Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана

 

Сущность изобретения заключается в том, что для очистки используют ионы инертных газов аргона и ксенона, обработку осуществляют с энергией 250 - 350 эВ, плотностью тока 3 - 10 мА/см², в течение времени более 3000 с, затем проводят ионное легирование азотом с энергией 30 - 50 кэВ, плотностью ионного тока 30 - 60 мкА/см² в течение 500 - 2500 с в сочетании с вакуумным отжигом при температуре 450 - 550^oC и давлении остаточных газов 10^-3-5·10^-3 Па в течение 2 - 2,5 ч. 1 табл.

Изобретение относится к неметаллической поверхностной обработке деталей из сплавов титана, используемых в машиностроении, авиадвигателестроении, судостроении и т. п. с целью повышения их эксплуатационных свойств при ремонте поверхностных слоев деталей, предварительно подвергнутых ионной имплантации.

Известен способ подготовки металлических поверхностей перед нанесением полимерных покрытий, включающий ионную очистку поверхности изделия потоком ионов плазмы инертного газа и осаждения в том же технологическом процессе слоя титана [1].

Кроме того, известен способ восстановления рабочей поверхности лопатки турбины теплового двигателя, включающий удаление отработанного слоя потоком ионов плазмы тугоплавких материалов и нанесение жаростойкого покрытия с последующей термообработкой [2].

Недостатки аналогов. При ионной очистке поверхности потоком ионов плазмы инертного газа в технологическом процессе не предусмотрено последующее ионно-имплантационное модифицирование, тем самым затруднено обеспечение комплекса необходимых эксплуатационных характеристик (выносливости, длительной прочности) деталей из сплавов на основе титана.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ модификации поверхности жаропрочных сплавов, включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг [3].

Недостатки прототипа. При ионно-лучевой очистке пучком ионов азота велика длительность процесса в случае необходимости удаления слоев толщиной 1 мкм и более. Обработка ведется как самостоятельный способ упрочнения. Не решаются вопросы ремонта уже созданных данных способом слоев.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эксплуатационных свойств лопаток и ускорение процесса очистки в цикле ионно-лучевых обработок за счет ионно-плазменного распыления поверхностных слоев потоком ионов из плазмы инертных газов.

Поставленная задача достигается тем, что в цикле непрерывных ионно-лучевых обработок, включающих в себя ионную очистку, ионную имплантацию и последующий вакуумный отжиг, очистку производят на плазматроне ионами инертных газов (аргон или ксенон) с энергией E = 250 - 350 эВ, плотностью тока j = 3 - 10 мА/см², время обработки t = 3000 - 7000 с. Ионно-плазменная очистка совмещена в едином процессе с ионной имплантацией. Не вынимая детали из рабочей камеры, производят последующее ионное легирование азотом с энергией E = 30 - 50 кэВ плотностью тока j = 40 - 50 мкА/см², временем обработки 500 - 2500 с. Затем производят постимплантационную термообработку при 450 - 550^oC в течение 2 - 2,5 ч в вакууме при давлении остаточных газов 10^-3 - 5 · 10^-3 Па. В результате ионно-плазменной очистки с поверхности материала удаляются дефектные отработанные слои толщиной более 1 мкм. Скорость очистки по сравнению с прототипом возрастает на порядок. Цикл непрерывных ионно-лучевых обработок позволяет сформировать поверхностные слои, обеспечивающие повышение выносливости и длительной прочности.

Пример конкретного выполнения способа. Лопатки компрессора ГТД изготовленные из сплавов ВТ18-У и ВТ9, подвергнутые ионно-имплантационному модифицированию азотом на стадии окончательной обработки и наработке в составе реального двигателя, затем подвергались ионно-лучевой и ионно-плазменной очистке ионами аргона с целью распыления поверхностных слоев толщиной более 1 мкм, далее осуществлялась ионная имплантация азота и постимплантационный вакуумный отжиг. Режимы приведены в таблице. Испытания выносливости показали увеличение предела выносливости по сравнению с лопатками, отремонтированными по серийной технологии на 15,5%.

Итак, изобретение позволяет уменьшить время очистки дефектных отработанных слоев в цикле непрерывных лучевых обработок на стадии ремонта и улучшить эксплуатационные характеристики деталей, подвергнутых предварительному ионно-имплантационному модифицированию и наработке в составе реальных изделий.

Источники информации 1. Авт. свид. СССР N 1818357, кл. C 23 C 14/02, 1993 2. Авт. свид. СССР N 1832132, кл. C 23 C 14/02, 1993 3. Патент России N 20007501, кл. C 23 C 14/48, 1994В

Формула изобретения

Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана, включающий ионную очистку поверхности, ионное легирование азотом и отжиг в вакууме, отличающийся тем, что очистку осуществляют ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250 - 350 кВ, плотностью ионного тока 3 - 10 мА/см², в течение времени более 3000 с, ионное легирование азотом проводят с энергией 30 - 50 мкА/см², в течение 500 - 2500 с, а отжиг проводят при температуре 450 - 550^oC и давлении остаточных газов 10^-3 - 5 · 10^-3 Па в течение 2 - 2,5 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2