточных импульсных электронных пучков.
Разработаны экологически чистые опытно-промышленные технологии электроннолучевой обработки и ремонта лопаток компрессора из титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9, позволяющие заменить некоторые виды высокоточной механической и химической обработок, существенно повысить ресурс и надежность эксплуатации этих деталей в составе двигателей РДЗЗ и РД 1700,
По результатам длительных натурных испытаний на технологическом изделии, будет принято решение о возможной корректировке оптимальных режимов электроннолучевой и финишной термической обработок и реализации внедрения электроннолучевых технологий в серийное производство (ММП им. В. В. Чернышева) после оснащения технологического участка ускорителями "Геза-М" для реализации процесса облучения.
Методика исследования физико-химического состояния поверхностных слоев жаропрочных титановых сплавов использовалась в ряде организаций Российской Федерации (ИСЭ СО РАН, НИИЯФ г. Томск, НИИЭФА им. Д. В. Ефремова и др.).
Методика выбора режимов электронно-лучевой обработки использовалась при реализации программы исследований по проекту МНТЦ в 2002 и 2003 гг. (проект №975-98.2).
Полученные при выполнении диссертации результаты используются в учебном процессе в Московском авиационном институте при чтении лекций по курсам «Основы технологи производства ДЛА и ЭСУ» и «Спецтехнология», при проведении лабораторных работ по этим курсам и технологической практики у студентов старших курсов. Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на
л международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: 7 Международная
конференция по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками в 2004 г. (г. Томск» Россия), 15 Международная конференция «Пучки» в 2004 г. (г. Санкт-Петербург, Россия), постоянно действующий семинар по проблемам прочности в 2002 г. (Москва, ЦИАМ). Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Особенности модификации физико-химического состояния а+р-титановых сплавов
Особенности модификации физико-химического состояния а+р-титановых сплавов.
Как уже отмечалось во введении, материал поверхностного слоя детали очень часто отличается от материала матричных слоев, что проявляется в различиях распределений химического состава, фазового состава и структурных характеристик по толщине объекта исследования (детали). Именно эти различия не позволяют в большинстве случаев однозначно объяснять влияние способов и режимов воздействия на заготовку на ее свойства. Тем не менее, в публикациях 70-90 годов [21, 22, 43-51], впрочем, как и в более поздних работах [5-20], авторы с завидным упорством пытались связать свойства изучаемых модельных образцов с теми изменениями в химическом и фазовом составах, и, прежде всего, в структуре материала объемных слоев, которые произошли на стадиях литья, термической и термомеханической обработок без учета поверхностных явлений. Именно по этой причине, то большое количество противоречивых результатов, зафиксированных при построении закономерностей влияния физико-химического состояния на механические и, особенно, на коррозионные свойства, легко объяснить необходимостью строго учета поверхностных эффектов. В то же время, те связи «физико-химическое состояние - объемное свойство », которые были установлены для адекватно изготовленных образцов из титановых сплавов, представляются крайне важными и при выборе режимов поверхностной обработки, и при интерпретации результатов испытаний обработанных по выбранным режимам объектов исследования.
Для заготовок из а+р-титановых сплавов, как и для сталей, лимитирующей механические свойства обработкой является термомеханическая обработка (ТМО). Обычно заготовки из этих типов материалов после выплавки (слитки, непрерывные биллеты, блюмы и др.) подвергаются термомеханической обработке для получения конечного продукта. Температура термомеханической обработки выбирается с учетом определяющих фазовых переходов на диаграмме состояния «состав - температура»: р—»а+р - для титановых сплавов, аустенит — феррит + цементит - для сталей [6]. Цель многих операций объемной ТМО, как для сталей, так и для а+р - титановых сплавов - формирование тонкодисперсной, однородной микроструктуры, пригодной для финишной термообработки, обеспечивающей высокую прочность и требуемую пластичность. В [52] отмечается, что контроль микроструктуры титановых сплавов на различных стадиях термомеханической или термической обработок, в отличие от ферритных сталей, является необходимой и трудоемкой операцией. Последнее обусловлено очень сильным влиянием температуры и интенсивности нагружения при деформации на микроструктуру титановых сплавов, для которых переход р— а (ОЦК— ГПУ) является значительно более сложным по конфигурационным соображениям, чем превращение ее— у (ОЦК- ГЦК) для сталей. Поэтому для получения свободных от дефектов титановых сплавов особенно большую осторожность следует проявлять при выборе и контроле температуры, скорости деформации и величины напряжений. Хорош о известно, что технологичность заготовок из титановых сплавов ограничена, прежде всего, генерацией различных внутренних дефектов, таких как клиновидные трещины, микро -, мезо - и даже макро-поры [53], и дальнейшим их ростом вплоть до формирования макроповреждений. Технологичность же заготовок из титановых сплавов, с позиций поверхностной обработки ограничена в еще большей степени, поскольку на поверхности достигается максимальный уровень напряжений, а сама поверхность заготовки представляет собой наиболее «выгодную» часть материала для как точечных, так и линейных дефектов. Переход р— а (ОЦК—»ГТТУ) вследствие сложной перестройки кристаллической решетки приводит при термообработке и термомеханической обработке к формированию большого числа дефектов, что в значительной степени предполагает высокую чувствительность изделий из титановых сплавов к концентраторам напряжений. Контроль же микроструктуры, химического и фазового составов в поверхностных слоях еще более трудоемок, чем в объеме заготовки или детали. Скорее всего, именно по этой причине никаких четких рекомендаций по контролю физико-химического состояния материала в поверхностных слоях деталей из титановых сплавов для предприятий авиационной промышленности сделано не было. Единственное, что было предложено сотрудниками ВИАМ и ВИЛС - это классификация микроструктур псевдо-а - и а+р - титановых сплавов для лопаток и дисков (9 классов) компрессора высокого давления с прогнозом изменения таких свойств, как прочность, пластичность, вязкость, трещиностойкость и др. [21, 22]. Те же рекомендации, которые были предложены по коррозионной стойкости и усталостной прочности не выдерживают никакой критики из-за отсутствия данных о физико-химическом состоянии поверхности образцов-свидетелей. Классификация формируемых структур в объеме лопаток из а+р -титановых сплавов представлена на рис. 1.
1. Шкала микроструктур титановых сплавов для прутков и лопаток [21, 22]. Эта же шкала микроструктур в настоящее время используется и при контроле состояния материала в поверхностных слоях лопаток и дисков компрессора и вентилятора ГТД. Используя многочисленные результаты исследований по влиянию различных видов поверхностной термомеханической обработки на свойства лопаток из титановых сплавов (прежде всего, на усталость и фреттинг - усталость), проф. А.Н. Петухов (ЦИАМ) развил концепцию «технологической наследственности» материалов в поверхностных слоях деталей машин и предложил ряд методов нивелирования отрицательного влияния «технологической наследственности» на свойства изделий [3, 54-56]. К сожалению, экономические трудности последних лет и внутриведомственные разногласия не позволили автору внедрить большинство своих разработок в серийное производство.
Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения
Облучение образцов и лопаток осуществлялось в Санкт-Петербурге на модернизированных ускорителях "GESA-1" и "GESA-2" [42] при следующих значениях основных параметров: w=15-90 Дж/см ; Е=110-120 кэВ; т=15-40 мкс. Поскольку однородность пучка непрерывно контролировалась от импульса к импульсу (установки функционировали в режиме одиночных импульсов при скважности срабатывания 30-90 с), точность фиксации параметров облучения была в несколько раз выше, чем при облучении на ускорителях «ЭЛУ ИСЭ»[61,62].
Термообработка облученных мишеней проводилась в вакуумной печи "ULVAK" в вакууме не хуже 10 5 мм. рт. ст. Пластины облучались при перпендикулярном падении пучка, а образцы и лопатки обрабатывались при их дискретном повороте на 45 град в камере ускорителя. Внешний вид установки "GESA-2" приведен на рисунке 16. В этом типе ускорителя, как и в ускорителе "GESA-1", также используется электронный инжектор, содержащий высоковольтный изолятор, контролирующую сетку, многоострийный катод и анод, составляющие триодную систему. Контролирующая сетка соединена с изолированным анодом через резистор. В качестве источника электронов используется многоострийный катод со стабилизацией катодной плазмы.
Методика количественного Оже-анализа. При проведении количественного Оже-анализа в настоящей работе использовали две стандартных методики: коэффициентов относительной элементной чувствительности S„ и чистых стандартов с матричными поправками [57-60]. Однако, при исследовании многокомпонентной гетерогенной системы, которыми являются а+Р-титановые сплавы, возможна неоднозначность интерпретации полученных данных. Это вызвано следующими причинами: избирательность травления различных элементов и фазовых составляющих; наложение Оже-пиков некоторых элементов, например Ті и V; присутствие в материале различных фазовых составляющих: а-фаза, Р-фаза и карбиды в исходном состоянии, а также оксиды, карбиды, силициды, хлориды и оксихлориды после коррозии и эрозии; наличие границ Р-зерен, а-пластин, а и Р глобул, а-колоний.
Все вышеперечисленное может привести к тому, что случайная ошибка при определении концентраций элементов в такой системе может достигать 50% и даже более. В этой связи стандартные методики Оже-анализа были существенно модернизированы. В частности, избирательность травления различных элементов учитывалась следующим образом. Для простых чистых веществ, подвергнутых адекватной механической и термической обработке, была получена эмпирическая зависимость равновесных коэффициентов травления от энтальпии для реакций сублимации простых веществ у = f(AHsj), где (AHsi) - изменение стандартной энтальпии для реакции сублимации: [МеН(Ме) , (11) причем полученная зависимость достаточно хорошо описывается экспоненциальной функцией: уі = СОП5 ЄХр(-ДН298і) (12)
Однако, для различного типа соединений аналогичную зависимость построить не удается. Это, скорее всего, обусловлено протеканием под пучком не реакций сублимации (11), а процессов атомизации, предполагающих необходимость учета энтропийного члена при изучении кинетики. Действительно, в этом случае для некоторых соединений, например для оксидов, карбидов, нитридов и интерметаллидов удалось построить градуировочные кривые оценки величин коэффициентов распыления, которые и были использованы при количественном Оже-анализе. При построении этих кривых вместо величин теплоты сублимации AHsi использовались значения изменений свободной энергии Гиббса AGP реакций атомизации, Кроме избирательности травления при Оже-анализе гетерогенных систем возникают проблемы, связанные с наложением Оже-пиков, наличием границ зерен и дисперсностью основных фазовых составляющих. Влияние последних двух факторов устранялось путем дублирования режима регистрации при определении концентрационного профиля, как в точке, так и в растре и простым усреднением полученных результатов. Разделение наложенных Оже-пиков осуществлялось методами математической статистики после двойного интегрирования регистрируемого спектра. Возможность использования описанной выше методики для многофазных систем проверялась путем сравнивания результатов РМА и химического анализа (ХМ) исходных материалов с данными, зафиксированными методами ЭОС при предварительном скрайбировании и длительном травлении поверхности образцов ионами аргона. Скорость травления поверхности мишеней определялась экспериментально посредством измерения глубины кратера травления после длительной бомбардировки при фиксированной плотности тока пучка ионов аргона.
Исследование влияния режимов облучения на изменение химического состава в поверхностных слоях лопаток из титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9
Исследование влияния режимов облучения на изменение химического состава в поверхностных слоях лопаток из титановых сплавов ВТб, ВТ8 и ВТ9
Хорошо известно, что массоперенос в приповерхностных областях облучаемых концентрированными импульсными потоками энергии мишеней, чаще всего, определяется совокупностью следующих механизмов: испарением, сублимацией, радиционно-стимулированной сегрегацией, перемешиванием, радиационно-ускоренноЙ диффузией в жидкой и твердой фазах, абляцией, формированием и распространением ударных волн. В [24-30, 31-36, 129-130] опубликованы результаты исследований посвященных влиянию облучения мощными импульсными ионными и сильноточными низкоэнергетическими электронными пучками на химический состав поверхностных слоев деталей из жаропрочных титановых сплавов и сталей, В то же время подобных исследований, когда в качестве инструмента воздействия на материал поверхностных слоев деталей из титановых сплавов используется сильноточный электронный пучок микросекундной длительности при энергии электронов 100-200 кэВ, до сих пор проведено не было. Последнее становится особенно актуальным, поскольку именно такие пучки наиболее перспективны для промышленного применения в авиационном двигателестроении, где основными конструкционными материалами являются жаропрочные сплавы. В этой связи одной из задач настоящего исследования являлось изучение механизмов перераспределения элементов в поверхностных слоях деталей из жаропрочных титановых сплавов при облучении СИЭП, что имеет, кроме чисто научного интереса, большое прикладное значение, так как определение механизмов перераспределения элементов под действием концентрированных импульсных потоков энергии, позволяет оптимизировать процесс выбора режимов облучения.
Результаты исследования влияния режимов облучения на перераспределение элементов в тонких поверхностных слоях мишеней из сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9 представлены на рис. 20-22. Из приведенных здесь данных можно заключить, что перераспределение элементов при облучении с низкими плотностями энергии (режим плавления - w=18-20 Дж/см) осуществляется строго в соответствии с величинами равновесных коэффициентов распределения примесей, согласно основным положениям теории направленной кристаллизации: примесь с коэффициентом распределения Ко меньше 1 оттесняется фронтом
1 Для сравнения этот режим для сталей ЭП866ш и ЭП718ИД [31-36] реализуется при w=20-22 Дж/см . кристаллизации к поверхности (алюминий, ванадий, цирконий, углерод), в то время как компоненты с Ко 1 (молибден, кремний, кислород, азот) должны концентрироваться в зоне границы раздела "перекристаллизованный материал - матричный сплав" (табл. 3). Таблица 3, Равновесные коэффициенты распределения в системах "титан-примесный элемент" [133].
Этот процесс обычно проявляется при небольших скоростях кристаллизации (несколько см в мин [133]). При обработке СИЭП мы имеем дело с очень высокими скоростями кристаллизации V 107 К/с. Для правильной интерпретации зафиксированных методом ЭОС данных необходимо учитывать, что при обычных направленной кристаллизации и зонной плавке толщина расплавленной зоны Ьщ составляет несколько десятков мм, а при облучении СИЭП значения Ьщ не превышают всего 20-25 мкм. Поэтому протекание перераспределения элементов при кристаллизации материала, в расплавленной электронным пучком зоне, представляется вполне реальным.
Тогда, в первом приближении, перераспределение элементов в поверхностных слоях деталей из жаропрочных титановых сплавов при их облучении СИЭП в режиме плавления 18 20 Дж/см2 может быть описано, как и для сталей [31-36], уравнением направленной кристаллизации: ОД = &-[ \C0{r)dr - \C{t)dt] (34) где C(x) - концентрация примесного элемента; х - координата; /-толщинарасплавленной зоны; kefr- эффективный коэффициент распределения. Поскольку мы имеем дело с высокоскоростной кристаллизацией (V 10 К/сек), величины keff могут быть определены, в соответствии с теорией Бертона, Прима и С лихтера из уравнения (34) [133,134]: к = -_ (35) где kj - равновесный коэффициент распределения; 5с - толщина диффузионного барьерного слоя; D - коэффициент диффузии.
Конечно при кристаллизации гетерогенных многокомпонентных а+Р-титановых сплавов, как и жаропрочных сталей, ситуация будет значительно сложнее. В принципе выражения (34 и 35) могут быть использованы только для оценочных расчетов, поскольку при их выводе линии ликвидуса и солидуса на равновесной диаграмме состояния "состав-свойство" апроксимировались линейными функциями. Последнее справедливо только для левого угла диаграммы состояния "титан - примесный элемент", причем концентрация примеси не должна превышать нескольких десятых или даже сотых долей процента. В этой связи, полученные на данном этапе исследования результаты носят скорее качественный, чем количественный характер. Тем не менее, для оценки режимов облучения СИЭП будет полезно иметь информацию о направлении транспорта различных примесных элементов в основном элементе титановых сплавов, если режим обработки предусматривает равномерное по поверхности и по толщине поверхностного слоя плавление материала. Эту информацию достаточно просто получить, используя уравнения (34 и 35) и величины равновесных коэффициентов распределения, приведенные в таблице 3 [133].
Структурные изменения в поверхностных слоях образцов и лопаток из сплавов ВТ6, ВТ8иВТ9
Результаты выполненного металлографического анализа титановых образцов и лопаток компрессора ГТД, облученных сильноточным импульсным электронным пучком свидетельствуют о том, что после завершения действия импульса в процессе высокоскоростной закалки из расплава формируется плохо травящийся поверхностный слой толщиной 20-25 мкм (рис. 38). Микроструктура этого слоя, в зависимости от условий облучения, может изменяться от глобулярной до игольчатой.
Таким образом, из этих и уже опубликованных в периодике [129-132] данных следует, что обработка СИЭП с различными плотностями энергии в импульсе приводит к формированию в поверхностных слоях мишеней метастабильной а-фазы и мартенситных а - и а"- фаз, наведению остаточных сжимающих (сплав ВТ6) или растягивающих (сплавы ВТ8 и ВТ9) напряжений величиной от -300 до +400 МПа, образованию ячеистой (ВТ6), глобулярно-гшастинчатой, пластинчатой, игольчатой или Видманштедтовой (структура корзинчатого плетения) микроструктур (ВТ8 и ВТ9) [129-132] . Кроме того, поверхность мишеней, облученных с высокими плотностями энергии в режимах кратерообразования, трещинообразования и полной абляции может содержать большое количество микрократеров и микротрещин. Наиболее приемлемым представляется облучение в режиме плавления, обеспечивающее формирование глобулярно-пластинчатой (би-модальной) микроструктуры с размером зерна 10-20 мкм и снижение шероховатости поверхности лопаток (Ra) от 0,30-0,60 до 0,15-0,32 мкм. В этом случае на поверхности облученных деталей полностью отсутствуют кратеры и микротрещины. Однако сформированные остаточные растягивающие напряжения (ВТ8 и ВТ9), а также увеличение плотности дислокаций в поверхностном слое (рис. 39) могут стать причиной снижения жаростойкости, коррозионной стойкости и, особенно, усталостной прочности. Поэтому после облучения в режиме плавления рекомендуется проводить стабилизирующий вакуумных отжиг при температурах, несколько превышающих температуру эксплуатации (530-550 С). В результате финишной термообработки (табл. 5) удается стабилизировать фазовый состав и структуру материала в поверхностной зоне мишеней, получить более однородное распределение элементов по глубине и, главное, создать в поверхностном слое небольшие остаточные сжимающие напряжения 200-250 МПа. Исходя из полученных результатов рентгеноструктурного анализа можно было бы сделать вывод о протекании при стабилизирующем отжиге процесса распада метастабильной а-фазы по реакции: Ощ — а+р\ Однако этот вывод некорректен, поскольку, согласно данным, полученным методом просвечивающей электронной микроскопии (рис. 396), в поверхностном слое облученных мишеней присутствуют мелкодисперсные р-пластины толщиной в несколько нанометров. Именно высокой дисперсностью р-пластин объясняется отсутствие р-фазы в поверхностных слоях лопаток из а+Р-титановых сплавов по данным рентгеноструктурного анализа. Высокая дисперсность конгломератов р-фазы связана с тем, что продолжительность обработки материала поверхностного слоя в Р и а+р областях не превышает нескольких десятков микросекунд (10"6 - I0"5 с). За это время рост сформированных зародышей Р-фазы в условиях высокого градиента температур приводит к образованию тонкодисперсных пластин (игольчатый тип микроструктуры). Еще одним следствием высокоскоростной кристаллизации явилось зафиксированное методом рентгеновского «наноанализа» неоднородное распределение молибдена, основного р стабилизатора а+Р титановых сплавов. Поскольку молибден имеет низкую растворимость в а-фазе (не более 2 %), то для завершения диффузионных процессов в поверхностном слое, необходимо проводить финишную термообработку или даже термомеханическую обработку. С этих позиций детали из сплава ВТ6 имеют более высокие возможности для поверхностной модификации, так как ванадий, являясь тоже р стабилизатором, обладает, по сравнению с молибденом, большими величинами коэффициента диффузии и растворимости в а фазе (до 3,5 %). Поэтому фиксируемые неоднородности при высокоскоростной кристаллизации в поверхностных слоях деталей из сплава ВТ6, в отличие от мишеней из сплавов ВТ8 и ВТ9, могут быть легко устранены с помощью финишной термообработки в вакууме. С другой стороны, именно более высокая растворимость ванадия в а титане является одной из главных причин меньшей термостабильности сплава ВТб, по сравнению со сплавами ВТ8 и ВТ9. Как уже отмечалось, с помощью вакуумного отжига (530-550 С) не удается снять остаточные растягивающие напряжения и модифицировать микроструктуру, сформированную на стадии облучения (игольчатая), в поверхностном слое мишеней из сплава ВТ8. Поэтому для деталей из этого материала необходимо проводить термомеханическую обработку. Для превращения игольчатой структуры в би-модальную достаточно реализовать циклическое нагружение на воздухе (120-150 МПа) при 450 С [129-132]. В любом случае, операция финишной термической или термомеханической обработок лопаток ГТД из а+р-титановых сплавов, облученных СИЭП, является необходимой и крайне важной процедурой для стабилизации физико-химического состояния материала поверхностных слоев. Эволюция же морфологии поверхности образцов из сплавов ВТ8 и ВТ9 при варьировании плотности энергии и числа импульсов иллюстрируется на рисунках 40-42, а внешний вид облученных лопаток представлен на рис. 43. Особый интерес представляют данные о морфологии поверхности лопаток в окрестности острых кромок после виброглянцевания (финишная обработка) и последующего облучения на ускорителе «GESA-1» при 20 Дж/см2 (рис. 44). Видно, что исходная поверхность лопаток и образцов, особенно в окрестности острых кромок, содержит большое число микро - и даже макро-дефектов (царапины, риски, поверхностные включения и др.). При облучении с низкими плотностями энергии наблюдается выглаживание поверхности за счет плавления и высокоскоростной кристаллизации материала поверхностного слоя. Обработка же с высокими значениями плотности энергии (w 30 Дж/см2) приводит к формированию на поверхности отдельных микрократеров диаметром от 10 до 100 мкм и глубиной до 20 мкм. Очевидно, что такие режимы являются неприемлемыми с точки зрения коррозионной стойкости, жаростойкости и усталостной прочности. К тому же, при высоких значениях плотности энергии возможно даже формирование поверхностных микротрещин. Влияние режимов облучения СИЭП на шероховатость поверхности образцов из сплавов ВТ8 и ВТ9 была изучена с целью выбора плотности энергии и числа импульсов, обеспечивающих снижение исходной шероховатости поверхности лопаток компрессора из этого материала. Облучение было реализовано при различных плотностях энергии: 15, 20, 25, 35 и 40 Дж/см2. Число импульсов варьировалось от 3 до 10. Полученные результаты представлены в табл. б. Представленные здесь данные свидетельствуют о развитии на поверхности образцов из сплавов ВТ8 и ВТ9 различного микрорельефа в зависимости, прежде всего, от плотности энергии в импульсе. Видно, что при высоких плотностях энергии шероховатость поверхности становится значительно выше исходной, что отмечалось и для деталей из жаропрочных сталей [31-36]. Это обусловлено, с одной стороны, интенсивным кратерообразованием, а с другой - образованием на расплавленной поверхности стоячей волны, формируемой при плавлении и сопутствующем увеличении объема материала. Поэтому при высоких плотностях энергии возможно развитие волнистости поверхности (рис. 45). Таким образом, наиболее перспективным следует считать облучение лопаток из сплавов ВТ8 и ВТ9 с плотностью энергии 18-20 Дж/см при небольшом числе импульсов п=3-5 имп.
