автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Разработка промышленной технологии ионной обработки малогабаритных гребных винтов

Р Г Б Од

2 3 АЙГ «.-.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НЛУЧНО-ИССЛЕДОВЛТЕЛЬСКИН 1ШТПТУТ ТЕХНОЛОГИИ СУДОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

Попопа Гульиара Набневна

РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИОННОЙ ОБРАБОТКИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

Спенпалыюсть: 05.08.04 - Технология судостроения,

судоремонта н организация судостроительного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательскч институте технологии судостроения

Научный руководитель-

доктор технических наук,

П.М. Лысенков

Официальные оппоненты:

Действительный член Академии транспорта, доктор технических наук,

профессор -Кандидат технических наук, доцент -

Л.И. Погодаев И.А.Сенчило

Ведущая организация - Центральный научно-нсследовательсю институт Морского флота

специализированного совета в Центральном научно-исследовательскс институте технологии судостроения по адресу: 198095,Санкт-Петербя Промышленная ул., д.7

С диссертацией можно ознакомиться в аспирантуре Центрально научно-исследовательского института технологии судостроения.

Автореферат разослан " -/б " 0<$ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета-

Защита состоится в часов _ 1995г. на заседаш

кандидат технических

.П.Шабаршии

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Рост объемов н продолжительность морских и речных перевозок предъявляют особенно высокие требования к надежности работы судового движителя, в качестве которого наибольшее распространение получили гребные пииты. Попытки повысить надежность последних за счет оптимизации геометрии лопастей и использования новых высокопрочных, коррошоппо-стойкнх материалов практически исчерпали себя и уже не приводят к заметному улучшению потребительских свойств изделии. В настоящее время основным резервом увеличения периода безотказной работы судовых гребных винтов является дальнейшее совершенствование техполопп! их производства и особенно изыскание и промышленное освоение принципиально новых методов финишной обработки лопастей и галтольных переходов.

Традиционные методы упрочнения изделии за счет термического или механического воздействия на поверхностные слон материала, из которого они изготовлены, не нашли применения в впнтообрабатывающем производстве из-за сложности геометрической формы и относительно большой податливости лопастей винтов.

В ряде отраслей промышленности с успехом применяют для формирования заданных свойств в поверхностных слоях материалов физические методы, применение которых не зависит от конструктивных особенностей изделий.

Поэтому использование достижении фундаментальной физики для упрочнения поверхностей материала гребных винтов,за счет имплантации в них ионов определенных элементов, является перспективным и найдет применение в впнтообрабатывающем производстве судостроительных предприятий.

Цель н задачи исследований

Целью настоящей работы является повышение срока службы судовы грибных винтов путем изыскания,и промышленного освоения технологи! ионной имплантации основных материалов, применяемых винтообрабатывающем производстве.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: классифицированы основные факторы, влияющие на долговечност гребных винтов;

разработана гипотеза о возможности формирования и направленной изменена свойств металлов гребных винтов методом ионной имплантации;

установлены, закономерности взаимодействия ионного пучка кристаллической решеткой металла;

экспериментально установлено влияние ионной имплантации н; физико-механические и коррозионные свойства материалов гребных винтов;

рекомендовано оборудование и разработаны технологические режим! ионного упрочнения лопастей гребного винта;

осуществлена ионная имплантация штатных гребных винтов I проверена их надежность в течение длительной эксплуатации в состав действующих судов;

разработаны научно обоснованные рекомендации по промышленном; освоению ноной технологии при финишной обработке малогабаритны: гребных винтов;

выполнен анализ экономической и практической целесообразное™ использования ионной имплантации для упрочнения поверхностных слое) материалов гребых винтов. Методы исследования

Основу исследований составили экспериментальные методы I применением современного оборудования для имплантации материалов проведения усталостно-коррозионных испытании, нсслсдованм модифицированного слоя и микротвердостп образцов. Обработк;

результатов экспериментов и выбор требуемых параметров процесса имплантации гребных винтов выполнены с использованием специальной программы на ПЭВМ. Проверка достоверности результатов исследовании осуществлена при эксплуатации штатных гребных винтов, обработанных методом ноною упрочнения, и винтов, изготовленных по традиционной технологии.

Научна» новизна и научные результат

Установлены зависимости между режимами ионной имплантации и величиной мпкротвердостн поверхности материала гребных винтов.

Установлены зависимости между режимами ионной имплантации и усталости • коррозионными зарактсристиками основных материалов гребных пин гоп.

По результатам экспериментальных исследовании математически описаны закономерности влияния режима >101111011 имплантации на уровень ос га точных напряжений в поверхностных слоях материалов.

Практическая ценность работы

Научно обоснована возможность применения ионнои имплантации для повышения усталостной прочности и коррозионной стойкости малогабаритных гребных пиитов.

Предложена расчетно-экономическая методика определения технологических режимов процесса имплантации, контролируемых в автоматическом режиме по значениям твердости материала гребного винта.

Разработанная технология ионного упрочнения реализована на практике при обработке штатных гребных винтов.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований подтверждены на практике при многолетних сравнительных эксплуатационных испытаниях гребных винтов в сотаве действующих сулои. Для промышленного использования принципиально нового метода упрочнения разработан руководящим документ РД5.ГКЛИ 0207-201-92

" Винты гребные. Типовой технологический процесс упрочнения методом

" Винты гребные. Типовой технологический процесс упрочнения методом ионной имплантации ".

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• I Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционш материалов пучками заряженных частиц", г. Томск, 1988 г.

• IX Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц твердым телом", г.Томск, 1988 г.

• Симпозиуме "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом", Москва, 1989 г.

• V Республиканской конференции "Коррозия металлов г напряжением и метода защиты", г. Львов, 1989 г.

• Всесоюзной научно-технической конференции "Повыше! технического уровня судостроительного производства", г. Ленинград, 199(

• Межотраслевой конференции "Экологически чистая вакуум! технология - процессы, свойства, методы контроля, области применен! г.Москва, 1993 г.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 11 печатных работах заявке на изобретение № 4953733/21 от 03.06.91 г. ( положительное реше от 25.06.92 г.; ходатайство о выдачи патента от 01.06.93 г.).

Структура и объем работы

Диссертация содержит введение, пять глав с выводами по каж; заключение, список литературы из 50 наименований и приложения листах. Общий объем работы составляет 116 страниц машинописного тек в том числе 39 рисунков, 13 таблиц, список использованных нсточнико 50 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении показана целесообразность н своевременность выполнения настоящем работы, направленной на освоение судостроением принципиально попом технологии упрочнения гребных винтов, кратко изложены содержание и результаты исследований с отражением научной и практической сторон работы.

В нерпой главе рассмотрен;,! статистические и литературные данные по влиянию эксплуатационных факторов на работоспособность гребных впигов, по применимости традиционных методов упрочнения материалов для геометрически сложной и податливой конструкции лопастей винтов, по возможности использования принципиально нового метода упрочнения, основанного на имплантации попов высоких энергий в поверхностные слои материалов.

Статистические данные, накопленные за последние 15 - 20 лет показывают, что одной из основных причин внеплановых простоев судов является разрушение или поломка гребного винта. По этой причине ежегодно ремонтируют от 30 до 50 % морских судов и до 80 % речных. Как правило, разрушение гребного винта начинается с.появления коррозионных дефектов на поверхности лопастей и гантельных переходов лопастей и ступицы, очаги которых активно прогрессируют под влиянием воздействия агрессивной среды и знакопеременных нагрузок вплоть до появления усталостнах трещин и поломки лопастей. Отмеченный характер разрушений проявляется практически у винтов из всех применяемых материалов, в том числе из нержавеющих сталей и цветных сплавов. Особенно неблагоприятные условия эксплуатации проявляются на судах ледового плавания, высокоскоростных и эксплуатирующихся в загрязненных бассейнах.

Показано, что преждевременный выход из строя гребных винтов происходит из-за недостаточной коррозионной стойкости и усталостной прочности материала. Для повышения срока службы судового винта, наряду

с совершенствованием его конструкции и механической о&рабс целесообразно применять специальную финишную обработку лопастч ступиц для упрочнения поверхностных слоев материалов, из которых изготовлены.

Большая податливость лопастей не позволяет использовать длз упрочнения термические и химико-термические методы, связанны разогревом материала до высоких температур.

Используемые в промышленности разнообразные мсханичс способы упрочнения, например, дробеструйное, гндроабрщнвное, чекан т.д., также не находят применения в внитообрабатыпающем произвол! Присущие этим способам общие недостатки, связанные с низкой стопкос или значительным расходом обрабатывающего инструмента и повыше! шумностыо, явились причинами, по которым они не удовлетворяют в по.г мере возросшим требованиям к привлекательности, эргоном безопасности труда.

Развитие прикладном физики обеспечило создание прпнцнпна; новой техники для упрочнения материалов путем имплантации в поверхностные слон ионов различных металлов и газов. Технология йог имплантации с успехом используется в ряде отраслей промышленности целенаправленного изменения свойств поверхностных слоев материалов.

Ионно-упрочняющая технология представляет собой обраб< изделия ионами металлов или газов с энергией, достаточной для внедрен поверхностные слои материала. При этом обеспечиваются выа контролируемость и скорость процесса, низкий уровень ш низкотемпературность, экологическая чистота, сохранение формь размеров изделия.

Методы ионной имплантации широко применяют в электрок промышленности при производстве полупроводшжов, как в странах С так и дальнего зарубежья (Япония, Англия, США). Однако не существо] однозначного ответа о возможности и целесообразности нспользов;

такого принципиально нового метода для упрочнения материалов гребных пиитов.

Во »торой глапе обоснованы основные причины преждевременного разрушения гребных винтов под влиянием эксплуатационных факторов, к

которым отнесены следующие:

коррозия под напряжением, возникающая при одновременном действии

ил металл коррозионной среды (морской поды), статических и динамических

нагрузок;

фреттииг-коррозня - коррозия при трении, возникающая на сопрягаемых металлических поверхностях под воздействием агрессивной среды и трепня при незначительных взаимных перемещениях (втулки гребных винтов, в местах вырезов под шпильки, под ганкой на гребных пиитов со съемными лопастями и т.д.);

коррозноиио-капитаиноннос разрушение, происходящее при одновременном коррозионном и ударном воздействии на металл агрессивной среда - явление, неизменно возникающее при работе гребных винтов на больших скоростях;

мсжкристаллнтиаи коррозия, протекающая без внешних признаков разрушении на поверхности металла. Процесс идет внутри кристаллической решетки по границам зерен, нарушая прочность связей между ними и приводит к внезапному излому металла.

Способ обработки поверхности металла ионными пучками является универсальным методом введения в любой материал любых легирующих примесей в строго контролируемом количестве. В результате имплантации в поверхностном слое металла образуется достаточно высокая концентрация вводимых атомов, приводящая к появлению большого количества радиационных дефектов. При достаточно больших дозах облучения (порядка 10" ион/см2) такие дефекты собираются в кластеры, трансформируются в дислокационные петли. В результате происходит искажение кристаллической решетки и упрочнение металла, что "оказывает существенное влияние на

электрофизические, физико-механические, физико-химические и магнитнь свойства материала.

Целенаправленно выбирая элементы легирующей примеси энергетический режим, удается изменить концентрацию и пространственнс распределение дислокаций н нньзх дефектов структуры основного материал а также обеспечить формирование мелкодисперстных высокопрочнь соединений в виде карбидов и оксидов.

Перенос попов в твердом теле сопровождается протеканием ря; процесов, приводящих к их торможению или рассеянию. Эти процессы конечном итоге приводят к распылению поверхности, баллистическол перемешиванию и раднацнопно - стимулированной диффузии массы вещест Последние явления формализованы с помощью системы у.-равнений балаи< вещества типа:

относительно концентрации С,. Здесь ¡=1, 2, п - индекс каждого сор1 атомов в смеси из п-компонентов; и - скорость распыления; .¡ы - плотнос потоков атомов ¡-той компоненты, переносимых в режиме БИП; jdl аналогичная величина для РСД; ^ - плотность потока гидродинамнческо] течения матрицы, вьпванного нарушением равновесия плотности вещесп вследствие ненулевых значений^ и j(л. Таким образом, для вычисления С| ( I) необходимо знать и, ¿ы, jd. и > в любой момент времени в каждой точ пространства.

Скорость распыления многокомпонентного вещества со слабыл химическими связями (твердого раствора) может быть представле! следующим образом:

(1)

ФЛ и = ~14гр1 N а

где Ф - плотность потока ионов; N - ядерная плотность вещества; У:, - соответственно коэффициент распыления и относительная концентрация его ¡-и компоненты.

Процесс БИП описывается уравнением баланса, которое в системе координат, связанной с распыляемой поверхностью, выглядит так:

![с1х- Щх~ Л-с/л}^*-» х- (3)

где I - время; ]Г (л- ->г)с& - вероятность того, что в результате единичного

флюспса (Ф1=1см-г) атом сорта I, находящийся па глубине х, переместится на глубину п интервале [/., /.+(!/.].

Раскладывай подпитегралмте выражение (3) в ряд по степеням г и применяя теорему Остроградского-Гаусса, находим .¡ы

к' , (4)

где Уы и Оы - формально введенные баллистические скорость дрейфа и коэффициент диффузии (следует иметь ввиду, что БИП не является диффузионным по своей природе)

Уь[х) = ф.1 £{*-+ И Рь/л) = -/г2£[ Х-+ х+ ¿¿г. (5)

X 2 х

Кинетика переноса в режиме РСД определяется разогревом образца в результате облучения и увеличением числа дефектов кристаллической решетки, генерируемых тормозящимися ионами. Плотность потока диффундирующих атомов описывается следующим выражением:

А = -ЛГО^С,, (6)

где Оси - коэффициент РСД, являющийся суммой коэффициентов диффузии по различным механизмам.

Найдем плотность потока -атомов, движущихся вследствие

гидродинамического течения матрицы. Для каждого соотиошен концентрации С|, Сг, ..., Сп существует некоторая равновесная ядерь плотность N„1- Если приписать ¡-му типу атомов фиксированный объем и„ т

Бели н результате баллистических или диффузионных процесс локальная ядерная плотность становится отличной от равновесной, возникает гидродинамическое течение матрицы с потоком jm, стремящс! вернуть систему к равновесному состоянию.

Найдем jm. Изменение ядерной плотности i-r'o компонента ДМ, за вре At составит

Здесь у, - суммарная плотность потока атомов по всем механизмам перено т.е. ], = + +CJm. С другой стороны, справедливо выражение

Подставляя Мт и АН в (9), получим уравнение, связываюи гидродинамический поток с баллистическими и диффузионными потока всех компонентов,

= —~м.

дх

" " ¿>N

(9)

(10)

где

дСк С„

(П)

¿C, С, -1

для i *к.

Таким образом, }„ не является независимым потоком, а зависит от и J<h. Система (1) теперь полностью определена. Решая ее относительно Сь можно найти пространственное распределение атомов в твердом теле, подвергнутом воздействию ускоренных ионов. Изменяя энергетический режим имплантации и род ионов и решая систему уравнении на ПЭВМ, можно составить графики процесса в зависимости от значении исходных параметров.

На рис. 1 представлены, в качестве примера, графики зависимости параметров процесса имплантации для медного сплава имплантируемого нонами кремния.

Требуемый режим нмилаптацнн выбирают при сопоставлении решении систем!,I уравнений сданными экспериментов.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований образцов, подвергнутых ионной имплантации.

Приведена разработанная методика определения влияния ионной имплантации на поверхностную твердость, коррозионно-усталостную прочность материалов и возможность создания в их поверхностных слоях под влиянием имплантации остаточных радиальных напряжении.

Подробно изложены конструктивные особенности и принцип работы электронно-лучевой установки (рис. 2), на которой произведена обработка образцов. Дано описание принципов и оборудования для исследования образцов на усталостную прочность и коррозионную стойкость, измерения микротвердости поверхностных слоев материалов.

Экспериментально подтверждена теоретическая зависимость для расчета максимально возможной концентрации имплантируемых ионов. Построенная по результатам экспериментов кривая концентрации ионов углерода (С*), имплантируемых в нержавеющую сталь (рис.3) имеет максимум, хорошо согласуемый с данными расчета по формуле:

Яр.

Рис. 2

Фото ношю-лучсвоЛ установки ПЛУ-32

N. см' |

10" 8 г с . • /

6 4 о • ./ ; •

2

10" • • Г СГ

10" -

0.2 0.3 0.4 с), мкм

Рис 3

Профиль распределения ионов углерода в нержавеющей стали На рис. 4 приведен также график зависимости микротвердости от плотности тока ионов углерода (С+) при Д=1017 ион/см2 и Е=40кэВ, показывающий, что с изменением интенсивности пучка ионов от 50 до 300 мкА/см; твердость возрастает соответственно в 2.0 и 3.4 раза по сравнению с исходной.

Рнс.4

График зависимости микротпсрдостн имплшгпгрованной стали от плотности ток

ионов углерода

Установлено, что после окончания процесса релаксации паиряжепи твердость материала повышается в 2-3 раза по сравнениюсо значениям! полученными сразу после имплантации (рис. 5).

Ни.

мПа

300 ■

200 -

* >

100" о"

ни

300

600 а, мкм

• - исходный образец

. ■> - имплантированный азотом

* - имплантированный Ы",

через 2 месяца т - имплантированный через 2 месяца, после низкого отпуска

Рис.5

График распределения мцкротвсрдостн через 2 месяца хранения имплантированных образцов низколегированной стали

Коррозионно-усталостиые испытания образцов, из применяемых для гребных винтов материалов, показали общую тенденцию к увеличению их усталостной прочности в коррозионной среде. Из данных, приведенных на рис. 6 следует, например для стали 08Х15Н4ДМЛ, что по сравнению с исходным состоянием значение указанной характеристики возрастает б 8-10 раз, несколько меньшее влияние ионная имплантация оказывает на коррозпонно-усталостные характеристики образцов из цветных н титановых сплавов. Повышение предела усталости для сплавов на основе меди составляет 11-15%, а для сплава Бр.А9Ж4П4 - 10-13% от исходного (рис. 7. 8, 9).

Экспериментально доказано, что изменение физико-механических свойств поверхностных слоев материалов ;>ропсходит »следствии создания иод влиянием имплантации остаточных напряжений.

Оценка значений напряжении выполнена по формулам, где с учетом фактических деформаций образцов уровень напряжений составил:

4 Е.И1

Д/. ^

34 .[1-^.^] ' к Да)

4.2.10^.0004 ^0.5 22' О^ 3200 .... „,,

--—--« — + 0.3« —— =--»5375 = -1302 МПа (13)

3* 22 (1 - 0.09) 1,0.1 44 0.1^ 132132

4 ЕМ1

V, % АЛ

Ьа Ир ¿] Ьа)

4.2.104.023 Г0.5 л, 442 0.5) 3200 „ „„

+ 0.3«—г-«— =--.11=4X666 МПа (14)

3• 442 • (1 - 0.09) 10.1 ' 222 0.1] 528228 где'

Ех и Еу - модули упругости по осям X и У, равны 2»103 МПа =Мух = ■ коэффициент Пуассона углеродистой стали ; Ь = 22 *10-3м, Ь = 44*10-3м - соответственно ширина и длина стандартного лезвия;

с.мПа

Рис. 6. Результаты мпогоцнкловых испытаний обращая из стали 0НХ15Н4ДМЛ

и - исходные образцы поело испытаний в коррозионной среде

<)' исходные образцы после испытаний на воздухе

■ • образцу имплантированные ионами азота N после испытаний е коррозионной среде

• - образца имплантированные ионами азота N поело испытаний на ооздухо

о, мПа

с • исходные образцы, после испытаний в коррозионной среде

• - образцы, имплантированные ионами лантана 1_а с примесями хлора С1 , после испытаний в коррозионной среде А- образцы, имплантированные ионами кремния в*. после испытаний в коррозионной среде

ст.мПа

Рис. 7. Результаты испытании образцов из сплава МНЖ5-Ы

о - исходные образцы, после испытаний

в коррозионной сроде • - образцы, имллантирооанныо ионами меди Си . поело испытаний в коррозионной сроде 9. образцы, имплантированные ионами кромния , поело испытаний о коррозионной среде и» образцу, имплантирооанные ионами азота N , после испытаний в коррозионной с рода А- образцы, ^мллангирстаннме ионами лантана 1а . поело испытаний о коррозионной среде

ст.мПа

Рис. 9. Результаты испытании образцов из сазава МЗр

о - исходные образцы после испытаний на воздухе

• - образцы, имплантированные ионами

кремния БГ. после испытаний на воздухе

• - образцы имплантированный ионами . .

кремния 81*. после испытаний в коррозионной среде

с. образцы после испытаний в коррозионной среде

Ь = 0,2*10_3 м - толщина лезвия;

Да = 0,1 * 10-3 м - толщина модифицированного слоя;

{х = =0,5* Ю-3 м - нрогнб пластины после обработки.

Выполпеные экспериментальные исследования позволили установить закономерность между режимами ионной имплантации и фпзпко-механическимп свойствами материалов, из которых изготаливают гребные винты, а также позволили обоснованно рекомендовать оборудование для осуществления процесса ионной обработки изделий.

Четвертая глава посвящена исследованиям технологии упрочнения изделии методом ионной имплантации.

Показано, что наибольший эффект для улучшения эксплуатационных характеристик металлов и сплавов, применяемых для изготовления 1~ребных винтов, достигается при использовании ионов следующих химически активных элементов: азота (К*), кремния (51"), углерода (С*), никеля (N1'). лантана (Ьа*), титана ("Л*), хрома (Сг*). Помимо сорта ионов качество процесса ионной имплантации, особенно для гребных винтов, определяется также скоростью перемещения обрабатываемой поверхности в ионном пучке и площадью его мгновенного воздействия.

С учетом результатов выполненных экспериментов для комплексного улучшения эксплуатационных характеристик (повышения коррозионной и кавнтационной стойкости, усталостной прочности), режимы процесса дожны соответствовать минимальному значению энергии потока, при котором твердость (микротвердость) обработанной поверхности составляет не менее 2000 МПа.

В таблице 1 представлены рекомендуемые целесообразные режимы упрочняющей обработки гребных винтов из применяемых материалов.

Принципиальная блок-схема ионно-лучевой установки (ИЛУ) состоит из: источника ионов, системы формирования потока и ускорения ионов, приемной камеры для размещения обрабатываемого изделия, вакуумной

Таблии

Обраба- Сорт Значение Скорость Рекомен

тываемый материал ионов Режим имплантации мнкро-твсрдостн обработки цнн для улучшен

изделия ЭКСПЛ-Ш харак-т1

энергия, лоза. плотность МПа мм/с

кэВ ион/см2 тока, мкА/см'

40 2,8*10" 100 3200 4,0 -4,5 Корроз!

150 6,0*10" 50 3800 3,5-4,5 пая стон

300 5,8*10" 30 4200 3,5 -4,5 сть (КС усталост пая про1 ность 0

Б!' 40 2,5*10" 120 3600 4,0-4,5

Коррозионно- 100 200 300 3,4*10" 6,0*10" 6,0*10" 100 80 30 5200 5800 7200 4,0 - 4,5 4,0-4,5 3,0 КС и У

стойкая С' 40 2.0*10" 150 2300 4,0 - 4,5

сталь 100 2,8*10" 120 3300 4,0 - 4,5 КС и У

200 5,6*10" 80 4600 3,0-3,5

300 5,4*10" 30 5200 3,0 - 3,5

ЫГ 40 2,5*10" 150 3400 3,5 - 4,0

100 3,0*10" 120 4300 3.5-4,0 КС II У

200 5,0*10" 100 5200 3,0-3,5

300 5,8*10" 50 6900 3.0-3,5

Алюмннне 40 1.0*10" 100 1900 4.5 - 5.0 КС

во-никеле- 80 5,0*10" 20 2300 3,0 - 3,5 КС н У

вая Ьа* 40 1,0*10" 50 2600 4.5-5,0 КС и У

бронза

Сг* 20 1.0*10" 50 1400 4,5-5,0 КС

40 2.0*10" 30 1700 4.0-4,5

системы откачки воздуха, блоков управления п питания.

Для использования промышленных ИЛУ при обработке малогабаритных гребных винтов потребовалось увеличить габаритные размеры нрнемно-пакуумнон камеры (ПВК). На рис. 10 представлен общин вид ПВК с закрепленным в ней гребным винтом относительно ионного потока. Равномерное воздействие ионного пучка на поверхность сложной геометрической формы, какой является лопасть гребного шипа, производится внутри ПВК системой программного позиционирования изделия относительно потока ионов с одновременным его поворотом в различных плоскостях. Для проведения послойного анализа обработанной поверхности камера снабжена ионным мнкрозоидом. Технические характеристики промышленных ИЛУ обеспечивают следующий диапазон режимов имплантации:

• энергия ионного потока ог 10 до 300 юВ;

• доза имплантации, от 1*1016 до 2*10" ион/см2;

• плотность тока ионов, от 10 до 150 мкА/см2.

Работа ИЛУ требует затрат электрической энергии с параметрами: напряжение - 220 В, частота - 50 нГц, мощность - до 50 кВт.

7 Ш

------ П - ...1*1 1 1 -1

Рис. 10

Общин вид прнемно-вакуумной камеры дня ионной обработки малогабаритных

гребных винтов

Наибольшая глубина внедрения имплантируемых ионов и протводнтельность процесса имплантации с заданными режимами

обеспечиваются при расположении поверхностей гребного вин перпендикулярно потоку ионов.

После ионной обработки эксплуатацию гребного винта следу начинать не ранее, чем через два месяца для полного завершен! диффузионных процессов в поверхностных слоях материалов. .

Эффективность ионной обработки, по сранпенню с традиционных методами упрочнения, достигается за счет бесшумности, отсутствия прсдш вибрации, обеспечения сохранности формы

размеров изделия. При этом, как показали исследования, усталости прочность материалов в коррозионной среде увеличивается до 8 раз.

ГГягая глава посвящена практическому использованию результат» исследования. На основании выполненных исследований определен режимы ионной имплантации малогабаритных гребных пиита Обеспечивается использование расчетных методов. Обосновывается выб( необходимого технологического оборудования.

С учетом накопленного опыта разработан руководящий документ п< названием "Винты гребные. Типовой технологический процесс упрочнен! методом ионной имплантации. РД5.ГКЛИ 0207-201-92" со сроком действия 01.01.93 до 01.01.99 г. Наличие указанного документа позволило осуществи' промышленное освоение технологии ионного упрочнения на штатнь гребных винтах скоростных катеров типа ЛМ-87МК.

Сравнительная оценка упрочненного и неупрочненного гребнь винтов, эксплуатирующихся практически в одинаковых условиях, показал что ионная имплантация повышает эрозионную прочность поверхности лопастей и обеспечивает длительное сохранение их исходной шероховатост!

Выполненные расчеты показали экономическую целесообразное организации в судостроении центра по ионной имплантапи

малогабаритных гребных винтов. Прн годовом объеме выпуска винтов диаметром до 0.7 м принятом равным 250 шт., срок окупаемости такого центра составит 1.7 года.

Заключение

1. Классифицированы причины преждевременного выхода из строя судовых гребных винтов в процессе эксплуатации. Установлено, что главенствующее влияние на долговечность винтов оказывают коррозионные процессы с одновременным воздействием знако-перемеииых нагрузок различного уровня и цикличности, т.е. факторы, наиболее чувствительные к прочности поверхностных слоев изделия.

На основании выполненных исследований научно обоснована возможность повышения долговечности малогабаритных гребных винтов за счет упрочнения поверхностен металла новым методом ионной имплантации.

2. Объектом исследований принят технологический режим процесса ионной имплантации, характеризуемый в основном энергией, дозой, плотностью тока ионного потока, обеспечивающий насыщение кристаллической решетки металла таким количеством дислокации, при котором прекращается их свободное перемещение в решетке.

Экспериментально установлено, что внешним проявлением достижения такого эффекта служит повышение твердости поверхности материала до 2000 МПа. Это значение твердости использовано в качестве контрольного параметра окончания процесса.

3. В результате выполненных экспериментов установлены закономерности изменения механических и эксплуатационных свойств металлов малогабаритных гребных винтов от режимов ионной имплантации. В частности, получены графические и аналитические зависимости, характеризующие влияние ионной обработки на:

• поверхностную твердость материалов с увеличением ее ] зависимости от сорта ионов в 1,5 - 2,4 раза, причем с ростои температуры ионного потока поверхностная твердость возрастет;

• коррозинную стойкость и усталостную прочность материалов увеличивая их до 8 раз для сталей и на 10-15% для цветных сплавов

• создание в поверхностном слое материала остаточных сжнмающш напряжений с возможностью расчета нх значений, нспользуч экпернментальныс данные деформации поверхности;

4. По результатам исследований установлены варианты возможны: технологических режимов ионной обработки малогабаритных гребцы.1 винтов для нх реализации на существующем технологическом оборудоваиш - ионно-лучсвых установках. Даны рекомендации по обоснованному выбор* целесообразною режима для конкретного материала впита, исходя и минимально допустимого расхода электрического тока, потребляемой технологическим оборудованием.

5. Назначен состав технологического оборудования для ноннЫ имплантации, основанного на использовании деталей и узлов, выпускаемы: предприятиями России, лределено, что промышленные прпемно-вакуумньи камеры (основной узел ионно-лучевой установки) подлежат модернизацш для обеспечения возможности размещения в них малогабаритных гребны: винтов. Сформулированы на основании накопленного опыта требования I модернизации.

6. Разработан метод и технологический процесс ионной имплантант малогабаритных гребных винтов. Процесс основан на нспользованш существующих ионно-лучевых установок в условиях специализированной производства. Обоснована техническая целесообразность создания такоп центра в судостроении, основанная на необходимости широкого внедрени: нетрадиционной технологии.

7. В процессе натурных испытаний малогабаритных гребных винтов подтверждена правильность полученных в работе зависимостей и закономерностей, а также возможность практической реализации метода и технологии ионной имплантации судовых гребных винтов. Срок службы гребных винтов повышается не менее чем на одну навигацию.

8. Обоснована экономическая целесообразность использования нового метода и технологии ионной обработки для упрочнения поверхности малогабаритных гребных винтов. Показано, что экономия создается в условиях специализированного центра по ионной обработке за счет замены при изготовлении винтов цветных сплавов на упрочненную углеродистую сталь. Срок окупаемости затрат на организацию такого центра составит 1,7 го^..

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1.Попова Г.Н., Повышение циклической прочности стали 08Х15Н4ДМЛ ионным азотированием/Яруды ЦНИИМФ, Л., Транспорт,- 1986. (Соавторы: Гусева М.И., Владимиров Б.Г., Шеховцев Е.Д).

2. Попова Г.Н., Влияние имплантации на циклическую прочность титановых сплавов // Труды ЦНИИМФ, Л., Транспорт,- 1987. (Соавторы: Гусева М.И., Владимиров Б.Г., Шеховцев Е.Д.).

3. Попова Г.Н., Влияние ионной имплантации на циклическую прочность некоторых судостроительных материалов // I Всесоюзная конференция " Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц".Тезисы докладов,- Томск, 1988 (Соавторы: Гусева М.И., Владимиров Б.Г., Шеховцев Е.Д.).

4. Попова Г.Н., Влияний ионной имплантации на циклическую прочность некоторых судостроительных материалов //Труды ЦНИИМФ, Л„ Транспорт,- 1989. (Соавторы: Гусева М.И., Владимиров Б.Г., Шеховцев Е.Д.).

5. Попова Г.Н., Перспективы упрочнения гребных винтов методе ионного легирования // IX Всесоюзная конференция "Взанмоденств! атомных частиц с твердым телом ". Тезисы докладов .- М., 1989 (Соавтор: Рубин М.Б., Каменев В.А.).

6. Попова Г.Н., Методы повышения циклической прочности некоторь судостроительных материалов // V Республиканская конференция "Корроз! металлов под напряжением и методы зашиты" Тезисы докладов. -Льво

1989. (Соавтор: Каменев В.Л.).

7. Попова Г.Н., Модификация поверхностных свойс судостроительных материалов ионным воздействием // Симпозп} "Взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердого тела". Тезис докладов .-Ташкент 1989.

8. Попова Г.Н., Повышение прочностных характеристик нздел! судового машиностроения методом ионного упрочнения //Всесоюзн: научно-техническая конференция " Повышение технического уров! судостроительного производства" . Тезисы докладов .- Л., Судостроени

1990. (Соавтор: Шеховцев Е.Д.).

9. Попова Г.Н., Повышение эксплуатационных характеристик гребнь винтов поверхностно-пластически« деформированием // Технолог! судостроения. ЦНИИ" Румб" ,№7,1991.

10. Попова Г.Н., Обработка судостроительных материалов методе ионной имплантации // Вопросы авиационной науки и техники. Се{ Авиационная технология, вып. 2, М.,1993.

11. Попова Г.Н., Влияние ионной имплантации на фазовый соста структуру и свойства низколегированной стали // Труды Запорожског Государственного Университета.- Запорожье, 1993. (Соавторы: Савин В.Г Таншора Т.Г., Чайка В.А.).