СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ В МАТЕРИАЛЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
FORMATION METHOD OF NANOCRYSTALLINE SURFACE COATING IN MATERIAL OF PRODUCTS FORM METALLIC ALLOYS

Изобретение относится к области получения нанокристаллических материалов, в частности к получению нонокристаллических поверхностных слоев на изделиях из металлических материалов, и может быть использовано для обработки лопаток газовых и паровых турбин для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных эксплуатационных свойств.
Известен способ получения твердофазных наноструктурированных материалов путем нанесения вещества на исходную образующую матрицу, в котором наносимое вещество преобразуют в поток кластеров при детонационном горении приготовленной многофазной смеси с катализатором, в продукты детонационного горения вводят буферный газ, подвергают газодинамическому охлаждению при их расширении в сверхзвуковом сопле и направляют на исходную образующую матрицу, которую периодически охлаждают и нагревают [заявка на патент РФ №2005106650. Способ получения твердофазных наноструктурированных материалов и устройство для его реализации. МПК С01В 31/00, 2006 г.]. Недостатком указанного способа является невозможность получения изделий с нанокристаллическим поверхностным слоем.
Известно применение методов интенсивно-пластической деформации для формирования объемных нанокристаллических металлических материалов [Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.].
Недостатком известного способа [Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. M.: Логос, 2000. 272 с.] является невозможность получения непосредственно в поверхностном слое металлических деталей нанокристаллической структуры. В то же время для таких деталей, как лопатки турбомашин необходимо обеспечивать упрочненный поверхностный слой материала [патент РФ №2117073. Способ модификации поверхности титановых сплавов. МПК С23С 14/48, 1998]. Лопатки турбомашин работают в условиях воздействия знакопеременных нагрузок, которые могут приводить к возникновению поверхностных трещин и разрушению лопаток. Поэтому эксплуатационную надежность лопаток можно обеспечить путем повышения физико-механических свойств поверхностного слоя материала детали. Создание в поверхностном слое материала нанокристаллической структуры, имеющей по сравнению с обычными не нанокристаллическими сплавами более высокие прочностные свойства, позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства подобных изделий. Например, по сравнению со сплавами, имеющими размеры зерен величиной более 1 мкм, время до разрушения образцов при испытаниях на прочность повышается в 2-3 раза, а усталостная долговечность на 1-2 порядка. Кроме того, не всегда, в частности, из соображений дороговизны, является целесообразным создание всего изделия из объемного нанокристаллического металла или сплава. Даже при использовании для изготовления деталей объемного нанокристаллического материала с относительно крупными кристаллами повышенные эксплуатационные свойства могут быть получены за счет измельчения структуры в поверхностном слое материала детали.
Известен способ получения нанокристаллического поверхностного слоя на поверхности изделия с помощью туннельного микроскопа. Согласно этого способа на поверхность изделия наносят тонкий слой металла, на котором сорбируется тонкая пленка воды. В результате электрохимических процессов на обрабатываемом участке образуется слой в несколько десятков нм [Matsumoto К., Sedawa К- Application of Scanning Tunneling Microscopy Nanofabrication process to Single Electron Transistor. - Journ. Vac. Sci. Technol. - 1996, В 14. p.p.1331-1335].
Недостатком известного способа является чрезвычайно низкая производительность, которая неприемлема для обработки таких деталей как, например, лопатка турбомашины.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения наноструктурированного поверхностного слоя, заключающийся в бомбардировке поверхности материала тяжелыми ионами. (Fleischcr R.L., Price P.B. Walker R.M. - Nuclear Tracks in Solids. - Univ. of California, Berkeley, 1979). В области трека происходит аморфизация кристаллической структуры с образованием наноразмерных структур, ориентированных вдоль трека.
Недостатком прототипа является неоднородность полученного поверхностного слоя материала изделия, поскольку облучение поверхностного слоя ускоренными тяжелыми ионами приводит к формированию в материале вдоль трека иона сильно разупорядоченной области диаметром от единиц до десятков нм. ["Микроэлектроника". - 1998, т.27, 1, с.46-48].
Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационных свойств изделий из металлов и сплавов за счет формирования однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.
Технический результат достигается тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя в материале изделий из металлических сплавов, в отличие от прототипа, в материале получают равномерный аморфный поверхностный слой, нагревают его до температуры начала процесса кристаллизации и деформируют при температуре нагрева до достижения необходимых размеров нанокристаллов, после чего прекращают нагрев и деформирование поверхностного слоя и производят охлаждение материала изделия со скоростью, обеспечивающей быструю фиксацию процессов перехода материала от аморфного состояния к нанокристаллическому.
Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя получение аморфного поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов, а нагрев аморфного поверхностного слоя производят либо токами высокой частоты, либо облучением потоком электронов, причем облучение потоком электронов производят сканирующим электронным лучом, в частности, подачей положительного потенциала на изделие.
Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя деформирование материала поверхностного слоя осуществляют приложением к изделию знакопеременной нагрузки, при этом знакопеременную нагрузку могут создавать приложением ультразвуковых колебаний.
Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя получают нанокристаллы с размером в диапазоне 1…900 нм.
Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя в качестве изделия используют турбинную лопатку.
Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя перед ионной имплантацией проводят упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием микрошариками.
Сущность изобретения по предлагаемому способу заключается в том, что в поверхностном слое материала изделия одним из известных способов формируют равномерный аморфный поверхностный слой. Формирование аморфного слоя позволяет, с одной стороны уменьшить влияние исходной структуры материала изделия на вновь формируемую нанокристаллическую структуру поверхностного слоя, а с другой стороны - создает предпосылки к образованию нанокристаллов в процессе последующей кристаллизации. В качестве одного из методов получения аморфного слоя могут использоваться известные методы ионной имплантации. Для повышения эффекта аморфизации поверхностного слоя могут использоваться, в сочетании с процессом последующей ионной имплантации методы поверхностного пластического деформирования, в частности упрочняющая обработка микрошариками. Процессы деформирования поверхностного слоя, например, приложением высокочастотной знакопеременной нагрузки позволяют сформировать в материале волновые процессы, которые наряду с процессами нагрева позволяют управлять формированием размеров нанокристаллов. В данном случае размеры нанокристаллов будут зависеть от частоты приложенной нагрузки и времени температурной выдержки. При этом для быстрой фиксации процессов перехода материала от аморфного состояния к нанокристаллическому необходимо также управлять скоростью охлаждения материала изделия.
Таким образом, получение аморфного поверхностного слоя материала изделия с последующим преобразованием его путем деформации и кристаллизации в нанокристаллический поверхностный слой материала изделия (например, лопатки турбомашины) позволяют достичь эффекта предлагаемого технического решения - повышения эксплуатационных свойств изделий из металлов и сплавов.
2
19
2
Пример. Для оценки эксплуатационных свойств деталей машин, обработанных по прототипу и предлагаемому способу, были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность в условиях эксплуатационных температур (при 300-450°С) на воздухе. Образцы деталей (лопаток турбин) были изготовлены из стали 20Х13 и титановых сплавов ВТ3-1, ВТ6. Режимы и условия обработки деталей по способу-прототипу были следующие: имплантация ионов Yb, Та; энергия ионов 300-3000 эВ; плотность ионного тока 5-10 мА/см; доза имплантации ионов 8·10 ион/см.
Режимы и условия обработки деталей по предлагаемому техническому решению являются "ноу-хау".
-1
В результате проведенных испытаний были получены следующие результаты: условный предел выносливости (σ) лопаток в среднем для различных вариантов обработки (приведенных в формуле изобретения предлагаемого технического решения) по сравнению с прототипом составляет:
А. Для лопаток из стали 20Х13:
1) по способу-прототипу: 390-425 МПа;
2) по предлагаемому способу: 475-520 МПа;
Б. Для лопаток из титанового сплава ВТ3-1:
1) по способу-прототипу: 610-640 МПа;
2) по предлагаемому способу: 710-740 МПа;
В. Для лопаток из титанового сплава ВТ6:
1) по способу-прототипу: 700-720 МПа;
2) по предлагаемому способу: 795-810 МПа;
Г. Обработка микрошариками перед ионной имплантацией (для предлагаемого технического решения):
1) Для лопаток из стали 20Х13 485-530 МПа;
2) Для лопаток из титанового сплава ВТ3-1 715-745 МПа;
3) Для лопаток из титанового сплава ВТ6 800-820 МПа;
-1
Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа получения нанокристаллического поверхностного слоя позволяет повысить по сравнению с прототипом эксплуатационные свойства лопаток из стали 20Х13 и титановых сплавов ВТ3-1 и ВТ6. Как видно из приведенных примеров, условный предел выносливости (σ) в среднем повышается приблизительно, для стали на 25%, а для титановых сплавов - на 14%, при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и на 17%, что подтверждает заявленный технический результат.
Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток, во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что получение в материале равномерного аморфного поверхностного слоя, его нагрева до температуры начала процесса кристаллизации, деформация поверхностного слоя и прекращение его нагрева и деформации при достижении необходимых размеров нанокристаллов, при применении одного из следующих вариантов обработки деталей (результаты испытаний эксплуатационных свойств которых даны в вышеприведенном примере реализации): получение аморфного поверхностного слоя ионной имплантацией; нагрев аморфного поверхностного слоя токами высокой частоты; нагрев аморфного поверхностного слоя облучением потоком электронов, например, производят сканирующим электронным лучом или подачей положительного потенциала на изделие; деформирование материала поверхностного слоя осуществляют приложением к изделию знакопеременной нагрузки, например, за счет ультразвуковых колебаний; и проведение обработки до достижения размеров нанокристаллов в диапазоне 1…900 нм; при использовании, дополнительно, перед ионной имплантацией поверхности детали, например лопатки турбомашины, обработки микрошариками, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повышения эксплуатационных свойств изделий из металлов и сплавов за счет формирования однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.