Введение к работе
Разработка и совершенствование методов поверхностной обработки деталей и заготовок с использованием концентрированных импульсных потоков энергии (КИПЭ) 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 нанометровом 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 нс 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 в поверхностных слоях деталей.
Данная работа сконцентрирована, 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 и усталостных свойств лопаток компрессора ГТД, изготавливаемых из титановых сплавов и жаропрочных сталей типа ЭП866ш.
В последнее время разработчикам оборудования в НИИЭФА г. Санкт-Петербург (ускорители «ГЕЗА») и в ИСЭ г. Томск удалось получить широкоаппертурные электронные, импульсные пучки с высокой однородностью распределения плотности энергии по сечению, что резко интенсифицировало исследования в области модификации поверхности СИЭП. Кроме того, КПД формирования СИЭП поднимает в целом энергетику пучка до 100-200 Дж/см ) и обеспечивает, тем самым, решение 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. В России в работах Пайкина А.Г. и Белова А.Б. была показана высокая эффективность обработки СИЭП для модифицирования и ремонта лопаток ГТД из титановых сплавов и
жаропрочных сталей. Однако авторам не удалось объяснить полученные результаты с материаловедческих позиций, провести длительные натурные испытания на технологическом изделии и кардинально повысить сопротивление пылевой эрозии и солевой коррозии. Последнего можно добиться только нанесением защитных покрытий и в, частности, покрытий на основе МАХ-материалов.
В этой связи целью настоящей диссертации являлось изучение механизмов изменения эксплуатационных характеристик лопаток КВД из жаропрочных сплавов, проведение длительных испытаний модифицированных электронными пучками лопаток на технологическом изделии, а также разработка технологического процесса нанесения эрозионно-коррозионно-стойких покрытий на основе МАХ-фаз.
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 внедрения разработанных техпроцессов на предприятиях отрасли уже в ближайшее время.
Для достижения сформулированной цели было необходимо реализовать постановку и последующее решение большого числа задач методического, фундаментального и практического плана: (1) модернизация комплексной методики исследования физико-химического состояния нано - и микро -метровых поверхностных слоев деталей из многокомпонентных гетерогенных материалов, 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, PC А), 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) адаптация методики термодинамического анализа к процессам, протекающим в поверхностном слое при облучении деталей СИЭП; (3) оценка оптимальных режимов электроннолучевой обработки лопаток из жаропрочных сплавов; (4) определение микро-нано-структуы в поверхностных слоях облученных лопаток, изучение механизмов изменения свойств лопаток в результате облучения СИЭП; (6) 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; (8) обсуждение и обобщение расчетных и экспериментальных данных, полученных на стадиях исследования и подготовки к натурным испытаниям; (9) создание оборудования для
электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток компрессора из жаропрочных сплавов.
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 лопаток компрессора высокого давления из жаропрочных титановых сплавов и жаропрочной стали ЭП866Ш, но и разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки этих деталей с апробацией технологических процессов на двигателе РД-33.
Кроме того, впервые были получены экспериментальные результаты влияния предварительной механической обработки на оптимальные режимы облучения СИЭП с точки зрения формируемого физико-химического состояния и уровня эксплуатационных свойств компонентов двигателя, изготовленных из титановых 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 решения проблемы создания высокоинтенсивных технологий электронно-лучевой импульсной обработки деталей широкой номенклатуры.
Разработанная и апробированная при испытаниях на двигателе технология электронно-лучевой обработки лопаток КВД из стали ЭП866Ш не имеет аналогов в авиационном двигателестроении и составляют основу для создания перспективных технологий изготовления двигателей для истребителей новых поколений. На защиту выносятся:
1. Методики определения текстуры и субструктуры с помощью
рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии в
поверхностных слоях лопаток из титановых сплавов и жаропрочных сталей,
подвергнутых обработке сильноточными импульсными электронными
пучками.
Результаты исследования текстурных и субструктурных изменений в поверхностных слоях лопаток из титановых сплавов и жаропрочных сталей, подвергнутых обработке сильноточными импульсными электронными пучками с различными плотностями энергии в импульсе.
Эффект влияния предварительной механической обработки на физико-химическое состояние материала поверхностного слоя формируемого при облучении СИЭП.
Результаты стендовых испытаний и длительных натурных испытаний на технологическом двигателе РД-33 лопаток модифицированных сильноточным импульсным электронным пучком. Коррекция оптимальных режимов электронно-лучевой обработки.
5. Технологические процессы модифицирования поверхности лопаток из
титановых сплавов и сталей с учетом коррекции режимов облучения.
Технологические процессы нанесения МАХ покрытий в плазме тлеющего разряда и вакуумно-дуговым методом с сепарацией плазмы от капельной фракции.
Результаты исследования физико-химического состояния МАХ покрытий, осажденных на поверхность лопаток из титановых сплавов, и влияния осажденных МАХ-покрытий на усталостную прочность и эрозионную стойкость лопаток 3 ступени КВД РД-33.
Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований обоснованы рекомендации, обеспечивающие разработку и внедрение новых технологических процессов нанесения защитных покрытий на основе МАХ-фаз и модификации поверхности деталей широкой номенклатуры из жаропрочных титановых сплавов с применением сильноточных импульсных электронных пучков.
Разработаны экологически чистые опытно-промышленные технологии нанесения МАХ-покрытий и электронно-лучевой обработки лопаток компрессора из жаропрочных 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 двигателя РД-33.
По результатам длительных натурных испытаний на технологическом изделии, принято решение о реализации внедрения электронно-лучевых технологии модификации лопаток из стали ЭП866Ш в серийное производство (ММП им. В. В. Чернышева). Для реализации этого внедрения технологический участок оснащен промышленным ускорителем "ГЕЗА-ММП".
Методика исследования физико-химического состояния поверхностных слоев методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа 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 №2.1.2-8700 «Разработка основ технологических процессов нанесения коррозионно-эрозионно-стойких МАХ-покрытий на поверхность деталей из титановых сплавов с помощью сильноточных импульсных ионных и электронных пучков» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», а также по проекту №2.1.2/6415 «Разработка комплексных технологий восстановления свойств и ремонта деталей компрессора и турбины газотурбинных двигателей нового поколения с применением сильноточных импульсных ионных и электронных пучков»
аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».
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 и научные публикации. Основные положения и
результаты работы докладывались и обсуждались на международных и
всероссийских конференциях и симпозиумах: 10-я Международная
конференция по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками в 2010 г. (г. Томск, Россия), 8-я и 9-я Международные конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» в 2009 и 2011 гг. (г. Минск, Беларусь), 9-th International Conference «Materials Science and Engineering», Darmstadt, Germany, 24-26 August 2010 г. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Личный вклад автора. Автор научно обосновал эффект влияния предварительной механической обработки на физико-химическое состояние материала поверхностного слоя формируемого при облучении сильноточным импульсным электронным пучком. Все исследования и испытания серийных и облученных лопаток, а также методики их исследований в МАИ и на ММП им. В.В. Чернышева были спланированы и выполнены непосредственно автором диссертации.
Автор разработал: технологические процессы электронно-лучевой обработки лопаток компрессора из титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9, а также стали ЭП866Ш; модель выбора оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток ГТД на основе построения профилей остаточных напряжений; методику проведения длительных испытаний облученных лопаток КВД ГТД РД-33. Непосредственно по инициативе автора были начаты и реализованы работы по определению свойств лопаток и модельных образцов с МАХ-покрытиями, полученными вакуумно-плазменным методом при ассистировании ионной имплантацией и сепарации плазмы от капельной фракции и методом осаждения в тлеющем разряде.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 182 стр. и состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 103 наименований и приложения А. В работе представлено 119 рисунков и 26 таблиц.
