Содержание к диссертации
Введение
1. Модификация поверхностных слоев деталей машин импульсными электронными пучками (литературный обзор) 12
1. 1. Теоретические основы взаимодействия импульсных электронных пучков с поверхностью металлических деталей 12
1. 2. Влияние облучения на химический состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев металлических деталей 17
1.3. Влияние облучения на эксплуатационные свойства деталей машин 29
1.4. Технологии изготовления и ремонта лопаток ТВД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями 37
2. Разработка методик облучения, определения состояния поверхности и испытаний лопаток ТВД 50
2. 1. Материалы, образцы и детали для исследования 50
2. 2. Оборудование для исследования 50
2. 3. Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения 51
2. 4. Методики исследования состояния поверхностных слоев облучаемых мишеней... 52
2. 5. Методики определения эксплуатационных свойств лопаток турбины 55
3. Влияние электронно-лучевой обработки на элементный и фазовый составы поверхностных слоев лопаток из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями 62
3.1. Исследование влияния режимов облучения на перераспределение элементов и изменений фазового состава в поверхностных слоях лопаток 62
3. 2. Выбор оптимальных режимов облучения 70
4. Исследование влияния режимов облучения на структуру поверхностных слоев лопаток 72
4. 1. Структурные изменения в поверхностных слоях образцов 72
4. 2. Структурные изменения в поверхностных слоях деталей из сплавов ЖС6У и ЖС26НК 81
4. 3. Выбор оптимальных режимов облучения по результатам структурных исследований 88
5. Влияние режимов облучения на свойства лопаток ТВД 90
5. 1. Усталостная прочность 90
5.2. Жаростойкость 94
5. 3. Адгезия вакуумно-дугового покрытия СДП2 на лопатках ТВД 97
5.4. Методики испытаний облученных и серийных лопаток на технологическом изделии 100
5. 5. Разработка технологических карт процессов электронно-лучевой обработки лопаток ТВД 102
6. Мах-материалы для авиационного двигателестроения 110
6.1. Получение, свойства и перспективы использования МАХ-материалов 110
6.2. Получение компактных МАХ-материалов системы Ti-Si-B методом СВС- синтеза 118
6.2. Получение и свойства жаростойких покрытий на основе МАХ-материалов системы Ti-Si-B 121
Выводы 131
Список использованных источников
- Влияние облучения на химический состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев металлических деталей
- Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения
- Исследование влияния режимов облучения на перераспределение элементов и изменений фазового состава в поверхностных слоях лопаток
- Структурные изменения в поверхностных слоях деталей из сплавов ЖС6У и ЖС26НК
Введение к работе
Повышение уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей и узлов проточной части турбины ГТД, изготавливаемых из жаропрочных материалов, является наиболее важной задачей авиационного двигателестроения [1]. Решение этой задачи осуществляется с использованием нескольких подходов: разработка перспективных поликристаллических и монокристаллических сплавов; модернизация способов изготовления, формования и обработки изделий и заготовок; развитие новых методов поверхностной обработки деталей и нанесения на их поверхность различных защитных покрытий, в том числе покрытий из наноматериалов [1]. Разработка новых жаропрочных материалов, обеспечивающих современным требованиям конструкторов авиационных двигателей к наиболее нагруженным деталям, прежде всего к лопаткам и дискам проточной части турбины, является важнейшей задачей авиационного материаловедения. Для успешного решения этой задачи в течение 5-7 последних лет во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) был создан задел в области разработки материалов для ГТД пятого и шестого поколения [2]. Здесь уместно отметить некорректность упоминания о двигателе пятого поколения, поскольку этот термин возник в приложении к созданию самолета (правильнее, истребителя), причем не предполагалось кардинального изменения ни конструкции, ни технологии производства двигателя [3]. Другое дело истребитель шестого поколения, для которого сформулированы качественно отличные требования к двигателю, а именно: снижение веса изделия при повышении рабочей температуры, прочностных и коррозионных характеристик его основных компонентов. В этой связи ВИАМом предлагается ряд никелевых сплавов с содержанием рения до 9 масс. %, а также материалы на основе интерметаллидов >ІізА1, ТізАІ и TiAl, причем делается заключение о рекордных характеристиках длительной прочности этих материалов и высокой перспективности их применения, что связано с «разработанной технологией выплавки этих сплавов, обеспечивающей», как указано в [1], «ультравысокую чистоту по вредным примесям и газам, комплексное рафинирование редкоземельными металлами, обеспечение узких пределов химического состава». Даже не обращая внимания на неправомочность использования таких терминов как «ультравысокая чистота» (хорошо известно, что содержание примесей в высокочистых металлах не должно превышать 10"4-10"5 масс.%, а содержание основных лимитируемых примесей должно находиться на уровне 10" -10"
масс.%, что конечно же не достигается при реализации разработанной в ВИАМе технологии высокоградиентной кристаллизации) и «рафинирование редкоземельными металлами» (термин рафинирование относится к очистке, а не к легированию), можно констатировать, что предлагаемые в [3] материалы не удовлетворяют требованиям авиадвигателестроения ни по эксплуатационным свойствам, ни по стоимости, ни по удельной массе. Последнее позволяет сделать вывод о необходимости создания принципиально новых материалов для авиационного двигателестроения в кратчайшие сроки.
Еще одной из актуальных задач авиационного двигателестроения является развитие наиболее прогрессивных методов инженерии поверхности деталей, изготовленных из жаропрочных сплавов, особенно из жаропрочных никелевых сплавов типа ЖСбУ, ЖС26НК и ЖС32ВИ. Среди таких методов можно выделить, прежде всего, нанесение гальванических покрытий, химико-термическую обработку (альфирование, азотирование, гидрирование и др.), детонационное упрочнение, плазменное нанесение покрытий, вакуумно-плазменную технологию высоких энергий, электроискровой метод, анодирование, гидродробеструйную обработку, лазерную обработку, виброгалтовку, ультразвуковое упрочнение, микродуговое оксидирование и др. Обработка поверхности деталей из никелевых 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 жаропрочных никелевых 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, ПетуховаА.Ы. [4].
Эффективность использования ионной имплантации и обработки мощными ионными импульсными пучками уже была доказана результатами работ [5-12] для деталей
авиационной техники из сталей и жаропрочных титановых сплавов, а облучение сильноточными импульсными электронными пучками (СИЭП) - для лопаток компрессора КВД из жаропрочных сталей ферритного и аустенитного классов ЭП866ш и ЭП718ИД, работами А.Г. Панкина [13-16], и для лопаток компрессора КВД из титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9 - публикациями А.Б. Белова [17-19]. В то же время исследований, направленных на модификацию свойств деталей из жаропрочных никелевых сплавов с помощью СИЭП, до сих пор практически проведено не было, за исключением работ Ю.Д. Ягодкина [20-22], выполненных на модельных образцах из сплавов ЖС6У и ЖС26НК, подвергнутых облучению на ускорителе ИСЭ (Институт Сильноточной Электроники СО РАН, г. Томск) низкоэнергетическим электронным пучком (Е=10-30 кэВ) [23]. В этих публикациях приведены данные о возможности, посредством обработки поверхности мишеней из жаропрочных никелевых сплавов СИЭП, повышения таких эксплуатационных свойств, как жаростойкость и усталостная прочность 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 и являющихся концентраторами напряжений при усталостном нагружении.
К недостаткам обработки СИЭП, по данным работ [17-22], 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, приводило к формированию кратеров [20-22]. 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 лопаток ТВД с 50-микронным жаростойким покрытием. Большой научный интерес и практическую значимость представляют ускорители СИЭП, разработанные в НИИЭФА имени Д.В. Ефремова (г. Санкт-Петербург), «GESA-1» и «GESA-2» [23-25], 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 А.Г. Пайкина и А.Б. Белова для лопаток из сталей и титановых сплавов.
В этой связи целью настоящей диссертации являлась разработка основ технологических процессов электронно-лучевой модификации поверхности и ремонта лопаток турбины ГТД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями, внедрение разработанных технологических процессов в серийное производство, а также выбор наиболее перспективных материалов, которые могут стать базовыми при проектировании двигателей для истребителей 6-го поколения.
Таким образом, актуальность данной работы в научном плане определяется необходимостью создания новых жаропрочных материалов с низкой удельной массой, способных эксплуатироваться длительное время при высоких температурах (1400-1500 С) и высоких постоянных и знакопеременных нагрузках, а также получения экспериментальных результатов о влиянии режимов облучения сильноточными импульсными электронными пучками на физико-химическое состояние поверхности и рабочие характеристики деталей из жаропрочных никелевых сплавов, эксплуатируемых в составе ГТД, а с практической точки зрения - возможностью, уже в ближайшем будущем, внедрить некоторые электронно-лучевые техпроцессы в серийное производство.
Для достижения этой цели было необходимо решить ряд задач методического и практического плана: (1) разработка методики исследования физико-химического состояния поверхностных слоев лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, основанной на применении таких методов, как: электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), рентгеноструктурный анализ, (РСА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), экзоэлектронная эмиссия (ЭЭЭ), рентгеновский микроанализ (РМА), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), оптическая металлография в поляризованном свете, измерение шероховатости поверхности (Ra) и др.; (2) разработка методики выбора режимов облучения СИЭП по результатам расчетов температурных полей и полей напряжений в поверхностных слоях мишеней в зависимости от времени и по результатам термодинамического и газодинамического анализа процессов, протекающих в поверхностном слое при таком воздействии на поверхность деталей из никелевых сплавов; (3) оценка оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК; (4) определение кинетики абляции
материала с поверхности облучаемых СИЭП лопаток с жаростойким вакуумно-плазменным покрытием СДП-2 (NiCrAIY); (5) обоснование режимов сравнительных натурных испытаний серийных и обработанных электронным пучком лопаток из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием в составе двигателя РДЗЗ; (б) обобщение расчетных и экспериментальных данных, полученных на стадиях исследования и подготовки к натурным испытаниям; (7) создание технологических карт процессов электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток турбины из сплава ЖС26НК; (8) составление технического задания на проектирование и разработка технической документации для изготовления электронных ускорителей для серийного производства; (9) анализ и обобщение литературных данных о наиболее перспективных жаропрочных материалах на основе МАХ-фаз; (10) проведение экспериментальных исследований, направленных на получение и определение свойств объемных заготовок для изготовления лопаток и покрытий на основе МАХ-фаз системы Ni-Si-B. Научная новизна работы.
Достижение сформулированной цели, в соответствии с общим планом исследований, практически полностью отражает научную новизну полученных в диссертации данных. Впервые не только доказана высокая эффективность использования сильноточных электронных пучков с энергией 100-120 кэВ для модификации свойств и ремонта лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов, но и разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта этих деталей двигателя РДЗЗ.
Кроме того, впервые были получены экспериментальные результаты влияния режимов облучения СИЭП на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и свойства компонентов двигателя, изготовленных из никелевых сплавов, что позволяет получить уникальные данные для моделирования процессов, протекающих в твердом теле при экстремально высоких скоростях нагрева и охлаждения.
Эта часть работы является одной из важнейших составляющих проблемы создания высокоинтенсивных технологий электронно-лучевой импульсной обработки деталей широкой номенклатуры.
Разработанные технологии электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток КВД из никелевых сплавов не имеют аналогов в авиационном двигателестроении и составляют основу для создания перспективных технологий изготовления двигателей для истребителей новых поколений.
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 julc, и высоких энергиях, Е>100 кэВ),
когда достигаются плавление, испарение, плазмообразование, разложение и
формирование различных фаз в поверхностных слоях деталей из жаропрочных
никелевых сплавов, на основании основных положений химической термодинамики
и гидродинамики.
2. Методика определения физико-химического состояния материала в
приповерхностных областях жаростойких покрытий на лопатках турбины, а также
рабочих характеристик лопаток, подвергнутых различным методам поверхностной
обработки.
Результаты исследования влияния режимов электронно-лучевой обработки на ускорителях "GESA-2" и "GESA-1" (энергия электронов Е—115-150 кэВ; длительность импульса т=15-40 цс; плотность энергии в импульсе W= 15-90 Дж/см2; число импульсов п=1-10 имп) на физико-химическое состояние материала в приповерхностных областях лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК (химический состав, фазовый состав, структурные характеристики, остаточные напряжения и шероховатость поверхности).
Данные о влиянии режимов электронно-лучевой и термической обработок на эксплуатационные свойства модельных образцов и лопаток из жаропрочных никелевых сплавов.
Особенности методики длительных натурных испытаний облученных лопаток из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2 в составе технологического изделия (РДЗЗ).
Результаты исследования физико-химического состояния материала в поверхностных слоях облученных лопаток из сплава ЖС26НК, подготовленных к испытаниям на технологическом изделии.
Электронно-лучевые технологии обработки и ремонта лопаток турбины ГТД РДЗЗ, изготовленных из сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2.
Результаты исследования, полученных методом СВС-синтеза, заготовок на основе МАХ-фаз системы титан-кремний-бор.
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 никелевых сплавов с применением сильноточных импульсных электронных пучков.
Разработаны экологически чистые опытно-промышленные технологии электроннолучевой обработки и ремонта лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК, позволяющие заменить некоторые виды высокоточной механической и химической обработок, существенно повысить ресурс и надежность эксплуатации этих деталей в составе двигателя РДЗЗ.
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-ММП" для реализации процесса облучения.
Методика исследования физико-химического состояния поверхностных слоев жаропрочных никелевых 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 2005 и 2007 гг. (проект №975-98.2), по проекту №2.1.2-8700 «Разработка основ технологических процессов нанесения коррозионно-эрозионно-стойких макс-покрытий на поверхность деталей из титановых сплавов с помощью сильноточных импульсных ионных и электронных пучков» аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы) на 2006-2007 г.г.
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.
Личный вклад автора
Автор разработал: технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток турбины из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2; модель выбора оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток ГТД на основе построения профилей температурных полей и полей напряжений, а также определения остаточных напряжений; методику проведения длительных испытаний облученных лопаток турбины ГТД РДЗЗ. Автор научно обосновал эффект перераспределения легирующих элементов в поверхностных слоях покрытий на лопатках из жаропрочных никелевых сплавов при их облучении сильноточным импульсным пучком. Все натурные испытания серийных и облученных лопаток, а также методика их последующих исследований на ММП им. В.В. Чернышева были спланированы и выполнены непосредственно автором диссертации. Непосредственно по инициативе автора были начаты и спланированы работы по получению и определению свойств МАХ-материалов. Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: Международная конференция «Титан в СНГ» в 2006 г. (г. Суздаль), 8-я и 9-я Международные конференции по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками в 2006 и 2008 гг. (г. Томск, Россия), 13-й Международный Симпозиум имени А.Г. Горшкова «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» в 2007 г. (г. Ярополец Московской области), 7-я Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» в 2007 г. (г. Минск, Беларусь), 15-th International Conference on Surface modification of materials by ion beams (Mumbai,India) в 2007 г. Публикации.
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ из них 8 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Влияние облучения на химический состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев металлических деталей
Как уже отмечалось во введении, исследований, посвященных влиянию обработки СИЭП на физико-химическое состояние поверхностных слоев жаропрочных сплавов, до последнего времени было проведено незначительное количество [11-23]. Среди них следует выделить работу [22], в которой более подробно, по сравнению с другими публикациями, рассмотрены эффекты, имеющие место при электронно-лучевом облучении. Авторы [22] исследовали состояние поверхности жаропрочных никелевых (ВЖЛ12УМ и ЖС6У) и титановых (ВТ6 и ВТЗЗ) сплавов, а также стали ЭП866ш, подвергнутых облучению СИЭП на ускорителе "ЭЛУ ИСЭ" при трех режимах, обеспечивающих: плавление (режим 1) и высокоинтенсивное испарение (режим 3). Режим 2 являлся промежуточным. Число образцов на каждый режим не превышало 3, что привнесло в результаты работы [22] качественный характер (статистически значимых данных в [22] явно недостаточно для количественных оценок).
Частично, указанные недостатки были учтены в работах А.Г. Пайкина [11-16] и Белова А.Б. [17-22], которые проводились на лопатках компрессора из стали ЭП866ш ферритного класса и титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9. Облучение в этих исследованиях было реализовано в ускорителях "GESA-1" и "GESA-2". В этих работах было установлено, что с помощью облучения сильноточным импульсным электронным пучком микросекундной длительности удается модифицировать 20-25-микронные поверхностные слои. Методами электронной Оже-спектроскопии (рис.1 и 2), рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии, экзоэлектронной эмиссии, просвечивающей электронной микроскопии, оптической металлографии и измерения шероховатости поверхности установлено, что при облучении в поверхностных слоях лопаток протекают процессы: плавления, перераспределения элементов, кратерообразования, абляции, высокоскоростной кристаллизации из расплава, изменения фазового состава и дислокационной структуры, повышения плотности дислокаций, изменения размеров зерен, формирования остаточных растягивающих или сжимающих напряжений и др. Эти результаты несомненно должны быть учтены при исследовании влияния облучения СИЭП на физико-химическое состояние поверхностных слоев деталей из никелевых сплавов, поскольку между ними и сталями есть много общего, с точки зрения процессов протекающих при термической и термомеханической обработках.
Так в диссертационной работе А.Г. Пайкина [16] приведены результаты исследования влияния режимов облучения на фазовый состав и структуру поверхностных слоев лопаток из стали ЭП86бш . Из этих данных непосредственно следует, что:
в исходных образцах и лопатках поверхностные слои толщиной 20-40 мкм содержат а-фазу (феррит) и сложные карбиды (Сг, Ме)гзСб, большое количество микро-, мезо - и даже макро-пор, а также характеризуются более низкими, чем объемные слои, значениями микротвердости, при этом сформированные остаточные сжимающие напряжения (а) достигают - 520±50 МПа, а плотность дислокаций распределена неоднородно, как по поверхности, так и по глубине, и изменяется в достаточно широких пределах от 109 до 1011 см"2;
в облученных мишенях, за счет протекания процесса высокоскоростной перекристаллизации, формируется плохо травящийся поверхностный слой толщиной 20-30 мкм;
фазовый состав в этом поверхностном слое, в зависимости от плотности вложенной энергии (w) и числа импульсов (п), а именно с их ростом, изменяется в направлении образования остаточного аустенита. Кроме того, наблюдается уширение и смещение рентгеновских линий в сторону малых углов, а также перераспределение интенсивности различных линий, что свидетельствует об увеличении в поверхностном слое плотности дислокаций, формировании остаточных растягивающих напряжений и текстурообразовании;
после облучения в приповерхностных областях отмечено значительное уменьшение концентрации карбидной фазы, а параметр решетки а-фазы существенно возрастает, что особенно проявляется в образцах, облученных с высокими плотностями энергии несколькими импульсами;
облучение в режиме плавления обеспечивает выглаживание поверхности, снижая исходную шероховатость образцов от Ra =0,25-0,28 мкм до Ra =0,10-0,12 мкм;
облучение же в режиме кратерообразования w 24-26 Дж/см2 сопровождается формированием: поверхностных неоднородностей в форме кратеров диаметром 1 100 мкм и глубиной 0,1-10 мкм, волнообразного микрорельефа поверхности и микротрещин или даже сетки микротрещин с узлами в отдельных кратерах, что может вызывать увеличение шероховатости поверхности до Ra =0,85-1,15 мкм [24];
уровень остаточных растягивающих напряжений в облученных образцах с ростом плотности энергии в импульсе от 20-22 до 34-60 Дж/см увеличивается от +270±40 МПа до +1080±140 МПа (последнее значение превышает предел прочности материала, что свидетельствует о неприменимости модели плосконапряженного состояния к модифицированным импульсным электронным пучком мишеням из стали ЭП866ш);
зависимости микротвердости (Ни.) и интенсивности экзоэлектронной эмиссии (1эээ) от плотности энергии в импульсе (w) антибатны: с увеличением значений w микротвердость уменьшается, что обусловлено формированием остаточных растягивающих напряжений и растворением карбидов, а интенсивность экзоэлектронной эмиссии возрастает, подтверждая вывод о высокой чувствительности метода экзоэлектронной эмиссии к процессам фазообразования и дефектообразования.
Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения
В качестве объектов исследования использовались натурные детали (лопатки турбины ГТД, изделие 88) из никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК, химический состав и режимы термообработки которых приведены ниже [1, 61-65]: ЖС6У (основа-Ni; 0,14-0,20-С; 8-9,5-Cr; А1-5,1-6,0; 1,2-2,4-Мо; 1,0i; 9,0-10,5- Со; 0,5-Fe; 0,2-Mn; 9,5-11-W; 0,8-1,2-Nb; 0,4-Si; 0,003-N; 0,003-0; 0,01-S; 0,01-P; 0,04-Zr; 0,008-B; 0,025-Ce) вакуумный отжиг при 1250 С в течение 3 час,охлаждение со скоростью 50-60 С; стабилизирующий отжиг при 1000-1050 С в течение 2-4 часов; ЖС26НК (Ni; 1,0i; 5,6 - Cr; 6,2-А1; 1,4-Mo; 10,0-Co; 1,2-V; 1,4-N; 12,5-W; 0,18-C; 0,1-O, N; 0,02-H; 0,015-B), отжиг при 1250 С в вакууме в течение 3 час, охлаждение со скорость 50-60 град/мин, стабилизирующий отжиг при 1000 С в вакууме в течение 2 час.
В отдельных случаях исследования проводили на образцах в виде пластин размером 60x15x5 мм и 120x15x5 мм. Усталостные испытания проводили как на клиновидных (ЖС6У) и цилиндрических (ЖС26НК) образцах (при рабочих температурах), так и непосредственно на лопатках с надрезом и без надреза. На поверхность образцов и лопаток методом вакуумно-плазменной технологии высоких энергий, разработанным и внедренным в серийное производство ВГУП ВИАМ, наносилось покрытие СДП-2 (основа-Ni; 18-22-Сг, 11-13,5-А1, 0,3-0,6-Y) и покрытие системы TiSiB. После осаждения покрытий СДП-2 лопатки и образцы отжигались в вакуумной печи ULVAK при 1000-1050 С в соответствии с технологией ММП имени В.В. Чернышева и ФГУП ВИАМ. Внешний вид лопаток и образцов для исследования и испытаний представлен на рис. 12.
Оборудование для исследования.
Исследование физико-химического состояния поверхностных слоев деталей и образцов осуществлялось с использованием методов: электронной Оже-спектроскопии (ЭОС), рентгеновского микроанализа (РМА), рентгеноструктурного анализа (РСА); сканирующей электронной микроскопии (СЭМ); экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ); просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ); оптической металлографии (ОМ); измерения микротвердости (Нц) и шероховатости (Ra).
Реализация этих методов анализа физико-химического состояния материала поверхностных слоев образцов и лопаток была осуществлена с применением как отечественного, так и зарубежного оборудования, среди которого необходимо, прежде всего, выделить: электронные Оже-спектрометры 09ИОС-10-005М и "Ribera", рентгеновские дифрактометры ДРОН-УМ1,5 и ДРОН-ЗМ, электронный сканирующий микроскоп "JEOL-35SM" с приставкой "Link", просвечивающий электронный микроскоп JEM-2000 FX11 (JEOL) с приставкой для микроанализа EDAS Genesis 600 ТЕМ System, оптические металлографические микроскопы "Versomet" и "Neophot", микротвердомеры ПМТ-3 и "Micromet", интерферометр "ЛОМО-93"и профилометр - профилограф модели -201.
Внешний вид объектов исследования (лопатки турбины ГТД РДЗЗ, модельные образцы для исследования физико-химического состояния материала поверхностных слоев и образцы для проведения коррозионных и усталостных испытаний). 2. 3. Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения.
Облучение образцов и лопаток осуществлялось в Санкт-Петербурге на модернизированных ускорителях "GESA-1" и "GESA-2" [24,25] 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» [23].
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 установок "GESA-1" и "GESA-2" приведен на рисунках 13 и 14. В ускорителях этих типов 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 многоострииный катод со стабилизацией катодной плазмы.
Методика количественного оже-анализа. При проведении количественного оже-анализа в работе использовали две стандартных методики: коэффициентов относительной элементной чувствительности Stt и чистых стандартов с матричными поправками [66-70]. Однако, при исследовании сложных гетерогенных систем, которыми и являются жаропрочные никелевые сплавы, возможна неоднозначность интерпретации полученных данных. Это вызвано следующими причинами: наложение Оже-пиков некоторых элементов, например Мо, В, W; присутствие в материале различных фазовых составляющих; наличие границ зерен.
Все вышеперечисленное может привести к тому, что случайная ошибка при определении концентраций элементов в гетерогенных системах может достигать 50%. Для простых чистых веществ, подвергнутых адекватной механической и термической обработке, была получена эмпирическая зависимость у = f(AHSj), где (AHs,) - изменение стандартной энтальпии для реакции сублимации [Ме]- (Ме) (20) причем полученная зависимость достаточно хорошо описывается экспоненциальной функцией УІ = const exp(-AH298i) (21)
Однако, для различного типа соединений аналогичную зависимость построить не удается. Это, скорее всего, обусловлено протеканием под пучком не реакций сублимации (20), 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 теплот сублимации AHs; 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, когда это было возможно (для материала покрытий СДП-2 выполнялся качественный Оже-анализ, поскольку пики никеля и алюминия корректно разделить не удается), осуществлялось методами математической статистики после двойного интегрирования записанного спектра.
Исследование влияния режимов облучения на перераспределение элементов и изменений фазового состава в поверхностных слоях лопаток
В результате обработки электронным пучком исходного, преимущественно аморфного покрытия на свободной поверхности отмечается кристаллизация новых фаз (рис. 26, 27). В случае обработки покрытия при 20-22 Дж/см2 на свободной поверхности образуются три кристаллические фазы, которые чётко индицируются по присутствующим в спектре отражениям. Наряду с основной фазой №зА1, в материале покрытия присутствуют следы Ni и NiAl - фаз.
При повышении плотности энергии в импульсе фазовый состав сильно изменяется. На свободной поверхности покрытия отмечается присутствие двух фаз: Ni и NiAl, с измененными параметрами кристаллических решёток. В результате растворения элементов замещения (А1) с большим ионным радиусом в кристаллической решётке Ni увеличивается параметр элементарной ячейки, что приводит к сдвигу рентгеновских линий в сторону меньших брегговских углов. Присутствие Сг в решётке Ni не сказывается на её параметрах, по причине близости величин ионных радиусов. Решётка NiAl сильно искажена, о чём свидетельствует существенное уширение рентгеновских линий, относящихся к этой фазе. По-видимому, такое уширение связано с присутствием на фазовой диаграмме широкой области гомогенности и высокими скоростями охлаждения при обработке электронным пучком.
Заметим, что дифрактограммы слоев покрытия, контактирующих с подложкой, практически не изменяются в результате электронно-лучевой обработки свободной поверхности покрытия. Последнее достаточно очевидно, поскольку толщина покрытия 50-60 мкм почти в 2 раза превышает зону термализации электронов при облучении. 3. 2. Выбор оптимальных режимов облучения.
Полученные результаты исследования влияния режимов облучения на химический и фазовый составы поверхностных слоев лопаток турбины, изготовленных из никелевых жаропрочных сплавов с жаростойким покрытием СДП-2, а также результаты выполненных термодинамических расчетов позволяют уже на этом этапе сделать предварительные выводы о наиболее перспективных величинах параметров электроннолучевой обработки.
Достаточно конкретные выводы могут быть сделаны по выбору плотности энергии в импульсе. В основе этих выводов лежат следующие соображения. При облучении лопаток из жаропрочных сплавов с жаростойким покрытием NiCrAlY желательно добиться оптимального перераспределения элементов и фазовых составляющих в поверхностном слое мишеней-лопаток при увеличении содержания электронной р-фазы, ответственной за жаростойкость покрытия. Видно, что для серийных лопаток характерно неоднородное распределение у и Р фаз по толщине покрытия. В результате при эксплуатации эти детали интенсивно окисляются. Кроме того, необходимо чтобы все компоненты покрытия СДП-2 при облучении перешли в жидкую фазу иначе при кристаллизации оставшиеся в твердом состоянии конгломераты будут выполнять роль затравок и являться центрами сегрегации и, как следствие, в их окрестности могут формироваться микротрещины при кристаллизации. Как следует из полученных данных, обработка высокоинтенсивным импульсным электронным пучком при плотности энергии w=42-45 Дж/см2 позволяет перевести все элементы покрытия в жидкую фазу и достичь повышенного содержания Р-фазы на основе NiAl, что должно привести к повышению такой важной эксплуатационной характеристики, как жаростойкость. Таким образом, более перспективным представляется обработка лопаток из никелевых сплавов с покрытием СДП-2 СИЭП в этом режиме.
Облучение же при более высоких плотностях энергии 45-55 Дж/см2 может стимулировать преимущественное испарения с поверхности лопаток легколетучих алюминия и хрома, что приведет к снижению целый комплекс свойств деталей из жаропрочных никелевых сплавов. Только облучение при очень высоких плотностях энергии в режиме абляции w 55-60 Дж/см представляет большой практический интерес для разработки ремонтной электронно-лучевой технологии. Более конкретные выводы о наиболее перспективных режимах облучения могут быть сделаны после изучения структуры материалов в поверхностных слоях лопаток, подвергнутых облучению и финишной термообработке.
Кроме того, необходимо отметить хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных по выбору режимов облучения, что свидетельствует о возможности использовать методику термодинамического анализа при оптимизации процессов электронно-лучевой обработки деталей широкой номенклатуры.
Структурные изменения в поверхностных слоях деталей из сплавов ЖС6У и ЖС26НК
Из представленных здесь данных следует, что: среди серийных монокристаллических лопаток присутствуют отдельные экземпляры, содержащие достаточно крупные зерна 100-200 мкм, формируемые за счет ликвационных или сегрегационных процессов на стадиях литья или высокотемпературного отжига; практически во всех лопатках присутствует поликристаллическая «рубашка», образующаяся в зоне сцепления покрытия с подложкой из-за использования при подготовке поверхности под нанесение покрытия пескоструйной обработки и последующего, уже после осаждения, высокотемпературного отжига. Формируемое по серийной технологии ВПТВЭ покрытие, характеризуется высокой степенью неоднородности фазового и элементного составов [99], содержит протяженные области с низкой концентрацией алюминия и заметным присутствием элементов жаропрочного сплава; последнее объясняет неудовлетворительную жаростойкость вакуумно-дугового покрытия. Электронно-лучевая обработка приводит к образованию однородного безпористого слоя толщиной 20-25 мкм с концентраций алюминия до 9-10 мае. %, что обеспечивает более высокий уровень эксплуатационных свойств облученных лопаток по сравнению серийными.
Кроме того, формируемые в процессе высокоскоростного нагрева, плавления и кристаллизации термические напряжения могут приводить к отслаиванию покрытия, если система подложка-покрытие обладала до облучения низкой адгезией. То, что вопросы адгезии вакуумно-дуговых покрытий СДП-2 к поверхности монокристаллических лопаток являются крайне важными в технологическом процессе их изготовления подтверждается наличием трех операций, непосредственно направленных на обеспечение этой характеристики (пескоструйная обработка, химическая обработка и вакуумный диффузионный отжиг) и может быть проиллюстрирована на поперечном металлографическом шлифе (рис. 65). На этом рисунке отчетливо видны области с низкой адгезией покрытия к подложке, что обусловлено такими нарушениями в технологических операциях, как отсутствие регламентированного микрорельефа после пескоструйной обработки, некачественно проведенное:., обезжиривание подготовленной механически поверхности, низкие температура и продолжительность отжига. Качество нанесенного покрытия в промышленности проверяется с помощью ЛЮМ-контроля, посредством которого удается зафиксировать области на поверхности лопатки, где уже началось разрушение. Проведение рентгеноструктурного анализа в различных макроточках обеспечивает определение областей, в которых сформированы остаточные растягивающие напряжения, в том числе и за счет плохой адгезии. В любом случае эти методы анализа являются косвенными. Для получения количественной информации об адгезионной прочности пары «покрытие-подложка» наиболее часто используют разрушающий метод «штифта» [100].
По результатам проведенных исследований физико-химического состояния материала поверхностных слоев серийных и облученных лопаток из сплава ЖС26НК, а также выполненных стендовых испытаний было принято решение о целесообразности внедрения электронно-лучевой обработки в серийное производство после завершения длительных натурных испытаний на технологическом изделии, проведения дополнительных испытаний на усталостную прочность, определения их эксплуатационных характеристик и оснащения технологического участка оборудованием для реализации операции облучения.
Натурные периодические испытания будут проведены согласно следующим показателям наработки на технологическом двигателе РД-33 серии 3. Одной из основных задач этих испытаний будет проверка работоспособности при гарантийном ресурсе эксплуатации лопаток 1-й ступени ротора турбины высокого давления, подвергнутых обработке высокоинтенсивным импульсным электронным пучком. Ресурс двигателя: гарантийный - 350 часов с последующим увеличением наработки по техническому состоянию до 1000 часов по 50 часов; до первого капитального ремонта - 1000 часов. Допустимое суммарное время работы двигателя на максимальном и форсажных режимах за ресурс 1000 часов: на учебных режимах (У) - 210 часов; на учебно-боевых режимах (УБ) - 10 часов; на боевом режиме (Б, режим повышенных температур, РПТ) — 45 минут. Испытания будут проведены этапами без подогрева воздуха (100 этапов в учебном режиме - 148 часов и в учебно-боевом режиме - 7 часов) и с подогревом воздуха (10 и 90 циклов в учебном режиме - 62 часа и в учебно-боевом режиме в режиме повышенных температур - 45 минут и в режиме без повышения температуры - 3 часа).
Полная информация о периодических испытаниях на двигателе РД-33 №88-Т8 представлена в таблице 12. Такими длительными технологическими испытаниями будут проверены результаты следующих технологических работ по эффективности использования сильноточных импульсных электронных пучков: лопатки 1-й ступени турбины (20 шт.), облученные сильноточным импульсным электронным пучком при плотности энергии 42-45 Дж/см числом импульсов до 4, при последовательном дискретном повороте лопаток вокруг своей оси на 45 градусов, с последующей термообработкой при 1050 С в течение 2-х часов в вакууме 10 мм. рт. ст;
Ремонт лопаток турбины газотурбинных двигателей представляет собой одно из важнейших звеньев технологической цепи «производство - эксплуатация» [45]. Проведение ремонтных работ позволяет более чем на 50 % повысить ресурс эксплуатации изделия при значительной экономии дорогостоящих материалов и средств на изготовление новых лопаток. В то же время фундаментальных исследований, посвященных разработке высокоинтенсивных технологических процессов ремонта деталей машин за последние десять лет, было проведено недостаточно. В работах Пайкина А.Г. [13-16] и Белова А.Б. [17-19] было преложено для удаления нагара, поврежденных и окисленных поверхностных слоев лопаток компрессора ГТД использовать сильноточные импульсные электронные пучки. Авторами были разработаны технологические процессы ремонта лопаток 3-й и 7-й ступеней ротора КВД из титанового сплава ВТ9 и стали ЭП866ш, включающий операцию обработки СИЭП. В этой связи одной из задач настоящей работы является демонстрация технологических основ ремонта лопаток турбины из никелевого сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2 с применением сильноточного импульсного электронного пучка, формируемого в ускорителях «GESA-1» и «GESA-2».
