Разработка технологии модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ТВД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями с применением сильноточных импульсных электронных пучков

Крайников, Александр Вячеславович

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка технологии модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ТВД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями с применением сильноточных импульсных электронных пучков

кандидата технических наук: Крайников, Александр Вячеславович
город: Москва
год: 2008
специальность ВАК РФ: 05.07.05

Диссертация по авиационной и ракетно-космической технике на тему «Разработка технологии модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ТВД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями с применением сильноточных импульсных электронных пучков»

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ТВД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями с применением сильноточных импульсных электронных пучков"

На правах рукописи

□□3458819

Крайников Александр Вячеславович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РЕМОНТЕ ЛОПАТОК ТВД ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ С ЖАРОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ

ПУЧКОВ

Специальность: 05. 07. 05 - "Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов"

1/ С О о'»"Г!

4 1->>-> ¿„3

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

003458819

Работа выполнена в ОАО ММП имени В.В. Чернышева.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Шулов Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

- Лигачев Александр Егорович; доктор технических наук

- Надирадзе Андрей Борисович

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие ТМКБ «СОЮЗ», г. Москва.

Защита состоится 16 февраля 2009 года в 15С0 на заседании диссертационного совета Д 212.125.08 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета)

Автореферат разослан

г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.08

профессор, д.т.н.

Зуев Ю. В.

Общая характеристика работы

Для успешного решения этой задачи в течение 5-7 последних лет во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) был создан задел в области разработки материалов для ГТД пятого и шестого поколения. ВИАМом предлагается ряд никелевых сплавов с содержанием рения до 9 масс. %, а также материалы на основе интерметаллидов №3А1, Т13А1 и Т1А1. Тем не менее можно констатировать, что предлагаемые материалы не удовлетворяют требованиям авиадвигателестроения ни по эксплуатационным свойствам, ни по стоимости, ни по удельной массе. Последнее позволяет сделать вывод о необходимости создания принципиально новых материалов для авиационного двигателестроения в кратчайшие сроки.

Еще одной из актуальных задач авиационного двигателестроения является развитие наиболее прогрессивных методов инженерии поверхности деталей изготовленных из жаропрочных сплавов, особенно из жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6У, ЖС26НК и ЖС32ВИ. Среди таких методов можно выделить, прежде всего, нанесение гальванических покрытий, химико-термическую обработку (альфирование, азотирование, гидрирование и др.), детонационное упрочнение, плазменное нанесение покрытий, вакуумно-плазменную технологию высоких энергий, электроискровой метод, анодирование, гидродробеструйную обработку, лазерную обработку, виброгалтовку, ультразвуковое упрочнение, микродуговое оксидирование и др. Обработка поверхности деталей из никелевых сплавов пучками заряженных частиц (ионная имплантация, обработка мощными ионными пучками, обработка сильноточными импульсными электронными пучками) занимает особое место.

Это обусловлено возможностью модифицировать поверхностные слои без изменения физико-химического состояния материалов в объеме детали, причем методика модифицирования материала в поверхностных слоях толщиной от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров происходит в результате взаимодействия высокоэнергетических ионов и электронов с мишенью на уровне элементарных частиц, что позволяет

конструировать уникальное состояние материала на нанометровом уровне. Кроме того, обработка поверхности деталей из жаропрочных никелевых сплавов пучками заряженных частиц позволяет решить многие проблемы, связанные с «технологической наследственностью» при реализации различных операций технологического процесса изготовления этих деталей, что особо подчеркивается в публикациях одного из ведущих специалистов ЦИАМ Петухова А.Н.

Эффективность использования ионной имплантации и обработки мощными ионными импульсными пучками для деталей авиационной техники из сталей и жаропрочных титановых и никелевых сплавов уже была доказана результатами работ A.M. Сулимы, A.M. Смыслова, В.А. Шулова, Ю.Д. Ягодкина, а облучение сильноточными импульсными электронными пучками (СИЭП), для лопаток компрессора КВД из жаропрочных сталей ферритного и аустенитного классов ЭП866ш и ЭП718ИД, работами А.Г. Пайкина и, для лопаток из титановых сплавов - публикациями А.Б. Белова. В то же время исследований, направленных на модификацию свойств деталей из жаропрочных никелевых сплавов с помощью СИЭП, до сих пор, практически, проведено не было, за исключением работ Ю.Д. Ягодкина, выполненных на модельных образцах из сплавов ЖС6У и ЖС26НК, подвергнутых облучению на ускорителе ИСЭ (Институт Сильноточной Электроники СО РАН, г. Томск) низкоэнергетическим электронным пучком (Е=10-30 кэВ).

Большой научный интерес и практическую значимость представляют ускорители СИЭП, разработанные в НИИЭФА имени Д.В. Ефремова (г. Санкт-Петербург), «GESA-1» и «GESA-2», которые характеризуются высокими однородностью распределения плотности энергии по сечению пучка (до 90 %) и воспроизводимостью величин средних плотностей энергии от импульса к импульсу. Толщины модифицированных поверхностных слоев при использовании ускорителей «GESA-1» и «GESA-2» достигают 20-30 мкм.

В этой связи, целью настоящей диссертации являлась разработка основ технологических процессов электронно-лучевой модификации поверхности и ремонта лопаток турбины ГТД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями, внедрение разработанных технологических процессов в серийное производство, а также выбор наиболее перспективных материалов, которые могут стать базовыми при проектировании двигателей для истребителей 6-го поколения.

Таким образом, актуальность данной работы в научном плане, определяется - необходимостью создания новых жаропрочных материалов с низкой удельной массой, способных эксплуатироваться длительное время при высоких температурах (1400-1500 °С) и высоких постоянных и знакопеременных нагрузках, а также получения экспериментальных результатов о влиянии режимов облучения сильноточными импульсными электронными пучками на физико-химическое состояние поверхности и

рабочие характеристики деталей из жаропрочных никелевых сплавов, эксплуатируемых в составе ГТД, а с практической точки зрения -возможностью, уже в ближайшем будущем, внедрить некоторые электроннолучевые техпроцессы в серийное производство.

Для достижения сформулированной цели было необходимо реализовать постановку и последующее решение ряда задач методического, научного и практического плана: (1) разработка методики исследования физико-химического состояния поверхностных слоев лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, основанной на применении таких методов, как: электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), рентгеноструктурный анализ, РСА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), экзоэлектронная эмиссия (ЭЭЭ), рентгеновский микроанализ (РМА), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), оптическая металлография в поляризованном свете, измерение шероховатости поверхности (Ra) и др.; (2) разработка методики выбора режимов облучения СИЭП по результатам расчетов температурных полей и полей напряжений в поверхностных слоях мишеней в зависимости от времени и по результатам термодинамического и газодинамического анализа процессов, протекающих в поверхностном слое при таком воздействии на поверхность деталей из никелевых сплавов; (3) определение оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК; (4) определение кинетики абляции материала с поверхности облучаемых СИЭП лопаток с жаростойким вакуумно-плазменным покрытием СДП-2 (NiCrAlY); (5) обоснование режимов сравнительных натурных испытаний серийных и обработанных электронным пучком лопаток из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием в составе двигателя РДЗЗ;; (6) анализ и обобщение расчетных и экспериментальных данных, полученных на стадиях исследования и подготовки к натурным испытаниям; (7) создание технологических карт процессов электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток турбины из сплава ЖС26НК; (8) составление технического задания на проектирование и разработка технической документации для изготовления электронных ускорителей для серийного производства; (9) анализ и обобщение литературных данных о наиболее перспективных жаропрочных материалах на основе МАХ-фаз; (10) проведение экспериментальных исследований, направленных на получение и определение свойств объемных заготовок для изготовления лопаток и покрытий на основе МАХ-фаз системы Ni-Si-B.

Научная новизна работы. Достижение сформулированной цели, в соответствии с общим планом исследований, практически полностью отражает научную новизну полученных в диссертации данных. Впервые не только доказана высокая эффективность использования сильноточных электронных пучков с энергией 100-120 кэВ для модификации свойств и ремонта лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов, но и разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта этих деталей двигателя РДЗЗ.

Кроме того, впервые были получены экспериментальные результаты влияния режимов облучения СИЭП на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и свойства компонентов двигателя, изготовленных из никелевых сплавов, что позволяет получить уникальные данные для моделирования процессов, протекающих в твердом теле при экстремально высоких скоростях нагрева и охлаждения.

Эта часть работы является одной из важнейших составляющих решения проблемы создания высокоинтенсивных технологий электронно-лучевой импульсной обработки деталей широкой номенклатуры.

Разработанные технологии электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток ТВД из никелевых сплавов не имеют аналогов в авиационном двигателестроении и составляют основу для создания перспективных технологий изготовления двигателей для истребителей новых поколений.

На защиту выносятся:

1. Методические особенности выбора оптимальных режимов, позволяющие построить профили распределения температуры и напряжений по глубине мишени в зависимости от времени, и определить те режимы облучения электронным пучком (при микросекундной длительности импульса, т>10 [лс, и высоких энергиях, Е>100 кэВ), когда достигаются плавление, испарение, плазмообразование, разложение и формирование различных фаз в поверхностных слоях деталей из жаропрочных титановых сплавов, на основании основных положений химической термодинамики и гидродинамики.

2. Методика определения физико-химического состояния материала в приповерхностных областях жаростойких покрытий на лопатках турбины, а также рабочих характеристик лопаток, подвергнутых различным методам поверхностной обработки.

3. Результаты исследования влияния режимов электронно-лучевой обработки на ускорителях "СЕ8А-2" и "ОЕБА-Г' (энергия электронов, Е=115-150 кэВ; длительность импульса, т=15-40 цс; плотность энергии в импульсе, \У=15-90 Дж/см2; число импульсов п=1-10 имп) на физико-химическое состояние материала в приповерхностных областях лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК (химический состав, фазовый состав, структурные характеристики, остаточные напряжения и шероховатость поверхности).

4. Данные о влиянии режимов электронно-лучевой и термической обработок на эксплуатационные свойства модельных образцов и лопаток из жаропрочных никелевых сплавов.

5. Особенности методики длительных натурных испытаний облученных лопаток из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2 в составе технологического изделия (РДЗЗ).

6. Результаты исследования физико-химического состояния материала в поверхностных слоях облученных лопаток из сплава ЖС26НК, подготовленных к испытаниям на технологическом изделии.

7. Электронно-лучевые технологии обработки и ремонта лопаток турбины ГТД РДЗЗ, изготовленных из сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2.

8. Результаты исследования, полученные методом СВС-синтеза заготовок на основе МАХ-фаз системы титан-кремний-бор.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований обоснованы рекомендации, обеспечивающие разработку и внедрение новых технологических процессов модификации поверхности и ремонта деталей широкой номенклатуры из жаропрочных никелевых сплавов с применением сильноточных импульсных электронных пучков.

Разработаны экологически чистые опытно-промышленные технологии электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК, позволяющие заменить некоторые виды высокоточной механической и химической обработок, существенно повысить ресурс и надежность эксплуатации этих деталей в составе двигателя РДЗЗ.

По результатам длительных натурных испытаний на технологическом изделии, будет принято решение о возможной корректировке оптимальных режимов электронно-лучевой и финишной термической обработок и реализации внедрения электронно-лучевых технологий в серийное производство (ММП им. В. В. Чернышева) после оснащения технологического участка ускорителями "ГЕЗА-ММП" для реализации процесса облучения.

Методика исследования физико-химического состояния поверхностных слоев жаропрочных никелевых сплавов использовалась в ряде организаций Российской Федерации (ИСЭ СО РАН, НИИЯФ г. Томск, НИИЭФА им. Д. В. Ефремова и др.).

Методика выбора режимов электронно-лучевой обработки использовалась при реализации программы исследований по проекту МНТЦ в 2005 и 2007 гг. (проект №975-98.2), по проекту №2.1.2-8700 «Разработка основ технологических процессов нанесения коррозионно-эрозионно-стойких макс-покрытий на поверхность деталей из титановых сплавов с помощью сильноточных импульсных ионных и электронных пучков» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 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: Международная конференция «Титан в СНГ» в 2006 г. (г. Суздаль), 8-я и 9-я Международные конференции

по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками в 2006 и 2008 г.г. (г. Томск, Россия), 13-ый Международный Симпозиум имени А.Г. Горшкова «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» в 2007 г. (г. Ярополец Московской области), 7-я Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» в 2007 г. (г. Минск, Беларусь), 15-th International Conference on Surface modification of materials by ion beams (Mumbai, India) в 2007 г. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ из них 8 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Автор научно обосновал эффект перераспределения легирующих элементов в поверхностных слоях покрытий на лопатках из жаропрочных никелевых сплавов при их облучении сильноточным импульсным пучком. Все натурные испытания серийных и облученных лопаток, а также методика их последующих исследований на ММП им. В.В. Чернышева были спланированы и выполнены непосредственно автором диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 143 стр. и состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 128 наименований. В работе представлено 100 рисунков и 16 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обсуждаются проблемы актуальности темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, ее практическая значимость и пути реализации результатов исследований.

В первой главе приведены и проанализированы, как результаты фундаментальных работ по теории взаимодействия ускоренных электронов с твердым телом, так и последние данные, посвященные компьютерному моделированию процессов, протекающих при этих взаимодействиях, что позволяет оценить температурные поля в материале в процессе электроннолучевой обработки, а также распределения остаточных напряжений по глубине облучаемых мишеней. Особое внимание уделено анализу отечественной и зарубежной периодики по материаловедению никелевых сплавов и поверхностной инженерии изделий из жаропрочных никелевых сплавов, используемых в авиационном двигателестроении. Подробно проанализированы достижения сотрудников ВИАМа по разработке технологии получения

монокристаллических лопаток из жаропрочных никелевых сплавов и нанесения на их поверхность жаростойких покрытий методом вакуумно-плазменной технологии высоких энергий (ВПТВЭ). Эти технологии успешно внедрены на большинстве предприятий отрасли и реализуются с использованием серийного оборудования для литья лопаток и нанесения покрытий. Для нанесения жаростойких покрытий методом ВПТВЭ С.А. Мубояджаном, В.А. Помеловым и С.А. Будиновским разработаны установки МАП-1М, МАП-2М и ВИАМ, а также технологические процессы и средства контроля, которые широко применяются в промышленности. При этом значения скорости осаждения покрытия достигают для различных материалов величин от 0,1 до 0,4 мкм/мин (для установки МАП-1М). То, что высокие скорости осаждения достигаются на установках типа МАП-1М, МАП-2М и ВИАМ обусловлено увеличением в плазме доли капельной фракции (размеры отдельных фрагментов могут составлять 10-20 мкм и даже больше). Последнее, наряду с чисто технологическими сложностями изготовления катодов из материалов наносимых покрытий, является основным недостатком метода ВПТВЭ. Наличие капельной фракции приводит к повышенной пористости покрытий, а иногда и к неудовлетворительной адгезии, что, в конечном счете, обуславливает снижение жаростойкости.

В этой связи перспективным представляется проведение облучения СИЭП в режиме плавления деталей с жаростойким вакуумно-плазменным покрытием. Поэтому в первой главе основное внимание уделено анализу результатов исследований и испытаний, выполненных А.Г. Пайкиным и А.Б. Беловым для лопаток из сталей и титановых сплавов, обработанных СИЭП.

Вторая глава посвящена методикам облучения, изучения физико-химического состояния поверхностных слоев и определения эксплуатационных свойств лопаток турбины их жаропрочных никелевых сплавов. В ней приведены данные о химическом составе и термообработке сплавов ЖС6У и ЖС26НК, из которых были изготовлены лопатки турбины ГТД РДЗЗ и РД1700, а также сведения об оборудовании, использованном при облучении, исследовании физико-химического состояния поверхности и испытаниях. Облучение модельных образцов и лопаток осуществлялось на ускорителях "GESA-1" и "GESA-2" при следующих значениях основных параметров: w=15-90 Дж/см2; Е=115-120 кэВ; т=15-40 мкс. Однородность пучка непрерывно контролировалась от импульса к импульсу (установки работали в режиме одиночных импульсов при скважности срабатывания 30-40 с). Термообработка облученных мишеней проводилась в вакуумной печи "ULVAK" в вакууме не хуже 10"5 мм. рт. ст.

Отдельное внимание во второй главе уделено методикам определения эксплуатационных свойств модельных образцов и лопаток. Усталостные испытания образцов и лопаток, изготовленных по серийной технологии, и прошедших электронно-лучевую обработку, были реализованы на магнитострикционных вибростендах с частотой нагружения 3000-3300 Гц при комнатной температуре и при температуре эксплуатации (900-950 °С).

Поверхности изломов изучались методами оптической и электронной фрактографии. Испытания на жаростойкость проводились на модельных образцах и лопатках, помещенных в муфельную печь и выдерживаемых при температуре 950 °С в течение длительного времени на воздухе. Сопротивление окислению определялось по толщине окисленного слоя (Ь0 , мкм) при различных временах термоэкспозиции: 100, 200, 300, 400 и 500 часов. Кроме этого окисленные поверхности лопаток исследовались методами ЭОС и РСА, что позволяло получить информацию о механизмах окисления и причинах изменения жаростойкости в результате обработки СИЭП.

Кроме того, во второй главе, на базе основных положений химической термодинамики и гидродинамики, предложена и апробирована оригинальная методика выбора оптимальных режимов электронно-лучевой импульсной обработки деталей из никелевых сплавов с жаростойким покрытием СДП-2 (№СгА1У), позволяющая построить профили распределения температуры и напряжений по глубине мишени в зависимости от времени и определить те режимы облучения, когда в поверхностных слоях мишеней достигаются плавление, испарение, плазмообразование, разложение и формирование различных фаз. Полученные с помощью этой методики данные позволили очертить область экспериментального поиска оптимальных режимов модифицирования поверхности лопаток из никелевых сплавов по одному из важнейших параметров облучения - плотности энергии в импульсе от 15 до 60 Дж/см2 при фиксированных значениях энергии и длительности импульса, что представляло несомненные трудности из-за присутствие в материале покрытия как легколетучих (Сг, А1), так и тугоплавких элементов (У).

В третьей главе приведены данные о влиянии режимов обработки СИЭП на химический и фазовый составы в поверхностных слоях лопаток из сплавов ЖС6У и ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2. Полученные в этой главе (рис. 1 и табл. 1) результаты позволяют уже на этом этапе сделать предварительные выводы о наиболее перспективных величинах параметров электронно-лучевой обработки.

Так, достаточно конкретные выводы могут быть сделаны по выбору плотности энергии в импульсе. В основе этих выводов лежат следующие соображения. При облучении лопаток из жаропрочных сплавов с жаростойким покрытием Ы1СгА1У желательно добиться оптимального перераспределения элементов и фазовых составляющих в поверхностном слое мишеней-лопаток при увеличении содержания электронной р-фазы, ответственной за жаростойкость покрытия. Было показано, что для серийных лопаток характерно неоднородное распределение у и р фаз по толщине покрытия. В результате при эксплуатации эти детали интенсивно окисляются. Кроме того, необходимо чтобы все компоненты покрытия СДП-2 при облучении перешли в жидкую фазу, иначе при кристаллизации оставшиеся в твердом состоянии конгломераты будут выполнять роль затравок и являться центрами сегрегации и, как следствие, в их окрестности могут формироваться микротрещины при кристаллизации.

5000*

а б

Рисунок 1 - Микроструктура в поверхностном слое серийных лопаток из сплава ЖС26НК с NiCrAlY вакуумно-плазменным покрытием до (а) и после облучения СИЭП (w=42-45 Дж/см2) и вакуумного отжига при 1050 °С в

течение 2 час (б).

Таблица 1. Элементный состав по данным РМА (масс. %) в различных точках (рис. 1) NiCrAlY вакуум но-плазменного покрытии после облучения сильноточным импульсным электронным пучком и вакуумного отжига при 1050 °С в течение 2 час.

№ Содержание элементов, в масс. %

Al Сг Ni W Со Y

1 8,9 17,5 осн. 1,0 1,5 0,3

2 4,2 17,0 осн. 10,0 4,3 0,3

3 11,9 16,0 осн. 7,0 6,0 0,4

Как следует из полученных данных, обработка высокоинтенсивным импульсным электронным пучком при плотности энергии \у=42-45 Дж/см" позволяет перевести все элементы покрытия в жидкую фазу и достичь повышенного содержания р-фазы на основе ~№А1, что должно привести к повышению такой важной эксплуатационной характеристики, как жаростойкость. Таким образом, перспективным представляется обработка лопаток из никелевых сплавов с покрытием СДП-2 СИЭП в этом режиме.

Облучение же при более высоких плотностях энергии 45-55 Дж/см" может стимулировать преимущественное испарения с поверхности лопаток легколетучих алюминия и хрома, что приведет к снижению целого комплекса свойств деталей из жаропрочных никелевых сплавов. Только облучение при очень высоких плотностях энергии в режиме абляции w>55-60 Дж/см2 представляет большой практический интерес для разработки ремонтной электронно-лучевой технологии.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния режимов облучения на структурные характеристики материала в поверхностных слоях образцов и лопаток из никелевых сплавов. Главным технологическим параметром при проведении процесса облучения СИЭП является плотность энергии (\у) в импульсе. С ростом плотности энергии в

приповерхностных слоях мишеней из жаропрочных никелевых сплавов протекают следующие процессы: испарение органических примесных компонентов, плавление и испарение материала поверхностного слоя, кратерообразование и трещинообразование, плазмообразование и абляция. Эти процессы определяют физико-химическое состояние материала в поверхностном слое облучаемых мишеней, что приводит, в конечном счете, к модификации их свойств. Влияние режимов облучения на шероховатость, топографию, микротвердость и экзо-эмиссионную активность поверхности образцов из жаропрочных никелевых сплавов проиллюстрировано на рис. 2 и в таблице 2.

б Д

Рисунок - 2. Влияние плотности * {/ энергии на топографию поверхности

NiCrAlY - вакуумно-плазменных 3 покрытий, осажденных на

поверхности образцов из сплава ЖС26НК: а - исходное состояние; б, Ш в, г, д - состояние после облучения

w=24-26, 36-38, 42-45, 50-55 Дж/см2.

20 мкм

Результаты, представленные в настоящей главе, позволяют сделать заключение о том, что оптимальные режимы облучения образцов из жаропрочных никелевых сплавов с покрытиями системы №СгА1У (СДП-2) могут быть достигнуты при плотности энергии \у=42-45 Дж-см'2, когда не протекают процессы кратерообразования, сохраняется упрочняющая у'-фаза, а в поверхностном слое покрытия увеличивается содержание электронной (3-фазы на основе N1А1. Кроме того, при реализации этого режима облучения снижается шероховатость поверхности от 2.01-2.12 до 0.32-0.61 мкм. Таблица 2. Влияние плотности энергии в импульсе на шероховатость поверхности и микротвердость №СгА1У вакуумно-плазменного покрытия, осажденного на поверхности образцов из жаропрочных сплавов ЖС6У и ЖС26НК.

Режимы Шероховатость Интенсивность Микротвердость

экзо-электроннои

эмиссии

п, Яа, мкм, ^еее. Н„ ед. НУ,

Дж/см2 имп ±0.05 имп/с р=2 Н

- - 2.12 240±60 420-490

22-26 5 1.14 390±90 440-520

22-26 10 1.03 420±40 460-510

42-45 5 0.36 610±30 480-490

42-45 10 0.32 620±20 470-480

50-55 5 0.99 720±80 390-530

50-55 10 1.12 740±70 380-520

Микроструктура материала в поверхностном слое покрытия СДП-2, осажденного по серийной технологии, характеризуется наличием неравноосных и равноосных субзерен, имеющих малоугловую разориентировку. Максимальный размер этих субзерен достигает 0,5-1,0 мкм, а минимальный составляет около 50 нм, т.е. 0,05 мкм. Сопоставление микроструктуры образцов в различных участках покрытия позволяет выявить наиболее общие особенности ее формирования. Микроструктура может быть более или менее однородной, при этом средний размер субзерен существенно различается. Участки с равноосными субзернами размером 0,2-1,0 мкм содержат большее количество мелкодисперсных частиц, обогащенных иттрием: N¡-45%; Сг-6%; А1-34%; У-8,4%; ТМ,6% (% вес.) Результаты микроанализа свидетельствуют о практически полном отсутствии иттрия: N¡-(37-45)%; Сг-(15-23)%; А1-(35-36)%; У-(0-0,2)% (%вес.) в теле равноосных субзерен. Микроанализ же, проведенный при сканировании и усреднении результатов по значительной площади поверхности подготовленных фольг (т.е. состав всего образца), позволяет зафиксировать следующий состав: N¡-52%; Сг-12%; А1-31%; У-0,9% (% вес.).

В местах с неравноосными мелкими субзернами (их размер 0,05 - 0,3 мкм) нанодисперсных конгломератов гораздо меньше. Встречаются

удлиненные пластинчатые субзерна шириной до 0,05 мкм и длиной до 1 мкм. Вероятно, в этих участках иттрий находится в твердом растворе. Таким образом, анализ данных, полученных в результате электронно-микроскопического исследования, показал, что в исходном покрытии формируется тонкодисперсная микроструктура во всех участках покрытия, что хорошо согласуется с данными С.А. Мубояджана. И в зависимости от условий образования (т.е. охлаждения осажденных капель) размер субзерен может быть больше или меньше, а частицы, обогащенные иттрием, могут выделяться или быть растворенными.

После финишной термообработки при 1050 °С в покрытиях отмечается увеличение размеров субзерен и фиксируется значительное содержание микропор (рис. 3 а).

Рисунок 3 - СЭМ-микроструктура, формируемая в поверхностном слое вакуумно-дуговых покрытий СДП-2 до (а) и после электронно-лучевой обработки с плотностью энергии 42-45 Дж/см2 четырьмя импульсами (б), отчетливо видны выделения |3-фазы).

После облучения сильноточным импульсным электронным пучком микроструктура в 20-30 - микронном слое покрытия СДП-2 становится более однородной, хотя и в этом случае не удается до конца избавиться от микро-неоднородностей (рис. 3 б). В этой главе приведены микроструктуры, формируемые в поверхностных слоях серийных и облученных лопаток из сплава ЖС26НК, а также топография поверхности в зависимости от плотности энергии.

Полученные в четвертой главе данные хорошо согласуются с результатами исследования влияния плотности энергии в импульсе при облучении СИЭП на химический и фазовый составы материала поверхностных слоев лопаток и образцов из никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК. Это позволяет выбрать величины плотности энергии, при которых удается снизить шероховатость поверхности, сформировать в поверхностном слое однородную мелкодисперсную микроструктуру, залечить поверхностные и подповерхностные микротрещины и микропоры: =42-45 Дж/см2. Толщины

перекристаллизованных при облучении с такими плотностями энергии поверхностных слоев лопаток и образцов с покрытием СДП-2 достигают 20-25 мкм.

Различия же в результатах, зафиксированных с поверхности образцов и лопаток, наиболее ярко проявляются с точки зрения протекания трещинообразования, которое особенно характерно для облучения лопаток с небольшими плотностями энергии 20-36 Дж/см2. Кроме того, на поверхности лопаток, в отличие от образцов, практически всегда формировались «капельные» микродефекты на основе легколетучего алюминия. Эти различия скорее всего обусловлены вариациями дисперсности материала покрытий, осаждаемых на поверхности образцов в лабораторных условиях при низких скоростях осаждения и на поверхность серийных лопаток - в условиях серийного производства. В последнем случае размеры конгломератов капельной фракции достигают нескольких десятков микрометров, и при облучении реализуется местный выброс материала в окрестности этих дефектов с формированием глубоких кратеров. В результате увеличивается шероховатость при больших базах измерения, хотя при базах порядка 500-1000 мкм шероховатость все же заметно ниже, чем до облучения, т.е. согласно Ю.Д. Ягодкину развивается волнистость поверхности.

Еще одной важной задачей выбора режимов облучения является определение критического числа импульсов. В работах А.Г. Пайкина и А.Б. Белова выбор оптимального числа импульсов осуществлялся по критерию формирования однородного физико-химического состояния при минимальном числе импульсов. Здесь же накладывается ограничение на максимально возможное число импульсов, поскольку при облучении с плотностями энергии 42-45 Дж/см2 уже заметно протекает испарение элементов и имеет место эрозия поверхностного слоя покрытия, приводящая к обеднению поверхностного слоя алюминием и хромом, и, как следствие, к уменьшению толщины покрытия. Это ограничение, в соответствие с результатами структурных исследований, устанавливает верхнюю границу на число импульсов п=4. Кроме того, сопутствующая модифицированию поверхностного слоя эрозия поверхности предполагает изменение операции нанесения покрытия СДП-2. Действительно, согласно технологической карте процесса изготовления лопаток турбины ГТД РДЗЗ, толщина покрытия СДП-2 должна составлять 55-65 мкм. Так как облучение сильноточным импульсным электронным пучком четырьмя импульсами приводит к снижению толщины первоначально нанесенного покрытия Ьсоа1|П8 на 8-10 мкм, необходимо увеличить значения Ьсоа11П8 до 65-75 мкм. Наконец, из результатов структурных исследований (изучение топографии поверхности образцов и лопаток после облучения) следует, что формирование микрокапельной фракции на основе алюминия не должно сказаться на эксплуатационных свойствах деталей, поскольку ее фрагменты обладают низкой адгезией и легко механически удаляются с поверхности лопаток.

В пятой главе рассмотрено влияние режимов облучения на эксплуатационные свойства образцов и лопаток из никелевых сплавов. Результаты усталостных испытаний, выполненных при комнатной (25 °С) и рабочей (975 °С) температурах (рис. 4 и 5) на модельных клиновидных поликристаллических образцах из сплава ЖС6У и цилиндрических монокристаллических образцах из сплава ЖС26НК, а также на лопатках из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2, свидетельствуют о возможности посредством облучения СИЭП и финишной термической обработки по оптимальных режимам или повысить предел выносливости на базе 2x107 циклов на 10 %, или оставить эту характеристику на уровне, зафиксированном для исходного состояния.

10е ю' ю1

число циклов до разрушения, цикл

Рисунок 4 - Усталостные кривые образцов из сплава ЖС6У с покрытием СДП-2 (испытания при комнатной температуре на воздухе).

Полученные результаты вполне ожидаемы и соответствуют основной концепции усталостного разрушения деталей из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойким покрытием, развитой в работах Ю.Д. Ягодкина: очаг разрушения чаще всего располагается в мелкокристаллическом слое в зоне адгезии покрытия к подложке, в объеме детали в окрестности дефектов литья или механических дефектов, сформированных на поверхности лопатки до нанесения покрытия; усталостная трещина может зарождаться непосредственно на поверхности покрытия, но ее рост в матричный материал не реализуется достаточно длительный период времени.

Отсюда следует, что увеличение предела выносливости деталей из никелевых сплавов с покрытием СДП-2, обработанных электронным пучком, можно ожидать только за счет барьерных возможностей модифицированного слоя, в котором формируются остаточные сжимающие напряжения. При толщине последнего 20-25 мкм увеличение предела выносливости будет несущественным или ограниченным единицами процентов, что и наблюдается на рис. 4 и 5. Особенно, нечувствительность обработки СИЭП к усталостным

свойствам проявляется при испытаниях серийных лопаток, деталей сложной формы, при изготовлении которых формируется большое разнообразие дефектов как на внешней так и на внутренней поверхностях лопаток, в матричных слоях, в окрестности перфорированных отверстий и др..

Рисунок 5 - Усталостные кривые цилиндрических монокристаллических образцов из сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2 (испытания при температуре

975 °С на воздухе).

Результаты испытаний на жаростойкость представлены на рис. 6 и 7. Полученные данные позволяют заключить, что электрон но-лучевая обработка при \у=42-45 Дж/см2 и финишная термообработка обеспечивают повышение жаростойкости при 950 °С в 3 раза. В то же время облучение с низкими плотностями энергии и отсутствие отжига могут привести даже к снижению жаростойкости. Последнее связано с коррозионным растрескиванием, протекающим в покрытии при высокой температуре (рис. 7). Облучение при 42-45 Дж/см2 и финишный отжиг приводят к образованию стабильной структуры с оптимальным содержанием Р-№А1-фазы. Именно образование р-№А1-фазы в облученных образцах объясняет повышение жаростойкости. Кроме того, обработка СИЭП позволяет частично, а в некоторых случаях и полностью, избавиться от основного недостатка вакуумно-плазменной технологии нанесения защитных покрытий, используемой в авиационной промышленности: наличие капельной фракции в плазме. Именно наличие капельной фракции в плазме в процессе осаждения приводит к снижению адгезии покрытия и формированию относительно высокой пористости, что является основной причиной его деградации и преждевременного разрушения. Многократная перекристаллизация материала покрытия толщиной 20-30 мкм обеспечивает получение безпористого поверхностного слоя, что обеспечивает резкое снижение диффузии кислорода в матричные слои (рис. 7).

—— исходное состояние -•- 26-30 Дж/см2 —Ь— 30-36 Дж/см2 —т— 42-46 Дж/см2 ____

продолжительность термоэкспозиции при 900 С, час

а б

Рисунок 7 - Микроструктура в поверхностном слое образцов из сплава ЖС26НК с вакуумно-дуговым покрытием СДП-2 до (а) и после электроннолучевой обработки при плотности энергии 42-45 Дж/см2 четырьмя импульсами (б), подвергнутых вакуумному отжигу при 1050 °С в течение 2-х часов и термоэкспозиции на воздухе при 950 °С в течение 500 часов.

Рисунок 6 - Кинетические кривые окисления для цилиндрических монокристаллических образцов из сплава ЖС26НК с жаростойким вакуумно-дуговым покрытием СДП-2, подвергнутых электронно-лучевой обработке и стабилизирующему вакуумному отжигу при 1050 °С в течение 2-х часов.

2(Ь

Из представленных в пятой главе данных следует, что: среди серийных монокристаллических лопаток присутствуют отдельные экземпляры, содержащие достаточно крупные зерна 100-200 мкм, формируемые за счет ликвационных или сегрегационных процессов на стадиях литья или высокотемпературного отжига; практически во всех лопатках присутствует поликристаллическая «рубашка», образующаяся в зоне сцепления покрытия с подложкой из-за использования при подготовке поверхности под нанесение покрытия пескоструйной обработки и последующего, уже после осаждения, высокотемпературного отжига. Формируемое по серийной технологии ВПТВЭ покрытие характеризуется высокой степенью неоднородности фазового и элементного составов, содержит протяженные области с низкой концентрацией

алюминия и заметным присутствием элементов жаропрочного сплава; последнее объясняет неудовлетворительную жаростойкость вакуумно-дугового покрытия. Электронно-лучевая обработка приводит к образованию однородного безпористого слоя толщиной 20-25 мкм с концентраций алюминия до 9-10 масс. %, что обеспечивает более высокий уровень эксплуатационных свойств облученных лопаток по сравнению с серийными.

Кроме того, формируемые в процессе высокоскоростного нагрева, плавления и кристаллизации термические напряжения могут приводить к отслаиванию покрытия, если система «подложка-покрытие» обладала до облучения низкой адгезией. То, что вопросы адгезии вакуумно-дуговых покрытий СДП-2 к поверхности монокристаллических лопаток являются крайне важными в технологическом процессе их изготовления, подтверждается наличием трех операций, непосредственно направленных на обеспечение этой характеристики (пескоструйная обработка, химическая обработка и вакуумный диффузионный отжиг). Качество нанесенного покрытия в промышленности проверяется с помощью ЛЮМ-контроля, посредством которого удается зафиксировать области на поверхности лопатки, где уже началось разрушение. Проведение рентгеноструктурного анализа в различных макроточках обеспечивает определение областей, в которых сформированы остаточные растягивающие напряжения, в том числе и за счет плохой адгезии. В любом случае эти методы анализа являются косвенными. Для получения количественной информации об адгезионной прочности пары «покрытие-подложка» наиболее часто используют разрушающий метод «штифта».

При проведении процесса облучения лопаток с покрытием нет необходимости проверять его адгезию, так как такого рода контроль реализуется автоматически. После облучения отбраковка лопаток с низкой адгезией может быть проведена визуально, что представлено на рис. 8.

Г Г

Рисунок 8 - Внешний вид серийной лопатки из сплава ЖС26НК с вакуумно-дуговым покрытием СДП-2, облученной электронным пучком (отслоение покрытия на корыте и в зоне входной кромки). Кроме того, в пятой главе обсуждаются данные об условиях технологических сравнительных испытаний серийных и обработанных

электронным пучком лопаток 1-й ступени ТВД на двигателе РД-33 №88-Т8 серии 3. В этой же главе проанализированы результаты исследования кинетики удаления поврежденного при эксплуатации покрытия СДП-2 на лопатках из сплава ЖС26НК, представлены фрагменты технологических карт процессов модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток 1-й ступени ТВД.

Шестая глава посвящена вопросам апробирования в качестве материалов для жаростойких покрытий на лопатках турбины, так называемых МАХ-фаз. Эти материалы считаются наиболее перспективными для изготовления лопаток компрессора и турбины ГТД истребителей 6-го поколения. Последнее объясняется низким удельным весом, рекордно высокими жаростойкостью и жаропрочностью при удовлетворительной технологичности этих материалов, называемых «металлическими керамиками» или «керамическими сплавами». В настоящей работе впервые в России проведен критический анализ экспериментальных данных, полученных в лабораториях США, Японии, Франции и Швеции при исследовании процессов синтеза и при определении, прежде всего, механических и коррозионных свойств МАХ-материалов, а также результатов работ по проблеме нанесения защитных покрытий на основе МАХ-фаз.

Под МАХ-фазой понимается тройная система Мп-цАХп с гексагональной плотной упаковкой, где М - переходный металл; А - элемент А-подгруппы таблицы Менделеева; X - углерод или азот (и возможно - бор). Среди множества МАХ-фаз, синтезированных к настоящему времени, наибольший интерес, с позиций уровня их свойств, представляют МАХ-фазы на основе титана: Т12А1С, Т12А1Ы, Т13А1С2, особенно Т1381С2 и Т1351В2. Именно свойства этих материалов позволили М. Барзоу (Дрессельский университет, США) построить диаграмму сопоставления температуры разрушения при нагрузке 140 МПа за 10000 часов (Тр) и температуры окисления на глубину 2,5 мм за 10000 часов (Т0) для различных материалов. Эта диаграмма сопоставления (Тр) (То), наряду с данными о термостабильности и жаростойкости МАХ-фаз в аргоне (до 1700 °С) и на воздухе (до 1500 °С) соответственно, свидетельствует об их высокой перспективности для авиадвигателестроения. Еще одним достоинством этих материалов является их хорошая технологичность, т. е. возможность формообразования стандартными методами механической обработки. В настоящей работе на поверхность цилиндрических образцов из сплава ЖС26НК были нанесены в тлеющем разряде покрытия толщиной 30 мкм, содержащие наиболее жаростойкую из известных МАХ-фазу Т1381В2. Эти образцы были исследованы методами электронной Оже-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и оптической металлографии. Некоторые результаты этого исследования представлены на рис. 9.

а б 20 мкм

Рисунок 9 - Микроструктура в поверхностном слое и топография поверхности образцов из сплава ЖС26НК с покрытием системы титан —

кремний - бор, полученным в тлеющем разряде. Микротвердость покрытия достигала 1800±50 ед. НУ при нагрузке 2 Н, а шероховатость была на уровне шероховатости исходных образцов Яа=0,24±0,02 мкм. Предел выносливости при 975 °С составлял 240 МПа, что полностью соответствует исходным образцам. Жаростойкость покрытий на основе МАХ-фаз проверялась при температуре 950 °С и термоэкспозициях 100, 200, 300, 400 и 500 часов (рис. 10). Видно, что применение покрытий на основе МАХ-фаз, полученных в тлеющем разряде, позволяет более чем в 4 раза повысить жаростойкость лопаток из сплава ЖС26НК, что наряду с возможностью изготовления всей лопатки из МАХ-материалов свидетельствует о высокой перспективности их использования в авиадвигателестроении.

км гоо зоо 400 500

термоэкспозиция, час

Рисунок 10 - Кинетические кривые окисления для цилиндрических монокристаллических образцов из сплава ЖС26НК с жаростойким вакуумно-дуговым покрытием СДП-2 и покрытием на основе МАХ-фаз.

В заключении диссертации сформулированы следующие выводы: 1. Экспериментально показано, что с помощью облучения сильноточным импульсным электронным пучком микросекундной длительности удается модифицировать 20-25-микронные поверхностные слои лопаток из

жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями СДП-2. Установлено, что при облучении в поверхностных слоях лопаток, в зависимости от величины плотности энергии в импульсе, протекают процессы: плавления, перераспределения элементов, кратерообразования, абляции, высокоскоростной кристаллизации из расплава, изменения фазового состава и микроструктуры, формирования остаточных сжимающих напряжений и др.

2. Изучено влияние режимов электронно-лучевой и финишной термической обработок на эксплуатационные свойства лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2. Показано, что, используя обработку сильноточным импульсным электронным пучком на ускорителе «GESA-1» при энергии электронов 115120 кэВ и плотности энергии 42-45 Дж/см2, удается повысить следующие характеристики лопаток: предел выносливости - на 10 %; жаростойкость -более чем в 3 раза.

3. Показано, что сильноточный импульсный электронный пучок микросекундной длительности является высокоэффективным инструментом для контроля адгезии покрытий к подложке и для ремонта лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями. Применение СИЭП позволяет удалять за один импульс поврежденные при эксплуатации поверхностные слои толщиной от 5 мкм до 10 мкм за импульс при плотности энергии 50-55 Дж/см2.

4. Экспериментально доказано, что непосредственно после электроннолучевого удаления с поверхности лопаток 1-й ступени ТВД РДЗЗ поврежденного во время эксплуатации покрытия СДП-2 основные свойства лопаток ухудшаются (возрастает шероховатость поверхности, снижается предел выносливости, формируются остаточные растягивающие напряжения). Для достижения уровня эксплуатационных свойств исходных лопаток, необходимо осуществлять технологический процесс ремонта лопаток в несколько операций: 005 - удаление покрытия (w=50-55 Дж/см2); 010 - выглаживание микрорельефа (w=42-45 Дж/см2); 015 - контроль состояния поверхности; 020 — финишная термообработка для снятия остаточных растягивающих напряжений; 025 - нанесение нового покрытия.

5. На основании результатов усталостных и коррозионных испытаний, а также исследований физико-химического состояния поверхностных слоев серийных и модифицированных электронным пучком лопаток, разработан технологический процесс электронно-лучевой обработки лопаток 1-й ступени ротора ТВД. Принято решение о внедрении разработанной технологии в серийное производство ГТД (двигатели РДЗЗ и РД1700) на ММП им. В. В. Чернышева, после завершения длительных натурных испытаний на технологическом изделии, дополнительных усталостных испытаний и оснащения технологического участка серийным

оборудованием для облучения лопаток (ускорители «ГЕЗА-ММП», изготовленные в НИИЭФА по заказу ММП им. В.В. Чернышева). 6. В результате критического анализа литературных данных, комплексных исследований физико-химического состояния поверхностных слоев изготовленных образцов-свидетелей и лопаток турбины газотурбинных двигателей РДЗЗ и РД1700 из жаропрочных никелевых сплавов (ЖС6У и ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2) и экспериментов по получению покрытий на основе МАХ-фаз установлено, что наиболее перспективным материалом для жаростойкого покрытия на лопатках из никелевых сплавов является МАХ-покрытия на основе TijSiB2, причем в качестве метода нанесения выбрано осаждение в тлеющем разряде. Впервые осаждением в тлеющем разряде с последующим облучением сильноточным импульсным электронным пучком в режиме термообработки получены жаростойкие покрытия на основе системы «титан-кремний-бор» толщиной 30 мкм.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Mechanisms of operating property alterations of EP866sh and EP7I8ID steel blades modified by intense pulsed electron beams/ V.A. Shulov, V.l. Engelko, A.G. Paikin,

A.V. Kraynikov, A.F. Lvov, K.I. Tkachenko // ж. Известия вузов. Физика. - 2006. - №8. Приложение. - с. 248-250.

2. Mechanisms of operating property alterations of a+ß-titanium alloy blades modified by intense pulsed electron beams/ V.A. Shulov, V.l. Engelko, A.G. Paikin, A.V. Kraynikov, A.F. Lvov, A.D. Teryaev, K.I. Tkachenko // ж. Известия вузов. Физика. - 2006. - №8. Приложение. - с. 251-254.

3. Перспективы применения концентрированных импульсных потоков энергии при изготовлении и ремонте деталей машин, ч. 1. Физико-химическое состояние./ А.Б. Белов, A.B. Крайников, А.Ф. Львов, А.Г. Пайкин, В.А. Шулов,

B.И. Энгелько, К.И. Ткаченко, Г.Е. Ремнев.// ж. Двигатель, 2006, №1(43), с. 6-8.

4. Перспективы применения концентрированных импульсных потоков энергии при изготовлении и ремонте деталей машин, ч. 2. Свойства./ А.Б. Белов, A.B. Крайников, А.Ф. Львов, А.Г. Пайкин, В.А. Шулов, В.И. Энгелько, К.И. Ткаченко, Г.Е. Ремнев.// ж. Двигатель, 2006, №2(44), с. 8-11.

5. Кратерообразование на поверхности деталей из жаропрочной стали 15Х16К5Н2МВФАВ-Ш при облучении сильноточными импульсными электронными пучками /В. А. Шулов, А. Г. Пайкин, А.Ф. Львов, В.И. Энгелько, К.И. Ткаченко, A.B. Крайников, А.Д. Теряев // ж. Упрочняющие технологии и покрытия, 2006, №10, с. 9-15.

6. А.Г. Пайкин, В.А. Шулов A.B. Крайников, А.Ф. Львов, А.Д. Теряев, В.И. Энгелько, Г.Е. Ремнев Перспективные технологии обработки поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ГТД из титановых сплавов с применением мощных ионных и сильноточных электронных пучков. // Материалы международной конференции Ti-2006 в СНГ, 2006, Суздаль, 21-23 мая, 190205.

7. Кратерообразование на поверхности деталей из титановых сплавов при облучении сильноточными импульсными электронными пучками /В. А.

Шулов, А. Г. Панкин, А.Ф. Львов, В.И. Энгелько, К.И. Ткаченко, A.B. Крайников, А.Д. Теряев, Д.А. Теряев // ж. Упрочняющие технологии и покрытия, 2007, №1, с. 19-25.

8. Электронно-лучевые технологии обработки поверхностей деталей ГТД / Белов А.Б., Крайников A.B., Львов А.Ф., Пайкин А.Г., Теряев А.Д., Шулов В.А.// Материалы 13 Международной конференции «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Москва-2007, МАИ, с. 39-40.

9. Структурные изменения в поверхностных слоях деталей из титановых сплавов ВТ6 и ВТ9 при облучении импульсными электронными пучками / А.Г. Пайкин, А.Д. Теряев, В.А. Шулов, A.B. Крайников, В.И. Энгелько, К.И. Ткаченко, Г.А. Вязьменова // Материалы 7 Мевдун. конф. по взаимодействию излучений с твердым телом, Минск, 2007, с. 146-148.

10. Модификация сильноточными импульсными электронными пучками жаростойкого вакуумно-дугового покрытия NiCrAlY, нанесенного на поверхность лопаток из никелевого сплава ЖС26НК/ A.B. Крайников, А.Г. Пайкин, В.А. Шулов, O.A. Быценко, В.И. Энгелько, К.И. Ткаченко// Материалы 7 Междун. конф. по взаимодействию излучений с твердым телом, Минск, 2007, с. 197-199.

11. Нанесение эрозионно-стойких нанопокрытий TiSiB, содержащих МАХ-фазу, на поверхность деталей из сплава TÍ6A14V вакуумно-плазмснным методом с сепарацией плазмы от капельной фракции/ A.B. Крайников, А.Г. Пайкин, В.А. Шулов, O.A. Быценко, В.М. Горохов // Материалы 7 Междун. конф. по взаимодействию излучений с твердым телом, Минск, 2007, с. 262-264.

12.А.Г. Пайкин, В.А. Шулов A.B. Крайников, А.Д. Теряев, В.И. Энгелько, Г.Е. Ремнев Перспективные технологии обработки поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ГТД из титановых сплавов с применением мощных ионных и сильноточных электронных пучков. // Физика и химия обработки материалов, 2007, №3, с. 44-55.

13. Технологические основы модифицирования поверхности деталей из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойким NiCrAlY покрытием с применением сильноточных импульсных электронных пучков /А.Г.Пайкин, А.В.Крайников, В.А.Шулов, О.А.Быценко, В.И.Энгелько, К.И.Ткаченко, А.В.Чикиряка // Физика и химия обработки материалов, 2008, №3, с. 56-60.

14. Modification of Refractory Arc -Vacuum NiCrAlY Coatings Deposited on the Surface of Nickel-Base Alloy Blades with Intense Pulsed Electron Beams / A.V. Krainikov, A. G. Paykin, V. A. Shulov, O. A. Bytzenko, V. 1. Engelko, K.l. Tkachenko// Материалы 9 Межд. конф. «Модификация материалов пучками заряженных частиц и плазменными потоками». Томск, 2008. с. 475-477.

Типография МПП имени В В. Чернышева 100 экз исп. Крайников А В.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Крайников, Александр Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ.

1. МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

ИМПУЛЬСНЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ (литературный обзор).

1. 1. Теоретические основы взаимодействия импульсных электронных пучков с поверхностью металлических деталей.

1. 2. Влияние облучения на химический состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев металлических деталей.

1.3. Влияние облучения на эксплуатационные свойства деталей машин.

1.4. Технологии изготовления и ремонта лопаток ТВД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОБЛУЧЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ

ПОВЕРХНОСТИ И ИСПЫТАНИЙ ЛОПАТОК ТВД.

2. 1. Материалы, образцы и детали для исследования.

2. 2. Оборудование для исследования.

2. 3. Оборудование для электронно-лучевой обработки и методики облучения.

2. 4. Методики исследования состояния поверхностных слоев облучаемых мишеней.

2. 5. Методики определения эксплуатационных свойств лопаток турбины.

3. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭЛЕМЕНТНЫЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЛОПАТОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ

НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ С ЖАРОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ.

3.1. Исследование влияния режимов облучения на перераспределение элементов и изменений фазового состава в поверхностных слоях лопаток.

3. 2. Выбор оптимальных режимов облучения.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ОБЛУЧЕНИЯ НА СТРУКТУРУ

ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЛОПАТОК.

4. 1. Структурные изменения в поверхностных слоях образцов.

4. 2. Структурные изменения в поверхностных слоях деталей из сплавов ЖС6У и ЖС26НК.

4. 3. Выбор оптимальных режимов облучения по результатам структурных исследований.•.

5. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОБЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ЛОПАТОК ТВД.

5. 1. Усталостная прочность.

5.2. Жаростойкость.

5.3. Адгезия вакуумно-дугового покрытия СДП2 на лопатках ТВД.

5.4. Методики испытаний облученных и серийных лопаток на технологическом изделии.

5. 5. Разработка технологических карт процессов электронно-лучевой обработки лопаток

6. МАХ-МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ.

6.1. Получение, свойства и перспективы использования МАХ-материалов.

6.2. Получение компактных МАХ-материалов системы ТьБьВ методом СВСсинтеза.

6.2. Получение и свойства жаростойких покрытий на основе МАХ-материалов системы

П-БьВ.

ВЫВОДЫ.

Введение 2008 год, диссертация по авиационной и ракетно-космической технике, Крайников, Александр Вячеславович

Актуальность проблемы.

Повышение уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей и узлов проточной части турбины ГТД, изготавливаемых из жаропрочных материалов, является наиболее важной задачей авиационного двигателестроения [1]. Решение этой задачи осуществляется с использованием нескольких подходов: разработка перспективных поликристаллических и монокристаллических сплавов; модернизация способов изготовления, формования и обработки изделий и заготовок; развитие новых методов поверхностной обработки деталей и нанесения на их поверхность различных защитных покрытий, в том числе покрытий из наноматериалов [1]. Разработка новых жаропрочных материалов, обеспечивающих современным требованиям конструкторов авиационных двигателей к наиболее нагруженным деталям, прежде всего к лопаткам и дискам проточной части турбины, является важнейшей задачей авиационного материаловедения. Для успешного решения этой задачи в течение 5-7 последних лет во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) был создан задел в области разработки материалов для ГТД пятого и шестого поколения [2]. Здесь уместно отметить некорректность упоминания о двигателе пятого поколения, поскольку этот термин возник в приложении к созданию самолета (правильнее, истребителя), причем не предполагалось кардинального изменения ни конструкции, ни технологии производства двигателя [3]. Другое дело истребитель шестого поколения, для которого сформулированы качественно отличные требования к двигателю, а именно: снижение веса изделия при повышении рабочей температуры, прочностных и коррозионных характеристик его основных компонентов. В этой связи ВИАМом предлагается ряд никелевых сплавов с содержанием рения до 9 масс. %, а также материалы на основе интерметаллидов >11зА1, ТлзЛ1 и Т1А1, причем делается заключение о рекордных характеристиках длительной прочности этих материалов и высокой перспективности их применения, что связано с «разработанной технологией выплавки этих сплавов, обеспечивающей», как указано в [1], «ультравысокую чистоту по вредным примесям и газам, комплексное рафинирование редкоземельными металлами, обеспечение узких пределов химического состава». Даже не обращая внимания на неправомочность использования таких терминов как «ультравысокая чистота» (хорошо известно, что содержание примесей в высокочистых металлах не должно превышать Ю^-Ю"5 масс.%, а 7 содержание основных лимитируемых примесей должно находиться на уровне 10" -10" 4 масс.%, что конечно же не достигается при реализации разработанной в ВИАМе технологии высокоградиентной кристаллизации) и «рафинирование редкоземельными металлами» (термин рафинирование относится к очистке, а не к легированию), можно констатировать, что предлагаемые в [3] материалы не удовлетворяют требованиям авиадвигателестроения ни по эксплуатационным свойствам, ни по стоимости, ни по удельной массе. Последнее позволяет сделать вывод о необходимости создания принципиально новых материалов для авиационного двигателестроения в кратчайшие сроки.

Еще одной из актуальных задач авиационного двигателестроения является развитие наиболее прогрессивных методов инженерии поверхности деталей, изготовленных из жаропрочных сплавов, особенно из жаропрочных никелевых сплавов типа ЖСбУ, ЖС26НК и ЖС32ВИ. Среди таких методов можно выделить, прежде всего, нанесение гальванических покрытий, химико-термическую обработку (альфирование, азотирование, гидрирование и др.), детонационное упрочнение, плазменное нанесение покрытий, вакуумно-плазменную технологию высоких энергий, электроискровой метод, анодирование, гидродробеструйную обработку, лазерную обработку, виброгалтовку, ультразвуковое упрочнение, микродуговое оксидирование и др. Обработка поверхности деталей из никелевых сплавов пучками заряженных частиц (ионная имплантация, обработка мощными ионными пучками, обработка сильноточными импульсными электронными пучками) занимает особое место. Это обусловлено возможностью модифицировать поверхностные слои без изменения физико-химического состояния материалов в объеме детали, причем методика модификации материала в поверхностных слоях толщиной от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров происходит в результате взаимодействия высокоэнергетических ионов и электронов с мишенью на уровне элементарных частиц, что позволяет конструировать уникальное состояние материала на нанометровом уровне. Кроме того, обработка поверхности деталей из жаропрочных никелевых сплавов пучками заряженных частиц позволяет решить многие проблемы, связанные с «технологической наследственностью» при реализации различных операций технологического процесса изготовления этих деталей, что особо подчеркивается в публикациях, одного из ведущих специалистов ЦИАМ, ПетуховаА.Н. [4].

Эффективность использования ионной имплантации и обработки мощными ионными импульсными пучками уже была доказана результатами работ [5-12] для деталей авиационной техники из сталей и жаропрочных титановых сплавов, а облучение сильноточными импульсными электронными пучками (СИЭП) - для лопаток компрессора КВД из жаропрочных сталей ферритного и аустенитного классов ЭП866ш и ЭП718ИД, работами А.Г. Пайкина [13-16], и для лопаток компрессора КВД из титановых сплавов ВТ6, ВТ8 и ВТ9 - публикациями А.Б. Белова [17-19]. В то же время исследований, направленных на модификацию свойств деталей из жаропрочных никелевых сплавов с помощью СИЭП, до сих пор практически проведено не было, за исключением работ Ю.Д. Ягодкина [20-22], выполненных на модельных образцах из сплавов ЖС6У и ЖС26НК, подвергнутых облучению на ускорителе ИСЭ (Институт Сильноточной Электроники СО РАН, г. Томск) низкоэнергетическим электронным пучком (Е=10-30 кэВ) [23]. В этих публикациях приведены данные о возможности, посредством обработки поверхности мишеней из жаропрочных никелевых сплавов СИЭП, повышения таких эксплуатационных свойств, как жаростойкость и усталостная прочность в результате плавления и высокоскоростной перекристаллизации материала поверхностных слоев толщиной несколько микрометров. Однако, были выявлены и негативные последствия обработки СИЭП: формирование поверхностных микродефектов, имеющих форму кратеров и являющихся концентраторами напряжений при усталостном нагружении.

К недостаткам обработки СИЭП, по данным работ [17-22], можно отнести неоднородность фиксируемого физико-химического состояния материала в различных макроточках облученной части мишени, что связано с аппаратурными характеристиками, заложенными при проектировании и создании ускорителей ИСЭ. Относительно низкие однородность распределения энергии по сечению пучка и воспроизводимость величин средних плотностей энергии от импульса к импульсу, а также достаточно широкий спектр энергий электронов в пучке, наряду с неоднородностью физико-химического состояния материала поверхностных слоев исходных мишеней, приводило к формированию кратеров [20-22]. Кроме того, толщины модифицированных поверхностных слоев деталей из жаропрочных титановых сплавов после облучения СИЭП на ускорителе ИСЭ не превышают нескольких микрометров, что является недостаточным для лопаток ТВД с 50-микронным жаростойким покрытием. Большой научный интерес и практическую значимость представляют ускорители СИЭП, разработанные в НИИЭФА имени Д.В. Ефремова (г. Санкт-Петербург), «GESA-1» и «GESA-2» [23-25], которые характеризуются высокими однородностью распределения плотности энергии по сечению пучка (до 10 %) и воспроизводимостью величин средних плотностей энергии от импульса к импульсу. Толщины модифицированных поверхностных слоев при использовании ускорителей «GESA-1» и «GESA-2» достигают 20-30 мкм, что было показано в работах А.Г. Пайкина и А.Б. Белова для лопаток из сталей и титановых сплавов.

В этой связи целью настоящей диссертации являлась разработка основ технологических процессов электронно-лучевой модификации поверхности и ремонта лопаток турбины ГТД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями, внедрение разработанных технологических процессов в серийное производство, а также выбор наиболее перспективных материалов, которые могут стать базовыми при проектировании двигателей для истребителей 6-го поколения.

Таким образом, актуальность данной работы в научном плане определяется необходимостью создания новых жаропрочных материалов с низкой удельной массой, способных эксплуатироваться длительное время при высоких температурах (1400-1500 °С) и высоких постоянных и знакопеременных нагрузках, а также получения экспериментальных результатов о влиянии режимов облучения сильноточными импульсными электронными пучками на физико-химическое состояние поверхности и рабочие характеристики деталей из жаропрочных никелевых сплавов, эксплуатируемых в составе ГТД, а с практической точки зрения - возможностью, уже в ближайшем будущем, внедрить некоторые электронно-лучевые техпроцессы в серийное производство.

Для достижения этой цели было необходимо решить ряд задач методического и практического плана: (1) разработка методики исследования физико-химического состояния поверхностных слоев лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, основанной на применении таких методов, как: электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), рентгеноструктурный анализ, (РСА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), экзоэлектронная эмиссия (ЭЭЭ), рентгеновский микроанализ (РМА), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), оптическая металлография в поляризованном свете, измерение шероховатости поверхности (Ra) и др.; (2) разработка методики выбора режимов облучения СИЭП по результатам расчетов температурных полей и полей напряжений в поверхностных слоях мишеней в зависимости от времени и по результатам термодинамического и газодинамического анализа процессов, протекающих в поверхностном слое при таком воздействии на поверхность деталей из никелевых сплавов; (3) оценка оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК; (4) определение кинетики абляции материала с поверхности облучаемых СИЭП лопаток с жаростойким вакуумно-плазменным покрытием СДП-2 (№СгА1У); (5) обоснование режимов сравнительных натурных испытаний серийных и обработанных электронным пучком лопаток из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием в составе двигателя РДЗЗ; (б) обобщение расчетных и экспериментальных данных, полученных на стадиях исследования и подготовки к натурным испытаниям; (7) создание технологических карт процессов электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток турбины из сплава ЖС26НК; (8) составление технического задания на проектирование и разработка технической документации для изготовления электронных ускорителей для серийного производства; (9) анализ и обобщение литературных данных о наиболее перспективных жаропрочных материалах на основе МАХ-фаз; (10) проведение экспериментальных исследований, направленных на получение и определение свойств объемных заготовок для изготовления лопаток и покрытий на основе МАХ-фаз системы N1-81-8. Научная новизна работы.

Достижение сформулированной цели, в соответствии с общим планом исследований, практически полностью отражает научную новизну полученных в диссертации данных. Впервые не только доказана высокая эффективность использования сильноточных электронных пучков с энергией 100-120 кэВ для модификации свойств и ремонта лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов, но и разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта этих деталей двигателя РДЗЗ.

Эта часть работы является одной из важнейших составляющих проблемы создания высокоинтенсивных технологий электронно-лучевой импульсной обработки деталей широкой номенклатуры.

Разработанные технологии электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток КВД из никелевых сплавов не имеют аналогов в авиационном двигателестроении и составляют основу для создания перспективных технологий изготовления двигателей для истребителей новых поколений.

На защиту выносятся:

1. Методика выбора оптимальных режимов, позволяющая построить профили распределения температуры и напряжений по глубине мишени в зависимости от времени и определить те режимы облучения электронным пучком (при микросекундной длительности импульса, т>10 \хс, и высоких энергиях, Е>100 кэВ), когда достигаются плавление, испарение, плазмообразование, разложение и формирование различных фаз в поверхностных слоях деталей из жаропрочных никелевых сплавов, на основании основных положений химической термодинамики и гидродинамики.

3. Результаты исследования влияния режимов электронно-лучевой обработки на ускорителях "ОЕ8А-2" и "СЕБА-Г' (энергия электронов Е=115-150 кэВ; длительность импульса т=15-40 цс; плотность энергии в импульсе \У=15-90 Дж/см2; число импульсов п=1-10 имп) на физико-химическое состояние материала в приповерхностных областях лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК (химический состав, фазовый состав, структурные характеристики, остаточные напряжения и шероховатость поверхности).

8. Результаты исследования, полученных методом СВС-синтеза, заготовок на основе МАХ-фаз системы титан-кремний-бор.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследования.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований обоснованы рекомендации, обеспечивающие разработку и внедрение новых технологических процессов модификации поверхности и ремонта деталей широкой номенклатуры из жаропрочных никелевых сплавов с применением сильноточных импульсных электронных пучков.

Разработаны экологически чистые опытно-промышленные технологии электроннолучевой обработки и ремонта лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК, позволяющие заменить некоторые виды высокоточной механической и химической обработок, существенно повысить ресурс и надежность эксплуатации этих деталей в составе двигателя РДЗЗ.

По результатам длительных натурных испытаний на технологическом изделии, будет принято решение о возможной корректировке оптимальных режимов электроннолучевой и финишной термической обработок и реализации внедрения электроннолучевых технологий в серийное производство (ММП им. В. В. Чернышева) после оснащения технологического участка ускорителями "ГЕЗА-ММП" для реализации процесса облучения.

Методика выбора режимов электронно-лучевой обработки использовалась при реализации программы исследований по проекту МНТЦ в 2005 и 2007 гг. (проект №97598.2), по проекту №2.1.2-8700 «Разработка основ технологических процессов нанесения коррозионно-эрозионно-стойких макс-покрытий на поверхность деталей из титановых сплавов с помощью сильноточных импульсных ионных и электронных пучков» аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы) на 2006-2007 г,г.

Личный вклад автора

Автор разработал: технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток турбины из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2; модель выбора оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток ГТД на основе построения профилей температурных полей и полей напряжений, а также определения остаточных напряжений; методику проведения длительных испытаний облученных лопаток турбины ГТД РДЗЗ. Автор научно обосновал эффект перераспределения легирующих элементов в поверхностных слоях покрытий на лопатках из жаропрочных никелевых сплавов при их облучении сильноточным импульсным пучком. Все натурные испытания серийных и облученных лопаток, а также методика их последующих исследований на ММП им. В.В. Чернышева были спланированы и выполнены непосредственно автором диссертации. Непосредственно по инициативе автора были начаты и спланированы работы по получению и определению свойств МАХ-материалов. Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: Международная конференция «Титан в СНГ» в 2006 г. (г. Суздаль), 8-я и 9-я Международные конференции по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками в 2006 и 2008 гг. (г. Томск, Россия), 13-й Международный Симпозиум имени А.Г. Горшкова «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» в 2007 г. (г. Ярополец Московской области), 7-я Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» в 2007 г. (г. Минск, Беларусь), 15-th International Conference on Surface modification of materials by ion beams (Mumbai,India) в 2007 г. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ из них 8 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Заключение диссертация на тему "Разработка технологии модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ТВД из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями с применением сильноточных импульсных электронных пучков"

выводы

1. Экспериментально показано, что с помощью облучения сильноточным импульсным электронным пучком микросекундной длительности удается модифицировать 20-25-микронные поверхностные слои лопаток из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями СДП-2. Установлено, что при облучении в поверхностных слоях лопаток, в зависимости от величины плотности энергии в импульсе, протекают процессы: плавления, перераспределения элементов, кратерообразования, абляции, высокоскоростной кристаллизации из расплава, изменения фазового состава и микроструктуры, формирования остаточных сжимающих напряжений и др.

2. Изучено влияние режимов электронно-лучевой и финишной термической обработок на эксплуатационные свойства лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2. Показано, что, используя обработку сильноточным импульсным электронным пучком на ускорителе «GESA-1» при энергии электронов 115-120 кэВ и плотности энергии 42-45 Дж/см , удается повысить следующие характеристики лопаток: предел выносливости - на 10 %; жаростойкость - более чем в 3 раза.

4. Экспериментально доказано, что после электронно-лучевого удаления с поверхности лопаток 1-й ступени ТВД РДЗЗ поврежденного во время эксплуатации покрытия СДП-2 основные свойства лопаток ухудшаются (возрастает шероховатость поверхности, снижается предел выносливости, формируются остаточные растягивающие напряжения). Для достижения уровня эксплуатационных свойств исходных лопаток, необходимо осуществлять технологический процесс ремонта лопаток в несколько операций: 005 - удаление покрытия; 010 - выглаживание микрорельефа; 015 - контроль состояния поверхности; 020 - финишная термообработка для снятия остаточных растягивающих напряжений; 025 - нанесение нового покрытия.

131 процесс электронно-лучевой обработки лопаток 1-й ступени ротора ТВ Д. Принято решение о внедрении разработанной технологии в серийное производство ГТД (двигатели РДЗЗ и РД1700) на ММП им. В. В. Чернышева, после завершения длительных натурных испытаний на технологическом изделии, дополнительных усталостных испытаний и оснащения технологического участка серийным оборудованием для облучения лопаток (ускорители «ГЕЗА-ММП»).

6. В результате критического анализа литературных данных, комплексных исследований физико-химического состояния поверхностных слоев изготовленных образцов-свидетелей и лопаток турбины газотурбинных двигателей РДЗЗ и РД1700 из жаропрочных никелевых сплавов (ЖС6У и ЖС26НК с жаростойким покрытием СДП-2) и экспериментов по получению покрытий на основе МАХ-фаз было установлено, что наиболее перспективным материалом для жаростойкого покрытия на лопатках из никелевых сплавов является МАХ-покрытия на основе Т1з81Вг, причем в качестве метода нанесения выбрано осаждение в тлеющем разряде. Впервые осаждением в тлеющем разряде с последующим облучением сильноточным импульсным электронным пучком в режиме термообработки получены жаростойкие покрытия на основе системы «титан-кремний-бор» толщиной 30 мкм. В качестве метода подготовки к нанесению МАХ-покрытий рекомендовано использовать обработку сильноточным импульсным электронным пучком.

Библиография Крайников, Александр Вячеславович, диссертация по теме Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

1. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) // М.: МИСиС, 2001. 632 с.

2. Щербаков А. К вопросу об истребителе пятого поколения //ж.Крылья Родины,2. 2006. с. 6-8.

3. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1993. 240 с.

4. Львов А.Ф., Шулов В.А., Ночовная Н.А., Ремнев Г.Е. Влияние кратерообразования на усталостную прочность и коррозионную стойкость жаропрочных материалов облученных мощным ионным пучком // ж. ФиХОМ, 2001. №4. - с . 40-45.

5. Исследование состояния поверхности обработанных мощным ионным пучком лопаток компрессора ГТД из сплава ВТ9 после эксплуатационных испытаний на технологическом двигателе / А. Н. Напольнов, А. Ф. Львов, В. А. Шулов и др.// Титан, 1995. -№1-2. с. 30-34.

6. Remnev G. E. and Shulov V. A. Application of high power ion beams for technology // Laser and Particle Beams, 1993. v. 11, N4. p. 707-731.

7. High-power ion beam treatment application for properties modification of refractory alloys // V. A. Shulov etc. // Surface and Coatings Technology. 1997. №99. p. 74-81.

8. Использование сильноточных импульсных электронных пучков для модификации свойств лопаток ГТД / А.Г. Пайкин, А.Ф. Львов, В.А. Шулов, Н.А. Ночовная, В. А. Энгелько // ж. Проблемы машиностроения и автоматизации, 2003, №3, с. 41-49.

9. Пайкин А.Г. Разработка высокоинтенсивной технологии поверхностной модификации лопаток КВД из жаропрочных сталей типа ЭП866ш с применением сильноточных импульсных электронных пучков // Диссертация на соискание уч. ст. к.т.н., МАИ, 2003. 103 с.

10. Белов А.Б. Разработка технологии модификации поверхности лопаток КВД из а+(3-титановых сплавов с примененим сильноточных импульсных электронных пучков // Диссертация на соискание уч. ст. к.т.н., МАИ, 2006. 138 с.

11. Ягодкин Ю. Д. , Пастухов К. М. , Сулима А. М. Влияние облучения мощным электронным пучком на топографию поверхности и физико-химическое состояние поверхностного слоя жаропрочных сплавов // Фи ХОМ, 1995. №5. с. 111-119.

12. Ягодкин Ю.Д. Разработка технологических основ процессов обработки деталей ГТД с применением ионных и электронных пучков // Диссертация на соискание уч. ст. д.т.н., МАИ, 1995. 248 с.

13. Озур Г. Е. , Проскуровский Д. И. Формирование субмикросекундных низкоэнергетичных сильноточных электронных пучков в пушке с плазменным катодом // Письма в ЖТФ, 1988. т. 14, №5. с. 413-416.

14. Pulsed electron beam facility GESA for surface treatment of materials / G. Mueller, G. Schumacher, D. Strauss etc. // Proceedings of the Inter. Conf. "BEAMS-96", Prague, 1996. v. 1 p. 267-271.

15. Engelko V., Yatsenko В., Mueller G., Bluhm H. GESA-1 and GESA-2 accelerators of intense pulsed electron beams // J. Vacuum, 2001, v. 62, p. 211-214.

16. Стародубцев С. В. , Романов A. M. Прохождение заряженных частиц через вещество. Ташкент: АН Уз. ССР, 1962. 227 с.

17. Каганов М. И. , Лифшиц И. М. , Танатаров Л. В. Релаксация между электронами и решеткой // ЖЭТФ, 1956. т. 31, №2. с. 232-237.

18. Матвеев А. Н. Атомная физика. М. : Высшая школа. 1989. 440 с.

19. Шиллер 3. , Гайзич У. , Панцер 3. Электронно-лучевая технология. М. : Энергия, 1980. 528 с.

20. Инжекционная газовая электроника. / Бычков Ю. И., Королев Ю. Д., Месяц Г. А. и др. // Новосибирск: Наука, 1982. 240 с.

21. Аброян И. А. , Андронов А. К. , Титов А. И. Физические основы электронной и ионной технологии. М. : Высшая школа, 1984. 320 с.

22. Бронштейн И. М. , Фрайман В. С. Вторичная электронная эмиссия. М. : Наука, 1969. 407 с.

23. Слэтер Дж. Действие излучения на материалы // УФН, 1952. т. 47, №1. с. 51-94.

24. Д. Беспалов В. И. Расчеты методом Монте-Карло характеристик полей электронов и квантов в однородных и неоднородных поглотителях // Депн. ВИНИТИ, 1980. №3707-80. 62 с.

25. Ковальский Г. А. Эмиссионная электроника. М. : Наука, 1977, 112 с.

26. Бугаев С. П. , Крейндель Ю. Е. , Щанин П. М. Электронные пучки большого сечения. М. : Энергоатомиздат, 1984. 112 с.

27. Перспективные технологии поверхностной обработки при изготовлении и ремонте лопаток ГТД / А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Ф. Львов, В.А. Шулов // ж. Двигатель, 2004, №2(32), с. 18-19.

28. А.Б. Белов, А.Г. Пайкин, A.C. Новиков, А.Ф. Львов, В.А. Шулов, В.И. Энгелько Способ восстановления эксплуатационных свойств деталей машин. Патент на изобретение №2281194 от 10 августа 2006 г. RU 2281194 С1. 3 с.

29. Sunderarajan G. and Shewmon P. A new model for the erosion of metals at normal incidence // J. Wear, v. 84. 1983. p. 237-244.

30. Урбанович М.И., Крамченков E.M., Чуносов Ю.Н. Газоабразивная эрозия металлов и сплавов // Трение и износ, т. 15, №3. с. 389-392.

31. Милосердов И. В. , Птишков В. Ф. , Подколзин В. Г. Проблемы и пути развития и внедрения в отрасли новых технологий получения упрочняющих покрытий // Доклады координационного совета НИАТ, 1990. с. 17-19.

32. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур. Справочник в 2-х томах. М.: Металлургия, 1991. 831 с.

33. Nicholls, Advances in coating design for high performance gas turbines, MRS Bulletin, 28 (2003) p. 659-570.

34. Kaischew R. On the history of the creation of the molecular-kinetic theory of crystal growth//J. Crystal Growth, 1983. v. 51. p. 643-649.

35. Крапивка H.A. Получение высокочистых монокристаллов хрома осаждением из газовой фазы // Диссертация на соискание уч. ст. к.т.н., МИФИ, 1980. 127 с.

36. Шалин P.E., Светлов И.Л., Качанов Е.Б. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение. 1997. 336 с.

37. Каблов E.H., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов. М.: Машиностроение. 1998. 464 с.

38. Голубовский Е.Р., Светлов И.Л. Температурно-временная зависимость анизотропии длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов // Проблемы прочности, 2002. №2. с. 5-19.

39. Мрочек Ж.А., Эйзнер Б.А., Ивашнева В.И. Жаростойкие неорганические покрытия. Л.: Наука. 1990. с. 173-176.

40. Мрочек Ж.А., Эйзнер Б.А., Иванов И.А. Получение покрытий NiCrAlY вакуумно-дуговым методом // ЭОМ. 1989. №6. с. 13-16.

41. Мубояджан А. А. , Помелов Я. А. , Будиновский С. А. Авиационная техника и наука. Авиационные материалы. Жаростойкие покрытия для лопаток газовых турбин. М.: ВИАМ ОНТИ, 1988. с. 95-99.

42. Мубояджан А. А. , Помелов Я. А. , Будиновский С. А. Обработка поверхности жаропрочных сплавов в плазме вакуумного дугового разряда // Материалы 6-ой

43. Международной конференции по модификации материалов пучками заряженных частиц и плазменными потоками. Томск, 23-28 сентября 2002, с. 561-563.

44. Каблов Е.Н., Мубояджан А. А. Перспективы применения в двигателестроении ионной технологии // Авиационная промышленность. 1992. №9. с. 9-12.

45. Сулима A.M., Носков А.А., Серебренников Г.З. Основы технологии производства газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1996. 480 с.

46. Ягодкин Ю. Д. Ионно-лучевая обработка металлов и сплавов. М.: ВИНИТИ, 1989. т. 5. с. 5-86.

47. Кинетика испарения и абляции при облучении мощными ионными пучками изделий из жаропрочных сплавов с защитными покрытиями / В.А. Шулов, Н.А. Ночовная, Г.Е. Ремнев, А.Ф. Львов // ж. ФиХОМ, 2003. №1. с. 22-27.

48. Захаров М.В., Захаров A.M. Жаропрочные сплавы. М.: Металлургия, 1969. 245 с.

49. Бриггс Д., Сих M. П. Анализ поверхности методами Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. М. : МИР, 1987. 598 с.

50. Горелик В. А., Протопопов О. Д. Количественная Оже-спектроскопия // Обзоры по электронной технике. Серия 7. М.: ЦНИИ Электроника, 1978. в. 18. с. 1-50.

51. Furman Е. Composition analysis of some metal alloys using auger electron spectroscopy // J. Material Science, 1982. v. 17. - p. 575-579.

52. Шулепов И.А. Разработка и применение комплекса атомно- и ядерно-физических методов для исследования модифицированных слоев материалов / Автореферат диссертации на соискание уч. ст. к.ф-м.н., Томск. ТПУ: 2004. 20 с.

53. Ягодкин Ю.Д. Рентгенографическое исследование структуры поверхностного слоя материалов методом скользящего отраженного пучка // Заводская лаборатория, 1989. т. 55, №2. с. 72-73.

54. Русаков А. А. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977. 480 с.

55. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов AJI., Расторгуев JI.H. М.: Металлургия, 1982. 631 с.

56. Perlovich Yu., Bunge HJ., Isaenkova M. Inhomogeneous distribution of residual deformation effects in textured BCC metals. Textures and Microstructures. 1997. v. 29. p. 241-266.

57. Исследование коррозионных процессов методом фото-стимулированной экзоэмиссии / В.А. Шулов, В.В. Шорин, A.M. Сулима и др.// Тезисы докладов 20-й Всес. конф. по эмиссионной электронике . Киев: ИФ АН УССР. 1987. с. 208-209.

58. Методы исследования состояния поверхностного слоя деталей двигателей летательных аппаратов \ Ю.Д. Ягодкин, М.В. Зверев, В.В. Шорин, В.А. Шулов // Учебное пособие. М.: МАИ, 1987. 87 с.

59. Дислокационные структуры приповерхностных слоев чистых металлов после ионной имплантации / А.Н. Диденко, Э.В. Козлов, Ю.П. Шаркеев и др. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1989. №3. с. 120-131.

60. Проблемы формирования твердых растворов и интерметаллидных фаз системы алюминий — никель при высокоинтенсивной ионной имплантации / Э.В. Козлов, А.И. Рябчиков, Ю.П. Шаркеев // Известия академии наук. Серия физическая. 2003, №3. с. 166-167.

61. The mechanisms of the long range effect in metals and alloys by ion implantation / Y.P. Sharkeev, E.V. Kozlov, A.N. Didenko etc.// J. Surface & coatings technology 1996. N 83. p. 15-21.

62. Школьник Л.М. Методы усталостных испытаний. M.: Металлургия, 1978. 300 с.

63. Сулима А. М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М. : Машиностроение, 1988. 240 с.

64. Evans W. J. Optimising mechanical properties in a+p-titanium alloys. //Thermomechanical processing of and metallurgy of titanium alloys. 7-11 July 1997. Wollongong, Australia, p. 89-96.

65. Жуков Н.Д. Некоторые особенности сопротивления усталости литейных жаропрочных сплавов //Проблемы прочности. 1978.№7. с. 25-30.

66. Shulov V.A. and Nochovnaya N.A. Fatigue strength of refractory alloys modified by ion beams, J. Surf. Coat. Tech. 158-159. 2002. p.33-41.

67. Иванова B.C., Шанявский A.A. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. Челябинск: Металлургия, 1988. 397 с.

68. Балтер М.А. Фрактография средство диагностики разрушенных деталей М.: Машиностроение, 1987.158 с.

69. Белов А.Б., Крайников А.В., Львов А.Ф., Пайкин А.Г., Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Энгелько В.И., Ткаченко К.И. . Перспективы применения КИПЭ для изготовления и ремонта деталей машин. Часть 1 // ж. Двигатель, №1(43), 2006. с. 6-8.

70. Белов А.Б., Крайников А.В., Львов А.Ф., Пайкин А.Г., Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Энгелько В.И., Ткаченко К.И. . Перспективы применения КИПЭ для изготовления и ремонта деталей машин. Часть 2 // ж. Двигатель, №2(44), 2006. с. 8-11.

71. Crater formation on the surface of refractory alloys during high-power ion-beam processing / V.A. Shulov, A.S. Novikov, A.G. Paikin, A.I. Ryabchikov.// J. Surface and Coatings Technology, 2007. №201. p. 8654-8658.

72. Erosion resistance of refractory alloys modified by ion beams / V.A. Shulov, A.S. Novikov, A.G. Paikin, A.B. Belov, A.F. Lvov, G.E. Remnev.// J. Surface and Coatings Technology, 2007. №201. p. 8105-8111.

73. Использование сильноточных импульсных электронных пучков для модификации свойств лопаток ГТД / А.Г. Пайкин, В.А. Шулов, Н.А. Ночовная, В.И. Энгелько, А.Ф. Львов // ж. Проблемы машиностроения и автоматизации, 2003, №3, с. 41-49.

74. Григорьев С.Н., Метель А.С. Осаждение упрочняющих покрытий с помощью универсальных источников ускоренных частиц и металлического пара // Упрочняющие технологии и покрытия, 9 2005. с. 36-40.

75. Экспериментальная механика под редакцией Кобаяси А. М.: Мир, 1990. 616 с.

76. Barsoum.M. The Mn+iAXn phases: a new class of solids // Prog.Solid St.Chem.28.2000.p.201 -281.

77. Barsoum M.W. and Radovic M. Mechanical properties of the MAX phases // Encyclopedia of Materials: Science and Technology. ISBN: 0-08-043152-6. p. 1-16.

78. Farbcr L., Levin I., Barsoum M.W, El-Raghy Т., Tzenov Т. High-resolution transmission electron microscopy of some Tin+iAXn compounds (n=l, 2; A-Al; X-C or N) // J. of Applied Physics. 86 (5). 1999. p. 2540-2543.

79. Barsoum M.W, El-Raghy T. The MAX phases: unique new carbide and nitride materials //The scientific research society. American scientist. 89. July-August 2001. p. 334-343.

80. Stoltz S.E., Starnberg H.I., M.W. Barsoum M.W. Core level and Ti3SiC2 by high resolution photoelectron spectroscopy // J. Physics and Chemistry of Solids. 64. 2003. p. 2321-2328.

81. Barsoum M.W, El-Raghy T. Processing and characterization of Ti2AlC, Ti2AlN2, Ti2AlC0>5N0'5 //J. Metallurgical and materials transactions, 31 A. 2000. p. 1857-1865.

82. Procopio A.T., Barsoum M.W, El-Raghy T. Synthesis of Ti4SiC3 and phase equilibria in the TiAIN system // J. Metallurgical and materials transactions, 31 A. 2000. p. 373-378.

83. Murugaiah A., Souchet A., Barsoum M.W, El-Raghy T., Radovic M., Sundberg M. Tape casting, pressureless sintering, and grain growth in Ti3SiC2 compacts // J. American ceramic society. 87 (4) 2004. p. 550-556.

84. Zhang Z.F., Sun Z.M., Hashimoto H. Low temperature synthesis of Ti3SiC2 from Ti/SiC/C powders // J. Material science and technology. 20. 2000. p. 1252-1256.

85. Jeitschko W. and Novotny H. Die Kristallstructur von Ti3SiC2 Ein Neuer omplxcarbid-Typ. // Monatcrift fur Chemie 98. 1967. p. 329-337.

86. Nickl. J.J., Schweitzer K.K., Luxenburg P. Gasphasenabscheidung im systeme Ti-Si-C // J. Less common metals. 6. 1972. p. 335-353.

87. Sun Z.M., Ahuja R., Sa Li, M. Schneider J. M. Structure and bulk modulus of M2A1C (M=Ti, V, and Cr) //J. Applied physics letters. 83 (6) 2003. p. 1-3.

88. Zhang Z.F., Sun Z.M., Hashimoto H. Deformation and fracture behavior of ternary compound Ti3SiC2 at 25-1300 °C // J. Materials letters. 57. 2003. p. 1295-1299.

89. Zhang Z.F., Sun Z.M., Hashimoto H., Abe T. A new synthesis reaction of Ti3SiC2 from Ti/TiSi2/TiC powder mixtures through pulse discharge sintering technique // J. Mat. Res. Innovât. 5. 2002. p. 185-189.

90. Barsoum M.W, El-Raghy T. Processing and mechanical properties of Ti3SiC2: !. Reaction path and microstructure evolution // J. American ceramics society. 82 (10) 1999. p. 2849-2854.

91. Zhang Z.F., Sun Z.M., Wang Z.G., Zang Q.S., Zhang Z.F. Cyclic fatigue crack propagation behavior of Ti3SiC2 synthesized by pulse discharge sintering technique // J. Scripta materialia. 49. 2003. p. 87-92.

92. Sun Z.M., Murugaiah A., Zhen T., Zhou A.Q., Barsoum M.W. Microstructure and mechanical properties of porous Ti3SiC2 // J. Acta materialia. 53. 2005. p. 4359-4366.

93. Zhang Z.F., Sun Z.F., Hashimoto H., Park Y.H., Abe T. Oxidation of Ti3SiC2 at air // J. Oxidation of metals. 59 (1/2) 2003. p. 155-165.

94. Radovic M., Barsoum M.W, El-Raghy T., Wiederhorn S.M. Tensile creep of coarsegrained Ti3SiC2 in the 1000-1200 °C temperature range // J. Alloy and compounds. 361. 2003. p. 299-312.

95. Radovic M., Barsoum M.W, El-Raghy T., Wiederhorn S.M., Luecke W.E. Effect of temperature, strain rate and grain size on the mechanical response of Ti3SiC2 in tension // J. Acta materialia. 50. 2002. p. 1297-1306.

96. Zhang Z.F., Sun Z.M., Hashimoto H., Zhang H. Micron-scale deformation and damage mechanisms of Ti3SiC2 crystals induced by indentation // J. Advaced engineering materials. 6(12) 2004. p. 980-983.

97. Palmquist J-P. and Jansson U. Magnetron sputtered epitaxial single-phase TiaSiC2 thin films // J. Applied physics letters. 81 (5). 2002. p. 835-837.

98. Штанский Д.В., Левашов E.A., Шевейко A.H. Оптимизация параметров вакуумного реакционного осаждения сверхтвердых Ti-Si-B-N покрытий // ж. Справочник. Инженерный журнал. 2000. №1. с. 17-20.

99. Новые материалы /Под редакцией Ю.С. Карабасова// М.: МИСиС. 2002. 726 с.

100. А.С.Метель, С.Н. Григорьев. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов: физика, техника, применения. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», «Янус-К», 2005.-296 с.

101. Григорьев С.Н. Перспективное оборудование и технологии для вакуумно-плазменной поверхностной обработки и опыт их промышленного внедрения // Упрочняющие технологии и покрытия, 9 2005. с. 28-32.

102. Smith D.L. Physical sputtering model for fusion reactor first-wall material // J. Nucl. Materials. 1978. V. 75. No 1. p. 20 31.

103. Рыжов Ю.А., Шкарбан И.И. Обобщение экспериментальных данных по массообмену между атомарными потоками и поликристаллическими поверхностями // Тематич. сб. трудов МАИ им. Серго Орджоникидзе. Вып. 334. М., 1975. с. 23 36.

Похожие работы

Авиационная и ракетно-космическая техника
05.07.00