Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя на детали из сплава на никелевой основе (варианты)

Изобретение относится к способу формирования нанокристаллического поверхностного слоя на детали из сплава на никелевой основе(варианты) и может быть использовано для обработки лопаток газотурбинных двигателей и установок для улучшения их эксплуатационных характеристик. Осуществляют ионную бомбардировку поверхностного слоя до образования аморфного слоя с последующим воздействием на аморфный слой ультразвуковыми колебаниями до получения нанокристаллов заданных размеров и фиксацию структуры нанокристаллического поверхностного слоя его охлаждением. Бомбардировку поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов La или Yb при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,6⋅10¹⁷ см^-2, а нанокристаллы получают размером в диапазоне 10…700 нм. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к области получения нанокристаллических материалов, в частности к получению нанокристаллических поверхностных слоев на деталях из сплавов на никелевой основе, и может быть использовано для обработки лопаток газотурбинных двигателей и установок для улучшения их эксплуатационных характеристик.

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. М.: 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. 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. (Fleischer R.L., Price Р.В. 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 и техническим результатом настоящего изобретения являются повышение эксплуатационных характеристик деталей из сплава на никелевой основе за счет формирования на детали однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.

Технический результат достигается вариантами способа формирования нанокристаллического поверхностного слоя на детали из сплава на никелевой основе путем бомбардировки его ионами до образования аморфного слоя с последующим воздействием на аморфный слой ультразвуковыми колебаниями до получения нанокристаллов необходимых размеров и фиксацией структуры нанокристаллического поверхностного слоя его охлаждением.

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, а нанокристаллы получают размером в диапазоне 10…700 нм.

В отличие от прототипа по второму варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него или ионов Yb при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,6⋅10¹⁷ см^-2, а нанокристаллы получают размером в диапазоне 10…700 нм.

Кроме того, по всем вариантам способа возможны следующие дополнительные приемы: в качестве детали используют лопатку турбины газотурбинной установки; перед ионной имплантацией проводят обработку поверхностным пластическим деформированием микрошариками диаметром от 40 до 80 мкм.

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 детали 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 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 детали из сплава на никелевой основе 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 характеристик деталей из сплава на никелевой основе.

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 на воздухе. 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% Mo; 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%B; 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 5%.)

По первому варианту режимы имплантации ионов La:

- энергия ионов: 33 кэВ - Н.Р.(Неудовлетворительный результат), 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,

Размеры нанокристаллов: 10…700 нм 6 нм - Н.Р., 10 нм - У.Р., 80 нм - У.Р., 260 нм - У.Р., 400 нм - У.Р., 600 нм - У.Р., 700 нм - У.Р., 800 нм - H. Р.

Частота ультразвуковых колебаний: 10⁹ Гц - Н.Р., 10¹⁰ Гц - У.P., 10¹¹ Гц - У.Р., 10¹² Гц - У.Р., 10¹³ Гц - У.Р., 10¹⁴ Гц - Н.Р.

По второму варианту режимы имплантации ионов Yb:

- 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

Размеры нанокристаллов: 7 нм - Н.Р., 10 нм - У.Р., 80 нм - У.Р., 260 нм -У.Р., 400 нм - У.Р., 600 нм - У.Р., 700 нм - У.Р., 760 нм - Н.Р.

Частота ультразвуковых колебаний: 10⁹ Гц - Н.Р., 10¹⁰ Гц - У.Р., 10¹¹ Гц - У.Р., 10¹² Гц - У.Р., 10¹³ Гц - У.Р., 10¹⁴ Гц - 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: 480-490 час;

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

прототип: 410-430 час;

по предлагаемому техническому решению: 510-520 час;

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

прототип: 360-370 час;

по предлагаемому техническому решению: 400-410 час.

Предел выносливости образцов из никелевого сплава ЧС88У ВИ, обработанных по предлагаемому способу превышает аналогичные показатели, полученные по способу-прототипу в среднем на 6,2% - 8, 1%. (для Yb увеличение на 6% - 7,7%, для La увеличение на 6, 4% - 8,2%; с дополнительной обработкой микрошариками увеличение составляет порядка 6, 2% -8,6%).

Увеличению микротвердости поверхности образцов из никелевого сплава ЧС88У ВИ, обработанных по предлагаемому способу превышает микротвердость поверхности образцов, полученных по способу-прототипу в среднем на 55-60%.

Таким образом, предложенный способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя (варианты) на деталях сплава на никелевой основе позволяет повысить их эксплуатационные характеристики за счет формирования однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.

1. Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя на детали из сплава на никелевой основе, включающий ионную бомбардировку поверхностного слоя до образования аморфного слоя с последующим воздействием на аморфный слой ультразвуковыми колебаниями до получения нанокристаллов заданных размеров и фиксацию структуры нанокристаллического поверхностного слоя посредством его охлаждения, отличающийся тем, что ионную 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, при этом получают нанокристаллы размером в диапазоне 10…700 нм.

2. Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя на детали из сплава на никелевой основе, включающий ионную бомбардировку поверхностного слоя до образования аморфного слоя с последующим воздействием на аморфный слой ультразвуковыми колебаниями до получения нанокристаллов заданных размеров и фиксацию структуры нанокристаллического поверхностного слоя посредством его охлаждения, отличающийся тем, что ионную бомбардировку поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов Yb при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅10¹⁶ см^-2 до 1,6⋅10¹⁷ см^-2, при этом получают нанокристаллы размером в диапазоне 10…700 нм.

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

4. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что перед ионной имплантацией осуществляют поверхностное пластическое деформирование детали микрошариками.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что перед ионной имплантацией осуществляют поверхностное пластическое деформирование детали микрошариками диаметром от 40 до 80 мкм.