Содержание к диссертации
Введение
1. Модификация поверхностных слоев деталей машин импульсными электронными пучками (литературный обзор) 11
1.1 Оборудование и физические принципы 11
1.2 Моделирование процессов протекающих при облучении 16
1.3 Влияние электронно-лучевой обработки на физико-химическое состояние поверхностных слоев жаропрочных сплавов 20
1.4 Влияние электронно-лучевой обработки на свойства металлов и сплавов 24
2. Разработка методик облучения, определения состояния поверхности, выбора режимов облучения и испытаний лопаток ГТД из жаропрочной стали 26
2.1 Материал, образцы и детали для исследования 26
2.2 Оборудование для исследования 27
2.3 Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения 28
2.4 Методики исследования состояния поверхностных слоев облучаемых мишеней 30
2.5 Методики определения эксплуатационных свойств лопаток компрессора 33
2.6 Методика термодинамического анализа 35
3. Влияние электронно-лучевой обработки на элементный состав поверхностных слоев лопаток из жаропрочной стали 41
3.1 Исследование влияния режимов облучения па перераспределение элементов в поверхностных слоях лопаток 41
3.2. Выбор оптимальных режимов облучения 47
4. Исследование влияния режимов облучения на структуру поверхностных слоев лопаток 49
4.1 Структурные изменения в поверхностных слоях образцов и лопаток из стали 49
4.2 Исследование процесса кратерообразования на поверхности деталей из стали 57
4.3 Выбор оптимальных режимов облучения по результатам структурных исследований 66
5. Влияние режимов облучения на свойства лопаток из стали 68
5.1 Усталостная прочность 6В
5.2 Жаростойкость 72
5.3 Эрозионная стойкость 75
5.4 Сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования 77
5.5 Методики испытаний облученных и серийных лопаток на технологическом изделии.82
5.6 Разработка технологических карт процессов электронно-лучевой обработки лопаток из стали 84
Выводы 91
Список использованных источников 94
- Влияние электронно-лучевой обработки на физико-химическое состояние поверхностных слоев жаропрочных сплавов
- Методики исследования состояния поверхностных слоев облучаемых мишеней
- Исследование влияния режимов облучения па перераспределение элементов в поверхностных слоях лопаток
- Сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования
Введение к работе
Повышение уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей и узлов проточной части турбины ГТД (прежде всего лопатки и диски компрессора и турбины), изготавливаемых из жаропрочных материалов, является наиболее важной задачей авиационного двигателестроения [1]. Решение этой задачи осуществляется с использованием нескольких подходов: разработка перспективных, высоколегированных, поликристаллических и моно кристаллических 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 наноматерналов. Кроме того, интенсивно реализуются исследования по созданию цельнометаллических дисков с лопатками, причем эти технологии уже нашли достаточно широкое применение на ведущих предприятиях авиационной промышленности США, России, Великобритании и Франции. В последнее время особое внимание уделяется разработке высокоинтенсивных методов поверхностной инженерии деталей машиностроения широкой номенклатуры и предельно быстрому внедрению созданных на их основе техпроцессов в промышленность[2,3].
Эта тенденция была озвучена на экспертном совещании ведущих специалистов Европейского Сообщества, которое проводилось во Франции в октябре 2001 года [I]. Результаты экспертных оценок по прогнозированию объема выпуска машиностроительной продукции с применением методов поверхностной инженерии (электролитические покрытия, композиционные покрытия, поверхностное легирование, лазерная обработка, катодное распыление, химико-термическая обработка, химическое и физическое осаждение из пара, обработка ионными и электронными пучками), сделанных 62 экспертами, позволяют прийти к заключению о приоритетности химико-термической обработки, включая обработку мощными ионными и сильноточными электронными пучками. Для этих технологий общий объем продукции в 2010 году составит более 420 Me, что превысит объемы производства деталей с применением химического и физического осаждения из пара (250 Me), электролитического плакирования (400 Мє), нанесения композиционных покрытий (30 Мє), и только применение метода распыления в поверхностной инженерии машиностроительной продукции ожидается в больших объемах (500 Мє). Среди же отраслей машиностроения к 2000 году наиболее широкое использование ионно- и электронно-лучевых технологий, а также технологий поверхностного легирования, было отмечено в: автомобильной промышленности (1 место), общем машиностроении (2 место), авиационной и космической технике (3 место), причем прогноз на 2010 год оставил все практически без изменений. То, что мощные ионные и электронные импульсные пучки, а также лазерное излучение являются одними из наиболее эффективных инструментов для поверхностной инженерии деталей автомобилестроения, авиационной и космической техники обусловлено не только возможностями этих методов воздействия на материалы, но и достигнутым уровнем развития оборудования для их реализации.
В этой связи разработка и совершенствование методов поверхностной обработки деталей и заготовок с использованием концентрированных импульсных потоков энергии (КИГТЭ) [5] имеет ряд преимуществ перед классическими методами поверхностной механической, химической и термомеханической обработок: формирование уникального физико-химического состояния материала поверхностного слоя; достижение рекордных точности изготовления (на нанометромом уровне) и шероховатости поверхности (Ra~0,05-0,06 мкм); экологическая чистота; высокая производительность (площадь поперечного сечения энергетических потоков изменяется от 30 см до 1 м , а длительность импульса - от 10 не до нескольких десятков микросекунд); умеренные цены за оборудование и его обслуживание (не более $ 10 за обработку 1 м поверхности). Применение КИПЭ имеет по сути дела только один недостаток: высокая наукоемкость разрабатываемых технологий, обусловленная необходимостью проведения длительных и дорогостоящих исследований влияния режимов облучения на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и, соответственно, на комплекс эксплуатационных свойств деталей. Последнее является целью настоящей диссертации, сконцентрированной, прежде всего, на использовании сильноточных импульсных электронных пучков (СИЭП), которые являются одними из наиболее доступных и развитых видов КИПЭ для модификации свойств деталей авиационной техники и, в частности, для повышения уровня коррозионных, эрозионных и усталостных свойств лопаток компрессора ГТД, изготавливаемых из стали ЭП866ш.
По сравнению с мощными импульсными ионными пучками (МИИП), СИЭП начали применяться для обработки жаропрочных сплавов только с 1996 года (коллектив ученых из Томского института сильноточной электроники и Московского авиационного института под руководством профессора Проскуровского Д.И.) [6, 7], хотя отдельные публикации по модификации лопаток стационарных двигателей появились в 1993 году (Санкт-петербургская школа исследователей под руководством В. И. Энгелько) [8, 9].
Действительно, результаты исследований и испытаний образцов и конкретных изделий, включая испытания на двигателе лопаток из титановых сплавов, облученных МИИП, публикуются уже на протяжении 15 последних лет, а разработанные техпроцессы рекомендованы к внедрению еще в 1994 году [10-15]. Более чем пятилетнее отставание по времени начала исследований в области применения СИЭП для модификации поверхности деталей авиационной техники от использования МИИП для этих же целей, обусловлено, прежде всего, сложностью формирования широкоаппертурных электронных пучков и трудностью их транспортировки в вакууме, при которой наблюдается образование микронеустойчивостей, приводящих к филаментации пучка и образованию на поверхности большого числа кратеров размером до нескольких сотен микрон, В связи с вышесказанным, полученные ранее результаты исследований и испытаний деталей из жаропрочных сплавов обработанных СИЭП следует признать неудовлетворительными.
В последнее время разработчикам оборудования как в НИЙЭФА г. Санкт-Петербург (ускрители «GESA»), так и в ИСЭ г. Томск удалось получить широкоаппертурные электронные импульсные пучки с высокой однородностью распределения плотности энергии по сечению, сравнимые, и даже превосходящие, по этим параметрам МИИП, что резко интенсифицировало исследования в области модификации поверхности СИЭП. Кроме того, КПД формирования СИЭП значительно превосходит КПД МИИП, поднимая в целом энергетику пучка до 100-200 Дж/см2 (5-8 Дж/см2 для МИИП) и обеспечивая, тем самым, решение существенно большего круга задач (модификация материалов в поверхностных слоях толщиной до 30 мкм, за счет высокоскоростного плавления и последующей перекристаллизации, нанесение относительно толстых покрытий, абляция поверхностных слоев с целью ремонта поврежденных при эксплуатации изделий, перемешивание материала предварительно нанесенных покрытий толщиной до 20-30 мкм с материалом подложки и т.д.). Успехи достигнутые научными школами проф. Проскуровского Д.И. и проф. Энгелько В.И. выглядят особенно впечатляющими с позиций международной признательности. Им удалось наладить производство и поставку своих ускорителей в такие развитые страны мирового сообщества как Германию и Японию. К сожалению, на внутреннем рынке России подобного успеха авторам этих разработок добиться не удалось до сих пор.
Таким образом, актуальность данной работы в фундаментальном отношении определяется необходимостью получения базовых знаний о влиянии режимов обработки сильноточными импульсными электронными пучками на физико-химическое состояние поверхностных слов и эксплуатационные свойства деталей из жаропрочных сплавов, а с практической точки зрения - возможностью создания и внедрения некоторых техпроцессов на предприятиях отрасли уже в ближайшее время, так как стоимость электронных ускорителей не превышает ($ 150 000), что более чем в 2 раза ниже стоимости ускорителей МИИП.
Для достижения сформулированной цели было необходимо реализовать постановку и последующее решение большого числа задач методического, фундаментального и практического плана: (1) разработка комплексной методики исследования физико-химического состояния нано - и микро - метровых поверхностных слоев деталей из многокомпонентных гетерогенных материалов (жаропрочная сталь ЭШббш), основанной на применении таких методов, как: электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), рентгеноструктурный анализ (при регистрации дифрактограмм с фокусировкой по Бреггу-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 (Ra) и др,; (2) разработка методики термодинамического анализа процессов, протекающих в поверхностном слое при облучении деталей СИЭП; (3) оценка оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток из жаропрочной стали ЭП866ш; (4) определение кинетики абляции материала с поверхности облучаемых СИЭП мишеней и изучение механизмов этого явления; (5) исследование явления кратерообразования на поверхности мишеней из стали ЭШббш при их облучении СИЭП; (б) обоснование режимов сравнительных натурных испытаний серийных и обработанных электронным пучком деталей в составе изделия; (7) определение эксплуатационных характеристик деталей проточной части компрессора ГТД, прошедших электронно-лучевую обработку (усталостная прочность и циклическая долговечность с использованием высокочастотных испытаний, микротвердость, жаростойкость, эрозионная стойкость, коррозионная стойкость в условиях термоциклирования 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 из стали ЭП866ш; (10) составление технического задания на проектирование и разработка технической документации для изготовления электронных ускорителей для серийного производства,
Научная новизна работы.
Достижение главной цели, в соответствии с расширенным планом фундаментальных и прикладных исследований, практически полностью отражает научную новизну полученных данных, не имеющих аналогов ни в России, ни за рубежом, Впервые не только доказана возможность использования сильноточных электронных пучков для модификации свойств и ремонта наиболее нагруженных деталей компрессора ГТД (лопатки 7 и 8 ступеней изделие 88), но и разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта этих деталей двигателей РДЗЗ и РД 1700.
Кроме того, впервые были получены взаимосвязанные результаты влияния режимов облучения СИЭП на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и свойства компонентов двигателя, изготовленных из жаропрочной стали ЭП866ш, что позволяет построить взаимнооднозначную последовательность зависимостей: (р{режимы > облучения) «-> у/(фюико — химическое > состояние) <-> %(сбойства). Построение таких зависимостей обеспечивает разработку и внедрение новых технологических процессов уже при значительно меньших затратах времени и средств на стадии выбора оптимальных режимов облучения, существенно сокращая область поиска значений параметров облучения и финишной термообработки соответствующих этим оптимальным режимам. Эта часть работы является фундаментальным стержнем проблемы создания новых наукоемких высокоинтенсивных технологий электронно-лучевой обработки различных деталей и узлов.
С феноменологических позиций впервые подробно изучены: явление «кратерообразования» протекающее на поверхности облучаемых СИЭП мишеней, если обработка реализуется в режиме абляции (локальный местный унос материала на макро уровне); механизмы перераспределения элементов в поверхностных слоях многокомпонентных гетерогенных материалов при их облучении импульсным электронным пучком в режимах плавления, испарения и абляции; текстурообразование, имеющее место в процессе 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 сплавов (усталостная прочность, жаростойкость, эрозионная стойкость, сопротивление горячей солевой коррозии в условиях термоциклирования); кинетика абляции с поверхности деталей из стали ЭП866ш, в том числе после наработке на двигателе.
Разработанные технологии электронно-лучевой обработки и ремонта деталей и узлов проточной части турбины ГТД 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 термодинамического анализа сложных гетерогенных систем, позволяющая определить режимы облучения электронным пучком (при микросекундной длительности импульса, х>10 jic, и высоких энергиях, Е>100 кэВ), когда достигаются плавление, испарение, плазмообразование, разложение и формирование различных фаз в жаропрочных и жаростойких материалах.
2. Комплексная методика определения физико-химического состояния материала приповерхностных областей деталей и их рабочих характеристик после различных методов 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/см ; число импульсов п=1-10 имп) на физико-химическое состояние материала приповерхностных областей деталей проточной части турбины (химический состав, структурно-фазовое состояние, остаточные напряжения и шероховатость поверхности).
Данные о влиянии режимов электронной и термической обработок на эксплуатационные свойства деталей из жаропрочной стали ЭП866ш).
Методика длительных натурных испытаний облученных деталей в составе технологического изделия (РДЗЗ),
Результаты исследования физико-химического состояния материала поверхностных слоев лопаток ГТД, подготовленных к испытаниям на технологическом изделии.
Механизмы перераспределения элементов в поверхностных слоях деталей в процессе сильноточной импульсной электронно-лучевой обработки.
Электронно-лучевые технологии обработки и ремонта лопаток компрессора ГТД, изготовленных из стали ЭШббш.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследования.
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований созданы методики и обоснованы рекомендации, обеспечивающие разработку и внедрение новых технологических процессов модификации поверхности и ремонта деталей ГТД различной номенклатуры с применением сильноточных импульсных электронных пучков.
Разработаны экологически чистые опытно-промышленные технологии электроннолучевой обработки и ремонта лопаток компрессора из стали ЭП866ш, позволяющие заменить некоторые виды высокоточной механической и химической обработок, существенно повысить ресурс и надежность их эксплуатации (РДЗЗ и РД 1700).
По результатам длительных натурных испытаний на технологическом изделии, будет принято решение о корректировке оптимальных режимов электронно-лучевой обработки и внедрении электронно-лучевых технологий в серийное производство (ММП им. В. В. Чернышева) после оснащения технологического участка ускорителями "Геза-М" для реализации процесса облучения.
Комплексная методика исследования физико-химического состояния поверхностных слоев жаропрочных сплавов использовалась в ряде организаций Российской Федерации (НПО ВИАМ, ИСЭ СО РАН, НИИЛФ г. Томск, НИИЭФА им. Д. В. Ефремова и др.).
Методика выбора режимов электронно-лучевой обработки использовалась при выполнении контракта между НПО ВИАМ и французской фирмой "Turbomeca", а также при реализации программы исследований по проекту МНТЦ (проект №975-98).
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 международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: 10 Всемирный съезд по титану в 2003 г. (Гамбург, Германия), 5 Международная конференция по взаимодействию излучений с твердым телом в 2003 г. (Минск, Беларусь), постоянно действующий семинар по проблемам прочности в 2002 г. (Москва, ЦИАМ). Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Влияние электронно-лучевой обработки на физико-химическое состояние поверхностных слоев жаропрочных сплавов
Низкоэнергетические (10-150 кэВ) сильноточные импульсные пучки, как правило, получают в вакуумно-трубчатых диодах с взрывоэмиссиоиными катодами [21]. Длительность импульса в таких диодах обычно ограничена сверху 100 не, что обусловлено конечной скоростью формирования и распространения катодной и анодной плазмы - (2-3)-106 см/с [22]. Кроме того, в диодах такого типа присутствует филаментация электронного потока в соответствии с распределением эмиссионных центров по поверхности катода [23]. Переход к более длинным импульсам т-1 мке вызывает большой практический интерес, так как в этом диапазоне при облучении мишеней удается: модифицировать более толстые поверхностные слои, что является следствием возрастающей роли теплопроводности в нагреве материала приповерхностных зон; сформировать дефекты в приповерхностных областях за счет уменьшения скорости подвода тепла; повысить долговечность катода и однородность плотности распределения энергии по сечению пучка; увеличить расстояние от мишени до сетчатого анода.
Данная проблема была решена при использовании электронной пушки с плазменным анодом и взрывоэмиссионным катодом. Здесь предварительное заполнение ускоряющего промежутка плазмой обеспечивает существенное увеличение напряженности электрического поля на катоде и первеанса электронного потока по сравнению с вакуумным диодом. Таким образом, появилась возможность увеличения длины ускоряющего промежутка, а значит, и длительности импульса пучка. Именно заполнение плазмой канала транспортировки пучка к коллектору позволяет увеличить ток пучка, повысить его однородность и удалить обрабатываемую мишень от анода на значительное расстояние.
Блок-схема подобной электронной пушки приведена на рис. 1 (установка "ЭЛУ ИСЭ"), а внешний вид на рис. 2 [24]. В этой конструкции катод на графитовой основе имеет диаметр 1,5-6 см, что на 6-10 мм меньше диаметра анодного отверстия. Длина межэлектродного промежутка Dt.a. составляеті ,5-4,5 см. Двенадцать искровых источников с графитовыми катодами, расположенными равномерно по окружности за отверстием в аноде, создают анодную плазму, состоящую в основном из ионов углерода. фронтом 8-20 не формируется при разряде конденсатора (1 Г7 - 1,2-10 6 Ф) на диод. Внешнее импульсное магнитное поле напряженностью до 3 кЭ, предотвращающее пинчевание пучка, создается секционированным соленоидом. Синхронное включение блока питания источников плазмы и генератора высоковольтных импульсов осуществляется с помощью блока управления. Время задержки подачи импульса ускоряющего напряжения на катод относительно момента включения источников плазмы тз изменяется от 0,5 до 3 мкс. Электронный пучок транспортируется до коллектора, расположенного на расстоянии 1=3-20 см от плоскости источников плазмы, Давление остаточных газов в вакуумной камере ускорителя "ЭЛУ ИСЭ" не превышает 10 1 Па.
При подаче импульса ускоряющего напряжения на диод, заполненный плазмой, электрическое поле сосредотачивается в прикатодном слое объемного заряда ионов, так как электроны плазмы практически мгновенно реагируют на изменение поля. При этом характер распределения потенциала в слое и величина напряженности электрического поля на катоде Е определяются соотношением между длительностью фронта импульса ускоряющего напряжения Tf и характерным временем пролета ионом прикатодного слоя тп . Очевидно, что возможны три случая соотношения между этими величинами:
Для достижения значений Et, обеспечивающих однородное формирование эмиссионных центров на фронте импульса напряжения по всей поверхности катода, необходима напряженность поля на катоде из графита Ек, 105 В/см. Для этого должны быть либо сокращена длительность фронта, либо увеличена концентрация анодной плазмы. Это крайне трудно реализовать по чисто техническим причинам (Tf «1-3 не) или из-за быстрого пробоя диода (10"7 с, если па = 10 - 1014 см"3 ). Обычно данная проблема решается увеличением концентрации плазмы только в прикатодной области путем подачи короткого предимпульса положительной полярности (tf »20-30 не, U+=25-30 кВ; па=1014-10 см" ). В результате предимпульса среднеквадратичный разброс значений диодного тока уменьшается с 50-70 % до 7-9 %. Кроме этого, в [25] предложено использовать катод в виде регулярной (с шагом 1-2 мм) графито-керамической структуры, созданной на основе резисторов марки ТВО. Последнее обеспечивает, при случайном отсутствии эмиссии с некоторых эмиттеров, функционирование соседних эмиссионных участков. Ресурс работы таких катодов достигает уже 3-Ю импульсов, что становится приемлемым для технологических целей.
С момента возбуждения взрывной эмиссии, приложенное к диоду напряжение сосредотачивается в двойном слое между катодной и анодной плазмой. Именно в этом слое реализуется процесс формирования электронного пучка. Особенности протекания тока в двойном слое плазмонаполненного диода на стационарной и нестационарной стадиях подробно рассмотрены в работе [25]. В этой же публикации проанализированы закономерности транспортировки сильноточного импульсного электронного пучка. Здесь необходимо отметить, что при наложении переменного магнитного поля удается транспортировать пучок при полном отсутствии резких локальных неоднородностей тока, а некоторый разброс электронов по скоростям авторы [25] связывают с коллективным взаимодействием пучка с плазмой.
Методики исследования состояния поверхностных слоев облучаемых мишеней
При проведении количественного Оже-анализа в настоящей работе использовали две стандартных методики: коэффициентов относительной элементной чувствительности Sa и чистых стандартов с матричными поправками [57-60]. Однако, при исследовании многокомпонентной гетерогенной системы, которой является жаропрочная сталь ЭШббш, возможна неоднозначность интерпретации полученных данных. Это вызвано следующими причинами: избирательность травления различных элементов и фазовых составляющих; наложение Оже-пиков некоторых элементов, например Мо и W, или Fe, Со и Ni; присутствие в материале различных фазовых составляющих: феррит и сложные карбиды в исходном состоянии, а также оксиды, шпинели, хлориды и оксихлориды после коррозии; наличие границ зерен.
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(AHsi), где (AHsO - изменение стандартной энтальпии для реакции сублимации: причем полученная зависимость достаточно хорошо описывается экспоненциальной функцией:
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. Наконец, для снижения ошибок, связанных с функционированием анализатора, было проведено эталонирование основных элементов стали ЭП866ш при одновременной загрузке в рабочую камеру Оже-спектрометра образца из чистого серебра и высокочистых эталонов, приготовленных из углерода, железа, никеля, кобальта и молибдена. Сравнение зафиксированных спектров со спектром серебра позволило уточнить коэффициенты относительной элементной чувствительности.
Как и в работе [54], количественный Оже-анализ выполнялся, как с поверхности корыта и спинки, так и с поверхности из окрестности кромок. Если полученные результаты резко отличались, то концентрационные профили приводились с указанием точки их регистрации. Обычно же строились усредненные по 5-7 точкам профили распределения основных легирующих элементов стали ЭП8б6ш до и после электрон но-лучевой обработки мишеней. Методика рентгеноструктурного анализа. Рентгсноструктурный и рентгеновский фазовый анализ осуществляли при соблюдении условий фокусировки по Бреггу-Брентано, когда толщина эффективно отражающего слоя (h ) составляет 4+7 мкм (Feta- излучение) и 6+9 где ц - линейный коэффициент ослабления рентгеновских лучей для данного материала; 4у -угол падения первичного луча на поверхность образца; 0 - дифракционный угол; sin0=V2dhu ; - длина волны; dhu - межплоскостное расстояние для плоскостей (hkl) [61-63]. Фиксировались полуширина, физическое уширснис и смещение рентгеновских линий (Гш, В и 20, град при регистрации последних под малыми и большими углами. Сумма главных напряжений (oi + ог) определялась в соответствии с моделью плосконапряженного состояния: где Ем- модуль Юнга, \in -коэффициент Пуассона, Д с - смещение дифракционного угла в результате электронно-лучевой обработки. Определение остаточных напряжений проводилось на анализаторе PSF-3V фирмы "Pigaku" с использованием стандартного метода sin2T в излучении "Сока"- Напряжения для каждой лопатки или образца определялись по 10 значениям угла Р с использованием метода наименьших квадратов.
Методика измерения экзоэлектронной эмиссии. Для достижения наибольшей информативности экзоэмиссионный анализ проводился методом ультрафиолетового зонда ( 0,1 мм) [64-66]. Это давало возможность выявлять экзоэмиссионные, а, следовательно, и структурно-фазовые неоднородности поверхности. При сканировании по двумерному "х-у" растру формируется картина экзоэмиссионной топографии объекта, отображающая экзоэмисионную активность различных участков его поверхности. Тем самым фиксируется неоднородность физико-химического состояния его поверхности. Для сопоставления результатов ЭЭЭ с результатами РСА, РФ А и ЭОС производили вычисление средней интенсивности ЭЭЭ (Тэээ) для данной зоны сканирования:
Где N - число точек регистрации ЭЭЭ. Средняя интенсивность ЭЭЭ является информативной характеристикой физико-химического состояния поверхностного слоя детали после какого-либо режима обработки. Кроме этого, информативными параметрами, которые определялись при исследовании, были максимальная (1ГОЯх ) и минимальная (I m) интенсивности, а также и мера вариаций Г,,.,:
Экзоэмиссионный анализ несет информацию о дефектах структуры в поверхностном слое материалов толщиной h =15-=-100 нм, при этом известно, что с увеличением числа дефектов растет интенсивность ЭЭЭ, В то же время формирование в поверхностной зоне химических соединений с простыми ковалентными связями приводит к резкому снижению величины Тэээ. Поэтому при одновременном протекании в поверхностном слое процессов дефёктообразования и фазообразования, экзоэмиссионный анализ, выполняемый по классической методике, не позволяет получать однозначную информацию о физико-химической процессах, протекающих при обработке, Для решения этой проблемы было выполнено эталонирование при помощи построения стандартных экзоэмисионных сканограмм для образцов-эталонов из стали ЭП8ббш после различной поверхностной обработки (фрезерование, шлифование, обработка микрошариками, ионная имплантация, оксидирование).
Просвечивающая электронная микроскопия. ПЭМ образцов до и после электронно-лучевой обработки осуществлялась в ТИСИ (г. Томск) по методике Э. В. Козлова, Ю.Ф. Иванова и Ю. П. Шаркеева [67-69].
Исследование влияния режимов облучения па перераспределение элементов в поверхностных слоях лопаток
Полученные результаты исследования влияния режимов облучения на химический состав поверхностных слоев лопаток компрессора изготовленных из стали ЭШббш, а также результаты выполненных термодинамических расчетов позволяют уже на этом этапе сделать предварительные выводы о наиболее перспективных величинах параметров электронно-лучевой 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 целесообразным представляется получить поверхность, не содержащую макродефектов, являющихся концентраторами напряжений при усталостном нагружении. Этому требованию удовлетворяет поверхность лопаток, облученных в режиме плавления (20-22 Дж/см2). Кроме того, желательно добиться оптимального перераспределения элементов в поверхностном слое мишеней-лопаток. Видно, что для серийных лопаток из стали ЭШббш характерно обеднение приповерхностных областей хромом, причем обеспечить однородное распределение этого важнейшего легирующего элемента по толщине поверхностного слоя не удается классическими методами. В результате при эксплуатации эти детали интенсивно окисляются. Как следует из полученных данных, обработка высокоинтенсивным импульсным электронным пучком при плотности энергии w=20-22 Дж/см позволяет достичь преимущественного выхода на поверхность хрома (рис. 14 и 15), что должно привести к повышению такой важной эксплуатационной характеристики, как жаростойкость и сопротивление горячей солевой коррозии. Таким образом, более перспективным представляется обработка лопаток из стали ЭШббш СИЭП в режиме плавления.
Облучение же в режиме кратерообразования приводит к преимущественному испарения с поверхности лопаток хрома и формированию микрократеров, что может резко снизить целый комплекс свойств деталей из стали ЭП8ббш. В этой связи обработка с плотностями энергии более 24-26 Дж/см2 представляется нежелательной для модификации свойств лопаток двигателя РДЗЗ и РД1700. И только облучение при очень высоких плотностях энергии в режиме абляции w 48 Дж/см2 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,
Некоторые наиболее важные результаты структурных исследований поверхностных слоев модельных образцов и лопаток из стали ЭШббш, подвергнутых электронно-лучевой обработке при различных режимах облучения, представлены на рис. 18-24 и в таблицах 4-6. Из этих данных непосредственно следует, что: о в исходных образцах и лопатках поверхностные слои толщиной 20-40 мкм содержат а-фазу (феррит) и сложные карбиды (Сг, Me Q, 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 - 530±50 МПа, а плотность дислокаций распределена неоднородно, как по поверхности, так и по глубине, и изменяется в достаточно широких пределах от 109 до 10м см"2; о в облученных мишенях, за счет протекания процесса высокоскоростной перекристаллизации, формируется плохо травящийся поверхностный слой толщиной 20-30 мкм; о 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; о после облучения в приповерхностных областях отмечено значительное уменьшение концентрации карбидной фазы, а параметр решетки сс-фазы существенно возрастает, что особенно проявляется в образцах, облученных с высокими плотностями энергии несколькими импульсами; о обработка поверхности мишеней электронным пучком при w=20-22 Дж/см2 приводит к созданию в поверхностном слое толщиной более 30 мкм развитой дислокационной структуры с большим количеством дислокаций винтовой ориентации, дислокационных переплетений и мелких дислокационных петель, причем дислокационная структура в приповерхностных областях облученных мишеней, в отличие от необработанных пучком образцов, имеет ячеистый или предъячеистый тип, что обычно наблюдается при воздействии импульсного лазерного излучения на стали ферритного класса; о облучение с плотностью энергии w=20-22 Дж/см2, в режиме плавления, обеспечивает выглаживание поверхности, снижая исходную шероховатость образцов от Ra =0,25-0,28 мкм до Ra =0,10-0,12 мкм; о облучение же с высокими плотностями энергии 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; о уровень остаточных растягивающих напряжений в облученных образцах с ростом плотности энергии в импульсе от 20-22 до 34-36 Дж/см2 увеличивается от +250±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.
Сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования
Некоторое повышение эрозионной стойкости лопаток в результате электронно-лучевой обработки, связано с формированием, на начальной стадии эрозионного воздействия на облученные мишени, кратеров вдавливания, а не рубчатых кратеров, которые формируются на поверхности серийных лопатках при адекватной нагрузке. Это обусловлено повышением пластичности материала в поверхностном слое толщиной до 25 мкм при высокоскоростном плавлении и финишной термообработке. Таким образом, механизм разрушения облученных лопаток становится чисто усталостным, когда на начальной стадии происходят процессы пластического деформирования и выдавливания материала при соударении твердых частиц с поверхностью мишеней и только по достижении критической величины деформации начинается трещинообразование и последующее удаление поврежденного слоя. Усталостное разрушение при эрозионном изнашивании поверхностных слоев металлических изделий может быть достаточно точно описано с помощью моделей П. Шьюмона и Г. Сандарараяна [ПО], которые нашли широкое применение при выборе типов эрозионно-стойких защитных покрытий и методов их нанесения. Несмотря на невысокую эффективность электронно-лучевой обработки, с точки зрения повышения эрозионной стойкости лопаток из стали ЭП866ш, по сравнению с различными видами покрытий, рекомендуемых в отрасли для решения проблемы защиты от эрозии, этот метод поверхностной инженерии несомненно имеет хорошие перспективы, что связано с однородностью зафиксированного после облучения физико-химического состояния материала в поверхностных слоях, как на корыте и спинке лопаток, так и в окрестности их острых кромок. Кроме того, применение облучения СИЭП не имеет ограничений по адгезии, что представляется особенно перспективным при разработке интегральных технологий, включающих в себя нанесение покрытий с их последующим оплавлением сильноточным импульсным пучком, вместе с поверхностным слоем подложки.
Одним из наиболее важных эксплуатационных свойств лопаток компрессора и турбины ГТД, изготавливаемых из жаропрочных титановых и никелевых сплавов, а также жаропрочных сталей, является сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования. Наряду с циклическими и постоянными нагрузками при повышенных температурах на воздухе, лопатки и диски компрессора и турбины подвергаются воздействию агрессивных сред, содержащих химически активные вещества, такие как хлор, фтор, йод, бром, сероводород, сульфаты и сульфиты магния и натрия. Некоторые из этих веществ присутствуют в продуктах сгорания топлива, некоторые - во влажном воздухе, содержащем компоненты органических и минеральных удобрений, и почти весь набор активных элементов и соединений входит в состав морской воды. Поэтому при определенных условиях эксплуатации двигателя на поверхности лопаток будут концентрироваться ионы хлора, фтора, брома, йода, SO3", SO/ и др., что приводит к интенсивному протеканию химических реакций с образованием в различных участках поверхности микронеоднородностей с различным фазовым и химическим составом, являющихся концентраторами напряжений, В конечном счете, эксплуатация двигателей в районах с повышенным содержанием агрессивных компонентов требует проведения преждевременных ремонтных мероприятий, что может снижать ресурс эксплуатации изделия в несколько раз. Особенно важным это свойство является в палубной авиации, причем, прежде всего, подвержены коррозии лопатки компрессора из жаропрочной стали ЭП866ш (впрочем как и из стали ЭП718ИД. из которой изготавливаются лопатки 8 и 9 ступеней ротора компрессора). Самое простое решение проблемы повышения коррозионной стойкости стальных лопаток заключается в нанесении коррозионно-стойких защитных покрытий, таких как NiAl, NiCrAIY, Y2O3 и т.д. Причем технологически наиболее целесообразным представляется использование для этих целей вакуумно-плазменной технологии высоких энергий, так как вакуумно-плазменные установки типа МАП и ВИАМ, разработанные для нанесения жаростойких покрытий на лопатки турбины, широко и успешно применяются в авиационном двигателестроении [111]. Эти установки обеспечили повышения ресурса эксплуатации лопаток турбины до 600 часов при нанесении двухслойных покрытий СДП-2 и ВСДП-16 толщиной 80-100 мкм. Однако недостатки метода, главным из которых является наличие микрокапельной фракции в плазме, что приводит к низкой местной адгезии, даже после высокотемпературного диффузионного отжига, высокой пористости и неоднородности распределения фазовых составляющих по поверхности и глубине, а также высокой шероховатости покрытия, не позволяют обеспечить современных требований авиационной промышленности, как с точки зрения увеличения ресурса лопаток турбины, так и с позиций расширения возможных применений вакуумно-плазменной технологии высоких энергий для защиты компрессорных лопаток от пылевой эрозии и солевой коррозии. Очевидно, что нанесение качественных покрытий толщиной 10-30 мкм на лопатки компрессора с острыми кромками при использовании установок МАП и ВИАМ представляется невозможным без сепарации плазмы и необходимости проведения процесса формирования переходного слоя матрица-покрытие, который может быть сконструирован только в режиме имиульсно-дуговой ионной имплантации. Такими возможностями, в настоящее время, обладает установка «Радуга-5», сконструированная и изготовленная в НИИЯФ при ТПУ (г. Томск) А.И. Рябчиковым и И.Б. Степановым. Еще одна возможность решения задачи повышения коррозионной стойкости стальных лопаток компрессора - их обработка сильноточным импульсным электронным пучком на установке «GESA-1». Поэтому перспективным представляется изучить возможности подобной обработки для модификации коррозионных свойств лопаток из стали ЭП866ш. Были проведены испытания исходных и облученных образцов и лопаток на сопротивление солевой коррозии (в присутствии хлор-иона) при повышенных температурах (600-650 С) в условиях термоциклирования (нагрев до температуры эксплуатации - охлаждение в морской воде до комнатной температуры).
Исходные и облученные образцы и лопатки до и после завершения испытаний взвешивались, а из полученных образцов-свидетелей изготавливались поперечные шлифы, в результате чего определялся удельный унос вещества в зависимости от плотности энергии и числа импульсов, как по массе, так и по толщине деградированного слоя. Кроме того, поверхность мишеней исследовалась методами ЭОС, СЭМ, РСА и ОМ для определения механизмов разрушения. Результаты испытаний образцов и лопаток из стали ЭП866ш на сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования представлены на рис. 41-43, а также в таблице 10. Из этих данных непосредственно следует, что электронно-лучевая обработка при оптимальных режимах позволяет более чем в 3 раза повысить коррозионную стойкость деталей из стали ЭШббш, При этом существенным представляется необходимость проведения финишной термообработки (вакуумный отжиг при рабочих температурах в течение б часов). Видно, что без проведения вакуумного отжига после облучения коррозионная стойкость мишеней, вне зависимости от режимов электронно-лучевой обработки, оказалась ниже, чем у исходных образцов.
