CC BY
331
УДК 621.791.85
Е.Н. Каблов, С.А. Мубояджян
ИОННОЕ ТРАВЛЕНИЕ И МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН В ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЛАЗМЕ
Рассмотрены процессы ионного травления и модифицирования поверхности ответственных деталей машин в плазме вакуумно-дугового разряда. Рассмотрено влияние напряжения смещения на процессы, протекающие на поверхности подложки при взаимодействии с ускоренным потоком металлических ионов. Исследован процесс ионного травления жаропрочных сплавов (ЖС) на основе никеля в многокомпонентной плазме вакуумно-дугового разряда в промышленной установке МАП-1М, а также новый процесс модифицирования поверхности сталей, титановых сплавов и жаропрочных сплавов. Исследована стойкость к солевой коррозии образцов после модифицирования в вакуумно-дуговой плазме чистых металлов Ti, Zr, Al, Cr и сплава Zr-Y. Показано, что процесс модифицирования (термостимулированного ионного насыщения) поверхности изделий из конструкционных материалов позволяет изменять структурно-фазовое состояние поверхности, а, соответственно, и свойства материалов, связанные с состоянием их поверхности.
E-mail: mubo@mail.ru
Ключевые слова: плазма, вакуумная дуга, ионное травление, ионное модифицирование, жаропрочный сплав.
Обеспечение работоспособности, ресурса и надежности ответственных деталей машин, в том числе лопаток и других деталей газотурбинного двигателя (ГТД), достигается благодаря использованию защитных и упрочняющих покрытий, модифицирования поверхности. Целенаправленное изменение физико-химических свойств рабочей поверхности деталей путем нанесения функциональных покрытий или модифицирования поверхности предохраняет материал детали от воздействия окружающей рабочей среды (высоких температур, коррозионной среды, пылевой эрозии, различных видов трения и др.).
Настоящая работа посвящена исследованию процессов ионного травления и модифицирования поверхности в металлической плазме вакуумно-дугового разряда, впервые предложенного ВИАМ [1]. Процессы ионной обработки поверхности в газовой плазме или в потоке газовых ионов приведены в работе [2]. В настоящей статье рассмотрены современные процессы ионной обработки поверхности конструкционных материалов в плазме вакуумно-дугового разряда установки
МАП-1М или МАП-2 (МАП-2 - вариант установки МАП-1М с компьютерным управлением) [3].
При взаимодействии с поверхностью потока плазмы на ней в зависимости от энергии ионов протекает ряд взаимосвязанных процессов, а именно конденсация частиц, ионное травление (катодное распыление), ионный нагрев, термодиффузионное насыщение поверхности, имплантация («холодное» насыщение поверхности), оплавление и (или) испарение поверхностного слоя [1].
Принципиальная схема установки для модифицирования поверхности в металлической плазме, генерируемой вакуумной дугой, приведена на рис. 1. Установка содержит генератор вакуумно-дуговой плазмы с катодом 6, выполненным из плазмообразующего материала, и снабжена электромагнитной системой 7, управляющей движением катодных пятен вакуумной дуги. Поток плазмы материала катода 11 направляется на обрабатываемое изделие 5, где имеет место взаимодействие потока с поверхностью изделия. Регулирование энергии ионов плазмы, взаимодействующих с поверхностью изделия, осуществляется путем изменения отрицательного напряжения смещения (исм), подаваемого на изделие 5 от источника смещения 8 относительно
Рис. 1. Принципиальная схема установки для нанесения ионно-плазменных покрытий и обработки поверхности потоком металлических ионов, генерируемых вакуумной дугой:
1 - вакуумная камера; 2 - система откачки воздуха; 3 - анод генератора плазмы; 4 -опорный электрод; 5 - изделие; 6 - катод генератора плазмы; 7 - электромагнитная система удержания катодных пятен вакуумной дуги; 8 - источник напряжения смещения; 9 - прерыватель тока (электронный ключ); 10 - источник питания генератора плазмы; 11 - поток плазмы материала катода
опорного электрода 4, имеющего развитую поверхность и хороший «контакт» с плазменным потоком 11. Вокруг поверхности изделия формируется двойной электрический слой, ускоряющий ионы к поверхности изделия. Практически (с точностью порядка температуры электронов) все напряжение смещения приложено к двойному электрическому слою, и ионы, попадающие на границу слоя, ускоряются по нормали к поверхности обрабатываемого изделия. Избыточный электронный ток попадает на опорный электрод, замыкает электрическую цепь, обеспечивая квазинейтральность плазменного промежутка. Для предохранения поверхности изделия от пробоев при высоких отрицательных потенциалах используется прерыватель тока 9, отключающий напряжение смещения на изделии в момент зарождения на нем катодного пятна (время срабатывания прерывателя 1.. .2 мкс) и повторно включающий напряжение через ~100 мкс.
Установка обеспечивает как регулирование потока массы материала катода (кг/м2с) путем изменения тока вакуумной дуги, так и напряжения смещения на обрабатываемом изделии, т. е. энергии ионов, взаимодействующих с поверхностью изделия, и позволяет проводить процессы ионной обработки поверхности, а также нанесения ионно-плазменных покрытий.
В области энергий металлических ионов от сотен до ~2000 эВ и плотностях ионного тока —10.15 мА/см2 на подложке имеют место взаимосвязанные процессы ионного травления и ионного термостиму-лированного насыщения поверхности, а также ионный нагрев подложки. Влияние энергии металлических ионов на процессы в поверхностном слое обрабатываемого изделия показаны на рис. 2. При энергиях ионов Ei < Eинв происходит конденсация ионов, сопровождающаяся процессом ионного травления конденсата. Одновременно с этим имеет место ионный нагрев подложки, температура которой в случае плазмы чистого металла связана с энергией ионов Ei = ez(U + U ) следующей зависимостью:
** 1/4
Т = [^(и + U ) / (е Б о)] , где о - постоянная Стефана-Больцмана; Ji = II /S (I/ - ионный ток, S -
поверхность подложки); и - напряжение, приложенное к подложке;
**
и - вольтэквивалент энергии взаимодействия потока плазмы с подложкой; е - степень черноты подложки; z - средняя кратность заряда ионов в вакуумной дуге, равная для большинства испаряемых материалов —2. При Е/ = Еинв скорость роста конденсата ровна нулю, и происходит переход (инверсия) от процесса конденсации покрытия к процессу ионного травления подложки, скорость которого (Стр) возрастает с ростом энергии ионов. При этом возрастает и скорость тер-мостимулированного ионного насыщения поверхности подложки Сн.
Рис. 2. Влияние энергии ионов на процессы в поверхностном слое обрабатываемого изделия:
Ат - поток массы; у - плотность материала покрытия; Еинв - энергия ионов, соответствующая инверсии скорости осаждения
В зависимости от этих скоростей на поверхности подложки имеет место преимущественно либо ионное травление (Стр > Сн), либо ионное насыщение (модифицирование) поверхности (Сн > Стр). При ус*
ловии Е > Е , Сн < Стр, начинается процесс ионного травления обрабатываемой подложки. Поэтому в зависимости от материала подложки, рода ионов (ионы чистого металла или сплава), напряжения смещения на подложке, определяющего энергию ионов, взаимодействующих с обрабатываемой поверхностью, на поверхности подложки проистекают преимущественно либо конденсация плазмы с образованием покрытия, либо ионное насыщение поверхности ионами плазмообразующего материала катода, либо ионное травление этой поверхности, сопровождающиеся ионным нагревом.
Ионное травление (ИТ) поверхности имеет низкие скорости. Скорость процесса ИТ зависит от многих факторов. В первую очередь скорость зависит от энергии и плотности тока ионов и их вида, от материала обрабатываемой детали и температуры поверхности при обработке, от угла падения ионов и др. Для каждого конкретного случая ионной обработки поверхности (заданы вид ионов и обрабатываемый материал) скорость обработки определяется энергией и плотностью тока ионов, которые в свою очередь задают равновесную температуру обрабатываемой поверхности. Отсюда следует, что скорость процесса ионной обработки ограничена допустимой температурой нагрева обрабатываемого изделия, которая может при плотно-
С, мкм/ч
25
15
5
600 800 1000 1200 1400 1600 Еи эВ
Рис. 3. Зависимость скорости травления вращающихся образцов из
ЖС в плазме сплавов системы №-Сг-А1-У (—) и №-Сг (----) от
энергии ионов (травление проводилось на установке МАП-1М)
сти тока ионов 10.15 мА/см и энергии ионов 2 кВ достигать значений 1000 °С и более. Поэтому область энергии ионов для эффективного травления поверхности деталей машин лежит в пределах 1.2 кэВ при плотностях ионного тока у от нескольких мА/см2 до 15 мА/см2 и с ростом у она смещается в сторону более низких напряжений.
Исследования процесса травления жаропрочных сплавов на никелевой основе показывают, что производительность процесса может достигать значений до 40.60 мкм/ч (линейная скорость травления, образец неподвижен) при у > 10 мА/см и энергии ионов до 1,8 кэВ. Для примера на рис. 3 приводятся зависимости скорости ионного травления жаропрочных сплавов ЖС6У, ВКНА1В, ЖС32 от энергии ионов в металлической плазме сплавов системы №-Сг-Л1-У (сплав СДП-2) и №-Сг [4].
Для генерации металлической плазмы использовались катоды из технически чистого хрома ВХ-1, титана, алюминия и никелевых сплавов, состав которых представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав многокомпонентных никелевых катодов
Содержание химического элемента , %
Катод Cr Al W Co Mo Nb Y Сумма элементов Т1, Б1, В и С
Впр-24 6,4 4,6 8,7 8,0 1,9 10,6 - 3,8
ВЖЛ-2 12,0 2,2 8,0 - 12,0 - - 3,6
СДП-2 20,0 12,0 - - - - 0,30 -
Нихром 19,5 - - - - - - -
Скорость процесса ионного травления определялась гравиметрическим способом с точностью не менее 5 %. Полученные результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Скорость ионного травления вращающихся образцов из жаропрочных сплавов (мкм/ч)
Энергия ионов , эВ Материал образцов Плазмо-образующий
ЖС6У ЖС32 ЖС26 ЭК151 СДП-2 материал
1400 20,98 10,26 10,26 - - СДП-2
1600 26,94 14,94 - - 19,0 »
1000 12,40 7,08 - - - Нихром
1400 27,14 14,20 14,14 - - »
1600 30,60 16,94 - - 18,2 »
1400 13,82 14,31 - - - ВЖЛ-2
1400 15,63 14,99 - - - ВПР-24
1400 9,05 5,55 5,76 - - ВХ-1
* Энергия ионов определялась для средней кратности заряда ионов (2) в плазме вакуумной дуги, равной ~2.
Анализ полученных результатов показывает, что при напряжении смещения 300 В (Е = 600 эВ) в плазме сплава СДП-2 для всех исследованных жаропрочных сплавов наблюдается процесс ионного травления (Еинв < 600 эВ). С ростом напряжения на подложке в диапазоне 300...800 В (600...1600 эВ) скорости травления всех исследованных сплавов возрастают. Зависимость носит нелинейный характер (см. рис. 3). Характерно, что при ИТ максимальные значения скорости травления жаропрочных сплавов получены для катодов из относительно простых сплавов - нихрома и СДП-2.
Металлографические и микрорентгеноспектральные исследования образцов после ИТ не выявили изменений в поверхностном слое. Комплексное исследование состояния поверхностного слоя образцов методами рентгеноструктурного анализа, электронной оже-спектро-скопии, рентгеноспектрального микроанализа и растровой электронной микроскопии показало, что в результате травления изменяется состояние только лишь тонкого поверхностного слоя толщиной ~1 мкм. При правильном выборе материала катода процесс обработки поверхности ЖС металлическими ионами плазмы из сплавов на основе никеля практически не приводит к изменению состояния поверхностного слоя ЖС.
При неизменном режиме обработки изделий одного вида равновесная температура изделий при обработке также одинакова. Поэтому можно утверждать, что скорость процесса ИТ при выбранном режиме обработки неизменна и глубину травления можно задавать временем процесса. Таким образом, процесс ИТ имеет высокую точность и повторяемость, что важно при обработке изделий со сложной
геометрией поверхности. Исследования показали также, что при правильном подборе вида ионов и режима обработки можно получить скорости ИТ на вращающейся подложке до 30 мкм/ч (для образца без вращения ~90 мкм/ч). Отметим, что реализация процесса ИТ металлическими ионами на промышленной установке МАП-1М или МАП-2 обеспечивает высокую производительность процесса благодаря групповой обработке изделий.
При травлении поверхности ЖС в плазме чистых металлов (Сг, Л1, Т1, Zг) взвешивание образцов до и после обработки показало, что во всем исследованном диапазоне напряжения смещения на подложке наблюдается ионное травление поверхности образцов из ЖС со скоростью ~10 мкм/ч. Металлографический анализ состояния поверхностного слоя этих образцов показал, что одновременно с процессом травления поверхности наблюдается интенсивная диффузия
*
алюминия, титана, циркония в ЖС (область Еинв < Е\ < Е на рис. 2). На рис. 4 представлена микроструктура поверхностного слоя образца из жаропрочного сплава ЖС26 после обработки ионами титана и сплава ВТ9 на основе титана после обработки в плазме сплава Zг-Y. Видно, что при обработке сплава ЖС26 ионами титана на поверхности формируется диффузионный слой толщиной ~30 мкм, а на сплаве ВТ-9 - слой толщиной до 100 мкм. Обработка проводилась на установке МАП-1М при токе вакуумной дуги 600 А, напряжении смещения 700 В в течение 30 минут.
На сплаве ЖС26 после ионной обработки в плазме Л1 в течение 30 минут также наблюдается характерный переходной диффузионный слой толщиной ~25 мкм на основе карбидов тугоплавких элементов сплава и у/у'-фазы и тонкая прослойка (3.4 мкм) на поверх-
Рис. 4. Микроструктура и элементный состав поверхности сплава ЖС26 после ионной обработки в плазме титана (а, Х600) и титанового сплава ВТ9 после ионной обработки в плазме сплава Zr-Y (б, Х500) по режиму:
700 В, 30 мин
ности из в-фазы (№А1), что также свидетельствует о протекании процесса при энергиях ионов Е^ А1 < Е .
Металлографические исследования образцов после обработки в плазме хрома не выявили заметных изменений в поверхностных слоях образцов.
Образцы из сплава ЖС32 после обработки в плазме алюминия были исследованы методами рентгеноструктурного фазового анализа. Кристаллическая решетка всех образцов сильно искажена на глубину до 30 мкм, о чем говорит отсутствие на дифрактограммах пиков отраженного излучения для ё/п = 2,06 и ё/п =1,78, соответствующих кристаллографическим направлениям (111) и (200) У-фазы подложки. Фазовый состав поверхностного слоя образцов чрезвычайно сложен, и помимо пиков излучения, соответствующих алюминидам никеля, присутствует большое количество неидентифицированных пиков излучения, которые не характерны для ЖС и традиционных алюминид-ных покрытий. Тип формирующихся алюминидов никеля зависит как от потенциала смещения, так и времени процесса. На образцах, обработанных при потенциале 700 В, присутствуют фазы №2А13, №А1, №3А1, причем с увеличением продолжительности обработки доля фазы №А1 возрастает. В образцах полученных после обработки при 300.600 В, фаза №2А13 не обнаружена. Наиболее однородными по фазовому составу являются поверхностные слои, полученные при исм = 400.500 В и продолжительности обработки 30 минут. Основной фазой слоя в этом случае является №А1. Общей для всех рассмотренных образцов тенденцией является формирование богатых алюминием фаз с ростом потенциала подложки и возрастание доли низших алюминидов никеля при прочих равных условиях с увеличением продолжительности обработки [4].
Были проведены исследования элементного состава поверхности образцов из сплавов ЖС6У и ЖС32 после обработки ионами алюминия и сплава ЖС26 ионами титана в плазме вакуумной дуги. Полученные результаты (табл. 3) показывают, что после обработки ионами алюминия поверхность ЖС изменяет свой элементный и фазовый состав. В слое в значительном количестве присутствуют хром и вольфрам. Во всех случаях на поверхности ЖС формируется характерный по микроструктуре для диффузионных алюминидных покрытий переходной слой гетерофазной структуры с содержанием алюминия ~9-10 %. С ростом потенциала содержание алюминия в слое несколько возрастает. Проведенные исследования в совокупности с результатами рент-геноструктурных анализов показывают, что на поверхности жаропрочных сплавов формируется переходной слой, представляющий собой мелкодисперсную смесь из алюминидов никеля и карбидов хрома и вольфрама или сложных карбидов на их основе.
Таблица 3
Элементный состав поверхности ЖС после обработки (модифицирования) ионами А1 и Т
Сплав/вид Uci, В Место анализа Содержание элементов, % масс.
ионов А1 Ti Cr Co Ni Mo W
ЖС6У+А1+ 400 10мкм от по- 9,49 3,64 13,94 9,43 42,94 2,05 17,55
500 верхности 9,17 2,85 11,38 10,50 47,18 19,36 18,02
600 7,87 3,62 9,56 10,68 49,97 1,57 16,00
11,88 2,19 4,41 11,71 68,90 - 0,92
ЖС32+АГ 600 10мкм от по- 8,21 - 6,04 10,04 48,45 - 16,43
10,26 - 5,01 9,37 51,33 - 12,16
ЖС6У+А1+ 700 верхности у поверхности 8,02 12,69 3,25 2,61 7,98 3,79 11,33 11,92 50,77 67,45 1,58 0,23 16,49 1,32
ЖС26 +Ti+ 700 4,77 13,91 2,62 7,87 51,34 1,08 17,68
1,07 18,41 0,99 9,36 63,44 0,16 3,41
Обработка ионами титана и циркония приводит к аналогичной картине, только алюминиды никеля заменяются соединениями никеля с титаном или цирконием.
Таким образом, проведенные исследования процессов ионно-плазменной обработки поверхности жаропрочных никелевых сплавов ионами металлов в плазме вакуумного дугового разряда, горящего в парах чистых металлов или многокомпонентных сплавов, показали, что при напряжении смещения на подложке 300.800 В происходит интенсивное распыление поверхности, которое в ряде случаев (ионы алюминия, титана, циркония) сопровождается формированием легированного слоя толщиной от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров.
Рассмотрим области применения разработанного процесса ИТ. При межресурсном ремонте лопаток турбин в большинстве промышленных технологий используется химическое удаление отработанного покрытия. Переход от процесса химического удаления отработанного покрытия к размерному ИТ поверхности пера лопаток позволяет повысить качество обработки поверхности, так как ИТ оказывает минимальное воздействие на обрабатываемую поверхность [4]. Особые перспективы процесс ИТ имеет при производстве и ремонте монокристаллических лопаток турбин, где возможно образование на поверхности рекристаллизованного слоя, удаление которого возможно только лишь прецизионной ионной обработкой поверхности металлическими ионами.
Ионное травление поверхности на глубину 5.10 мкм может успешно использоваться и для выявления макроструктуры особо ответственных деталей машин (рис. 5), например при контроле качества
б
Рис. 5. Внешний вид образцов из сплавов ЖС26-ВНК и ЖС6У после ИТ поверхности для контроля макроструктуры жаропрочных сплавов (в плазме нихрома при токе дуги 700 А и напряжении смещения на образцах 700 В)
лопаток турбин с направленной и монокристаллической структурой взамен процесса химического травления (решение проблемы утилизации отходов от химического травления, содержащих тяжелые элементы).
Ионная обработка поверхности при глубине слоя травления до нескольких микрометров сглаживает следы механообработки (концентраторы напряжений). Именно благодаря этому процесс ИТ обеспечивает увеличение на 10-20 % предела малоцикловой усталости (МЦУ) ответственных деталей из жаропрочного сплава ЭП962 [5]. Состояние поверхности оказывает существенное влияние на МЦУ, так как зарождение трещины при таком нагружении происходит с поверхности. В работе [5] показано, что ИТ на глубину ~1 мкм приводит наряду со сглаживанием следов механообработки к увеличению в приповерхностном слое соотношения у и у фаз и концентрации дислокаций. Испытание шлифованных образцов с надрезом с ИТ и без обработки показало преимущество такой обработки, причем положительный эффект сохранялся на обработанных образцах после 100 ч их выдержки при рабочей температуре жаропрочного сплава ЭП962. Так, при напряжении 500 МПа ИТ привело к увеличению
числа циклов до появления первой трещины с 4000 до 16500, а при 600 МПа с 1000 до 2900.
Исследования показали также эффективность использования процесса ионной обработки поверхности изделий перед нанесением ионно-плазменных защитных покрытий [6]. В последнем случае ИТ наряду с очисткой поверхности обеспечивает формирование тонкой карбидной прослойки на границе сплав-покрытие, исполняющей роль барьерного слоя, препятствующего диффузионным процессам.
Таким образом, травление поверхности деталей из ЖС металлическими ионами может быть успешно использовано как для контроля макроструктуры лопаток турбин с направленной и монокристаллической структурой взамен процесса химического травления, так и для повышения малоцикловой усталости ответственных деталей ГТД путем изменения микрорельефа их поверхности и обработки поверхности лопаток турбин перед осаждением ионно-плазменных покрытий, а также для прецизионного удаления отработанных покрытий и рек-ристаллизованного слоя на деталях из жаропрочных сплавов с равноосной и монокристаллической структурой [2].
Процесс ионного насыщения поверхности изделий из конструкционных материалов позволяет изменять структурно-фазовое состояние поверхности, а, соответственно, свойства материалов, связанные с состоянием поверхности (жаростойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность и др.). При исследовании процесса ионного насыщения поверхности использовались элементы, которые в процессе обработки могут образовывать в поверхностном слое детали упрочняющие фазы на основе карбидов тугоплавких металлов, жаростойкие фазы на основе алюминидов металлов и интерме-таллидные фазы: алюминий, титан, хром, цирконий. В качестве материала подложки использовались сплавы типа ВТ18У, ЭП718ИД и стали ЭИ-961, ЭП-866. Гравиметрический анализ образцов из различных материалов при ионной обработке показал, что интенсивность процесса ионно-плазменной обработки для различных сочетаний бомбардирующих поверхность ионов и материала подложки различна и, как и в случае ЖС, сопровождается активным распылением поверхности на уровне до 10 мг/см2 ч при напряжении на образцах 500 В и времени обработки 30 мин.
Для получения легированных слоев толщиной 10.50 мкм на перечисленных выше материалах ионную обработку образцов (модифицирование поверхности) во избежание перегрева и отпуска подложки проводили при температуре образцов не более 600 °С.
Были проведены коррозионные испытания образцов с поверхностной обработкой в плазме вакуумной дуги для оценки влияния модифицирования на эксплуатационные свойства материалов.
Испытания проводились по известной методике ускоренных циклических испытаний. Образцы выдерживались в печи на воздухе Т = 500 °С в течение 1 ч, затем подстуживались на воздухе в течение 2.3 мин и охлаждались методом окунания в 3%-ный раствор №С1, после чего выдерживались во влажном эксикаторе в течение 22.24 ч. Испытывались два вида материалов подложки: сталь ЭП866 и титановый сплав ВТ18У. Результаты коррозионных испытаний образцов из стали ЭП866 представлены в табл. 4 [3, 7].
Таблица 4
Результаты коррозионных испытаний образцов из стали ЭП866 после ионного модифицирования поверхности
Вид ионов при ионно-плазмен-ной обработке Степень коррозионного поражения, % поверхности, после 3-10 циклов коррозионных испытаний
3 1 4 | 5 6 7 8 9 10
А1 Без дефектов 0-1 1-5 2-12 3-15 5-20
Сг 0-10 5-30 15-35 30-40 40
гг Без дефектов ОТК
Т1
Без обработки 25-30 | 30-40 | 35-40 40-50 | 55-65 | 60-70 | 65-75 70-80
Примечание. ОТК - отдельные точки коррозии.
Видно, что в порядке убывания коррозионной стойкости образцы с модифицированием поверхности можно расположить в следующей последовательности: гг, А1, Сг, без обработки.
Для всех обработанных образцов характерно увеличение времени до проявления коррозионных процессов по сравнению с необрабатываемыми образцами. Так, если на необработанных образцах следы коррозии появляются уже после первого цикла испытаний, то на модифицированных поверхностях следы коррозии наблюдаются только после 5-6 циклов испытаний.Среди испытанных вариантов модифицирования выдержали 10 циклов испытаний только образцы, обработанные в плазме циркония, хотя и они имеют на поверхности отдельные мелкие точки коррозии (~0,1 мм).
Модифицированные образцы из титанового сплава ВТ18У по степени убывания коррозионной стойкости можно расположить в следующий ряд: гг, Сг, А1, без обработки. После 10 циклов испытаний следов коррозии не обнаружено только на образцах, обработанных ионами гг. Однако на этих образцах наблюдается интенсивное глубокое окисление и постоянный скол рыхлой окалины, что свидетельствует о низких жаростойкости и окалиностойкости обработанной поверхности.
Для остальных обработанных образцов также наблюдается замедление процессов коррозии по сравнению с необработанными образцами.
Металлографические исследования структуры поверхностного слоя образов показали, что при модифицировании стали ЭИ962 ионами 2г были получены диффузионные слои глубиной до 100 мкм. Глубина диффузионного взаимодействия при неизменных параметрах напряжения смещения и продолжительности ионной обработки зависит от материала основы и вида ионов, бомбардирующих поверхность. Так, при обработке поверхности образцов из сплава ЭП718-ИД и стали ЭП866 ионами титана получены диффузионные слои толщиной 20.25 и 10.12 мкм соответственно. Для тех же материалов основы при бомбардировке ионами алюминия получены глубины взаимодействия 5.7 (ЭП718-ИД), 20.25 (ЭП866) и 10.20 мкм (титановый сплав ВТ18У). В целом результаты металлографического анализа подтверждают возможность получения ионным насыщением на конструкционных материалах различных модифицированных поверхностных слоев большой толщины.
Таким образом, проведенные исследования подтвердили возможность термостимулированного ионного насыщения поверхности материалов различных классов (жаропрочных сплавов и сталей, титановых сплавов) в металлической плазме вакуумного дугового разряда. Результаты испытаний образцов, подвергнутых ионной обработке, показывают, что по сравнению с образцами основы (в исходном состоянии) они в ряде случаев обладают повышенными характеристиками эрозионной и коррозионной стойкости. При этом наблюдается зависимость параметров стойкости как от вида ионов, бомбардирующих поверхность, так и от класса материала основы (сталь, титан, жаропрочные сплавы). Наиболее ярко это проявляется при испытаниях на эрозионную стойкость, где модифицирование в зависимости от сорта бомбардирующих ионов может приводить к противоположным результатам. Металлографический, рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы выявили структурно-фазовые изменения в поверхностных слоях обрабатываемых материалов на глубину от нескольких микрометров до десятков микрометров.
Полученные результаты указывают на перспективность применения разработанного метода ионного насыщения поверхности конструкционных материалов для повышения служебных характеристик деталей машин.
Исследования процесса ионно-плазменной обработки жаропрочных никелевых, титановых сплавов и сталей в плазме вакуумной дуги катодов из алюминия, титана, циркония, хрома и многокомпонентных никелевых сплавов выполнены впервые. Показано, что при
энергии ионов свыше 0,5 кэВ на поверхности подложки преимущественно протекают взаимосвязанные процессы ИТ и ионного термодиффузионного насыщения поверхности с характерной скоростью -10.20 мкм/ч. Максимальные значения скорости травления жаропрочных никелевых сплавов получены при обработке поверхности ионами плазмы нихрома. Процесс травления в плазме сплава на основе никеля не сопровождается заметными изменениями в поверхностном слое обрабатываемого жаропрочного сплава. Полученные результаты использованы при разработке альтернативных технологических процессов удаления отработавших свой ресурс защитных покрытий, а также экологически чистых процессов контроля макроструктуры отливок из жаропрочных никелевых сплавов.
Кроме того, разработана технология термостимулированного ионного насыщения поверхности изделий из никелевых и титановых сплавов и сталей в плазме вакуумной дуги алюминиевого, циркониевого, титанового и хромового катодов и показано, что модифицирование поверхности ионами титана и циркония повышает в условиях лабораторных испытаний коррозионную и эрозионную стойкость сплавов ЭП866 и ВТ18У. При помощи нового способа ионного модифицирования поверхности разработан и внедрен в серийное производство процесс модифицирования поверхности деталей компрессора газотурбинного двигателя из сталей ЭИ961 и ЭИ962 в плазме сплава ВСДП-20 системы Al-Co-Si-Y. Модифицирование позволило повысить служебные характеристики деталей из этих сталей - стойкость к солевой коррозии и жаростойкость при температурах до 600 °С, стойкость к коррозионному растрескиванию и не снижает механические характеристики указанных сталей и практически не изменяет геометрию обрабатываемой детали (±2 мкм).
В заключение отметим, что рассмотренные процессы взаимодействия потоков частиц высоких энергий с поверхностью перспективны, приводят к ее модифицированию, изменению ее микрорельефа, позволяют на атомном уровне проводить ее обработку и в целом обеспечивают повышение эксплуатационной надежности ответственных деталей машин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е. Н., Мубояджян С. А. и др. Перспективы применения в авиадвигателестроении ионной технологии / Авиационная промышленность, 1992, № 9. С. 9-12.
2. Каблов Е. Н., Мубояджян С. А. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток ГТД. С. 531-609 (Каблов Е.Н. Литье лопаток газотурбинных двигателей (сплавы, технологии, покрытия). М.: «МИСИС», 2001.)
3. Мубояджян С. А., Будиновский С. А., Помелов Я. А. Современные процессы ионной обработки поверхности в плазме вакуумного дугового разряда. - В сб.: Авиационные материалы и технологии. Выпуск: Высокожаропрочные материалы для современных и перспективных газотурбинных двигателей и прогрессивные технологии их производства. 2003. С. 102-116. (ВИАМ).
4. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Ягодкин Ю. Д. Перспективы применения ионно-плазменной технологии высоких энергий для межресурсного ремонта лопаток турбин. В сб.: Авиационные материалы и технологии. Выпуск: Ремонтные технологии в авиастроении. 2002. С. 6-13 (ВИАМ).
5. Демин С. А., Латышова М. Ю. Влияние ионной обработки на эксплуатационные свойства высокопрочного дискового сплава типа ЭИ962. В сб.: Тезисы докладов семинара «Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин». М.: 1990. С. 57.
6. Yagodkin Yu.D., Pastuhov K.M., Muboyadjyan S.A., Kablov E.N. Application of Ion-Beam Treatment in Turbine Blade Production Technology. Surface and Coatings Technology 84 (1996) 590-593.
7. Мубояджян С. А., Помелов Я. А. Защитные покрытия для лопаток компрессора ГТД. В сб.: Авиационные материалы и технологии. Выпуск: Высокожаропрочные материалы для современных и перспективных газотурбинных двигателей и прогрессивные технологии их производства. 2003. С. 116-131 (ВИАМ).
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
