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

(Окончание. Начало в № 1 - 2006)

Анализ приведенных в этом разделе данных показал, что перераспределение элементов при облучении с низкими плотностями энергии осуществляется строго в соответствии с величинами коэффициентов распределения примесей согласно основным положениям теории направленной кристаллизации: примесь с коэффициентом распределения К0 < 1 оттесняется фронтом кристаллизации к поверхности, в то время как компоненты с К0 > 1 должны концентрироваться в зоне границы раздела "перекристаллизованный материал - матричный сплав".

Результаты изучения химического состава поверхностных слоев лопаток, обработанных СИЭП и подвергнутых диффузионному вакуумному отжигу (500…600 °С - для титановых сплавов и сталей и 1040 °С - для сплавов ЖС6У и ЖС26НК) показали, что термообработка приводит к некоторому выравниванию распределений химических элементов по глубине, причем эти распределения становятся более однородными благодаря интенсивно протекающим диффузионным процессам.

Анализируя результаты исследования влияния облучения и последующего отжига на химический состав поверхностных слоев изучаемых лопаток, можно сделать вывод о том, что облучение при плотности энергии w=18…22 Дж/см2 и диффузионный отжиг приводят к увеличению содержания алюминия (титановые сплавы) и хрома (стали и никелевые сплавы), а также к более однородному распределению элементов по глубине и очистке поверхности от примесей углерода и кислорода, что способствует повышению основных свойств лопаток ГТД, увеличению сопротивления окислению и солевой коррозии и, в меньшей степени, сопротивления усталости. При w > 20…22 Дж/см2 возрастает вероятность фиксации различных по химическому составу концентрационных профилей при сканировании электронного зонда по поверхности, что связано с формированием на ней микрократеров. Последнее представляется крайне нежелательным, поскольку может привести к катастрофическому ухудшению рабочих характеристик деталей в условиях эксплуатации.

Результаты металлографического анализа исходных и облученных мишеней свидетельствуют о формировании в процессе высокоскоростной кристаллизации плохо травящегося поверхностного слоя толщиной 20…25 мкм. Структура этого слоя в зависимости от плотности энергии и числа импульсов может изменяться от глобулярной до игольчатой (сплав ВТ8М). При этом по мере роста плотности энергии в импульсе и числа импульсов изменяется шероховатость поверхности. Влияние режимов облучения СИЭП на шероховатость поверхности лопаток из стали ЭП866ш было изучено с целью выбора оптимальных величин плотности энергии и числа импульсов, обеспечивающих минимальную шероховатость. Облучение было реализовано при различных плотностях энергии от 15 до 42 Дж/см2. Число импульсов изменялось от 3 до 10. При высоких плотностях энергии шероховатость поверхности значительно превышает исходную, и, кроме того, возможно развитие волнистости.

Результаты рентгеноструктурного анализа, проведенного для исходных, облученных и термообработанных деталей, позволяют сделать следующие выводы. Небольшие остаточные растягивающие напряжения (500…100 МПа) формируются в поверхностных слоях деталей, обработанных СИЭП при общей толщине модифицированного слоя 20…25 мкм. В этой приповерхностной зоне в процессе высокоскоростной кристаллизации образуются мартенситные фазы и мелкодисперсные конгломераты карбидов (или оксикарбидов).

Дополнительная термообработка облученных лопаток приводит к формированию остаточных сжимающих напряжений величиной (минус 100 МПа) и к частичному распаду мартенситных фаз, коагуляции карбидов и росту зерен в поверхностном слое. Следствием облучения и термообработки является преимущественный выход на поверхность кристаллографических граней определенной ориентации (текстурообразование) в полном соответствии с основными принципами теории роста кристаллов, а именно: при высоком пересыщении происходит преимущественный рост наиболее плотноупакованных граней.

Приведенные здесь данные говорят о том, что такие существенные изменения физико-химического состояния поверхностных слоев лопаток ГТД, в результате их облучения МИИП и СИЭП, должны привести к значительным изменениям свойств этих деталей.

Рассмотрим влияние облучения на свойства лопаток компрессора и турбины ГТД. Испытания на усталость модельных образцов и рабочих лопаток ротора компрессора и турбины ГТД (двигатель РД33), изготовленных по серийной технологии и прошедших ионно-лучевую обработку, были проведены на магнитострикционных вибростендах с частотой нагружения 1800 Гц (лопатки 3-й ступени ротора компрессора из сплава ВТ9) и 3000…3300 Гц (лопатки 7, 8 и 9-й ступеней ротора компрессора из сталей ЭП866ш и ЭП718ИД) при температуре 20…650 °С. Модельные образцы представляли собой клиновидные бруски с двойным радиусным переходом от клина к зоне закрепления, которые колеблются по второй изгибной форме. Момент начала разрушения фиксировался по снижению частоты собственных колебаний на 50…60 Гц. По результатам испытаний строились кривые усталости, в соответствии с которыми определялись пределы выносливости образцов, прошедших различную обработку. Поверхности изломов изучались методами оптической и электронной фрактографии. В результате исследований была получена информация о расположении очагов разрушения, а также, в отдельных случаях, о скорости и механизме развития усталостных трещин.

Распределения деформаций по поверхности лопаток компрессора определялись экспериментально с помощью тензорезисторов, наклеиваемых в различных сечениях профиля лопатки, при комнатной температуре с последующим пересчетом на температуру испытаний. Кроме того, были проведены низкочастотные испытания на усталость (80 Гц) на вибростенде "Шенк" на воздухе при комнатной и рабочих температурах. Здесь использовались корсетные образцы с кромками, имитировавшими кромки лопаток компрессора.

Испытания на жаростойкость проводились гравиаметрическим методом на лопатках, помещенных в муфельную печь при температурах от 500 до 950 °С, в течение заданной длительности. Жаростойкость определялась по изменению массы образцов при трех значениях времени термоэкспозиции: 100, 200 и 500 ч. Кроме того, окисленные поверхности лопаток исследовались методами электронной Оже-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, что позволяло получить информацию о механизмах окисления и причинах изменения жаростойкости после ионно-лучевой или электронно-лучевой обработки.

Лопатки компрессора подвергались испытаниям: на усталость в условиях солевой коррозии при наличии ионов хлора при повышенных температурах и на термоциклирование (нагрев до температуры эксплуатации - охлаждение в морской воде до комнатной температуры). Лопатки после коррозионных испытаний в морской воде промывали в дистиллированной воде, высушивали при 100 °С и исследовали методами электронной Оже-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа.
Исследования показали, что с помощью ионно-лучевой обработки мощными импульсными пучками и последующей термообработки лопаток компрессора из титановых сплавов ВТ9, ВТ8М, сталей ЭП866ш и ЭП718ИД происходит повышение: предела выносливости (на базе 2·107 циклов) на 20…40 %; жаростойкости - в 2…3 раза; сопротивление горячей солевой коррозии в условиях термоциклирования - более чем в 6 раз. Испытания на износ от пылевой эрозии (условия испытаний: частицы - кварцевый песок размером 80…120 мкм; скорость соударения - 200…250 м/с; угол соударения - 15 и 90 °; песчаная нагрузка - 20…60 мг/мм2) свидетельствуют о повышении износостойкости на 180 %. Отмечено, что высокий уровень свойств лопаток из жаропрочных сплавов достигается только при оптимальных режимах облучения и финишной термообработки. Этот факт в 1993 г. был подтвержден результатами сравнительных испытаний лопаток 3-й ступени ротора компрессора из титанового сплава ВТ9 на технологическом двигателе РД33, проведенных на ОАО ММП им. В.В. Чернышева.

Наибольший интерес представляют результаты испытаний на усталость образцов из титановых сплавов ВТ8М и ВТ6, моделирующих работу лопаток компрессора нового двигателя РД1700, которые подвергались облучению СИЭП. Корсетные образцы для этих испытаний подвергались фрезерованию, виброабразивной обработке на установке ВГН-6 в течение 30 мин, глянцеванию (30 мин) и термообработке (исходное состояние, отжиг в вакууме при 540 °С). Облучение рабочей части образцов осуществлялось на ускорителе "GESA-1" в Санкт-Петербурге при следующих режимах: плотность энергии - от 18 до 28 Дж/см2, длительность импульса 20…30 мкс, напряжение - 115…120 кВ, число импульсов - 3 - 5. После облучения образцы отжигались в вакууме при 530…550 °С в течение 2 ч. Анализ результатов этих испытаний показал, что применение СИЭП позволяет на 20…25 % повысить предел выносливости деталей из титановых сплавов ВТ8 и ВТ6, но при этом формирование кратеров на поверхности недопустимо, поскольку они приводят к значительному снижению сопротивления усталости.

Последнее особенно отчетливо проявилось при испытании образцов из сплава ВТ8, облученных на ускорителе "GESA-1" при следующем режиме: плотность энергии 26…28 Дж/см2, длительность импульса 20…30 мкс, напряжение 115…120 кВ, число импульсов 3-5. Для этих образцов не удалось даже построить кривую усталости, поскольку наблюдалось катастрофическое разрушение при очень низких нагрузках порядка 185 МПа. Результаты проведенных фрактографических исследований поверхностей изломов исходных и облученных образцов позволили авторам сделать следующие выводы: для образцов, подвергнутых обработке на ускорителе GESA-1, характерно разрушение, протекающее по двум механизмам; чаще всего очаг разрушения располагается в окрестности сформированного на стадии облучения крупного единичного кратера, отличающегося по цвету и состоянию поверхности от основной зоны образца; размеры таких кратеров могут достигать в диаметре 1...2 мм при глубине до 10...50 мкм, а их число не превышает 1-5 для каждого образца; вблизи очага и вдоль поверхности образца на глубине до 34 мкм поверхность разрушения отличается меньшей шероховатостью и имеет строение, типичное для сплава с игольчатой структурой, на которой отчетливо видны усталостные линии; дальнейшее разрушение протекает путем образования циклических квазиизломов, причем строение этой зоны характерно для сплава ВТ8М со структурой -фазы глобулярной и сложноглобулярной формы; в отдельных случаях вблизи кратера, а значит и очага разрушения, могут располагаться вторичные трещины, а вдоль всей поверхности излома имеется зона, в которой строение излома отличается от строения его основной части, что, скорее всего, связано с локальным изменением структуры материала при облучении, причем глубина модифицированной зоны составляет 30...35 мкм; вблизи очага разрушения образуется зона полуэллиптической формы, микростроение которой характеризуется меньшей шероховатостью (более сглаженный микрорельеф) по сравнению с остальной частью излома; на фасетках проявляются тонкие мазки, формирование которых может быть обусловлено разрушением -фазы игольчатой формы), причем для излома в пределах первой зоны характерна большая шероховатость, а иглы - более широкие и длинные; развитие трещины в первой зоне происходит путем формирования циклических квазиизломов с четко выраженными усталостными линиями, а рельеф на фасетках идентичен рельефу, фиксируемому при усталостном разрушении образцов из сплава с -фазой глобулярного типа; для образцов, облученных на ускорителе "GESA-1" при высоких плотностях энергии в импульсе и прошедших испытания на усталость, характерны многоочаговые трещины, вызванные наличием на поверхности образцов оплавленных участков с сеткой трещин; образование таких трещин может быть обусловлено как усадочными или структурными напряжениями, так и газонасыщением поверхности, что маловероятно, поскольку время выдержки образцов при температуре испытаний не превышало 60 мин; у образцов, облученных на ускорителе, не наблюдалось разрушения по -фазе тонкопластинчатого типа, а разрушение осуществлялось путем образования циклических квазиизломов в очаговой зоне как на глубине 8...10 мкм, так и на глубине 30 мкм; очаг разрушения исходных образцов всегда был связан с механическими повреждениями поверхности на стадии их изготовления и располагался непосредственно на поверхности.

Испытания образцов из сплава ЖС6У с 50-микронным покрытием СДП-2 на усталость при 900 °С до и после обработки СИЭП при плотности энергии 40…42 Дж/см2 показали более чем 20-процентное повышение предела выносливости в результате электронно-лучевой обработки.

Результаты испытаний на жаростойкость исходных и облученных СИЭП образцов из сплава ЖС26НК с 50-микронным покрытием СДП-2 показали, что после термоэкспозиции в течение 500 ч при 900 °С жаростойкость увеличилась более чем вдвое. Как следует из результатов рентгеноструктурного анализа облученных и исходных образцов, это обусловлено формированием повышенного содержания в поверхностном слое электронной -фазы на основе NiAl.

В работе приводились испытания лопаток турбины стационарных ГТУ из жаропрочных никелевых сплавов с жаростойкими покрытиями CoCrAlY и NiCoCrAlY на сопротивление высокотемпературному окислению (900 °С, термоэкспозиция в течение 1000 ч). Сравнительным испытаниям подвергались лопатки, изготовленные по серийной технологии и обработанные СИЭП. Установлено, что сопротивление окислению облученных электронным пучком элементов двигателя более чем в два раза превышало коррозионную стойкость серийных деталей. Результаты рентгеноструктурных исследований показали, что повышение жаростойкости лопаток с покрытиями, подвергнутых облучению, связано с формированием в поверхностном слое на начальной стадии окисления высокоплотного оксида алюминия -Al2O3.

Приведенные здесь результаты, несмотря на их ограниченность, свидетельствуют о перспективности использования сильноточных импульсных электронных пучков в авиационном двигателестроении для модификации поверхности и повышения уровня эксплуатационных свойств наиболее ответственных деталей ГТД.

Имеется еще одно преимущество СИЭП: наряду с модифицирующим воздействием импульсного высокоплотного потока электронов на поверхностный слой, появляется возможность контролировать адгезию покрытия к подложке и отбраковывать детали с неудовлетворительной адгезией. Более того, применение таких пучков позволяет: исключить операции шлифования и полирования, снизить шероховатость поверхности, упрочнить поверхностные слои, улучшить адгезию защитных покрытий к подложке и, как следствие, повысить сопротивление усталости и жаростойкость деталей.

Выполнены испытания в морской воде в условиях термоциклирования образцов и лопаток из сталей ЭП866ш и ЭП718ИД, а также титановых сплавов ВТ8М и ВТ9. Результаты этих испытаний свидетельствуют о положительном эффекте метода СИЭП в сочетании с финишной термообработкой. Использование электронно-лучевой технологии, безусловно, позволяет решить ряд проблем, возникающих при эксплуатации двигателей в районах с повышенной влажностью и морским климатом (палубная авиация). Применение СИЭП для модификации поверхности лопаток ГТД предполагает проведение процесса облучения при умеренных величинах плотности энергии в импульсе (режимы термообработки или плавления).

Рассмотрим удаление поврежденных при эксплуатации поверхностных слоев и покрытий. При высоких плотностях энергии (30…35 Дж/см2) на поверхности облучаемых деталей из жаропрочных сплавов начинают интенсивно протекать процессы испарения и абляции. Практический интерес представляет взрывоэмиссионный процесс абляции, приводящий к образованию неравновесной пароплазменной фазы, содержащей капельную фракцию. Протекание этого явления открывает широкие возможности для ремонта дорогостоящих элементов ГТД, обеспечивая высокоинтенсивное удаление поврежденных при эксплуатации поверхностных слоев и покрытий.

Поскольку поверхность после протекания процесса абляции содержит большое число кратеров, необходимо проводить финишную электронно-лучевую обработку при более низких плотностях энергии. Таким образом, использование СИЭП имеет хорошие перспективы для ремонта лопаток компрессора и турбины. В этом случае удается исключить из технологического цикла ремонта такие экологически вредные операции, как пескоструйная обработка и химическое травление.

Полученные результаты позволяют выделить наиболее перспективные области применения импульсных ионных и электронных пучков в авиационном двигателестроении: модификация свойств лопаток компрессора и турбины путем снижения шероховатости поверхности, изменения химического состава и структурно-фазового состояния материала поверхностных слоев и наведения остаточных сжимающих напряжений; ремонт деталей с деградированными свойствами поверхностного слоя или покрытия; качественное нанесение защитных покрытий на кромках лопаток при первоначальном проведении процесса импульсно-дуговой ионной имплантации элементов покрытия с его последующим осаждением в условиях сепарации пароплазменной фазы от капельной фракции; комплексная обработка поверхности лопаток, включающая нанесение покрытий и их последующую высокоскоростную перекристаллизацию с помощью мощных импульсных электронных или ионных пучков; интегральная технология модификации поверхности, основанная на использовании интенсивных импульсных ионных или электронных пучков с последующей ионной имплантацией, ассистирующей процесс нанесения защитного покрытия.
Этот перечень областей возможного применения концентрированных импульсных потоков энергии в авиационном двигателестроении может быть существенно расширен, что представляется особенно важным при разработке технологических процессов производства двигателей нового поколения.