Способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе (варианты)

Изобретение относится к способу упрочняющей обработки детали из сплава на основе никеля. Технический результат состоит в повышении выносливости и циклической долговечности детали. Способ включает бомбардировку поверхностного слоя ионами по двум вариантам. По первому варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него ионов La при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,6⋅10¹⁷ см^-2. По второму варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него ионов Yb при энергии от 32 до 38 кэВ, дозой от 9,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,7⋅10¹⁷ см^-2. Перед ионной имплантацией производят электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С. После ионной имплантации производят отжиг в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа. В качестве сплава на никелевой основе используют сплав, содержащий, вес.%: 10,5-11,7 Со; 15,2-15,8 Cr; 4,9-5,3 W; 1,83-1,96 Мо; 0,15-0,25 Nb; 2,5-3,2 Al; 4,2-4,8 Ti; 0,05-0,06 С; 0,25-0,3 Hf; 0,8-0,09 В; 0,03-0,05 Zr, остальное - никель. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток из сплавов на основе никеля для повышения выносливости и циклической долговечности деталей.

Известен способ обработки поверхности лопатки турбины теплового двигателя, включающий удаление отработанного слоя потоком ионов плазмы тугоплавких материалов с последующей термообработкой (А.С. СССР №1832132, МПК С23С 14/02, 1993).

Однако известный способ очистки поверхности (А.С. СССР №1832132, МПК С23С 14/02, 1993) потоком ионов плазмы инертного газа не предусмотривает последующее ионно-имплантационное модифицирование, что не позволяет обеспечить комплекс необходимых повышенных эксплуатационных характеристик (выносливости, длительной прочности) деталей из сплавов на основе никеля.

Известен также способ модификации поверхности жаропрочных сплавов включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг (Патент РФ №20007501, МПК С23С 14/48, 1994).

Основным недостатком этого способа являются невысокие эксплуатационные обработанных характеристики деталей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплактационной обработки деталей, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г.; а также А.С. СССР №1642786, МПК С23С 14/48, Способ ионной имплантации. Опубл. 30.09.1994.). При этом, обработка поверхности осуществляется путем имплантации ионного пучка с плотностью мощности 1⋅10³ Вт/см² с предварительным облучением поверхности импульсным ионным пучком с плотностью мощности 5⋅10⁶-10⁸ Вт/см² и удельной энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см².

Основным недостатком известного способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из сплавов на никелевой основе при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей из сплавов на никелевой основе как лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ).

Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала детали, который позволил бы обеспечить повышенные эксплуатационные характеристики деталей из сплавов на никелевой основе.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных характеристик деталей из сплавов на никелевой основе за счет использования комплексной обработки поверхности деталей.

Технический результат достигается вариантами способа упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе путем бомбардировки поверхностного слоя ионами.

В отличие от прототипа по первому варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него или ионов La при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,6⋅10¹⁷ см^-2 с последующим отжигом в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа, а перед ионной имплантацией производят электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С, а в качестве сплава на никелевой основе используют сплав, содержащий, в весовых %: 10,5-11,7% Со; 15,2-15,8% Cr; 4,9-5,3% W; 1,83-1,96% Мо; 0,15-0,25% Nb; 2,5-3,2% Al; 4,2-4,8% Ti; 0,05-0,06% С; 0,25-0,3% Hf; 0,8-0,09%В; 0,03-0,05% Zr, остальное - никель.

В отличие от прототипа по второму варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него или ионов Yb при энергии от 32 до 38 кэВ, дозой от 9,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,7⋅10¹⁷ см^-2 с последующим отжигом в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа, а перед ионной имплантацией производят электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С, а в качестве сплава на никелевой основе используют сплав, содержащий, в весовых %: 10,5-11,7% Со; 15,2-15,8% Cr; 4,9-5,3% W; 1,83-1,96% Мо; 0,15-0,25% Nb; 2,5-3,2% Al; 4,2-4,8% Ti; 0,05-0,06% С; 0,25-0,3% Hf; 0,8-0,09%В; 0,03-0,05% Zr, остальное - никель.

Кроме того, по всем вариантам способа возможен следующий дополнительный прием: использование в качестве детали турбинной лопатки.

Пример. Для оценки эксплуатационных свойств лопаток турбин из никелевых сплавов были проведены следующие испытания. Образцы из сплавов на никелевой основе, были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу- прототипу (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г,).), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по предлагаемому способу. Образцы деталей (лопаток турбин) были изготовлены из сплава на никелевой основе ЧС88У ВИ (сплава на никелевой основе, содержащий, в весовых %: 10,5-11,7% Со; 15,2-15,8% Cr; 4,9-5,3% W; 1,83-1,96% Мо; 0,15-0,25% Nb; 2,5-3,2% Al; 4,2-4,8% Ti; 0,05-0,06% С; 0,25-0,3% Hf; 0,8-0,09%В; 0,03-0,05% Zr, остальное - никель). Режимы и условия обработки деталей по способу-прототипу были следующие: имплантация ионов La; имплантация ионов Yb; энергия ионов от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,6⋅10¹⁷ см^-2.

Условия обработки по предлагаемому способу. (Удовлетворительным результатом (У.Р.) считался результат, в котором прочностные характеристики испытуемых деталей из сплава на никелевой основе, обработанные по предлагаемому способу превышали аналогичные характеристики деталей, обработанных по способу-прототипу не менее чем на 6%.)

По первому варианту:

Электролитно-плазменное полирование поверхности детали:

- напряжение: 240 В- Н.Р. (Неудовлетворительный результат), 260 В- У.Р., 280 В- У.Р., 300 В- У.Р., 320 В- У.Р., 340 В- Н.Р.

- электролит: водный раствор сульфата аммония, концентрацией: 2,5%- H. Р., 4%- У.Р., 6%- У.Р., 8%- У.Р., 10%- Н.Р.

- температура: 60-80°С, 50°С- Н.Р., 60°С- У.Р., 70°С- У.Р., 80°С- У.Р., 90°С- Н.Р.

Режимы имплантации ионов La:

- энергия ионов: 33 кэВ - Н.Р., 35 кэВ - У.Р., 37 кэВ - У.Р., 40 кэВ - У.Р., 43 кэВ - Н.Р.

- доза: 7,6⋅10¹⁶ см^-2 - Н.Р., 8,0⋅10¹⁶ см^-2 - У.Р., 1,1⋅10¹⁷ см^-2 - У.Р., 1,6⋅10¹⁷ см^-2 - У.Р., 1,8⋅10¹⁷ см^-2 - Н.Р.

- величина тока: 20 мкА/см², 30 мкА/см², 40 мкА/см²,

Режимы постимплантационного отжига в вакууме:

- температура от 740°С до 960°С 720°С- Н.Р., 740°С- У.Р., 800°С- У.Р., 840°С- У.Р., 900°С- У.Р., 960°С- У.Р., 980°С- Н.Р.

- время отжига, в течение от 1,8 до 2,2 часа. 1,6 час- Н.Р., 1,8 час- У.Р., 2,0 час- У.Р., 2,2 час- У.Р., 2,4 час- Н.Р.

По второму варианту:

Электролитно-плазменное полирование поверхности детали:

- напряжение: 240 В- Н.Р. (Неудовлетворительный результат), 260 В- У.Р., 280 В- У.Р., 300 В- У.Р., 320 В- У.Р., 340 В- Н.Р.

- электролит: водный раствор сульфата аммония, концентрацией: 2,5%- H. Р., 4%- У.Р., 6%- У.Р., 8%- У.Р., 10%- Н.Р.

- температура: 60-80°С, 50°С- Н.Р., 60°С- У.Р., 70°С- У.Р., 80°С- У.Р., 90°С- Н.Р.

Режимы имплантации ионов Yb:

- энергия ионов: 30 кэВ - Н.Р., 32 кэВ - У.Р., 37 кэВ - У.Р., 38 кэВ - У.Р., 40 кэВ - Н.Р.

- доза: 8,4⋅10¹⁶ см^-2 - Н.Р., 9,0⋅10¹⁶ см^-2 - У.Р., 1,1⋅10¹⁷ см^-2 - У.Р., 1,7⋅10¹⁷ см^-2 - У.Р., 1,9⋅10¹⁷ см^-2 - Н.Р.

- величина тока: 20 мкА/см², 30 мкА/см², 40 мкА/см²,

Режимы постимплантационного отжига в вакууме:

- температура от 740°С до 960°С 720°С- Н.Р., 740°С- У.Р., 800°С- У.Р., 840°С- У.Р., 900°С- У.Р., 960°С- У.Р., 980°С- Н.Р.

- время отжига, в течение от 1,8 до 2,2 часа. 1,6 час- Н.Р., 1,8 час- У.Р., 2,0 час- У.Р., 2,2 час- У.Р., 2,4 час- Н.Р.

В результате проведенных испытаний на жаропрочность были получены следующие результаты: длительная прочность лопаток из никелевого сплава ЧС88У ВИ в среднем по сравнению с прототипом составляет:

1) При температуре 600°С, нагрузке 1000 МПа составляет:

прототип: 360-380 час;

по предлагаемому техническому решению: 490-510 час;

2) При температуре 800°С, нагрузке 500 МПа составляет:

прототип: 410-430 час;

по предлагаемому техническому решению: 520-540 час;

3) При температуре 900°С, нагрузке 250 МПа составляет:

прототип: 360-370 час;

по предлагаемому техническому решению: 410-420 час.

Предел выносливости образцов из никелевого сплава ЧС88У ВИ, обработанных по предлагаемому способу превышает аналогичные показатели, полученные по способу-прототипу в среднем на 6,7% - 8,4%. (для Yb увеличение на 6% - 7,7%, для La увеличение на 6, 9% - 8,7%.

Увеличению микротвердости поверхности образцов из никелевого сплава ЧС88У ВИ, обработанных по предлагаемому способу превышает микротвердость поверхности образцов, полученных по способу-прототипу в среднем на 57-62%.

Таким образом, предложенный способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе позволяет повысить их эксплуатационные характеристики за счет использования комплексной обработки поверхности деталей.

1. Способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе, включающий ионную бомбардировку поверхностного слоя ионами, отличающийся тем, что используют сплав на никелевой основе, содержащий, вес.%: 10,5-11,7 Со; 15,2-15,8 Cr; 4,9-5,3 W; 1,83-1,96 Мо; 0,15-0,25 Nb; 2,5-3,2 Al; 4,2-4,8 Ti; 0,05-0,06 С; 0,25-0,3 Hf; 0,8-0,09 В; 0,03-0,05 Zr, остальное - никель, при этом перед ионной имплантацией осуществляют электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С, причем бомбардировку поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов La при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,6⋅10¹⁷ см^-2 с последующим отжигом в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа.

2. Способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе, включающий ионную бомбардировку поверхностного слоя , отличающийся тем, что используют сплав на никелевой основе , содержащий, вес.%: 10,5-11,7 Со; 15,2-15,8 Cr; 4,9-5,3 W; 1,83-1,96 Мо; 0,15-0,25 Nb; 2,5-3,2 Al; 4,2-4,8 Ti; 0,05-0,06 С; 0,25-0,3 Hf; 0,8-0,09 В; 0,03-0,05 Zr, остальное - никель, при этом перед ионной имплантацией осуществляют электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С, причем бомбардировку поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов Yb при энергии от 32 до 38 кэВ, дозой от 9,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,7⋅10¹⁷ см^-2 с последующим отжигом в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве детали используют турбинную лопатку.