автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Комбинированная модификация титановых сплавов с целью повышения их сопротивления усталости

/

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

САФИН Эдуард Вилардович

КОМБИНИРОВАННАЯ МОДИФИКАЦИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

05.02.01 - Материаловедение (по отраслям)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д. т. н., профессор А. М. Смыслов

УФА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗИ ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ И ИХ МИКРОСТРУКТУРЫ С СОПРОТИВЛЕНИЕМ УСТАЛОСТИ (ОБЗОР)........................................................................11

1.1 Анализ влияния состояния поверхности материала на сопротивление усталости лопаток компрессора ГТД.....................................................................11

1.2 Взаимосвязь микроструктуры титановых сплавов с их свойствами.............19

1.3 Свойства титановых сплавов с субмикрокристаллической (СМК) микроструктурой....................................................................................................24

1.4 Механизм формирования субмикрокристаллической (СМК) микроструктуры в металлических материалах при больших пластических деформациях с постепенным снижением температуры обработки.....................27

1.5 Влияние ионной имплантации на сопротивление усталости конструкционных материалов...............................................................................34

1.6 «Эффекты дальнодействия» при ионной имплантации.................................47

1.6.1 Обзор экспериментально наблюдаемых проявлений «эффектов дальнодействия».....................................................................................................48

1.6.2 Обзор теоретических моделей, объясняющих «эффекты дальнодействия» .................................................................................................................................57

1.6.3 Теория диффузии имплантированной примеси по дислокациям...............67

1.7 Анализ режимов ионного воздействия, обеспечивающих увеличение глубины модифицированного слоя на основе проявления «эффекта дальнодействия».....................................................................................................73

1.8 Основные выводы, цель и задачи исследования............................................77

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДИК ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ........

2.1 Механические свойства, химический состав и структурно-фазовое состояние

исследуемых материалов........................................................................................81

2.2 Оборудование для ионного модифицирования..............................................86

2.3 Методики и оборудование для оценки физико - химического и структурно -фазового состояния поверхностного слоя исследуемых материалов...................91

2.3.1 Методика электронно - микроскопического исследования и идентификации картин микродифракции.............................................................91

2.3.2 Методика рентгеноструктурного анализа....................................................96

2.3.3 Методика проведения электронной Оже - спектроскопии..........................97

2.4 Методика и оборудование для проведения испытаний на усталость............99

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО, СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 В СВЯЗИ С КОМБИНИРОВАННОЙ

МОДИФИКАЦИЕЙ..............................................................................103

3.1 Влияние ионного модифицирования на изменение микротвердости..........103

3.2 Результаты электронной Оже - спектроскопии.............................................113

3.3 Электронная микроскопия поверхности титанового сплава ВТ6 с СМК микроструктурой в связи с ионным модифицированием..................................129

3.4 Рентгеноструктурный анализ титанового сплава ВТ6 в связи с ионным модифицированием поверхности........................................................................135

3.5 Влияние ионного модифицирования на механические свойства титанового сплава ВТ6 с различными типами микроструктур.............................................150

3.6 Выводы............................................................................................................157

ГЛАВА 4. СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 В СВЯЗИ С КОМБИНИРОВАННОЙ МОДИФИКАЦИЕЙ.................160

4.1 Определение предела выносливости титанового сплава ВТ6 в связи с

комбинированной модификацией.......................................................................160

4.2 Фрактографический анализ усталостных изломов сплава ВТ6 в связи с комбинированной модификацией.......................................................................167

4.3 Выводы............................................................................................................169

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО КОМБИНИРОВАННОЙ МОДИФИКАЦИИ СПЛАВА ВТ6 ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИЗГОТОВЛЕНИЮ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД...........................................................................171

5.1 Технологические рекомендации по получению заготовок лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов.............................................................171

5.2 Технологические рекомендации по окончательной обработке поверхности лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов...............................................174

5.3 Расчет экономической эффективности от внедрения технологии комбинированной модификации титановых сплавов применительно к рабочим лопаткам компрессора ГТД..................................................................................176

5.4 Выводы............................................................................................................180

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.......................................................................................181

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................183

ВВЕДЕНИЕ

Развитие научно-технического прогресса в области создания и производства авиационных двигателей нового поколения требует совершенствования существующих и разработки принципиально новых технологических процессов, направленных на повышение надежности и долговечности их деталей. Это является одной из наиболее важных проблем, определяющую роль в решении которой играют методы обработки, с помощью которых формируется как структурно-фазовое состояние материала в объеме детали, так и физико-химическое состояние поверхностного слоя.

Лопатки компрессора, относясь к наиболее массовым деталям и работая в условиях высоких температур, нагрузок и агрессивных сред, в большинстве случаев определяют ресурс и надежность газотурбинных двигателей (ГТД). В настоящее время обеспечение надежности лопаток достигается путем применения традиционных методов отделочно- упрочняющей и химике - термической обработки, различного рода гальванических, конденсированных и диффузионных защитных покрытий [1-26]. Вместе с тем, указанные подходы в большинстве случаев исчерпали свой возможности [2, 4, 6, 14].

Анализ литературы показывает, что существует комбинированный подход к технологии обработки деталей с целью повышения их эксплуатационных свойств [7]. Повышенные свойства в данном случае обеспечиваются путем подбора рациональных методов и режимов обработки при прохождении всей технологической цепочки, начиная с получения заготовки и заканчивая финишной обработкой поверхности детали.

Различные виды деформационных и термических обработок формируют в заготовке микроструктуру того или иного типа, обладающую определенными физико- механическими свойствами [27 - 29], а финишная обработка поверхности, в зависимости от выбранного метода, приводит к получению определенного физико- химического состояния поверхностного слоя [1 - 26]. Как

следствие, это должно оказать влияние на эксплуатационные свойства деталей, в том числе характеристики сопротивления усталости. Поэтому основной задачей работы является получение такого сочетания режимов деформационных и термических обработок материала и окончательной обработки поверхности, которое обеспечивало бы повышение сопротивления усталости материалов лопаток компрессора ГТД.

Из анализа литературы [32 - 43] следует, что одним из перспективных направлений по получению структурно- фазовых состояний с повышенными физико - механическими свойствами является формирование в промышленных сплавах субмикрокристаллических (СМК) микроструктур.

Применительно к процессам поверхностной модификации и создания защитных покрытий ведутся интенсивные исследования по применению пучков заряженных частиц (ионных, плазменных, электронных, лазерных и др.) [1, 7, 45].

Ионная имплантация (ИИ) (или ионное модифицирование (ИМ)), являясь одним из высококонтролируемых и перспективных методов модификации поверхности конструкционных материалов, приводит к значительным изменениям физико- химического состояния поверхностного слоя и, как следствие, характеристик сопротивления усталости: предела выносливости, циклической долговечности и надежности [44-107, 168, 169, 186, 187]. Вместе с тем, применительно к модификации поверхностных слоев металлов и сплавов доведение метода ионной имплантации до стадии широкого применения зачастую тормозится малой глубиной проникновения ионов. В этой связи актуальной является задача обеспечения повышения глубины модифицированного слоя, степени упрочнения поверхности и, как следствие, эксплуатационных свойств конструкционных материалов.

Проведение сравнительного исследования по определению характеристик сопротивления усталости титанового сплава, имеющего различные типы микроструктур, а также модифицированную и немодифицированную методом ИИ

поверхность, позволит выработать рекомендации по рациональному применению на практике того или иного состояния в зависимости от конкретных условий эксплуатации деталей.

Целью данной работы является исследование условий повышения сопротивления усталости титановых сплавов при их комбинированной модификации.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи: 1. Исследование влияния деформационных и термических методов обработки титановых сплавов на их структурно - фазовое состояние и физико - механические свойства. 2. Исследование условий повышения микротвердости поверхности, глубины модифицированного слоя и физико -механических свойств титановых сплавов при воздействии ионных пучков с низкими энергиями. 3. Исследование «эффекта дальнодействия» в связи с ИМ поверхности. 4. Исследование сопротивления усталости титановых сплавов в связи с их комбинированной модификацией. 5. Разработка технологических рекомендаций по комбинированной модификации сплавов на основе титана с целью повышения их сопротивления усталости.

На защиту выносятся следующие положения диссертации: 1. Результаты исследований по влиянию деформационных и термических методов обработки на структурно - фазовое состояние, физико - механические свойства, предел выносливости титанового сплава ВТ6. 2. Результаты исследований физико -химического, структурно - фазового состояния титанового сплава ВТ6 в связи с ИМ поверхности. 3. Результаты исследований микротвердости, физико -механических свойств и испытаний на усталость титанового сплава ВТ6 в связи с ею комбинированной модификацией.

Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что она связана с выполнением планов работ по:

1) Федеральной целевой Программе «Интеграция» (контракт № 2.1 - 80), Комплекс «Сверхпластичность» УГАТУ (Уфимский государственный

авиационный технический университет) - ИПСМ РАН (Институт проблем сверхпластичности металлов, г. Уфа);

2) Научно-технической Программе АН РБ «Наукоемкая техника и технология для машиностроения Республики Башкортостан»;

3) Хозяйственному договору УГАТУ и ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» (тема № АТ-ТМ-01-98-ХТ).

Научная новизна. Впервые установлено, что комбинированная модификация, включающая в себя формирование в материале СМК микроструктуры и облучение поверхности пучками ионов с низкими энергиями с последующим вакуумным стабилизирующим отжигом, способствует повышению сопротивления усталости сплавов на основе титана при нормальной температуре, что обусловлено повышенными прочностными характеристиками основы и дополнительным упрочнением поверхностного слоя. Впервые установлено, что обработка титанового сплава ВТ6 пучками ионов аргона и азота с низкими энергиями обеспечивает модифицирование поверхностных слоев и повышение их микротвердости (патент РФ № 2117073), что обусловлено образованием радиационных дефектов кристаллического строения, твердых растворов внедрения и мелкодисперсных выделений нитридов, оксинитридов и оксикарбонитридов титана. Установлено, что при ионном модифицировании (ИМ) сплава имеющего СМК микроструктуру отмечается дополнительное увеличение концентрации и глубины проникновения ионов азота, по сравнению с аналогичной обработкой сплава с микрокристаллической (МК) микроструктурой, обусловленное их диффузией по дислокациям и границам зерен. Установлено, что сплав с СМК микроструктурой по сравнению с МК в термоупрочненном состоянии обладает повышенными характеристиками прочности при нормальной температуре без снижения характеристик пластичности. При увеличении температуры испытаний отмечается более интенсивное снижение характеристик прочности в сплаве с СМК микроструктурой, чем с МК, что связано с интенсивным протеканием релаксационных процессов. Установлено, что ИМ, за

счет формирования упрочненного поверхностного слоя, приводит к повышению прочности титановых сплавов и незначительному снижению пластичности. После ИМ наиболее существенное повышение характеристик прочности отмечается в сплаве с СМК микроструктурой, имеющего наибольшую глубину модифицированного слоя.

Практическая реализация. Разработанные технологические рекомендации по комбинированной модификации титанового сплава ВТ6 положены в основу перспективного технологического процесса изготовления рабочих лопаток КВД изделий AJI-31CT и Д436Т1 в условиях ОАО «УМПО».

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на семинарах кафедры технологии машиностроения и научно -технических конференциях УГАТУ, 1996 - 1998 г.г., на 8-ом Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела», Севастополь, 1998 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы и отчет по Федеральной целевой Программе «Интеграция», в которых отражены основные результаты проведенных исследований; получен патент РФ:

1. Гусева М. И., Смыслов А. М., Сафин Э. В. Влияние ионной имплантации на изменение микротвердости титанового сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом и микрокристаллическом состояниях. // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. Сборник научных трудов отделения технических наук АН РБ. - Уфа: Гилем, 1997. - С. 188 - 197.

2. Сафин Э. В., Смыслов А. М., Гусева М. И.. Рентгеноструктурный анализ имплантированного азотом титанового сплава ВТ6 // Труды 8-ого Межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела», (Севастополь, 29 июня - 4 июля 1998 г.), М., НИИ ПМТ при МГИЭМ (ТУ), 1998.-С. 618-620.

3. Патент РФ № 2117073 МКИ6 С23С 14/48. Гусева М.И., Смыслов А.М., Сафин Э.В. и др. Способ модификации поверхности титановых сплавов. Опубликован 10. 08. 98. Бюл . №22.

4. Влияние ионного модифицирования на механические свойства титанового сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом состоянии. Галеев Р. М., Салищев Г. А., Смыслов А. М., Жеребцов С. В., Сафин Э. В. // В межвузовском тематическом научном сборнике: Оптимизация процессов обработки конструкционных материалов. -Уфа: УГАТУ, 1998. - С. 156 -160.

5. Смыслов А. М. Сафин Э.В. Исследование влияния ионной имплантации азота на элементный, структурно - фазовый состав поверхности и физико -механические свойства титанового сплава ВТ6 //Отчет по Федеральной целевой Программе «Интеграция» (№ ГР 01980000539, контракт № 2.1 - 80), Комплекс «Сверхпластичность» УГАТУ - ИПСМ РАН, 1998. - С. 181 - 219.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 10 таблиц и библиографию из 197 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗИ ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ И ИХ МИКРОСТРУКТУРЫ С СОПРОТИВЛЕНИЕМ УСТАЛОСТИ (ОБЗОР)

Развитие техники на современном этапе и необходимость увеличения эксплуатационного ресурса машин выдвигают новые задачи по обеспечению их надежности и долговечности. Газотурбинные двигатели (ГТД) представляют собой особый класс машин, для которых проблемы повышения надежности и долговечности стоят особо остро. Детали современных ГТД работают в широком диапазоне эксплуатационных условий: в зависимости от режима работы двигателя значительно изменяются температуры, статические и динамические нагрузки.

1.1 Анализ влияния состояния поверхности материала на сопротивление усталости лопаток компрессора ГТД

Лопатки компрессора, являются одними из самых ответственных и массовых деталей двигателя и имеют ресурс работы от нескольких часов до нескольких десятков тысяч часов. При этом они испытывают воздействия от динамических и статических напряжений, высокотемпературного газового потока, содержащего окислительные продукты окружающей среды, а также абразивные частиц�