ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПОТОКОВ
ЭНЕРГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

ММП им. В. В. Чернышева:
Александр Борисович Белов,
Александр Вячеславович Крайников,
Александр Федорович Львов,
Александр Григорьевич Пайкин,
Вячеслав Александрович Шулов
НИИЭФА им. Д.В. Ефремова:
Владимир Иванович Энгелько,
Константин Иванович Ткаченко
НИИЯФ при ТПУ:
Геннадий Ефимович Ремнев

Разработка и внедрение высокоинтенсивных методов поверхностной обработки деталей при использовании 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 нанометровой точности изготовления и шероховатости поверхности, соответствующей Ra = 0,05…0,06 мкм, а также высокую экологическую чистоту производства. Возможность изменения площади поперечного сечения энергетических потоков от 30 см2 до 1 м2 при длительности импульса от 50 нс до нескольких десятков микросекунд позволяет повысить производительность метода.

Вместе с тем, применение концентрированных потоков энергии отличается высокой наукоемкостью разрабатываемых технологий, что требует проведения длительных и дорогостоящих исследований влияния режимов облучения на состояние поверхности и свойства деталей. В настоящей статье излагаются некоторые результаты таких исследований, связанные с использованием наиболее доступных и развитых методов - сильноточного импульсного электронного пучка и мощного импульсного ионного пучка.

В последнее время разработчикам оборудования удалось получить широкоапертурные (большой площади поперечного сечения) электронные и ионные импульсные пучки с высокой однородностью распределения плотности энергии по сечению. В 1996-2000 гг. сотрудниками НИИЭФА им. Д.В. Ефремова были изготовлены ускорители "GESA-1" и "GESA-2", предназначенные для поверхностной модификации материалов. Основными узлами "GESA-1"являются: инжектор электронов, высоковольтный генератор с контролируемой длительностью импульса, собранный по схеме Маркса, фокусирующие магнитные катушки, дрейфовый канал, рабочая камера, радиационная защита и система контроля. Электронный инжектор содержит высоковольтный размыкатель, взрывоэмиссионный катод, сетку контроля и анод (триодная схема).

Сетка контроля соединена с заземленным анодом через резистор. Это позволяет контролировать величину тока электронного пучка в определенном интервале без изменения кинетической энергии электронов на выходе инжектора и создавать достаточно высокую напряженность электрического поля возле поверхности катода на начальной стадии формирования импульса, что необходимо для однородной эмиссии электронов.

В качестве источника электронов в ускорителе "GESA-1" используется многоострийный взрывоэмиссионный катод со стабилизацией катодной плазмы. Магнитная фокусирующая система, состоящая из шести катушек индуктивности, обеспечивает формирование и транспорт пучка требуемого диаметра в диапазоне 6...10 см.

Ускоритель "GESA-1", в отличие от разработанных ранее установок, позволяет добиться больших значений энергии и длительности импульса при существенном увеличении расстояния от мишени до анода. Энергия электронов на этой установке 40…150 кэВ, длительность импульса 4…40 мкс, плотность энергии в пучке 1…50 Дж/см2, площадь поперечного сечения пучка 30…80 см2, неоднородность плотности по сечению пучка - 5…10 %. К.п.д. передачи запасенной в накопителе энергии в энергию пучка - 45…50 %.

Процесс обработки деталей с использованием ускорителя "GESA-2" осуществляется при изменении параметров пучка в более широких пределах: энергия электронов Е = 200…400 кэВ; длительность импульса - от 5 до 250 мкс; плотность энергии в пучке 180 Дж/см2; диаметр пучка d = 4…6 см.

Ускоритель "ТЕМП-М", разработанный в 1988 г. и модифицированный в 1998 г. в НИИЯФ при ТПУ (Томск), позволяет проводить обработку мишеней пучком, содержащим ионы углерода (70 %) и протоны. Значения параметров облучения следующие: энергия ионов Е = 250…300 кэВ, длительность импульса 50 нс, сечение пучка S = 20...200 см2, плотность ионного тока в импульсе 40…200 А/см2. Эта установка содержит вакуумную камеру диаметром 520 мм и длиной 600 мм, барабан с гнездами для закрепления мишеней, магнитоизолированный диод, генератор импульсных напряжений Аркадьева-Маркса, вакуумную систему и систему электропитания.

В ускорителе "ТЕМП-М" для генерации импульсных ионных пучков применяется магнитоизолированный диод совмещенного типа с самоизоляцией и внешней магнитной изоляцией. Полупроницаемый катод размером 50x200 мм выполнен из нержавеющей стали с вырезами в форме эллипсов, что обеспечивает свободную транспортировку ионов к мишени. Состав пучка (70 % - ионы углерода, остальное - протоны) определяется материалом анода (графит) и продуктами его поверхностной адсорбции (сложные углеводороды при использовании средств диффузионной откачки).

В качестве объектов исследования использовались образцы и лопатки компрессора и турбины ГТД из жаропрочных титановых сплавов ВТ6, ВТ8М, ВТ9 и сталей ЭП888ш и ЭП718ИД, а также никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК. На поверхность образцов и лопаток из сплавов ЖС6У и ЖС26НК вакуумно-плазменным методом на установке МАП-1 наносилось покрытие СДП-2 толщиной 50 мкм. Физико-химическое состояние поверхностных слоев исходных и облученных мишеней исследовались методами электронной Оже-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и оптической металлографии. Кроме того, проведены сравнительные испытания на усталостную прочность, коррозионную и эрозионную стойкость, включая испытания на двигателе.

Рассмотрим влияние облучения на физико-химическое состояние поверхностных слоев лопаток компрессора и турбины ГТД. В зависимости от режимов облучения в поверхностных слоях возможно протекание следующих процессов: очистка поверхности и образование тонкодисперсных преципитатов карбидов или оксикарбидов в приповерхностной зоне толщиной до 0,2…0,3 мкм; высокоскоростное плавление при плотности тока более 40 A/см2; сублимация и плазмообразование при плотности тока более 200 A·см-2; дефектообразование (толщиной 10 мкм; отмечается уширение и смещение дифракционных линий, а также увеличение интенсивности экзоэлектронной эмиссии); высокоскоростная перекристаллизация, сопровождающаяся перераспределением элементов при облучении большим числом импульсов, когда плотности тока в импульсе не превышают 100 А/см2; распад и измельчение упрочняющих фаз (карбиды: TiC, (Ni, Me)23C7, (Ni, Me)7C3 и другие; бета-фаза в (? + ?)-титановых сплавах; ?' и ?-фазы в никелевых сплавах); кратерообразование (образование поверхностных микродефектов в форме кратеров при плотности тока более 80…100 A/см2); образование и рост подповерхностных и поверхностных микротрещин при высоких величинах плотности ионного тока (при плотности тока более 100…160 A/cм2) в зависимости от типа сплава, термической и механической обработки заготовок.

Ряд интересных и имеющих важное практическое значение эффектов был зафиксирован при исследовании образцов и лопаток из жаропрочных сплавов после облучения МИИП и низкотемпературного вакуумного отжига (300…600 °С), который был реализован для стабилизации структуры, снятия остаточных растягивающих напряжений и дисперсионного упрочнения перекристаллизованного и отпущенного материала: рекристаллизация с образованием равноосных зерен размером около 40…60 мкм (титановые сплавы); полный отжиг дефектов, сформированных на стадии облучения; коагуляция карбидов и выделение новых преципитатов; образование пластинчатой (сплавы ВТ18У и ВТ25У) или бимодальной (ВТ9 и ВТ8М) структур с высокой степенью однородности ориентации a-пластин в пределах каждой a-колонии; "идеализация" кристаллической решетки; интенсивный рост зародышей новых фаз в кратерах (в форме как идеальных кристаллов, так и дендридов); вторичный распад ?-фазы в ?-пластинах с образованием "субпластинчатой" микроструктуры в каждой первичной ?-пластине при высокой степени однородности ориентации вторичных ?-пластин, образующих ?-колонии (титановые сплавы).

Очевидно, что практически идентичные процессы должны протекать в поверхностном слое деталей из жаропрочных сплавов при облучении их сильноточным импульсным электронным пучком (СИЭП). Влияние плотности энергии и числа импульсов на химический состав поверхностных слоев лопаток ГТД исследовалось методом электронной Оже-спектроскопии. Из этих данных, а также результатов дополнительно проведенных экспериментов вытекает следующее: в исходном состоянии поверхностные слои лопаток после виброабразивной обработки загрязнены примесями углерода и кислорода, концентрации которых достигают 5 и 3 ат. % даже на глубине 200 нм; образцы и лопатки, прошедшие тонкое ручное полирование на алмазной пасте (или электрополирование) и высоковакуумный отжиг характеризуются значительно более высокой степенью чистоты по кислороду и углероду; подготовленные к облучению образцы и лопатки из сплавов ВТ8М и ЖС26НК обеднены с поверхности алюминием до глубин ~150 нм, что является особенностью деталей из титановых и никелевых сплавов, прошедших механическую и термическую обработку, что, собственно, и предопределяет их относительно низкую жаростойкость при повышенных температурах на начальной стадии окисления; лопатки из стали ЭП866ш после механической обработки характеризуются низким содержанием хрома и никеля в поверхностных слоях толщиной до 200 нм; облучение при относительно низких плотностях энергии 18…20 Дж/см2 способствует значительному уменьшению концентраций примесных элементов (углерода и кислорода), а также в преимущественном выходе на поверхность таких легирующих элементов, как алюминий (15…22 ат. %) для сплавов ВТ6, ВТ8М и ВТ9, никеля и хрома для сталей ЭП866ш, ЭП718ИД и никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК с покрытием СДП-2; при плотностях энергии более 20…22 Дж/см2 на поверхности лопаток образуются отдельные микрократеры, что приводит к заметному различию профилей распределения элементов по глубине в различных точках поверхности. При этом на свободной от кратеров поверхности распределения элементов близки к распределениям, полученным при плотностях энергии 18…20 Дж/см2; в микрократерах зафиксировано очень высокое содержание углерода и кислорода при почти полном отсутствии алюминия (ВТ6, ВТ8М, ВТ9) и хрома (ЭП866ш, ЭП718ИД, ЖС6У и ЖС26НК).

(Продолжение в следующем номере)