Повышение уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных компонентов ГТД (лопатки компрессора и турбины), изготавливаемых из жаропрочных сплавов, является одной из наиболее важных задач авиадвигателестроения. Решение этой задачи осуществляется по нескольким направлениям, и в том числе путем: разработки новых материалов; совершенствования способов изготовления; развития новых методов поверхностной обработки.
Современные технологии ведущих западных фирм направлены на максимально возможное снижение объемов операций резания, приводящих к значительным потерям материала.
В связи с этим разработка и внедрение высокоинтенсивных методов поверхностной обработки деталей с использованием концентрированных импульсных потоков энергии имеет ряд преимуществ перед классическими методами поверхностной (механической, химической и термической) обработки. Облучение деталей импульсными потоками энергии обеспечивает: формирование уникального физико-химического состояния материала в поверхностном слое; достижение рекордной точности изготовления (на нанометровом уровне) и низкой шероховатости поверхности (Ra = 0,05…0,06 мкм); экологическую чистоту производства; высокую производительность (площадь поперечного сечения энергетических потоков изменяется от 30 см2 до 1 м2, а длительность импульса - от 50 нс до нескольких десятков микросекунд). Применение концентрированных потоков энергии имеет по сути дела только один недостаток - необходимость проведения длительных и дорогостоящих исследований.
Сегодня российскими учеными созданы сильноточные электронные и ионные ускорители GESA-1, GESA-2, Радуга-5 и Темп-M, обеспечивающие получение широкоапертурных электронных и ионных импульсных пучков с высокой однородностью распределения плотности энергии по сечению, которые могут быть внедрены в промышленность при их незначительной модернизации.
Специалистами ОАО "ММП имени В.В. Чернышева" совместно с учеными Московского авиационного института, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ИСЭ СО РАН, НИИ ЯФ (Томск) разработаны перспективные электронно- и ионно-лучевые технологии модификации поверхности, предназначенные для улучшения ее свойств при изготовлении и ремонте лопаток компрессора и турбины ГТД нового поколения. Исследовались исходные и облученные ионными и электронными пучками лопатки компрессора и турбины из сплавов ВТ8М, ВТ9, ВТ6, ЭП888ш, ЭП718ИД и ЖС26НК. Физико-химическое состояние поверхностных слоев лопаток исследовалось методами электронной Оже-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии, экзоэлектронной эмиссии и оптической металлографии в поляризованном свете. Были проведены сравнительные усталостные, коррозионные и эрозионные испытания серийных и подвергнутых облучению лопаток компрессора и турбины, включая испытания на двигателе. Основные результаты проведенных исследований и испытаний могут быть обобщены в следующем виде: при облучении мощными электронными и ионными пучками удается модифицировать поверхностные слои толщиной от 1 до 100 мкм; использование обработки сильноточными электронными и ионными пучками обеспечивает улучшение характеристик лопаток компрессора и турбины: предел выносливости повышается на 20…180 %; жаростойкость - более чем в 2 раза; эрозионная стойкость - более чем в 2 раза (в инкубационный период); коррозионная стойкость в условиях термоциклирования - более чем в 9 раз; облучение с высокими плотностями поверхности лопаток, прошедших наработку на двигателе, позволяет реализовать процессы испарения и даже абляции продуктов коррозии с поверхности деталей, "залечить" поверхностные микротрещины.
Полученные к настоящему времени результаты позволяют очертить наиболее перспективные области применения импульсных ионных и электронных пучков в авиационном двигателестроении, среди которых: модификация свойств лопаток компрессора и турбины путем выглаживания поверхности, изменения химического и фазового составов материала поверхностных слоев, улучшения структуры кристаллической решетки; ремонт деталей с деградировавшим поверхностным слоем или покрытием; нанесение защитных покрытий на поверхность деталей с острыми кромками при первоначальном проведении процесса импульсно-дуговой ионной имплантации; комплексная обработка поверхности лопаток; интегральная технология модификации поверхности, основанная на использовании интенсивных импульсных ионных или электронных пучков с последующей ионной имплантацией.
Перечень возможных способов применения концентрированных импульсных потоков энергии в авиационном двигателестроении может быть существенно расширен, что представляется особенно важным при разработке технологических процессов, применяемых при производстве двигателей пятого и шестого поколений.