автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка высокоинтенсивной технологии поверхностной модификации лопаток КВД из жаропрочных сталей типа ЭП866ш с применением сильноточных импульсных электронных пучков

УДК 621. 38 + 539. 1 На правах рукописи

Пайкин Александр Григорьевич

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОИНТЕНСИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ ЛОПАТОК КВД ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ ТИПА ЭП866ш С ПРИМЕНЕНИЕМ СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ

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

Москва—2004г.

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, профессор

- Никитин Петр Васильевич;

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

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 "_"_2004 г.

Защита состоится

2004 года в на заседании

Ученый секретарь диссертауй юго совета Д212. 125. 08, доцент, к.т.н._■Ц / — Никипорец Э. Н.

доцент, к.т.н.

Общая характеристика работы

Повышение уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей и узлов проточной части турбины ГТД (прежде всего, лопаток и дисков компрессора и турбины), изготавливаемых из жаропрочных материалов, является наиболее важной задачей авиационного двигателестроения. Решение этой задачи осуществляется с использованием нескольких подходов: разработка перспективных, высоколегированных, 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. В последнее время особое внимание уделяется разработке высокоинтенсивных методов поверхностной инженерии деталей машиностроения широкой номенклатуры и предельно быстрому внедрению созданных на их основе техпроцессов в промышленность.

Эта тенденция была озвучена на экспертном совещании ведущих специалистов Европейского Сообщества,. которое проводилось во Франции в октябре 2001 года. Результаты экспертных оценок по прогнозированию объема выпуска машиностроительной продукции с применением методов поверхностной инженерии (электролитические покрытия, композиционные покрытия, поверхностное легирование, лазерная обработка, катодное распыление, химико-термическая обработка, химическое и физическое осаждение из пара, обработка ионными и электронными пучками), сделанных 62 экспертами, позволяют прийти к заключению о приоритетности химико-термической обработки, включая обработку мощными ионными и сильноточными электронными пучками. Для этих технологий общий объем продукции в 2010 году составит более 420 Ме, что превысит объемы производства деталей с применением химического и физического осаждения из пара (250 Ме), электролитического плакирования (400 Ме), нанесения композиционных покрытий (30 Ме). В этой связи разработка и совершенствование методов поверхностной обработки деталей и заготовок с использованием концентрированных импульсных потоков энергии (КИПЭ) имеет ряд преимуществ перед классическими методами поверхностной механической, химической и термомеханической обработок: формирование уникального физико-химического состояния материала поверхностного слоя; достижение рекордных точности изготовления (на нанометромом уровне) и шероховатости поверхности (Яа~0,05-0,06 мкм); экологическая чистота; высокая производительность (площадь поперечного сечения энергетических потоков изменяется от 30 см2 до 1 м2, а длительность импульса - от 10 не до нескольких, десятков микросекунд); умеренные цены за оборудование и его обслуживание (не более $ 10 за обработку 1 м2 поверхности). Применение КИПЭ имеет по сути дела только один недостаток: высокая наукоемкость разрабатываемых технологии, обусловленная необходимостью проведения длительных и

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПетервтог а л * у ОЭ ЮОТЬМ'Аб'

дорогостоящих исследований влияния режимов облучения на физико-химическое состояние материала в поверхностных слоях деталей. Целью настоящей диссертации является исследование влияния режимов облучения КИПЭ на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и, соответственно, на комплекс эксплуатационных свойств лопаток компрессора КВД, изготавливаемых из жаропрочных сталей ферритного класса типа стали ЭП866ш, а также разработка, на основе полученных результатов, технологических электронно-лучевых процессов поверхностной модификации и ремонта лопаток 6 и 7 ступеней ротора компрессора ГТД РДЗЗ. Данная работа сконцентрирована, прежде всего, на использовании сильноточных импульсных электронных пучков (СИЭП), которые являются одними из наиболее доступных и развитых видов КИПЭ для модификации свойств деталей авиационной техники и, в частности, для повышения уровня коррозионных, эрозионных и усталостных свойств лопаток компрессора ГТД, изготавливаемых из сталей типа ЭП866ш.

В последнее время разработчикам оборудования в НИИЭФА г. Санкт-Петербург (ускорители «GESA») и в ИСЭ г. Томск удалось получить широкоаппертурные электронные, импульсные пучки с высокой однородностью распределения плотности энергии по сечению, сравнимые, и даже превосходящие, по этим параметрам мощные импульсные ионные пучки (МИИП), что резко интенсифицировало исследования в области модификации поверхности СИЭП. Кроме того, КПД формирования СИЭП значительно превосходит КПД МИИП, поднимая в целом энергетику пучка до 100-200 Дж/смг (5-8 Дж/см2 для МИИП) и обеспечивая, тем самым, решение существенно большего круга задач (модификация материалов в поверхностных слоях толщиной до 30 мкм, за счет высокоскоростного плавления и последующей перекристаллизации, нанесение относительно толстых покрытий, абляция поверхностных слоев с целью ремонта поврежденных при эксплуатации изделий, перемешивание материала предварительно нанесенных покрытий толщиной до 20-30 мкм с материалом подложки и т.д.). Успехи, достигнутые научными школами проф. Проскуровского Д.И. и проф. Энгелько В.И., выглядят особенно впечатляющими с позиций международной признательности. Им удалось наладить производство и поставку своих ускорителей в такие развитые страны мирового сообщества как Германию и Японию. К сожалению, на внутреннем рынке России подобного успеха авторам этих разработок до сих пор добиться не удалось.

Таким образом, актуальность данной работы в фундаментальном отношении определяется необходимостью получения базовых знаний о влиянии режимов обработки сильноточными импульсными электронными пучками на физико-химическое состояние поверхностных слов и эксплуатационные свойства деталей из жаропрочных сплавов, а с практической точки зрения -возможностью создания и внедрения некоторых техпроцессов на предприятиях отрасли уже в ближайшее время, так как стоимость электронных ускорителей

не превышает ($ 150 000), что более чем в 2 раза ниже стоимости ускорителей МИИП.

Для достижения сформулированной цели было необходимо реализовать постановку и последующее решение большого числа задач методического, фундаментального и практического плана: (1) модернизация комплексной методики исследования физико-химического состояния нано - и микро -метровых поверхностных слоев деталей из многокомпонентных гетерогенных материалов (жаропрочная сталь ЭП866ш), основанной на применении таких методов, как: электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), рентгеноструктурный анализ (при регистрации дифрактограмм с фокусировкой по Брепу-Брентано на малых и больших углах, а также при использовании методики скользящего пучка, РСА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), экзоэлектронная эмиссия (ЭЭЭ), рентгеновский микроанализ (РМА), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), оптическая металлография в поляризованном свете, измерение шероховатости поверхности (Ra) и др.; (2) адаптация методики термодинамического анализа к процессам, протекающим в поверхностном слое при облучении деталей СИЭП; (3) оценка оптимальных режимов электроннолучевой обработки лопаток из жаропрочной стали ЭП866ш; (4) определение кинетики абляции материала с поверхности облучаемых СИЭП мишеней и изучение механизмов этого явления; (5) исследование явления кратерообразования на поверхности мишеней из стали ЭП866ш при их облучении СИЭП; (6) обоснование режимов сравнительных натурных испытаний серийных и обработанных электронным пучком деталей в составе изделия; (7) определение эксплуатационных характеристик деталей проточной части компрессора ГТД, прошедших электронно-лучевую обработку; (8) обсуждение и обобщение расчетных и экспериментальных данных, полученных на стадиях исследования и подготовки к натурным испытаниям; (9) создание технологических карт процессов электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток компрессора из стали ЭП866ш; (10) составление технического задания на проектирование и разработка технической документации для изготовления электронных ускорителей для серийного производства. Научная новизна работы

Достижение главной цели, в соответствии с расширенным планом фундаментальных и прикладных исследований, практически полностью отражает научную новизну полученных данных, не имеющих аналогов ни в России, ни за рубежом. Впервые не только доказана возможность использования сильноточных электронных пучков для модификации свойств и ремонта наиболее нагруженных деталей компрессора ГТД (лопатки 6 и 7 ступеней двигателя РДЗЗ), но и разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта этих деталей.

Кроме того, впервые были получены взаимосвязанные результаты влияния режимов облучения СИЭП на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и свойства компонентов двигателя, изготовленных из

жаропрочной стали ЭП866ш, что позволяет построить взаимнооднозначную последовательность зависимостей:

Р(режимы облучения) <-»С(физико-химическое состояние) <-»Н(свойства) Построение таких зависимостей обеспечивает разработку и внедрение новых технологических процессов уже при значительно меньших затратах времени и средств на стадии выбора оптимальных режимов облучения, существенно сокращая область поиска значений параметров облучения и финишной термообработки, соответствующих этим оптимальным режимам. На защиту выносятся:

1. Обоснование применимости методики термодинамического анализа сложных гетерогенных систем к процессам электронно-лучевой обработки, что позволяет определить режимы облучения электронным пучком (при микросекундной длительности импульса, и высоких энергиях, Е£100 кэВ), когда достигаются плавление, испарение, плазмообразование, разложение и формирование различных фаз в жаропрочных и жаростойких материалах.

2. Результаты исследования влияния режимов электронно-лучевой обработки ' на ускорителях "ОЕ8А-2" и "ОЕ8А-1" (энергия электронов, Е= 115-150 кэВ;

длительность импульса, т=15-40 цс; плотность энергии в импульсе, \¥=15-90 Дж/см2; число импульсов п=1-10 имп) на физико-химическое состояние материала приповерхностных областей деталей проточной части турбины (химический состав, структурно-фазовое состояние, остаточные напряжения и шероховатость поверхности).

3. Данные о влиянии режимов электронной и термической обработок на эксплуатационные свойства деталей из стали ЭП866ш..

4. Методика длительных натурных испытаний облученных деталей в составе технологического изделия (РДЗЗ).

5. Результаты исследования физико-химического состояния материала поверхностных слоев лопаток ГТД, подготовленных к испытаниям на технологическом изделии.

6. Механизмы перераспределения элементов в поверхностных слоях деталей в процессе сильноточной импульсной электронно-лучевой обработки.

7. Электронно-лучевые технологии обработки и ремонта лопаток компрессора ГТД, изготовленных из стали ЭП866ш.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований созданы методики и обоснованы рекомендации, обеспечивающие разработку и внедрение новых технологических процессов модификации поверхности и ремонта деталей ГТД различной номенклатуры с применением сильноточных импульсных электронных пучков.

Разработаны экологически чистые опытно-промышленные технологии электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток компрессора из стали ЭП866ш, позволяющие заменить некоторые виды высокоточной механической

и химической обработок, существенно повысить ресурс и надежность их эксплуатации (РДЗЗ и РД 1700).

По результатам длительных натурных испытаний на технологическом изделии, будет принято решение о внедрении электронно-лучевых технологий в серийное производство (ММП им. В. В. Чернышева) после оснащения технологического участка ускорителями 'Теза-М" для реализации процесса облучения.

Комплексная методика исследования физико-химического состояния поверхностных слоев жаропрочных сплавов использовалась в ряде организаций Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ», 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 (проект №975-98).

Полученные при выполнении диссертации результаты используются в учебном процессе в Московском авиационном институте при чтении лекций по курсам «Основы технологии производства ДЛА и ЭСУ» и «Спецгехнология», при проведении лабораторных работ по этим курсам и технологической практики у студентов старших курсов. Апробация работы и научные публикации

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: 10 Всемирный съезд по титану в 2003 г. (Гамбург, Германия), 5 Международная конференция по взаимодействию излучений с твердым телом в 2003 г. (Минск, Беларусь), постоянно действующий семинар по проблемам прочности в 2002 г. (Москва, ЦИАМ). По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ. Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 103 стр. и состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 111 наименований. В работе представлено 46 рисунков и 13 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, прежде всего, возможности компьютерного моделирования процессов, протекающих при этих взаимодействиях. Здесь представлены наиболее простые уравнения, а также методики, позволяющие оценить: температурные поля в материале в процессе электронно-лучевой обработки, распределения дефектов и остаточных напряжений по глубине облучаемых мишеней. Особое внимание уделено анализу отечественной и зарубежной периодики по электронно-лучевой

поверхностной инженерии многокомпонентных гетерогенных материалов, используемых в машиностроении, и, в частности, в авиационном двигателестроении. Отмечено крайне ограниченное число такого рода публикаций, среди которых можно выделить лишь работы: Г. Мюллера, В. Энгелько, В. Шулова, Ю. Ягодкина, В. Ротштейна, Ю. Иванова, А. Погребняка, И. Поболя, Д. Проскуровского и Г. Озура. Общим для этих работ является преимущественное проведение исследований на образцах, с последующим переносом полученных данных на конкретные изделия без должной статистической обработки результатов. В этой связи до сих пор не установлены особенности влияния режимов электронно-лучевой обработки на физико-химическое состояние поверхностных слоев и эксплуатационные свойства деталей сложной формы изготовленных из многокомпонентных гетерогенных материалов, и, в частности, из жаропрочных сталей (сталь ЭП866ш в данной работе).

Вторая глава посвящена методикам облучения, изучения физико-химического состояния поверхностных слоев и определения эксплуатационных свойств лопаток компрессора изделия 88, являющихся предметом исследования. В ней приведены данные о химическом составе, финишной механической обработке и термообработке стали ЭП866ш, из которой были изготовлены лопатки 7 ступени ротора компрессора ГТД РДЗЗ, а также сведения об оборудовании, использованном при облучении, исследовании состояния поверхности и испытаниях. Выбор в качестве объектов исследования лопаток из стали ЭП866ш был предопределен, во-первых, производственной необходимостью быстрейшего решения задачи повышения коррозионной стойкости этого материала, а во-вторых, возможностью впервые получить уникальные фундаментальные данные о влиянии облучения сильноточным импульсным электронным пучком на химический состав, фазовый состав и структуру жаропрочной стали, а также свойства обработанных мишеней. Облучение модельных образцов и лопаток осуществлялось в Санкт-Петербурге на ускорителях "ОЕ8А-1" и "ОЕ8А-2" при следующих значениях основных параметров: лу=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 3040 с). Термообработка облученных мишеней проводилась в вакуумной печи "ИЬУАК" в вакууме не хуже 10'6 мм. рт. ст. Поскольку объектами исследования являлись лопатки с острыми кромками, методики определения физико-химического состояния поверхностных слоев были модернизированы путем регистрации данных из различных точек поверхности спинки, корыта и кромки лопаток с последующим учетом особенностей этих участков деталей. Это в значительной степени увеличивало трудоемкость исследований, однако исключало систематические ошибки, связанные с неоднородностью распределения химического и фазового составов и структуры материала по поверхности. Последнее нашло особое отражение в результатах полученных

методами ЭОС и ЭЭЭ, для реализации которых было, проведено эталонирование для высокочистых веществ, являющихся фазовыми составляющими стали ЭП866ш (железо, хром, молибден, никель, кобальт, их оксиды и карбиды). Отдельное внимание во второй главе уделено методикам определения эксплуатационных свойств лопаток компрессора. Усталостные испытания 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 (600 °С). Поверхности изломов изучались методами оптической и электронной фрактографии. Распределения напряжений по поверхности лопаток компрессора определялись экспериментально с помощью тензодатчиков, наклеиваемых в различных точках пера, при комнатной температуре с последующим пересчетом на температуру испытаний. Эрозионные испытания образцов, вырезанных из лопаток изготовленных по серийной и электронно-лучевой технологиям, осуществлялись на эрозионном стенде МАИ в вакууме 10"2 мм. рт. ст. при следующих условиях: тип эродирующих частиц - электрокорунд со средними размерами отдельных частиц 80-100 мкм; угол соударения частиц с эродируемой поверхностью - 90 град; скорость соударения - 200 м/с. Проэродированная поверхность исходных и облученных образцов, подвергнутых испытаниям при близких нагрузках, исследовалась методами оптической и электронной фрактографии. Испытания на жаростойкость проводились гравиаметрическим методом на лопатках, помещенных в муфельную печь и выдерживаемых при температуре 600 °С в течение длительного времени на воздухе. Сопротивление окислению определялось по изменению массы образцов (Дш/8е, мг/мм2) при трех временах термоэкспозиции: 100, 200 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 СИЭГТ. Кроме того, лопатки компрессора проходили испытания: на сопротивление солевой коррозии (в присутствии хлор-иона) при повышенных температурах в условиях термоциклирования (нагрев до температуры эксплуатации 600 0С - охлаждение в морской воде до комнатной температуры). Как и после испытаний на жаростойкость, поверхность лопаток, прошедших коррозионные испытания в морской воде, исследовалась методами электронной Оже-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа. Во второй главе проанализирована адаптация методики термодинамического анализа сложных гетерогенных систем для выбора области варьирования режимов облучения деталей из различных жаропрочных материалов. Поскольку облучение лопаток должно проводиться, с точки зрения явлений, протекающих в поверхностном слое, в достаточно широком интервале плотностей энергии, когда реализуется вся последовательность процессов, начиная с плавления и кончая неоднородным, нестационарным

плазмообразованием, рекомендуется оценить реперные точки обработки СИЭП: плавление-сублимация.

Основные параметры, которые определяются при использовании этой методики - плотность энергии и число импульсов. Результаты выполненных расчетов для наиболее часто используемых в авиационном двигателестроении жаропрочных материалов приведены в таблице 1, где представлены оценочные данные только для энергии 100 кэВ и длительности импульса 30 мкс (ускоритель «ОЕ8А-1»).

Таблица 1. Режимы облучения жаропрочных сплавов на ускорителе «ОЕ8А-1».

Сплав Энергия Длительность импульса т, мкс мкм Плотность энергии, Дж/см2 Процесс в поверхностных слоях

ВТ8М ВТ6 ВТ18У ВТ25У 100 15 18 16-18 >36-39 плавление испарение

ЭП86бш 100 15 16 21 >46 плавление испарение

ЖС32НК 100 15 15 24 >52 плавление испарение

Представленные в таблице 1 данные, позволяют очертить область поиска оптимальных режимов модификации поверхности лопаток из стали ЭП866ш по одному из важнейших параметров облучения - плотности энергии в импульсе от 21 до 46 Дж/см2 при фиксированных энергии и длительности импульса. В третьей главе приведены данные о влиянии режимов СИЭП (плотности энергии и числа импульсов) на химический состав в поверхностных слоях лопаток из стали ЭП866ш. Зафиксированные здесь механизмы перераспределения, элементов, а также результаты выполненных термодинамических расчетов позволили уже на этом этапе сделать предварительные выводы о наиболее перспективных величинах параметров электронно-лучевой обработки. В основе этих выводов лежат следующие соображения. При облучении лопаток из жаропрочных сплавов целесообразным представляется получить поверхность, не содержащую макродефектов, являющихся концентраторами напряжений при усталостном нагружении. Этому требованию удовлетворяет поверхность лопаток, облученных при небольших плотностях энергии в импульсе (так называемый режим плавления, 20-22 Дж/см2). Кроме того, желательно добиться оптимального перераспределения элементов в поверхностном слое мишеней-лопаток. Для серийных лопаток из стали ЭП866ш характерно обеднение приповерхностных областей хромом, причем обеспечить однородное распределение этого важнейшего легирующего элемента по толщине поверхностного слоя не удается классическими методами. В результате при эксплуатации эти детали интенсивно окисляются. Как следует из полученных

данных, обработка высокоинтенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления (лу=20-22 Дж/см2) позволяет достичь преимущественного выхода на поверхность хрома (рис. 1 и 2), что должно привести к повышению такой важной эксплуатационной характеристики, как жаростойкость и сопротивление горячей солевой коррозии.

Облучение с высокими плотностями энергии приводит к преимущественному испарению с поверхности лопаток хрома и формированию микрократеров, что может резко снизить целый комплекс свойств деталей из стали ЭП866ш (режим кратерообразования). В этой связи обработка с плотностями энергии более 2426 представляется нежелательной для модификации свойств лопаток двигателя РДЗЗ и РД1700. И только облучение при очень высоких плотностях энергии (режим абляции, лу>48 Дж/см2) представляет большой практический интерес для разработки ремонтной электронно-лучевой технологии. В четвертой главе приведены результаты исследования влияния режимов облучения на фазовый состав и структуру поверхностных слоев лопаток. Из этих данных непосредственно следует, что:

• в исходных образцах и лопатках поверхностные слои толщиной 20-40 мкм содержат а-фазу (феррит) и сложные кар б (£щ Ме$Ь6бР ь ш о е количество микро-, мезо - и даже макро-пор, а также характеризуются более низкими, чем объемные слои, значениями микротвердости, при этом сформированные остаточные сжимающие напряжения (о) достигают - 520±50 МПа, а плотность дислокаций распределена неоднородно, как по поверхности, так и по глубине, и изменяется в достаточно широких пределах от 109 до 10м см"2;

• в облученных мишенях, за счет протекания процесса высокоскоростной перекристаллизации, формируется плохо травящийся поверхностный слой толщиной 20-30 мкм;

• фазовый состав в этом поверхностном слое, в зависимости от плотности вложенной энергии (лу) и числа импульсов (п), а именно с их ростом, изменяется в направлении образования остаточного аустенита, кроме того, наблюдается уширение и смещение рентгеновских линий в сторону малых углов, а также перераспределение интенсивности различных линий, что свидетельствует об увеличении в поверхностном слое плотности дислокаций, формировании остаточных растягивающих напряжений и текстурообразовании;

• после облучения в приповерхностных областях отмечено значительное уменьшение концентрации карбидной фазы, а параметр решетки а-фазы существенно возрастает, что особенно проявляется в образцах, облученных с высокими плотностями энергии несколькими импульсами;

• облучение в режиме плавления обеспечивает выглаживание поверхности, снижая исходную шероховатость образцов от =0,25-0,28 мкм до Я, =0,10-0,12 мкм;

• облучение же в режиме кратерообразования \у>24-26 Дж/см2 сопровождается формированием: поверхностных неоднородностей в форме кратеров диаметром 1-100 мкм и глубиной 0,1 -10 мкм, волнообразного микрорельефа поверхности и микротрещин или даже сетки микротрещин с узлами в отдельных кратерах, что может вызывать увеличение шероховатости поверхности до Я» =0,85-1,15 мкм;

• уровень остаточных растягивающих напряжений в облученных образцах с ростом плотности энергии в импульсе от 20-22 до 34-60 Дж/см2 увеличивается от +270±40 МПадо +1080±140 МПа (последнее значение превышает предел прочности материала, что свидетельствует о неприменимости модели плосконапряженного состояния к модифицированным импульсным электронным пучком мишеням из стали ЭП866ш);

• зависимости микротвердости (Нц) и интенсивности экзоэлектронной эмиссии (1,„) от плотности энергии в импульсе антибатны: с увеличением значений w микротвердость уменьшается, что обусловлено формированием остаточных растягивающих напряжений и растворением карбидов, а интенсивность экзоэлектронной эмиссии возрастает, подтверждая вывод о высокой чувствительности метода экзоэлектронной эмиссии к процессам фазообразования и дефектообразования.

глубина, нм " " глубина, нм

Рис. 1. Распределение элементов в поверхностном слое серийных лопаток 7 ступени (ЭП866ш) ротора компрессора ГТД РДЗЗ.

Рис. 2. Распределение элементов в поверхностном слое лопаток 7 ступени (ЭП866ш) ротора компрессора ГТД РДЗЗ после обработки СИЭП при лу=20-22 Дж/см2, п=3 имп).

Полученные на этом этапе данные структурных исследований хорошо согласуются с результатами изучения химического состава мишеней из стали ЭП866ш, облученных сильноточными импульсными электронными пучками, дополняя их и обеспечивая возможность рассмотрения полной картины процессов, протекающих в поверхностном слое при воздействии СИЭП. Поскольку в поверхностном слое облученных образцов и лопаток формируются остаточные растягивающие напряжения, что может привести к снижению

эксплутационных свойств мишеней, особенно усталостной прочности и сопротивления пылевой эрозии, необходимо провести финишную термообработку в вакууме при температурах, близких к температуре второго старения исходных заготовок. Такая термообработка, кроме снятия остаточных напряжений, должна стабилизировать структуру материала в поверхностном слое и привести к упрочнению за счет завершения процесса формирования и коагуляции карбидов. С этой целью от образцов и лопаток, подвергнутых облучению, на электроэрозионном станке отрезались образцы свидетели, которые отжигались в вакуумной печи «ЦЬУАК» при температуре 670+30 С в течение 3-6 часов. После завершения отжига весь цикл исследований повторялся для получения информации о завершении релаксационных процессов. Некоторые результаты исследования физико-химического состояния материала поверхностных слоев образцов и лопаток, прошедших электроннолучевую и термическую обработки (отмечено звездочкой) представлены в таблицах 2-4.

Из приведенных в этой главе данных следует, что в процессе отжига, в облученных в режиме плавления мишенях, интенсивно протекают релаксационные процессы отжига дефектов, карбидообразования и снятия-остаточных растягивающих напряжений. Кроме того, для таких образцов характерно резкое снижение, параметра решетки, что должно привести к упрочнению материала на нанометровом уровне.

Одной из важнейших задач настоящего исследования являлось изучение причин протекания процесса кратерообразования на поверхности образцов из стали ЭП866ш при их облучении СИЭП, в сравнении с результатами, зафиксированными при обработке МИИП, согласно которым все кратеры были классифицированы по форме и рельефу: круглые многокольцевые, круглые с выпуклостью в центре, круглые с вогнутостью в центре, эллиптические, смежные, ограненные и забоинообразные. Проведенный в настоящей работе анализ состояния поверхности образцов из стали ЭП866ш, облученных в ускорителе «вЕ8А-1» с плотностями энергии в импульсе лу^б-ЗО Дж/см2 (режим кратерообразования), методами СЭМ и оптической металлографии позволил выявить только три типа кратеров из вышеперечисленных: круглые с выпуклостью в центре, круглые с вогнутостью в центре и смежные. Несомненно, что это обусловлено значительно большей толщиной расплавленного слоя Ьж при облучении мишеней сильноточным электронным пучком (20-25 мкм) по сравнению с величинами характерными для обработки мощным ионным пучком (1-2 мкм). Уже данный факт позволяет сделать заключение о более высокой перспективности использования импульсных электронных пучков в качестве инструмента для поверхностной модификации деталей, поскольку, как хорошо известно, наиболее опасными кратерами, с точки зрения усталостной прочности и коррозионной стойкости материалов, являются забоинообразные, ограненные и смежные кратеры. Таким образом, два из трех типов наиболее опасных кратеров при облучении СИЭП

вообще не образуются на поверхности образцов и лопаток из стали ЭП866ш. В настоящей работе, по аналогии с воздействием на материалы МИИП, было изучено влияние предварительной обработки на кратерообразование при облучении СИЭП образцов из стали ЭП866ш, которые проходили различную предварительную обработку (фрезерование, шлифование, виброабразивная обработка, поверхностное пластическое деформирование микрошариками, полирование, химическое травление и окисление на воздухе при 600 С в течение 10 часов). Облучение этих образцов осуществлялось в идентичных условиях при одной загрузке по 7 мишеней в серии при плотности энергии 3036 Дж/см2. После облучения поверхность мишеней анализировалась с помощью оптической металлографии, по результатам которой определялись плотность распределения кратеров по поверхности, а также их максимальный и минимальный диаметры. Некоторые, наиболее важные из полученных данных, представлены в таблице 5. Исходя из приведенных результатов, для образцов из стали ЭП866ш наиболее вероятными механизмами образования кратеров представляются: избирательное плавление и последующая эрозия отдельных участков поверхности, вследствие различия в температурах плавления фазовых составляющих; избирательное плавление и плазмообразование, обусловленные высокой степенью неоднородности распределения плотности дислокаций по поверхности в пределах области действия электронного пучка; нестационарное и различное по глубине плавление отдельных участков поверхности с различной ориентацией, и взрывная эмиссия с острых участков поверхности. Эти механизмы могут сопровождаться простым затвердеванием волнистого микрорельефа поверхности (круглые кратеры с вогнутостью в центре и смежные кратеры) или выбросом капли расплавленного материала в вакуум на начальной стадии действия импульса с последующим ее возвращением на расплавленную поверхность, что приводит к формированию кратеров круглой формы с выпуклостью в центре. Для нивелирования отрицательного влияния кратерообразования на свойства обрабатываемых деталей, облучение необходимо проводить при плотности энергии в импульсе не выше некоторого критического значения, при котором кратеры еще не образуются (для стали ЭП866ш это критическое значение плотности энергии равно 20-22 Кроме того, электронно-лучевую обработку следует реализовать несколькими импульсами, поскольку с увеличением числа импульсов вероятность кратерообразования снижается из-за общего выглаживания микрорельефа поверхности, которое имеет место при плавлении материала поверхностного слоя. Если же технологическая задача связана с ремонтом деталей, что требует удаления газонасыщенных поверхностных слоев, то облучение мишеней должно быть двухступенчатым: сначала с высокими плотностями энергии для интенсивной абляции деградированного материала, а затем в режиме плавления при плотности энергии, не превышающей критической величины лу (20-22 для стали ЭП866ш) с целью выглаживания поверхности содержащей кратеры.

Таблица 5. Распределение кратеров по поверхности образцов из стали ЭП866ш, облученных сильноточным импульсным электронным пучком: Е=115-120 кэВ; \у=30-36 Дж/см2; п=1 имп; т=30 мкс. ___

№ Вид предварительной Минимальный Максимальный Плотность

обработки размер кратеров, размер кратеров, распределения,

мкм мкм см'2

1 Фрезерование 2,1 445 42

2 Шлифование 2,0 442 35

3 Виброабразивная 6,7 147 15

4 Обработка микрошариками 1,6 91 45

5 Полирование 268 804 4

6 Полирование и отжиг 301 636 3

7 Полирование и окисление 263 579 6

8 11олирование и травление 299 598 7

Еще одно важное заключение о выборе режимов облучения лопаток из стали ЭП866ш, в частности, заключение о выборе необходимого числа импульсов, может быть сделано на основе приведенных в этой главе результатов. Поскольку поверхность облучаемой лопатки характеризуется высокой неоднородностью распределения структурно-фазового состояния (значения плотности дислокаций на участках поверхности в окрестности кромок, на спинке и корыте существенно отличаются), то эти величины будут различаться и после первого импульса, что связано с потерей части энергии на релаксационные процессы в поверхностном слое. Последнее проявляется в неоднородности экзо-эмиссионных сканограмм и в различии значений микротвердости, измеренной в различных точках поверхности. Только после четвертого импульса было зафиксировано однородное физико-химическое состояние материала по всей поверхности лопатки, которое практически не изменялось при последующем облучении. Таким образом, с точки зрения структурно-фазового состояния, оптимальными значениями плотности энергии и числа импульсов при электронно-лучевой обработки лопаток 7 ступени ротора компресса ГТД РДЗЗ являются w=20-22 Дж/см2 и п>4. В пятой главе рассмотрено влияние режимов облучения на эксплуатационные свойства образцов и лопаток из стали ЭП866ш. Наиболее важные результаты усталостных испытаний приведены на рис. 3 и в таблице 6. Исходя только из полученных результатов высокочастотных усталостных испытаний, можно сделать заключение о том, что эффективность электроннолучевой обработки, с позиций повышения предела выносливости, значительно ниже, чем при использовании ионно-лучевой обработки. Наибольший, положительный эффект проявляется при облучении в режиме плавления и последующем отжиге при температуре 670 °С в течение 6 часов, когда в

поверхностном слое после высокоскоростной кристаллизации завершается процесс формирования и коагуляции карбидов.

Таблица 6. Результаты высокочастотных испытаний при 600 С на воздухе образцов (б) и лопаток (Ь) из стали ЭП866ш после электронно-лучевой и термической (670 С) обработок. ____

Плотность Число Мишени Продолжительность Усталостная

энергии. импульсов отжига, час прочность, 0.| ,

п, имп МРЛ

Дж/см2

- - 328+12

20-22 5 Б - 310± 10

20-22 5 Б 6 350+10

26-28 5 Б - 295±15

26-28 5 Б 6 325±10

32-36 5 5 - 280+10

32-36 5 Б 6 305±15

- - Ь - 380+10

20-22 4 Ь 2 390±20

20-22 4 ь 4 405+10

20-22 4 ь 8 420±10

20-22 1 ь 6 290+30

20-22 2 ь 6 250+30

20-22 3 ь 6 230+40

Для интерпретации этих результатов был проведен фракгографнческий анализ поверхностей изломов образцов и лопаток. Оказалось, что очаги разрушения в исходных образцах, подвергнутых циклическим нагрузкам вплоть до разрушения, располагались непосредственно на поверхности (на кромках лопаток, в окрестности поверхностных дефектов, в местах выхода на поверхность границ зерен и др.). Во всех случаях для облученных электронным пучком образцов и лопаток, отстоявших под нагрузкой большее число циклов, по сравнению с серийными изделиями, очаги разрушения также располагались на поверхности и концентрировались в окрестности поверхностных дефектов. Однако для деталей с максимальным числом циклов до разрушения было обнаружено, что кромки этих дефектов значительно сглажены в результате поверхностного плавления при облучении. Для облученных лопаток реализовался как межкристаллитный, так и квазивязкий механизмы. Если же плотность энергии была выше 20-22 Дж/см2, то усталостная прочность даже снижалась по сравнению с исходным уровнем, зарегистрированным для исходного состояния, что хорошо согласуется с теоретическими данными для гетерогенных материалов, облучение которых, как было показано с помощью термодинамических расчетов, при высоких плотностях тока приводит к распаду упрочняющих карбидов

Еще один важный результат усталостных испытаний - экспериментальное доказательство необходимости проведения финишной термообработки жаропрочных сплавов после воздействия импульсных электронных пучков. Без реализации этой операции, величины предела выносливости образцов и лопаток подвергнутых облучению, оказывались ниже для исходных

изделий. Выигрыш в усталости при использовании СИЭП, в отличие от ионно-лучевой обработки, обеспечивался не сменой механизма зарождения усталостной трещины или снижением скорости ее распространения, по сравнению с серийными деталями, а просто более поздним ее зарождением на сглаженных при облучении кромках поверхностных механических дефектов. Результаты проведенных эрозионных испытаний приведены на рис. 4, где представлены данные только после электронно-лучевой обработки в режиме плавления 20-22 Из этих данных можно сделать вывод о возможности

повышения, с помощью электронно-лучевой'обработки, эрозионной стойкости лопаток ГТД из стали ЭП866ш только на 20-200 % (200 % в инкубационный период разрушения). В этот период происходит накапливание дефектов в поверхностном слое без его прорыва. При более жестких режимах нагружения электронно-лучевая обработка оказывается малоэффективной по сравнению с нанесением защитных, эрозионно-стойких покрытий из ТПЧГ и /гК (24 мкм), И81В (15 мкм) и Се02 (6 мкм), которые могут быть получены вакуумно-плазменным методом и методом химических транспортных реакций в жидкой фазе.

Были проведены испытания исходных и облученных образцов и лопаток на жаростойкость (600 С в течение 500 часов) и сопротивление солевой коррозии (в присутствии хлор-иона) при повышенных температурах (600-650 0С) и в условиях термоциклирования (нагрев до температуры эксплуатации -охлаждение в морской воде до комнатной температуры). Исходные и облученные образцы и лопатки до и после завершения испытаний взвешивались, а из полученных образцов-свидетелей изготавливались поперечные шлифы, в результате чего определялся удельный унос вещества в зависимости от плотности энергии и числа импульсов, как по массе, так и по толщине деградированного слоя.

Кроме того, поверхность мишеней исследовалась методами ЭОС, СЭМ, РСА и ОМ для определения механизмов разрушения. Результаты испытаний образцов и лопаток из стали ЭП866ш на сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования .представлены в таблице 7. Из этих данных непосредственно следует, что электронно-лучевая обработка при оптимальных режимах позволяет более чем в 3 раза повысить коррозионную стойкость деталей из стали ЭП866ш. При этом существенным представляется необходимость проведения финишной термообработки (вакуумный отжиг при 670 С в течение 6 часов). Видно, что без проведения вакуумного отжига после облучения коррозионная стойкость мишеней, вне зависимости от режимов электронно-лучевой обработки, оказалась ниже, чем у исходных образцов.

Рис. 3. Результаты усталостных испытаний лопаток седьмой ступени КВД РДЗЗ из стали ЭП866ш до (1) и после (2) электронно-лучевой обработки и отжига (л^20-22 Дж/см2, п=4 импульса, Т=670 С, 6 часов).

Рис. 4. Резутьтаты эрозионных испытаний лопаток седьмой ступени КВД РДЗЗ из стали ЭП866ш до и после электронно-лучевой обработки (лу=20-22 Дж/см\ п=4 импульса, Т=670 С, 6 часов).

Таблица 7. Результаты коррозионных испытаний образцов из стали ЭП866ш: число циклов - 150; нагрев до 600 °С - охлаждение в морской воде до 25 °С.

№ Режимы облучения Режимы отжига Удельный привес ±0,03 мг/мм2

W, Дж/см' N, имп Т,"С т, час

1 - - - - 1,98

2 20-22 5 670 6 0,33

3 20-22 5 - - 2,11

4 26-28 5 670 6 1,39

Кроме того, в пятой главе обсуждаются данные об условиях технологических, сравнительных испытаний серийных и обработанных электронным пучком лопаток 7 ступени ротора компрессора на двигателе РД-33 №88-Т8 серии 3, проведение которых намечено на октябрь 2004 года.

В этой же главе проанализированы результаты исследования кинетики удаления нагара и окисленных при эксплуатации поверхностных слоев лопаток из стали ЭП866ш (рис.5), представлены элементы технологических карт процессов модификации поверхности при изготовлении (таблица 8) и ремонте лопаток 7 ступени ротора компрессора высокого давления,- а также основные положения технического задания на разработку и изготовление промышленной установки для реализации электронно-лучевой обработки на предприятиях отрасли.

Рис 5 Внешний вид лопаток из стали ЭП866ш после 260-часовой эксплуатации на двигателе РД-33 и облучения двумя импульсами на ускоритече «GESA-I» слева направо - исходная лопагка после наработки, w=20-22,26-28 и 32-36 Дж/см2

Табчица 8 Технотогический процесс электронно-лучевой модификации поверхности лопаюк 7 С1упени ротора компрессора изделия 88__

№ Наименование операции Режим обработки Оборудование, контролируемые параметры

005 Облучение поверхности лопаток СИЭП Энергия электронов Е=115-120 кэВ, плотность энергии в импульсе 20-22 Дж/см2, число импульсов п>4 имп Ускоритель "GESA-1" Изменения силы тока и напряжения во времени, остаточный вакуум

010 Контроль состояния поверхности - Микроскоп "Versomet" Микротвердомер "ПМТ-3 " Проверка наличия кратеров Нй =250 ±50 ед HV при р=1 Н

015 1 ермическая обработка (вакуумный отжиг) Температура нагрева 670±30 С, термоэкспозиция т=6 час, вакуум не хуже 103 мм рт ст, охлаждение вместе с печью в вакууме Вакуумная электропечь "ULVAK"

020 Контроль состояния поверхности - Микротвердомер "ПМТ-3 " Проверка отсутствия окисления Ни =320 ±30 ед HV при р=1 Н

В заключении диссертации сформулированы следующие выводы: 1 Предложена, научно обоснована и апробирована оригинальная методика выбора области поиска оптимальных режимов электронно-лучевой обработки деталей из жаропрочных сплавов (на примере стали ЭП866ш ферритного класса с карбидным упрочнением), которая базируется на

основных принципах локальной равновесной термодинамики и теории взаимодействия концентрированных импульсных потоков энергии с поверхностью твердых тел.

2. Показано, что с помощью облучения сильноточным импульсным электронным пучком микросекундной длительности удается модифицировать 20-25 микронные поверхностные слои лопаток из жаропрочной стали ЭП866ш. Методами электронной Оже-спектроскопи, рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии, экзоэлектронной эмиссии, просвечивающей электронной микроскопии, оптической металлографии и измерения шероховатости поверхности установлено, что при облучении в поверхностных слоях лопаток протекают процессы: плавления, перераспределения элементов, кратерообразования, абляции, высокоскоростной кристаллизации из расплава, изменения фазового состава и дислокационной структуры, повышения плотности дислокаций, изменения размеров зерен, формирования остаточных растягивающих или сжимающий напряжений и др.

3. Изучено влияние режимов электронно-лучевой и финишной термической обработок на эксплуатационные свойства лопаток ротора КВД ГТД (изделие 88) из жаропрочной стали ЭП866ш в результате чего показано, что, используя обработку сильноточным импульсным электронным пучком на ускорителе «СЕ8А-1» при энергии электронов 115-120 кэВ и плотности энергии 20-22 удается повысить следующие характеристики лопаток компрессора: предел выносливости - до 10 %; эрозионную стойкость - более чем в 2 раза (в инкубационный период), жаростойкость - более чем в 2 раза; сопротивление горячей солевой коррозии - более чем в 3 раза.

4. Показано, что сильноточный импульсный электронный пучок микросекундной длительности является высокоэффективным инструментом для ремонта лопаток компрессора. Применение СИЭП позволяет удалять за один импульс нагар и газонасыщенные при эксплуатации поверхностные слои толщиной до 7 мкм за импульс при плотности энергии 48-50 Дж/см2.

5. Обнаружен и научно обоснован эффект перераспределения легирующих элементов в многокомпонентных гетерогенных системах, облучаемых СИЭП в режиме плавления: компоненты с коэффициентом распределения К<1 оттесняются фронтом кристаллизации к поверхности мишени, а элементы с К>1 - концентрируются в зоне границы раздела "перекристаллизов.анный материал - исходный сплав". Показано, что электронно-лучевая обработка поверхности лопаток приводит к интенсивному выносу материала основы по механизму "абляции", что проявляется в формировании на поверхности микронеоднородностей в виде кратеров. При облучении лопаток сильноточным электронным пучком микросекундной длительности в их поверхностных слоях толщиной до 20-25 мкм протекают процессы избирательного массопереноса, в основе которых лежат, как и в случае воздействия мощного ионного пучка наносекундной

длительности, механизмы оттеснения примеси фронтом кристаллизации, ленгмюровского испарения и местной нестационарной абляции.

6. Экспериментально изучен процесс кратерообразования, протекающий на поверхности лопаток из стали ЭП866ш при облучении с плотности энергии более 26-28 Дж/см2. Показано, что для мишеней из стали ЭП866ш наиболее вероятными механизмами образования кратеров, из приведенных ранее и сформулированных в работах, посвященных исследованию этого процесса при воздействии на материалы мощных импульсных ионных пучков являются: избирательное плавление и последующая эрозия отдельных участков поверхности, вследствие различия в температурах плавления фазовых составляющих; избирательное плавление и плазмообразование, обусловленные высокой степенью неоднородности распределения плотности дислокаций по поверхности в пределах области действия электронного пучка; нестационарное и различное по глубине плавление отдельных участков поверхности с различной ориентацией и взрывная эмиссия с острых участков поверхности.

7. Экспериментально доказано, что после электронно-лучевого удаления нагара и газонасыщенных во время эксплуатации поверхностных слоев, 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 - определение толщин нагара и окисленных слоев; 010 - удаление нагара СИЭП; 015 - удаление газонасыщенных поверхностных слоев СИЭП; 020 - выглаживание микрорельефа СИЭП; 025 - контроль состояния поверхности; 030 -финишная термообработка для снятия остаточных растягивающих напряжений.

8. На основании результатов усталостных, эрозионных и коррозионных испытаний, а также исследований физико-химического состояния поверхностных слоев серийных и модифицированных электронным пучком лопаток, были разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток 7 ступени ротора КВД. Принято решение о внедрении разработанных технологий в серийное производство ГТД (двигатели РДЗЗ и РД1700) на ММП им. В. В. Чернышева, после завершения длительных натурных испытаний на технологическом изделии и оснащения технологического участка серийным оборудованием для облучения лопаток. Длительными натурными испытаниями на технологическом изделии по разработанной и утвержденной программе будут проверены лопатки компрессора ГТД из стали ЭП866ш, подвергнутые облучению на ускорителе вЕ8Л-1 с целью повышения предела выносливости и, что особенно важно, коррозионной стойкости в присутствии компонентов морской воды и в условиях термоциклирования.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Технологические основы поверхностной инженерии изделий из жаропрочных сплавов с применением сильноточных импульсных электронных пучков / В. А. Шулов, А.Г. Пайкин, Н.А Ночовная и др.// Материалы 5 Междун. конф. по взаимодействию излучений с твердым телом. Минск: БГУ, 2003. - с. 317-319.

2. Кинетика испарения и абляции с поверхности поврежденных при эксплуатации лопаток ГТД при их обработке сильноточными импульсными электронными пучками/ В. А. Шулов, А.Г. Пайкин, А.Ф. Львов и др.// Материалы 5 Междун. конф. по взаимодействию излучений с твердым телом. Минск: БГУ, 2003. - с. 314-316.

3. Сопротивление солевой коррозии деталей из жаропрочных сталей ЭП866ш и ЭП718ИД, подвергнутых обработке сильноточными импульсными электронными пучками/ В. А. Шулов, А.Г. Пайкин, Н.И. Фомин и др.// Материалы 5 Междун. конф. по взаимодействию излучений с твердым телом. Минск: БГУ, 2003. - с. 320-322.

4. Technological Aspects of Intense Pulsed Electron Beam Application for Properties Improvement and Repair of Gas Turbine Engine Blades from Titanium Alloys/ N. Nochovnaya, V. Shulov, A. Paykin etc. // Материалы 11 Международного съезда по титану, Гамбург, 2003. т. 3. - с. 1147-115.

5. 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.

6. Перспективы применения сильноточных импульсных электронных пучков для модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток ГТД / А.Г. Пайкин, В.А. Шулов, Н.А. Ночовная, В.А. Энгелько // Сборник трудов ЦИАМ, 2004, № 11, с. 22-31.

Подписано к печати .02.2004 г. Типография Ml ill имени B.B. Чернышева в0 экз. исп. Пайкин А.Г.

р-54 82

ВВЕДЕНИЕ.

1. МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИМПУЛЬСНЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ (литературный обзор).

1.1 Оборудование и физические принципы.

1.2 Моделирование процессов протекающих при облучении.

1.3 Влияние электронно-лучевой обработки на физико-химическое состояние поверхностных слоев жаропрочных сплавов.

1.4 Влияние электронно-лучевой обработки на свойства металлов и сплавов.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОБЛУЧЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ, ВЫБОРА РЕЖИМОВ ОБЛУЧЕНИЯ И ИСПЫТАНИЙ ЛОПАТОК ГТД ИЗ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ ЭП866ш.

2.1 Материал, 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 компрессора.

2.6 Методика термодинамического анализа.

3. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ

ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЛОПАТОК ИЗ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ ЭП866ш.

3.1 Исследование влияния режимов облучения на перераспределение элементов 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 и лопаток из стали ЭП866ш.

4.2 Исследование процесса кратерообразования на поверхности деталей из стали ЭП866ш.

4.3 Выбор оптимальных режимов облучения по результатам структурных исследований.

5. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОБЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ЛОПАТОК ИЗ СТАЛИ ЭП866ш.

5.1 Усталостная прочность.

5.2 Жаростойкость.

5.3 Эрозионная стойкость.

5.4 Сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования.

5.5 Методики испытаний облученных и серийных лопаток на технологическом изделии.

5.6 Разработка технологических карт процессов электронно-лучевой обработки лопаток из стали ЭП866ш.

ВЫВОДЫ.

Актуальность проблемы.

Повышение уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей и узлов проточной части турбины ГТД (прежде всего лопатки и диски компрессора и турбины), изготавливаемых из жаропрочных материалов, является наиболее важной задачей авиационного двигателестроения [1]. Решение этой задачи осуществляется с использованием нескольких подходов: разработка перспективных, высоколегированных, поликристаллических и 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. Кроме того, интенсивно реализуются исследования по созданию цельнометаллических дисков с лопатками, причем эти технологии уже нашли достаточно широкое применение на ведущих предприятиях авиационной промышленности США, России, Великобритании и Франции. В последнее время особое внимание уделяется разработке высокоинтенсивных методов поверхностной инженерии деталей машиностроения широкой номенклатуры и предельно быстрому внедрению созданных на их основе техпроцессов в промышленность^,3].

Эта тенденция была озвучена на экспертном совещании ведущих специалистов Европейского Сообщества, которое проводилось во Франции в октябре 2001 года [1]. Результаты экспертных оценок по прогнозированию объема выпуска машиностроительной продукции с применением методов поверхностной инженерии (электролитические покрытия, композиционные покрытия, поверхностное легирование, лазерная обработка, катодное распыление, химико-термическая обработка, химическое и физическое осаждение из пара, обработка ионными и электронными пучками), сделанных 62 экспертами, позволяют прийти к заключению о приоритетности химико-термической обработки, включая обработку мощными ионными и сильноточными электронными пучками. Для этих технологий общий объем продукции в 2010 году составит более 420 Ме, что превысит объемы производства деталей с применением химического и физического осаждения из пара (250 Ме), электролитического плакирования (400 Ме), нанесения композиционных покрытий (30 Ме), и только применение метода распыления в поверхностной инженерии машиностроительной продукции ожидается в больших объемах (500 Ме). Среди же отраслей машиностроения к 2000 году наиболее широкое использование ионно- и электронно-лучевых технологий, а также технологий поверхностного легирования, было отмечено в: автомобильной промышленности (1 место), общем машиностроении (2 место), авиационной и космической технике (3 место), причем прогноз на 2010 год оставил все практически без изменений. То, что мощные ионные и электронные импульсные пучки, а также лазерное излучение являются одними из наиболее эффективных инструментов для поверхностной инженерии деталей автомобилестроения, авиационной и космической техники обусловлено не только возможностями этих методов воздействия на материалы, но и достигнутым уровнем развития оборудования для их реализации.

В этой связи разработка и совершенствование методов поверхностной обработки деталей и заготовок с использованием концентрированных импульсных потоков энергии (КИПЭ) [5] имеет ряд преимуществ перед классическими методами поверхностной механической, химической и термомеханической обработок: формирование уникального физико-химического состояния материала поверхностного слоя; достижение рекордных точности изготовления (на нанометромом уровне) и шероховатости поверхности (Яа~0,05-0,06 мкм); экологическая чистота; высокая производительность (площадь поперечного сечения энергетических потоков изменяется от 30 см2 до 1 м2, а длительность импульса - от 10 не до нескольких десятков микросекунд); умеренные цены за оборудование и его обслуживание (не более $ 10 за обработку 1 м2 поверхности). Применение КИПЭ имеет по сути дела только один недостаток: высокая наукоемкость разрабатываемых технологий, обусловленная необходимостью проведения длительных и дорогостоящих исследований влияния режимов облучения на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и, соответственно, на комплекс эксплуатационных свойств деталей. Последнее является целью настоящей диссертации, сконцентрированной, прежде всего, на использовании сильноточных импульсных электронных пучков (СИЭП), которые являются одними из наиболее доступных и развитых видов КИПЭ для модификации свойств деталей авиационной техники и, в частности, для повышения уровня коррозионных, эрозионных и усталостных свойств лопаток компрессора ГТД, изготавливаемых из стали ЭП866ш.

По сравнению с мощными импульсными ионными пучками (МИИП), СИЭП начали применяться для обработки жаропрочных сплавов только с 1996 года (коллектив ученых из Томского института сильноточной электроники и Московского авиационного института под руководством профессора Проскуровского Д.И.) [6, 7], хотя отдельные публикации по модификации лопаток стационарных двигателей появились в 1993 году (Санкт-петербургская школа исследователей под руководством В. И. Энгелько) [8, 9].

Действительно, результаты исследований и испытаний образцов и конкретных изделий, включая испытания на двигателе лопаток из титановых сплавов, облученных МИИП, публикуются уже на протяжении 15 последних лет, а разработанные техпроцессы рекомендованы к внедрению еще в 1994 году [10-15]. Более чем пятилетнее отставание по времени начала исследований в области применения СИЭП для модификации поверхности деталей авиационной техники от использования МИИП для этих же целей, обусловлено, прежде всего, сложностью формирования широкоаппертурных электронных пучков и трудностью их транспортировки в вакууме, при которой наблюдается образование микронеустойчивостей, приводящих к филаментации пучка и образованию на поверхности большого числа кратеров размером до нескольких сотен микрон. В связи с вышесказанным, полученные ранее результаты исследований и испытаний деталей из жаропрочных сплавов обработанных СИЭП следует признать неудовлетворительными.

В последнее время разработчикам оборудования как в НИИЭФА г. Санкт-Петербург (ускрители «GESA»), так и в ИСЭ г. Томск удалось получить широкоаппертурные электронные импульсные пучки с высокой однородностью распределения плотности энергии по сечению, сравнимые, и даже превосходящие, по этим параметрам МИИП, что резко интенсифицировало исследования в области модификации поверхности СИЭП. Кроме того, КПД формирования СИЭП значительно превосходит КПД МИИП, поднимая в целом энергетику пучка до 100-200 Дж/см2 (5-8 Дж/см2 для МИИП) и обеспечивая, тем самым, решение существенно большего круга задач (модификация материалов в поверхностных слоях толщиной до 30 мкм, за счет высокоскоростного плавления и последующей перекристаллизации, нанесение относительно толстых покрытий, абляция поверхностных слоев с целью ремонта поврежденных при эксплуатации изделий, перемешивание материала предварительно нанесенных покрытий толщиной до 20-30 мкм с материалом подложки и т.д.). Успехи достигнутые научными школами проф. Проскуровского Д.И. и проф. Энгелько В.И. выглядят особенно впечатляющими с позиций международной признательности. Им удалось наладить производство и поставку своих ускорителей в такие развитые страны мирового сообщества как Германию и Японию. К сожалению, на внутреннем рынке России подобного успеха авторам этих разработок добиться не удалось до сих пор.

Таким образом, актуальность данной работы в фундаментальном отношении определяется необходимостью получения базовых знаний о влиянии режимов обработки сильноточными импульсными электронными пучками на физико-химическое состояние поверхностных слов и эксплуатационные свойства деталей из жаропрочных сплавов, а с практической точки зрения - возможностью создания и внедрения некоторых техпроцессов на предприятиях отрасли уже в ближайшее время, так как стоимость электронных ускорителей не превышает ($ 150 000), что более чем в 2 раза ниже стоимости ускорителей МИИП.

Для достижения сформулированной цели было необходимо реализовать постановку и последующее решение большого числа задач методического, фундаментального и практического плана: (1) разработка комплексной методики исследования физико-химического состояния нано - и микро - метровых поверхностных слоев деталей из многокомпонентных гетерогенных материалов (жаропрочная сталь ЭП866ш), основанной на применении таких методов, как: электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), рентгеноструктурный анализ (при регистрации дифрактограмм с фокусировкой по Бреггу-Брентано на малых и больших углах, а также при использовании методики скользящего пучка, РСА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), экзоэлектронная эмиссия (ЭЭЭ), рентгеновский микроанализ (РМА), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), оптическая металлография в поляризованном свете, измерение шероховатости поверхности (Ra) и др.; (2) разработка методики термодинамического анализа процессов, протекающих в поверхностном слое при облучении деталей СИЭП; (3) оценка оптимальных режимов электронно-лучевой обработки лопаток из жаропрочной стали ЭП866ш; (4) определение кинетики абляции материала с поверхности облучаемых СИЭП мишеней и изучение механизмов этого явления; (5) исследование явления кратерообразования на поверхности мишеней из стали ЭП866ш при их облучении СИЭП; (6) обоснование режимов сравнительных натурных испытаний серийных и обработанных электронным пучком деталей в составе изделия; (7) определение эксплуатационных характеристик деталей проточной части компрессора ГТД, прошедших электронно-лучевую обработку (усталостная прочность и циклическая долговечность с использованием высокочастотных испытаний, микротвердость, жаростойкость, эрозионная стойкость, коррозионная стойкость в условиях термоциклирования и др.); (8) обсуждение и обобщение расчетных и экспериментальных данных, полученных на стадиях исследования и подготовки к натурным испытаниям; (9) создание технологических карт процессов электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток компрессора из стали ЭП866ш; (10) составление технического задания на проектирование и разработка технической документации для изготовления электронных ускорителей для серийного производства.

Научная новизна работы.

Достижение главной цели, в соответствии с расширенным планом фундаментальных и прикладных исследований, практически полностью отражает научную новизну полученных данных, не имеющих аналогов ни в России, ни за рубежом. Впервые не только доказана возможность использования сильноточных электронных пучков для модификации свойств и ремонта наиболее нагруженных деталей компрессора ГТД (лопатки 7 и 8 ступеней изделие 88), но и разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта этих деталей двигателей РДЗЗ и РД 1700.

Кроме того, впервые были получены взаимосвязанные результаты влияния режимов облучения СИЭП на физико-химическое состояние материала поверхностных слоев и свойства компонентов двигателя, изготовленных из жаропрочной стали ЭП866ш, что позволяет построить взаимнооднозначную последовательность зависимостей: р(режимы > облучения) <-> у/(физико — химическое > состояние) <-> ^(свойства). Построение таких зависимостей обеспечивает разработку и внедрение новых технологических процессов уже при значительно меньших затратах времени и средств на стадии выбора оптимальных режимов облучения, существенно сокращая область поиска значений параметров облучения и финишной термообработки соответствующих этим оптимальным режимам. Эта часть работы является фундаментальным стержнем проблемы создания новых наукоемких высокоинтенсивных технологий электронно-лучевой обработки различных деталей и узлов.

С феноменологических позиций впервые подробно изучены: явление «кратерообразования» протекающее на поверхности облучаемых СИЭП мишеней, если обработка реализуется в режиме абляции (локальный местный унос материала на макро уровне); механизмы перераспределения элементов в поверхностных слоях многокомпонентных гетерогенных материалов при их облучении импульсным электронным пучком в режимах плавления, испарения и абляции; текстурообразование, имеющее место в процессе высокоскоростной перекристаллизации материала поверхностного слоя нагретого СИЭП; фазообразование, протекающее в приповерхностных областях при облучении и финишной термообработке; изменение уровня остаточных напряжений (в рамках модели плоско напряженного состояния) в зависимости от режимов электронно-лучевой обработки; механизмы влияния облучения на основные свойства деталей из жаропрочных сплавов (усталостная прочность, жаростойкость, эрозионная стойкость, сопротивление горячей солевой коррозии в условиях термоциклирования); кинетика абляции с поверхности деталей из стали ЭП866ш, в том числе после наработке на двигателе.

Разработанные технологии электронно-лучевой обработки и ремонта деталей и узлов проточной части турбины ГТД не имеют аналогов в авиационном двигателестроении и составляют основу для создания перспективных технологий изготовления двигателей нового поколения (на примере двигателей РДЗЗ и РД1700). На защиту выносятся:

1. Методика термодинамического анализа сложных гетерогенных систем, позволяющая определить режимы облучения электронным пучком (при микросекундной длительности импульса, т>10 цс, и высоких энергиях, Е>100 кэВ), когда достигаются плавление, испарение, плазмообразование, разложение и формирование различных фаз в жаропрочных и жаростойких материалах.

2. Комплексная методика определения физико-химического состояния материала приповерхностных областей деталей и их рабочих характеристик после различных методов обработки.

3. Результаты исследования влияния режимов электронно-лучевой обработки на ускорителях "ОЕЗА-2" и 'ЧЗЕЗА-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 приповерхностных областей деталей проточной части турбины (химический состав, структурно-фазовое состояние, остаточные напряжения и шероховатость поверхности).

4. Данные о влиянии режимов электронной и термической обработок на эксплуатационные свойства деталей из жаропрочной стали ЭП866ш).

5. Методика длительных натурных испытаний облученных деталей в составе технологического изделия (РДЗЗ).

6. Результаты исследования физико-химического состояния материала поверхностных слоев лопаток ГТД, подготовленных к испытаниям на технологическом изделии.

7. Механизмы перераспределения элементов в поверхностных слоях деталей в процессе сильноточной импульсной электронно-лучевой обработки.

8. Электронно-лучевые технологии обработки и ремонта лопаток компрессора ГТД, изготовленных из стали ЭП866ш.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследования.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований созданы методики и обоснованы рекомендации, обеспечивающие разработку и внедрение новых технологических процессов модификации поверхности и ремонта деталей ГТД различной номенклатуры с применением сильноточных импульсных электронных пучков.

Разработаны экологически чистые опытно-промышленные технологии электроннолучевой обработки и ремонта лопаток компрессора из стали ЭП8ббш, позволяющие заменить некоторые виды высокоточной механической и химической обработок, существенно повысить ресурс и надежность их эксплуатации (РДЗЗ и РД 1700).

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

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

Методика выбора режимов электронно-лучевой обработки использовалась при выполнении контракта между НПО ВИАМ и французской фирмой "ТигЬотеса", а также при реализации программы исследований по проекту МНТЦ (проект №975-98).

Полученные при выполнении диссертации результаты используются в учебном процессе в Московском авиационном институте при чтении лекций по курсам «Основы технологи производства ДЛА и ЭСУ» и «Спецтехнология», при проведении лабораторных работ по этим курсам и технологической практики у студентов старших курсов. Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: 10 Всемирный съезд по титану в 2003 г. (Гамбург, Германия), 5 Международная конференция по взаимодействию излучений с твердым телом в 2003 г. (Минск, Беларусь), постоянно действующий семинар по проблемам прочности в 2002 г. (Москва, ЦИАМ).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

выводы

1. Предложена, научно обоснована и апробирована оригинальная методика выбора области поиска оптимальных режимов электронно-лучевой обработки деталей из жаропрочных сплавов (на примере стали ЭП866ш ферритного класса с карбидным упрочнением), которая базируется на основных принципах локальной равновесной термодинамики и теории взаимодействия концентрированных импульсных потоков энергии с поверхностью твердых тел.

2. Показано, что с помощью облучения сильноточным импульсным электронным пучком микросекундной длительности удается модифицировать 20-25-микронные поверхностные слои лопаток из жаропрочной стали ЭП866ш. Методами электронной Оже-спектроскопи, рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии, экзоэлектронной эмиссии, просвечивающей электронной микроскопии, оптической металлографии и измерения шероховатости поверхности установлено, что при облучении в поверхностных слоях лопаток протекают процессы: плавления, перераспределения элементов, кратерообразования, абляции, высокоскоростной кристаллизации из расплава, изменения фазового состава и дислокационной структуры, повышения плотности дислокаций, изменения размеров зерен, формирования остаточных растягивающих или сжимающих напряжений и др.

3. Изучено влияние режимов электронно-лучевой и финишной термической обработок на эксплуатационные свойства лопаток ротора КВД ГТД (изделие 88) из жаропрочной стали ла-, ЭП866ш в результате чего показано, что. используя обработку сильноточным импульсным электронным пучком на ускорителе ОЕ8А-1 при энергии электронов 115-120 кэВ и плотности энергии 20-22 Дж/см2, удается повысить следующие характеристики лопаток компрессора: предел выносливости - до 10 %; эрозионную стойкость - более чем в 2 раза (в инкубационный период), жаростойкость - более чем в 3 раза; сопротивление горячей солевой коррозии - более чем в 3 раза.

4. Экспериментально установлены причины изменения эксплуатационных свойств лопаток из стали ЭП866ш, подвергнутых электронно-лучевой и термической обработкам: формирование при термоэкспозиции на воздухе оксидной пленки на основе оксида хрома при полном отсутствие шпинелей; сглаживание кромок поверхностных дефектов, образованных на стадии механической обработки и являющихся концентраторами напряжений; снижение шероховатости поверхности; повышение пластичности материала в поверхностном слое толщиной 20-25 мкм.

5. Показано, что сильноточный импульсный электронный пучок микросекундной длительности является высокоэффективным инструментом для ремонта лопаток компрессора. Применение СИЭП позволяет удалять за один импульс нагар и газонасыщенные при эксплуатации поверхностные слои толщиной до 7 мкм за импульс при плотности энергии 48-50 Дж/см2.

6. Обнаружен и научно обоснован эффект перераспределения легирующих элементов в многокомпонентных гетерогенных системах, облучаемых СИЭП в режиме плавления: компоненты с коэффициентом распределения К<1 оттесняются фронтом кристаллизации к поверхности мишени, а элементы с К>1 - концентрируются в зоне границы раздела "перекристаллизованный материал - исходный сплав". Показано, что электронно-лучевая обработка поверхности лопаток приводит к интенсивному выносу материала основы по механизму "абляции", что проявляется в формировании на поверхности микронеоднородностей в виде кратеров. При облучении лопаток сильноточным электронным пучком микросекундной длительности в их поверхностных слоях толщиной до 20-25 мкм протекают процессы избирательного массопсреноса, в основе которых лежат, как и в случае воздействия мощного ионного пучка наносекундной длительности, механизмы оттеснения примеси фронтом кристаллизации, лепгмюровского испарения и местной нестационарной абляции.

7. Экспериментально изучен процесс кратерообразования, протекающий на поверхности лопаток из стали ЭП866ш при облучении с плотности энергии более 26-28 Дж/см2. Показано, что для мишеней из стали ЭП866ш наиболее вероятными механизмами образования кратеров, из приведенных ранее и сформулированных в работах, посвященных исследованию этого процесса при воздействии на материалы мощных импульсных ионных пучков являются: избирательное плавление и последующая эрозия отдельных участков поверхности, вследствие различия в температурах плавления фазовых составляющих; избирательное плавление и плазмообразование, обусловленные высокой степенью неоднородности распределения плотности дислокаций по поверхности в пределах области действия электронного пучка; нестационарное и различное по глубине плавление отдельных участков поверхности с различной ориентацией и взрывная эмиссия с острых участков поверхности.

8. Экспериментально доказано, что после электронно-лучевого удаления нагара и газонасыщенных во время эксплуатации поверхностных слоев, 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 - определение толщин нагара и окисленных слоев; 010 - удаление нагара СИЭП; 015 - удаление газонасыщенных поверхностных слоев СИЭП; 020 - выглаживание микрорельефа СИЭП; 025 - контроль состояния поверхности; 030 - финишная термообработка для снятия остаточных растягивающих напряжений.

9. На основании результатов усталостных, эрозионных и коррозионных испытаний, а также исследований физико-химического состояния поверхностных слоев серийных и модифицированных электронным пучком лопаток, были разработаны технологические процессы электронно-лучевой обработки и ремонта лопаток 7 ступени ротора КВД. Принято решение о внедрении разработанных технологий в серийное производство ГТД (двигатели РДЗЗ и РД1700) на ММП им. В. В. Чернышева, после завершения длительных натурных испытаний на технологическом изделии и оснащения технологического участка серийным оборудованием для облучения лопаток. Длительными натурными испытаниями на технологическом изделии по разработанной и утвержденной программе будут проверены лопатки компрессора ГТД из стали ЭП866ш, подвергнутые облучению на ускорителе GESA-1 с целыо повышения предела выносливости и, что особенно важно, коррозионной стойкости в присутствии компонентов морской воды и в условиях термоциклирования.

1. Prospective survey of surface hardening technologies. CETIM, Senlis, 16 October 2001. 28 p.

2. 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. 8996.

3. Сулима A. M. , Шулов В. A. , Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988.240 с.

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

5. Фазовые и структурные изменения в стали 45 под действием низкоэнергетичного электронного пучка / Ю. Ф. Иванов, В. И. Итин, С. В. Лыков и др. // Известия РАН. Металлы, 1993. № 3. с. 130-140.

6. Shulov V. A., Remnev G. E., Nochovnaya N. A. etc. High power ion beam treatment of titanium alloy parts, Proceedings of the 8th International Conference on Titanium, U. K., v. 3. 1996. p. 2126-2132.

7. 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.

8. 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.

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

10. Shulov V. A., Remnev G. Е., Nochovnaya N. A. Thermomechemical processing of titanium alloys by high power pulsed ion beams // J. Materials science and Engineering. 1998. A242. p. 290-293.

11. Proceedings of the Inter. Conf. "BEAMS-92", USA. 1992. v. 1-3. p. 2134.

12. Материалы Международной конференции "Beams-96" . Прага, 1996. В 2х томах. 1293 с.

13. Доклады 3 Всероссийской конф. по модификации свойств конструкционных материалов д., пучками заряженных частиц. Томск: ГКНТ, 1994. т. 1-3. 526 с.

14. Proceedings of the Firth International Conference of Electron Beam Technologies, Varna, 2-5 June 1997. 599 p.

15. Материалы Международной конференции "Beams-98" . Хайфа, 1998. В Зх томах. 1733 с.

16. 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.

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

18. Генерация сильноточных наносекундных низкоэнергетических электронных пучков / Д. И. Проскуровский, Г. Е. Озур, Г. А. Месяц и др. // Письма в ЖТФ, 1981. т. 7, №20. с. 1227-1230.

19. Марков А. Б. , Проскуровский Д. И. , Ротштейн В. П. Формирование зоны теплового влияния в железе и стали 45 при воздействии низкоэнергетичных сильноточных электронных пучков//Томский научный центр, СО РАН, Препринт №17. 1993. 63 с.

20. 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. 1p. 267-271.

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

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

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

24. Шиллер 3. , Гайзич У. , Панцер 3. Электронно-лучевая технология. М. : Энергия, 1980. 528 с.-¿L, 31. Инжекционная газовая электроника. / Бычков Ю. И., Королев Ю. Д., Месяц Г. А. и др. // Новосибирск: Наука, 1982. 240 с.

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

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

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

28. 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.

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

30. 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.

31. Шулов В. А. , Ночовная Н. А., Ремнев Г. Е. , Полякова И. Г. , Исаков. И. Ф. Способ ремонта деталей машин с помощью обработки их поверхности концентрированными импульсными потоками энергии // Патент РФ № 586735139. Бюл. №5. 1997. 12 с.

32. Shulov V. А., Nochovnaya N. А. , Remnev G. Е. The application of high power ion beams in aircraft engine buildings for reconstruction of refractory alloy parts. Proceedings of Beams-96 International Coference. 1996. v. 2. p. 878-882.

33. Shulov V. A. , Nochovnaya N. A. , Remnev G. E. High power ion beam treatment of titanium alloy parts. Proceedings of 8-th International Conference on Titanium. 1996. v. 3. p. 21262132.

34. Engelko V. I. , Andreev A. A. , Komarov F. F. Application of an intense long pulse electron beam for investigation oh iter diverdor material arosion // Proceedings of the Inter. Conf. "BEAMS-96", Prague, 1996. v. 2 p. 793-796.

35. Surface treatment of materials by pulsed electron beams / G. Mueller, G. Schumacher, D. Strauss etc. // Proceedings of the Inter. Conf. "BEAMS-98", Haifa, 1998. p. 243-247.

36. Диденко A. H. , Шулов В. A. , Ремнев Г. E. , Ночовная H. А. Физико-химическое состояние поверхностных слоев и эксплуатационные свойства сплава ВТ18У, подвергнутого воздействию мощного ионного пучка. ФиХОМ, 1991. №5. с. 14-23.

37. Шулов В. А. , Ремнев Г. Е. , Ночовная Н. А. Явление кратерообразования при взаимодействии мощных ионных пучков с поверхностью металлов и сплавов: Общая характеристика. Поверхность. 1993. №12. с. 110-121.

38. Шулов В. А. , Ремнев Г. Е. , Ночовная Н. А. Явление кратерообразования при взаимодействии мощных ионных пучков с поверхностью металлов и сплавов: Влияние предварительной обработки. Поверхность. 1995. №6. с. 77-91.

39. Ульянин Е. А. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1991. 256 с.

40. Масленков С. Б. , Масленкова Е. А. Стали и сплавы для высоких температур. М. : Металлургия, 1976, т. 1. 383 с.

41. Шулов В. А. Влияние ионной имплантации па химический состав и структуру поверхностных слоев жаропрочных сплавов // Известия ВУЗов. Физика, 1994. №5. с. 7291.

42. Шулов В. А. , Стрыгин А. Э. , Досов И. М. Электронная Оже-спектроскопия *** поверхностных слоев жаропрочных сплавов после ионно-лучевой обработки //

43. Поверхность, 1990. № 7. с. 124-131.

44. 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. 3034.

45. Применение ионно-лучевой обработки для повышения служебных характеристик лопаток компрессора ГТД из сплава ЭП718ИД / А. М. Сулима, В. А. Шулов, А. Ф. Львов, А. А. Носков и др. // РТМ 1.2.071-1990. 45 с.

46. Львов А. Ф. Разработка технологических процессов ионно-лучевой модификации поверхности при изготовлении и ремонте лопаток компрессора и турбины ГТД //

47. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва: МАИ, 2002.-164 с.

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

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

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

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

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

53. Прочность металлов и сплавов / Дж. Дж. Мак-Куин, Дж. П. Бейлон, Дж. И. Диксон и др. // М. : Металлургия, 1990. 352 с.

54. Исследование коррозионных процессов методом фото-стимулировапной экзоэмиссии / В.А. Шулов, В.В. Шорин, А.М. Сулима и др.// Тез. докл. 20 Всес. конф. по эмиссионной электронике . Киев: ИФ АН УССР. 1987. с. 208-209.

55. Методы исследования поверхностного слоя деталей двигателей JIA \ Ю.Д. Яодкин, М.В. Зверев, В.В. Шорин, В.А. Шулов // Учебное пособие. М. : МАИ, 1987. 87 с.

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

57. 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.

58. Булычев С. И. , Алехин В. П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. 224 с.

59. Прочность металлов и сплавов / Дж. Дж. Мак-Куин, Дж. П. Бейлон, Дж. И. Диксон и др. // М.: Металлургия, 1990. 352 с.

60. Сулима А. М. , Носков А. А. , Серебренников Г. 3. Основы технологии производства газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1996. 480 с.

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

62. Школьник J1.M. Методы усталостных испытаний. М.: Металлургия, 1978. 300 с.

63. Балтер М.А. Фрактография средство диагностики разрушенных деталей М.: Машиностроение, 1987. - 158 с.

64. Энгель JL, Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение. М.: Металлургия, 1986. 231 с.

65. Морис Ф., Мени JL, Тиксье Р. Микроанализ и растровая электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1985. 392 с.

66. Erosion of surface coatings in hydrodynamic flows / M. J. Pickles, B. J. Briscoe, R. S. Jullian, M.J. Adams//J. Wear, 1996. v. 181/183, N2. p. 759-765.

67. The failure models induced by white layers during impact wear /Y. Y. Yang, H. S. Fang, Y. K. Zheng etc. //J. Wear, 1995 v. 185, N1/2. p. 17-22.

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

69. Levy A. Solid particle erosion and erosion corrosion of materials. ASM International, 1995. 534 p.

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

71. Жаростойкость сплава ВТ18У. подвергнутого ионно-лучевому легированию / В.А. Шулов, А.Э. Стрыгин , H.A. Ночовная, Ю.Б. Алексеев// ж. Защита металлов, 1991. №3. с. 456-464.

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

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

74. Поут Дж. М. , Фоти Г. , Джекобе Д. К. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. М.: Металлургия, 1987. 424 с.

75. Кубашевский О., Олкокк С. Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982. -389 с.

76. Куликов И. С. Термодинамика карбидов и нитридов. М.: Металлургия, 1988. 320 с.

77. Обработка титанового сплава ВТ8М мощными ионными пучками наносекундной длительности / В. А. Шулов, Г.Е. Ремнев, А.Э. Стрыгип и др. // ж. ФиХОМ, 1997. №4. -с.5-12.

78. Хайн К., Буриг Э. Кристаллизация из расплава. М.: Металлургия, 1987. 319 с.

79. Емельянов В. С. , Евстюхин А. И. , Шулов В. А. Теория методов получения чистых металлов, сплавов и интерметаллидов. М.: Энергоатом издат, 1983. 143 с.

80. Технологические основы поверхностной инженерии изделий из жаропрочных сплавов с применением сильноточных импульсных электронных пучков / В. А. Шулов, А.Г.

81. Пайкин, Н.А. Ночовная и др.// Материалы 5 Междун. конф. по взаимодействию излучений с твердым телом. Минск: БГУ, 2003. с. 317-319.

82. Анализ полей температурных полей и поведение примеси в кристаллах при импульсном ионном отжиге / Ю. А. Подлипко, А. П. Новиков, Ю. А. Бумей и др. // Доклады Всесоюзной конференции по ионно-лучевой модификации материалов. Каунас: ГКНТ, 1989.-с. 26-28.

83. Yatsui К. High power pulse ion beam application for technology // J. Laser and Particle Beams, 1989.-v. 7.-p. 733-749.

84. Shulov V. A., Remnev G. E., Nochovnaya N. A. High power ion beam treatment of titanium alloy parts // Proceedings of the 8th International Conference on Titanium, U. K., 1996. v. 3. -p. 2126-2132.

85. Шулов В. А. , Ремнев Г. Е. , Ночовная Н. А. Явление кратерообразования при взаимодействии мощных ионных пучков с поверхностью металлов и сплавов: Влияние предварительной обработки // Поверхность. Физика, химия, механика. 1995. №6. - с. 7791.

86. Болдин А. А. Нелокальные эффекты при эволюции плотных каскадов атомных столкновений // Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. М.: МИФИ. 1992.- 130 с.

87. Майер А.А. Нелинейная динамика границы мишени под действием интенсивных потоков заряженных частиц // Диссертация на соискание ученой степени канд. физ. мат. наук. Челябинск: ЧГПУ, 112 с.

88. Яловец А.А., Майер А.А., Волков Н.Б. О механизме явления кратерообрачования на облучаемой поверхности // В сб. трудов 6-той Международной конф. по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. ТПУ: Томск, 2002. с. 230-233.

89. Nochovnaya N. A., Shulov V. A., Lvov A. F. Surface processing of titanium alloy parts by intense electron beams//Titanium -99. Sankt-Peterburg: CRISM-'TROMETEY", 1999. c. 914922.

90. Shulov V. A. , Nochovnaya N. A., Engelko V. I. The recycling of metals// Vienna, 17-18 June 1999.- p. 92-101.

91. Shulov V. A. , Nochovnaya N. A., Engelko V. I. Surface engineering // Gothenburg, 11-12 June 2000.-p. 121-132.

92. Nochovnaya N. A., Shulov V. A., Lvov A. F. Erosion and corrosion resistant coatings for refractory titanium alloys//Titanium -99. Sankt-Peterburg: CRISM-"PROMETEY", 1999. c. 843-856.

93. Каблов E.H. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) IIМ.: МИСиС, 2001. 632 с.