ОБРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ МОЩНЫМИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ

УДК 539.534.9

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ МОЩНЫМИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ

© 2018 М.Ю. Турищев, Ю.А. Тишанинов, О.В. Горожанкина Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: данная статья посвящена вопросу практического использования мощных ионных пучков в современной промышленности. Рассматривается одно из современных направлений развития физики твердого тела - воздействие мощных ионных пучков на твердые материалы. Представлены результаты исследования пучково-эрозионной обработки и упрочнения изделий с использованием мощных ионных пучков. Результаты, полученные в различных исследовательских центрах и закрепленные патентами РФ, демонстрируют широкие возможности обработки материалов и улучшение эксплуатационных характеристик изделий из них. Повышение прочности изделий (повышение срока службы) при воздействии мощных ионных пучков основано на структурных изменениях поверхностного слоя. Показана возможность эффективного использования мощных ионных пучков для очистки поверхности изделий, в том числе в качестве промежуточной технологической обработки поверхности деталей перед нанесением покрытий. На широком классе металлов и сплавов продемонстрировано реальное улучшение таких эксплуатационных характеристик, как усталостная прочность, износостойкость, повышение значений микротвердости, выглаживание поверхности, снижение уровня адгезионного взаимодействия между режущим инструментом и обрабатываемым материалом, а после предварительной обработки изделий мощными ионными пучками - возрастание адгезии износостойкого покрытия

Ключевые слова: мощные ионные пучки, поверхностный слой, упрочнение, очистка

Введение

Ограниченный уровень свойств материалов является основной преградой для успешного развития технологии. В последние годы поверхности и поверхности раздела материалов являются предметом углубленного изучения как теоретического, так и прикладного материаловедения. Пучковые методы модификации свойств твердых тел находят все большее применение. Высокую эффективность для направленной модификации физико-механических и химических свойств металлов и сплавов имеют мощные ионные пучки (МИП). Мощный ионный пучок - это концентрированный поток частиц (плазмы различного состава). С помощью модификации МИП улучшают следующие свойства материала: микротвёрдость, коррозионную стойкость и износостойкость. МИП облучение включает в себя очень интересный феномен - соединение теплового поля и поля напряжений.

В границах тонкого поверхностного слоя модификация МИП позволяет получить высокую плотность энергии в короткий промежуток времени, что обеспечивает быстрый нагрев и охлаждение с высоким температурным градиентом, быстрое плавление, испарение, плазменную абляцию и формирование полей тепловых напряжений и ударных волн. На обработанной поверхности и поверхностном слое, а

также и на глубине порядка сотен микрометров, наблюдаются значительные изменения механических и трибологических свойств.

Пучково-эрозионная обработка

Воздействие МИП на мишени изменяет энергетические характеристики поверхности, удаляет легкоплавкие примеси, углеводородные загрязнения, с повышением плотности тока идет интенсивное удаление поверхностного слоя [1]. За один импульс тока могут быть удалены слои толщиной 0,1-1 мкм, что способствует эффективности такой обработки. Пучко-во-эрозионную обработку можно использовать для очистки поверхности изделий перед нанесением покрытий различного назначения. При использовании ускорителя «ТЕМП» полные энергозатраты составляют 0,1-1 кВТ ч/м2. Также после предварительной обработки изделий МИП возрастает адгезия износостойкого покрытия, в частности нитрида титана [2].

В работе [3] пучково-эрозионная обработка была использована для очистки лопаток ГТД, отработавших регламентный режим на двигателе. В процессе работы лопаток на их поверхности образуется нагар, происходит формирование оксидов титана (ВТ18У и ВТ9), железа и хрома. Облучение МИП с плотностью тока >100 А/см2 приводит к удалению окисленных слоев, нагара и к изменению физико-

химического состояния. Рабочие параметры лопаток из сплавов ВТ9, ВТ18У удается повысить до уровня исходных серийных лопаток.

Процесс пучково-эрозионного восстановления эксплуатационных свойств деталей машин [4] реализуется следующим образом.

В рабочую камеру сильноточного ионного ускорителя загружают ремонтируемые детали. Далее проводится облучение импульсами длительностью в десятки (тысячи) наносекунд. Путем изменения плотности тока сильноточного ускорителя при фиксированной энергии ионов получают требуемую плотность энергии в диапазоне 1-10 Дж/см2. Например, для энергии ионов углерода 300 кэВ плотность тока для достижения требуемых значений плотности энергии лежит в пределах 70-700 А/см2.

Необходимая плотность энергии определяется следующими факторами: длительностью воздействия МИП, материалом мишени или теплофизическими характеристиками покрытия, которое требуется удалить или очистить, толщиной удаляемого слоя.

Детали подвергаются воздействию МИП таким количеством импульсов, которого достаточно для удаления всего поврежденного при эксплуатации слоя. По результатам экспериментов, для удаления поврежденных слоев достаточно 10 импульсов. Затем изделия помещают в вакуумную печь и выдерживают при температуре эксплуатации детали в течение 0,1-2 ч. Если ремонтируемое изделие эксплуатируется при низких температурах, то диффузионный отжиг проводится при тех же условиях, что и во время финишной стабилизирующей термообработки деталей или заготовок, выпускаемых по серийной технологии.

МИП применяется для удаления поверхностных загрязнений (оксидов, продуктов сгорания топлива, оксихлоридов, халькогенидов и др.) на стадии формирования пароплазменного облака в начальный момент облучения; удаления поверхностных неоднородностей (сглаживание макрорельефа) при плавлении материала поверхности; наведения в приповерхностных областях, толщиной 5-7 мкм, остаточных напряжений вследствие образования большого количества дефектов на стадиях формирования волны сжатия и распространения ударной волны; релаксации остаточных напряжений, рекристаллизация структуры и идеализации кристаллической решетки при диффузном отжиге детали. Это обусловлено физическими процессами, протекающими в поверхностном слое в

результате ионно-лучевой (с использованием мощных наносекундных пучков) и последующей термической обработками.

Такая комплексная обработка приводит не только к высокоинтенсивному удалению с поверхности изделия загрязнений и продуктов коррозии, но и к упрочнению материала за счет структурно-фазовых превращений.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:

- в результате обработки МИП отработавших свой ресурс деталей машин поверхностные слои деталей по составу, структуре и эксплуатационным характеристикам возвращаются в исходное до эксплуатации состояние [1];

- по некоторым из характеристик обработанные детали значительно улучшают свои эксплуатационные свойства (сопротивление эрозии, солевой коррозии, шероховатость, наличие окислов и глубина их залегания и т.п.).

МИП возможно применять для восстановления эксплуатационных свойств деталей из жаропрочных сплавов [5] с жаростойкими покрытиями.

Обрабатываемые детали помещают в рабочую камеру ускорителя ионов "Темп". Облучение проводится импульсами наносекундной длительности с частотой их следования 1-80 Гц. Требуемая плотность потока энергии достигается варьированием плотности ионного или электронного тока, кинетической энергией ускоренных частиц, длительностью импульсов тока и геометрией диодной системы. В зависимости от конкретной цели (модификация поверхности, очистки поверхности или удаление покрытий) работа ведется в ионном или электронном режиме.

Исходя из требования возможности реализации процесса высокопроизводительного удаления поврежденных при эксплуатации покрытий (толщиной более 200 мкм) на жаропрочных материалах устанавливается верхняя граница плотности энергии 30 Дж/см2 при частоте следования импульсов 80 Гц и количестве импульсов >100.

Для модификации поверхностных слоев и восстановления эксплуатационных свойств материала устанавливают нижнюю границу плотности энергии 0,1 Дж/см2 и частоту следования импульсов 1 Гц, при этом количество импульсов может быть существенно снижено и ограничено.

После облучения детали помещают в вакуумную печь и выдерживают при температуре

их эксплуатации в течение 0,5-2 ч. При необходимости на поверхность изделий может быть нанесено новое защитное покрытие.

Указанным способом обеспечивается решение уникальной технологической задачи: удаление отработанных защитных покрытий значительной толщины (200 мкм) при одновременном восстановлении эксплуатационных свойств изделия.

Таким образом, показана возможность эффективного использования МИП для очистки поверхности изделий как в качестве промежуточной технологической обработки поверхности деталей перед нанесением покрытий (это может быть использовано в одном технологическом цикле), так и в качестве ремонтной операции по финишной очистке лопаток от нагара, оксидов.

Упрочнение изделий с использованием мощных ионных пучков

Основными факторами, определяющими изменение свойств и структурно-фазовое состояние при облучении материалов МИП, являются нестабильное температурное поле и различные виды полей напряжения, возникающие при неоднородном нагреве мишени [6]. Температурное поле, возникающее в материале мишени при облучении МИП, может быть получено при решении нестационарного уравнения теплопроводности.

В момент начала плавления материала термоупругое и квазистатическое поля напряжений рассматриваются как показано на рис. 1а. Термоупругая волна напряжения (ох - распространяется в мишени со скоростью звука) генерируется силой инерции, направленной против быстрой упругой деформации, которая вызвана большим температурным градиентом внутри подложки. Сжимающее квазистатическое напряжение (оу) генерируется ограниченно на поверхности против бокового теплового расширения. Растет температура на поверхности, в приповерхностном слое начинается плавление. Поэтому локально расплавленные капельки формируются ниже поверхности, как показано на рис. 1Ь. Давление жидкости, результирующая сила Р квазистатического поля теплонапряженности и жидкого объемного расширения проявляются на каплях и передаются каплями во все стороны. Сила Р по направлению пучка составляет источник ударной волны. Ударная волна может быть увели-

чена при увеличении температуры и схематично представлена как волновое колебание (рис.1Ь). Если тонкий поверхностный слой не может выдержать этого давления, то происходит образование кратера (рис. 1с). После образования кратера напряжение сжатия действует как показано на рис. 1с.

На всей облученной поверхности наблюдаются равномерно распределенные кратеры, некоторые имеют дыры в центре (рис. 2а). О локальном плавлении металла можно судить по удельной симметрии кратеров. Такая морфология поверхности является следствием плавления приповерхностного слоя и извержения расплавленного металла через твердый поверхностный слой. Также наблюдается скопление вакансий на границах зерна и предполагается, что извержение происходит предпочтительно в дефектных зонах, где создание вакансий наиболее просто. Глубина плавящегося слоя приблизительно 1мкм.

»н*. ОД|*рк»»ч1«

НШРСП'Ю Т»ГЛ»

ЧНКП1»<№И щпрптапип

9М,

ТЧрмву гр^ чну

н С^

Рис. 1. Принципиальная схема распределения температуры и полей напряжения при облучении МИП. а - дает расположение различных действий только после начала облучения, Ь и с показывают процедуру извержения расплава и формирования импульса отдачи, которые образуются в мишени

Повышение прочности изделий (повышение срока службы) при воздействии МИП основано на структурных изменениях поверхностного слоя. Они характеризуются формированием перекристаллизационного слоя глубиной —1-10 мкм [1]. Перекристаллизация препятствует развитию существующих микротрещин, движению дислокаций, влияет на микротвердость. За счет растворенного и адсорбированного углерода и перемешивания компонентов поверхностного слоя образуются карбиды. Образование доли карбидов ведет к увеличению микротвердости. В зависимости от параметров пучка и теплофизических свойств металла наблюдается образование своеобразного микрорельефа. Для некоторых металлов (например, титана и ряда сплавов на его основе) наблюдается эффект полировки [1, 8]. В совокупности эти процессы приводят к модификации поверхностного слоя, улучшению коэффициента трения, износостойкости, коррозионной стойкости.

дость, износостойкость, коррозионную и усталостную стойкость. Облучение образцов проводилось при следующих условиях: энергия ионов Е = 300 кэВ, плотность тока 100, 200 и 300 А/см2, количество импульсов N=10, длительность импульса т=75 нс, флуктуации плотности тока в импульсах ограничены 20%.

На рис. 3 видно, что на поверхности необ-лученных образцов располагаются следы полировки и микровыступы, возникшие в процессе подготовки поверхности образцов (рис. 3а). При плотности тока 100 А/см2 происходит выглаживание поверхности с образованием размытых рисок и множества мелких кратеров (рис. 3Ь). Когда плотность тока достигает 200 А/см2, царапины и риски исчезают совсем, однако образуется несколько больших и глубоких кратеров на обработанной поверхности (рис. 3 с). При обработке с высокими плотностями тока - 300 А/см2 наблюдается однородная поверхность (рис. 3d).

Рис. 2. Микроструктура облученной поверхности а - кратеры на поверхности алюминия, облученного пятью импульсами; Ь - профильная ТЕМ фотография, показывающая плавление поверхности алюминия одним импульсом

Рис. 3. СЭМ фотографии поверхностей исходных и облученных образцов из нержавеющей стали 316L, облученных при различной плотности ионного тока 10 импульсами: а - исходный; Ь - 100 А/см2; с - 200 А/см2; а - 300 А/см2

Микротвердость облученных образцов на глубину до 200 мкм выше, чем микротвердость исходного образца (рис. 4).

В работе [7] проведено исследование влияния плотности тока при облучении нержавеющей стали 316L (состав: С<0,03%, Si<1%, Мп<2%, Р<0,035%, S<0,03%, 12,0-15,0% №, 16,0-18,0% Сг и 2,0-3,0% Мо) на микротвер-

Распределение усталостной прочности образцов показано на рис. 6.

Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине в образцах из нержавеющей стали 316L, облученных 10 импульсами МИП при различных плотностях тока

Степень упрочнения зависит от плотности тока МИП, максимум которой наблюдается при 200 А/см2. Уменьшение микротвердости приповерхностного слоя при обработке с плотностью тока 300 А/см2 связано с большей глубиной плавления поверхности и абляцией при чрезмерной плотности тока.

Изменение износостойкости представлено на рис. 5. Облученные образцы показывают увеличение износостойкости, что связано с увеличением микротвердости.

Рис. 5. Следы износа на поверхности образцов из нержавеющей стали 316L: а - исходный; Ь - облученный 10 импульсами при 200 А/см2

Рис. 6. Усталостная прочность для образцов из нержавеющей стали 316L, обработанных 10 импульсами МИП

Из рисунка видно, что улучшение усталостной прочности нержавеющей стали 316L зависит от плотности тока МИП. Образец, облученный 10 импульсами МИП с плотностью тока 200 А/см2, показывает лучшую усталостную прочность.

Исследования, проведенные в работе [7], показывают, что полировочные следы исчезают вследствие плавления и абляции при повышении плотности тока. Исчезновение на поверхности царапин и образование кратеров свидетельствует о превышении температуры плавления стали 316L на поверхности при облучении МИП. Увеличение микротвердости приповерхностной области образцов, обработанных МИП, является следствием быстрого нагрева и охлаждения поверхности, а также действия термопластических напряжений вследствие действия высоких температурных градиентов. С увеличением плотности тока при облучении образца происходит более сильное выглаживание поверхности, что приводит к улучшению усталостной прочности образцов.

В работе [8] изучались структурные и фазовые изменения, происходящие в приповерхностных слоях предварительно закаленной быстрорежущей стали (БРС) W6Mo5Cr4V2, расплавленных мощным ионным пучком (МИП). Ионный пучок состоял в основном из ионов Сп+ (70%) и Н+ (30%). Параметры ионного пучка, используемого в эксперименте, следующие: плотность тока 80 А/см2, ускоряющее напряжение 250 кВ, длительность импульса 70 нс и количество импульсов 1, 3 и 5, соответственно.

В результате обработки МИП на поверхности образца БРС возникают кратеры (рис. 7).

Рис. 7. СЭМ морфология поверхности образцов, облученных МИП

Образец 80-1 - большое количество мелких кратеров с соединенными краями, образующими непериодическую сетчатую топологию. Образец 80-3 - число кратеров меньше и они не соединены. На образце 80-5 кратеров (размер порядка 10 мкм и глубина порядка мкм) значительно меньше и их границы размазаны.

На рис. 8 показано увеличенное изображение образцов 80-1 и 80-5.

^ЙЗЙГ' V-

ÜfflS&ffl»

г У XI. 500 0234 27 yap ft/«г

Рис. 8. Микротрещины, возникающие на поверхности образцов, облученных МИП

На образце 80-1 видно несколько микротрещин (указаны стрелками). На поверхности образца 80-5 произошло уменьшение микротрещин и окисление мартенсита. Формирование микротрещин - атрибут сверхскоростных термических процессов и ударной волны, возникающих в процессе воздействия ионного пучка. В свою очередь, облучение большим числом импульсов приводит к исчезновению микротрещин, образованных при разовом воздействии. Окисленный мартенсит формируется вследствие закалочного эффекта МИП. Электронной микроскопией и рентгеновской дифракцией было обнаружено, что после облучения МИП мартенсит приповерхностных слоев трансформируется в аустенит, также образуются остаточные напряжения. Аустенит, созданный МИП, может быть стабильным и в напряженном состоянии. Однако величина напряжений, особенно в приповерхностном слое, довольно низкая, так как аустенит обработанной поверхности образован из мартенсита при быстром охлаждении.

Износостойкость БРС определялась измерением глубины канавки. На рис. 9 показана кривая глубины износа как функции времени. В начале износа различия не наблюдается. После 60 минут испытаний можно видеть, что глубина канавки для образца 80-0 в 2,5 раза больше, чем для образца 80-5 и в 1,7 раза больше, чем для образца 80-3. Следовательно, можно сделать вывод, что износостойкость увеличивается вместе с увеличением количества импульсов.

Ü £00 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Время износа

Рис. 9. Зависимость глубины износа БРС от времени

В работах [7], [8] обосновывается применение МИП для упрочнения твердосплавного режущего инструмента повышением его износостойкости. Более подробно повышение износостойкости рассматривается в работе [9]. Способ обработки поверхности режущего инстру-

мента основан на имплантации ионов Т (с энергией Е = 25-35 кэВ и дозой ионов Ф = 2*10 - 5*10 ион/см2) и импульсном облучении мощным пучком ионов углерода С+ и водорода Н+ (с энергией Е = 300 кэВ, плотностью тока в пределах 50 - 150 А/см2, дозой ионов Ф = 1014 ион/см2). За счет воздействия мощного ионного пучка осуществляется "перемешивание" имплантированных ионов, что ведет к образованию карбидных и оксидных фаз по типу ТЮ, ТЮ2.

Последовательным воздействием на твердосплавный режущий инструмент (например, из сплавов Т15К6, ВК8) ионами различной энергии осуществляется проникновение легирующих элементов на большую глубину. За счет образования твердосплавных хрупких карбидных зерен и сохранения пластичной кобальтовой прослойки достигается компромисс между хрупкими и пластичными свойствами твердого сплава.

Из рис. 10 видно, что износостойкость модифицированного слоя после дополнительного воздействия мощным импульсным пучком ионов (С+, Н+) возрастает приблизительно в 6 раз.

0.60

0.40

-а 4

я о. го -

0.00

гттт BKS—нсх

8К8+иыплантация ¿¿iü ВНВ+воадействие МИП täüüä БКЭ+иыплэнтация + МИП

0.00

40.00 80.00 120.00

Длительность опыта t,min

Рис. 10. Результата: сравнительных испытаний на износостойкость при резании стали марки 40X твердосплавными пластинами ВК8

Проведенные в работе [9] исследования процесса резания показали, что в результате комбинированной обработки режущего инструмента снижается уровень адгезионного взаимодействия между режущим инструментом и обрабатываемым материалом. Исследования проводились по классическим схемам испытания на износостойкость при резании стали на различных скоростных режимах. Износ оцени-

вали по ширине фаски задней поверхности резца.

В работе [10] изучен способ модификации поверхностного слоя алюминия, меди и никеля, основанный на термомеханическом воздействии на поверхность образцов мощного ионного пучка наносекундной длительности. Характеристики МИП: состав 30% С + и 70% Н+ с энергией 300 КэВ, плотность тока 50-150 А/см2, три импульса длительностью 50 нс. Облучение поверхности алюминия осуществлялось тремя импульсами МИП с плотностью ионного тока 50 А/см 2, меди - тремя импульсами МИП с плотностью ионного тока 50, 100 и 150 А/см2 и никеля - тремя импульсами МИП с плотностью ионного тока 150 А/см2 . Перед облучением МИП проводили диффузионный вакуумный отжиг в течении 2-2,5 часов при температуре 200°С (для алюминия), 350°С (для меди) и 600°С (для никеля) для устранения влияния наклепанного слоя, образовавшегося при механической подготовке образцов.

В результате такой обработки обеспечиваются формирование аксиальных кристаллографических текстур с осями <111> и <100> при рекристаллизации в алюминии, перекри-сталлизиция в никеле и фрагментация в меди, вызванная распространением полей температур и напряжений при воздействии мощного ионного пучка; повышаются значения микротвердости в направлении <111> в алюминии на 40% (с 250 МПа до 350 МПа) на глубине ~9 мкм, в меди на 17% (с 725 МПа до 875 МПа) на глубине ~8 мкм и никеле на 5% (с 1477 МПа до 1551 МПа) на глубине ~7 мкм.

Наиболее эффективным для алюминия оказалось облучение мощным ионным пучком с плотностью ионного тока 50 А/см 2 тремя импульсами; для меди - облучение МИП с плотностью ионного тока 50, 100 и 150 А/см2 тремя импульсами, для никеля - облучение МИП с плотностью ионного тока 150 А/см2 тремя импульсами.

Заключение

Рассмотрено одно из современных направлений развития физики твердого тела - воздействие мощных ионных пучков на твердые материалы. Показаны основы применения мощного ионного пучка. На широком классе металлов и сплавов продемонстрировано реальное улучшение таких эксплуатационных характеристик, как усталостная прочность, износостойкость,

повышение значений микротвердости, выглаживание и очищение поверхности, снижение уровня адгезионного взаимодействия между режущим инструментом и обрабатываемым материалом. Изучено влияние плотности тока и количества импульсов на поверхность образцов.

Обосновано практическое применение

МИП.

Литература

1. Ремнев Г.Е. Модификация материалов с использованием мощных ионных пучков // Известия ТПУ. 2000. №2. С.59-70

2. Ремнев Г.Е., Погребняк А.Д. Применение мощных ионных пучков для технологических целей // Новости науки и техники. Серия: Новые материалы, технология их производства и обработки. М.: ВИНИТИ, 1990. Вып.2. 30с.

3. Применение обработки мощными ионными пучками для ремонта и очистки изделий /В.А. Шулов, Н.А. Ночевная и др. //Письма в ЖТФ. 1991. Т.17. Вып.17. С. 3842.

4. Патент РФ №2009269. Способ восстановления эксплуатационных свойств деталей машин. Зубарев Г.И.,

Исаков И.Ф., Ночевная Н.А., Ремнев Г.Е. Приоритет: 10.02.92, БИ, 1994, №5.

5. Патент РФ №2094521. Способ восстановления эксплуатационных свойств деталей из жаропрочных сплавов. Ночевная Н.А., Опекунов M.G., Ремнев Г.Е., Шулов В.А. Приоритет: 27.10.1997

6. Основы и применение модификации материалов мощными ионными пучками/ S.Z. Hao, Y. Qin, X.X. Mei, B. Gao, J.X. Zuo, Q.F. Guan, C. Dong, Q.Y. Zhang// Surface & Coatings Technology. 2007. Vol. 201. Рр.8588-8595. 11с.

7. Wang X., Lei M.K., Zhang J.S. Поверхностная модификация нержавеющей стали 316L мощным ионным пучком // Surface & Coatings Technology. 2007. Vol. 201. Pp. 5SS4-5S90. 7с.

S. Mикроструктура и износостойкость быстрорежущей стали, обработанной с применением мощного ионного пучка/ X.X. Mei, S.Z. Hao, T.C. Ma, Y.M. Wang, Z.M. Liu // Nuclear Instruments and Method in Physics Research B. 2005. Vol.239. Рр.152-Ш. 3с.

9. Патент РФ №2119551. Gmo^ обработки твердосплавного режущего инструмента. Геринг Г.И., По-лещенко К.Н., Поворознюк G.H, Орлов П.В. Приоритет: 27.09.199S

10. Патент РФ № 232S54S. Способы модификации поверхностного слоя алюминия, меди и никеля. Панова ГВ., Блинов В.И., Ковивчак В^. Приоритет: 10.07.200S. 100с.

Информация об авторах

Турищев Максим Юрьевич - ВГТУ, студент кафедры «Ракетные двигатели», Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: turishchevm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5303-9000

Тишанинов Юрий Алексеевич - ВГТУ, студент кафедры «Ракетные двигатели», Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: iura1302@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7303-9278

Горожанкина Ольга Владимировна - ВГТУ, ст. преподаватель кафедры «Материаловедение и физика металлов», Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: winter.07@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3874-4630

Поступила 23.11.2017; принята к публикации 23.03.2018

PROCESSING OF METAL ENGINEERING PRODUCTS WITH POWERFUL ION BEAMS M.Yu. Turishchev, Yu.A. Tishaninov, O.V. Gorozhankina

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: this article is devoted to the practical use of high-power ion beams in modern industry. One of the modern trends in the development of solid state physics is considered: the effect of high-power ion beams on solid materials. The results of investigation of beam-erosion treatment and hardening of products using high-power ion beams are presented. The results obtained in various research centers and fixed by the patents of the Russian Federation demonstrate the wide possibilities of processing materials and improving the performance characteristics of products made from them. Increasing the strength of products (increasing the service life) under the influence of powerful ion beams is based on structural changes in the surface layer. The possibility of effective use of powerful ion beams for cleaning the surface of products is shown, including as an intermediate technological treatment of the surface of parts before application of coatings. The article demonstrates a real improvement in such performance characteristics as fatigue strength, wear resistance, increase in microhardness, smoothing of the surface, a decrease in the level of adhesion between the cutting tool and the material to be treated, and after the preliminary treatment of products with powerful ion beams, the improvement of adhesion of wear-resistant coating for a wide class of metals, alloys and products

Key words: high-power ion beams, surface layer, hardening

References

1. Remnev G.E. "Modification of materials using high-power ion beams", The bulletin of TPU (Izvestia TPU), 2000, no. 2, pp.59-70.

2. Remnev G.E., Pogrebnyak A.D. "Application of powerful ion beams for technological purposes", News of science and technology, Series: New materials, the technology of their production and processing (Novosti nauki i tekhniki. Seriya: Novye mate-rialy, tekhnologiya ikh proizvodstva i obrabotki), Moscow, VINITI, 1990, pp. 2-30.

3. Shulov V.A., Nochevnaya N.A. "Application processing with powerful ion beams for repair and cleaning products", Letters to the JTF (Pis 'ma v ZhTF), 1991, vol. 17, pp. 38-42.

4. Zubarev G.I., Isakov I.F., Nochevnaya N.A., Remnev G.E. "The way to restore the operational properties of machine parts" ("Sposob vosstanovleniya ekspluatatsionnykh svoystv detaley mashin"), Patent RF 2009269, 1994

5. Nochevnaya N.A., Opekunov M.S., Remnev G.E., Shulov V.A. "Method for restoring the operational properties of parts made of heat-resistant alloys" ("Sposob vosstanovleniya ekspluatatsionnykh svoystv detaley iz zharo-prochnykh splavov"), Patent RF 2094521, 1997

6. Hao S.Z., Qin Y., Mei X.X., Gao B., Zuo J.X., Guan Q.F., Dong C., Zhang Q.Y. "Fundamentals and applications of material modification by intense pulsed beams", Surface & Coatings Technology, 2007, vol. 201 pp. 8588-8595.

7. Wang X., Lei M.K., Zhang J.S. "Surface modification of 316L stainless steel with high-intensity pulsed ion beams", Surface & Coatings Technology, 2007, vol. 201, pp. 5884-5890.

8. Mei X.X., Hao S.Z., Ma T.C., Wang Y.M., Liu Z.M. "Microstructure and wear resistance of high-speed steel treated with a powerful ion beam", Nuclear Instruments and Method in Physics Research B, 2005, vol. 239, 152-158.

9. Gering G.I., Poleshchenko K.N., Povoroznyuk S.N., Orlov P.V. "Methods of machining metal-cutting tools made of hard alloy" ("Sposob obrabotki tverdosplavnogo rezhushchego instrumenta"), Patent RF 2119551, 1998

10. Panova T.V., Blinov V.I., Kovivchak V.S. "Methods for modifying the surface layer of aluminum, copper and nickel" ("Sposoby modifikatsii poverkhnostnogo sloya alyuminiya, medi i nikelya"), Patent RF 2328548, 2008

Submitted 23.11.2017; revised 23.03.2018

Information about the authors

Maksim Yu. Turishchev, Student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation (14 Moskovskiy prospect, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: turishchevm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5303-9000

Yuriy A. Tishaninov, Student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation (14 Moskovskiy prospect, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: iura1302@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7303-9278

Ol'ga V. Gorozhankina, Assistant Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation (14 Moskovskiy prospect, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: winter.07@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3874-4630