RU2462516C2

RU2462516C2 - Method of surface treatment of products of heat resisting alloys

Info

Publication number: RU2462516C2
Application number: RU2010146269/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Энгелько (RU); Владимир Иванович Энгелько; Константин Иванович Ткаченко (RU); Константин Иванович Ткаченко; Вячеслав Александрович Шулов (RU); Вячеслав Александрович Шулов; Оксана Анатольевна Быценко (RU); Оксана Анатольевна Быценко; Александр Федорович Львов (RU); Александр Федорович Львов; Александр Сергеевич Новиков (RU); Александр Сергеевич Новиков; Александр Григорьевич Пайкин (RU); Александр Григорьевич Пайкин; Анатолий Дмитриевич Теряев (RU); Анатолий Дмитриевич Теряев; Дмитрий Анатольевич Теряев (RU); Дмитрий Анатольевич Теряев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Московское машиностроительное предприятие им. В.В. Чернышева"
Priority date: 2010-11-13
Filing date: 2010-11-13
Publication date: 2012-09-27
Also published as: RU2010146269A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method is implemented by the surface treatment of parts made of heat resisting alloys with high-current pulsed electron beam with a pulse duration of 20-50 mcs, the electron energy of 110-120 keV, the energy density of 18-45 J/cm² per pulse and number of pulses of 2.5, followed by a stabilising annealing in a vacuum at a pressure not exceeding 10^-5 mm Hg for 2-6 hours.

EFFECT: increased exploitation parameters of the products.

2 ex, 6 tbl

Description

Изобретение относится к технологии поверхностной термомеханической обработки деталей из жаропрочных сплавов (сталей, титановых и никелевых сплавов, интерметаллидов и др.) концентрированными импульсными потоками энергии и может быть использовано в авиационной и автомобильной промышленности, энергетике, космической технике, медицине для повышения эксплуатационных характеристик изделий (усталостная прочность, сопротивление солевой коррозии, сопротивление пылевой эрозии, жаростойкость, износостойкость и др.).The invention relates to the technology of surface thermomechanical processing of parts from heat-resistant alloys (steels, titanium and nickel alloys, intermetallic compounds, etc.) by concentrated pulsed energy flows and can be used in the aviation and automotive industries, energy, space technology, medicine to improve the operational characteristics of products ( fatigue strength, salt corrosion resistance, dust erosion resistance, heat resistance, wear resistance, etc.).

Хорошо известны различные способы обработки поверхности деталей из конструкционных материалов с целью улучшения их свойств, когда в качестве обрабатывающих инструментов используются концентрированные импульсные потоки энергии (КИПЭ) - лазерное излучение, мощные ионные пучки, сильноточные электронные пучки, мощное СВЧ-излучение и др.Various methods of surface treatment of parts made of structural materials are well known in order to improve their properties when concentrated pulsed energy fluxes (KIPE) are used as processing tools - laser radiation, powerful ion beams, high-current electron beams, powerful microwave radiation, etc.

Известен способ обработки деталей (патент РФ №2079570 «Способ обработки деталей»), при котором происходит поверхностное легирование детонационным, электронным, лазерным, шликерным, диффузионным способом, ионным внедрением, вакуумно-плазменным и плазменным напылением с последующей обработкой высокотемпературной плазмой.A known method of processing parts (RF patent No. 2079570 "Method of processing parts"), in which there is surface doping with detonation, electron, laser, slip, diffusion method, ion implantation, vacuum-plasma and plasma spraying, followed by high-temperature plasma treatment.

Недостатком способа является то, что при обработке высокотемпературной плазмой нагрев происходит с поверхности изделия и поэтому невозможно обеспечить равномерный энерговклад по объему поверхностного слоя и, соответственно, однородное физико-химическое состояние поверхностного слоя. Другим недостатком способа является то, что при легировании, например, диффузионным или шликерным методом легирующие элементы внедряются на глубину больше чем 15 мкм, изменяя состав не только поверхностного слоя, но и основного материала, что сказывается на его характеристиках. С другой стороны, при ионном внедрении (имплантации) затруднительно, не используя сложное нестандартное оборудование, обеспечить внедрение легирующих элементов на глубины, близкие к заявленным (15 мкм).The disadvantage of this method is that when processing with high-temperature plasma, heating occurs from the surface of the product and therefore it is impossible to ensure uniform energy input over the volume of the surface layer and, accordingly, a uniform physicochemical state of the surface layer. Another disadvantage of this method is that when alloying, for example, by diffusion or slip method, alloying elements are introduced to a depth of more than 15 μm, changing the composition of not only the surface layer, but also the main material, which affects its characteristics. On the other hand, with ionic implantation (implantation) it is difficult, without using complex non-standard equipment, to ensure the introduction of alloying elements to depths close to those stated (15 microns).

Наиболее близким по возможностям и сущности является способ поверхностной обработки изделий из конструкционных сплавов, упрочняемых термической обработкой (патент РФ №2125615 «Способ поверхностной обработки изделий из конструкционных сплавов»), который заключается в том, что для комплексного повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоев изделий из конструкционных сплавов, преимущественно нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов (коррозионной стойкости, микротвердости и износостойкости), рабочую поверхность изделия многократно нагревают импульсами низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с длительностью импульса 1-5 мкс, энергией электронов 20-40 кэВ, плотностью энергии в зависимости от химического состава сплава в интервале 10-20 Дж/см², числом импульсов 5-10. Повышение коррозионной стойкости, микротвердости и износостойкости авторы связывают с уменьшением гетерогенности материала, образованием пересыщенных твердых растворов, измельчением зерна матричной фазы при быстрой кристаллизации расплава и деформационным упрочнением материала в поверхностном слое детали под действием квазистатических и динамических полей напряжений, инициируемых импульсным нагревом поверхности.The closest in capabilities and essence is the method of surface treatment of products from structural alloys hardened by heat treatment (RF patent No. 2125615 "Method of surface treatment of products from structural alloys"), which consists in the fact that to comprehensively increase the operational properties of the surface layers of products from structural alloys, mainly stainless steels and aluminum alloys (corrosion resistance, microhardness and wear resistance), the working surface of the product is multic spot is heated by pulses of low-energy high-current electron beams with a pulse duration of 1-5 microseconds, the electron energy of 20-40 keV, energy density, depending on the chemical composition of the alloy in the range of 10-20 J / cm ^2, the number of pulses 5-10. The authors attribute the increase in corrosion resistance, microhardness and wear resistance to a decrease in the heterogeneity of the material, the formation of supersaturated solid solutions, grain refinement of the matrix phase during rapid crystallization of the melt and strain hardening of the material in the surface layer of the part under the influence of quasistatic and dynamic stress fields initiated by pulsed heating of the surface.

Данный способ имеет ряд недостатков. Прежде всего толщина перекристаллизованного поверхностного слоя, полученного в результате реализации известного способа, составляет всего несколько микрометров, что является недостаточным для повышения таких свойств, как усталостная прочность, сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования и сопротивление пылевой эрозии. Во-вторых, используемые в известном способе низкоэнергетические сильноточные электронные пучки характеризуются невысокой однородностью распределения плотности энергии по сечению пучка. Последнее может приводить к формированию большого числа микронеоднородностей (кратеров), являющихся концентраторами напряжений, что обуславливает снижение большинства эксплуатационных характеристик деталей из жаропрочных сплавов, работающих в условиях постоянных и циклических нагрузок. Наконец, в способе, выбранном в качестве прототипа, не предполагается проведения стабилизирующего отжига, что является недопустимым для многих материалов и особенно для жаропрочных сплавов, изделия из которых эксплуатируются при повышенных температурах. Поскольку после облучения в поверхностном слое деталей формируются чаще всего остаточные растягивающие напряжения и фиксируется неравновесное физико-химическое состояние (материал поверхностного слоя содержит метастабильные мартенситные фазы, большое количество линейных и точечных дефектов), стабилизирующий отжиг является необходимой операцией для уменьшения количества дефектов, снятия остаточных растягивающих напряжений и дисперсионного упрочнения.This method has several disadvantages. First of all, the thickness of the recrystallized surface layer obtained by the implementation of the known method is only a few micrometers, which is insufficient to increase properties such as fatigue strength, resistance to salt corrosion in thermal cycling and dust erosion resistance. Secondly, the low-energy high-current electron beams used in the known method are characterized by a low uniformity of the distribution of energy density over the beam cross section. The latter can lead to the formation of a large number of microinhomogeneities (craters), which are stress concentrators, which leads to a decrease in most of the operational characteristics of parts made from heat-resistant alloys operating under constant and cyclic loads. Finally, in the method selected as a prototype, it is not intended to conduct stabilizing annealing, which is unacceptable for many materials and especially for heat-resistant alloys, the products of which are operated at elevated temperatures. Since residual tensile stresses are most often formed after irradiation in the surface layer of parts and a nonequilibrium physicochemical state is recorded (the surface layer material contains metastable martensitic phases, a large number of linear and point defects), stabilizing annealing is a necessary operation to reduce the number of defects and remove residual tensile stresses stresses and dispersion hardening.

Техническим результатом данного изобретения является повышение таких важных эксплуатационных характеристик изделий из жаропрочных сплавов, как усталостная прочность, сопротивление солевой коррозии, сопротивление пылевой эрозии, жаростойкость, износостойкость, сопровождающееся уменьшением шероховатости поверхности. Повышение целого комплекса рабочих характеристик деталей в результате реализации предлагаемого способа с использованием сильноточных импульсных электронных пучков (СИЭП) обеспечивает существенное увеличение ресурса эксплуатации этих деталей.The technical result of this invention is to increase such important operational characteristics of products made of heat-resistant alloys as fatigue strength, salt corrosion resistance, dust erosion resistance, heat resistance, wear resistance, accompanied by a decrease in surface roughness. Improving the whole range of performance characteristics of parts as a result of the implementation of the proposed method using high-current pulsed electron beams (SIEC) provides a significant increase in the service life of these parts.

Достижение указанного выше технического результата обеспечивается за счет того, что в способе поверхностной обработки изделий из жаропрочных сплавов, включающем облучение рабочих поверхностей изделий сильноточным импульсным электронным пучком, облучение проводят электронным пучком с длительностью импульса 20-50 мкс, энергией электронов 110-120 кэВ, плотностью энергии в импульсе 18-45 Дж/см² и числом импульсов 2-5, а затем осуществляют стабилизирующий отжиг в вакууме при давлении не выше 10^-5 мм рт.ст. в течение 2-6 часов.The achievement of the above technical result is achieved due to the fact that in the method of surface treatment of products from heat-resistant alloys, which includes irradiating the working surfaces of products with a high-current pulsed electron beam, the radiation is carried out by an electron beam with a pulse duration of 20-50 μs, electron energy of 110-120 keV, density energy per pulse 18-45 J / cm ² and the number of pulses 2-5, and then carry out stabilizing annealing in vacuum at a pressure of no higher than 10 ^-5 mm Hg within 2-6 hours.

Способ реализуется путем обработки поверхности деталей из жаропрочных сплавов СИЭП длительностью десятки микросекунд с энергией электронов 110-120 кэВ, при этом плотность энергии в импульсе и число импульсов выбирают в зависимости от физико-химического состояния (химический состав, фазовый состав и структура) материала поверхностного слоя изделия. Необходимую плотность энергии выбирают в интервале, в котором происходит однородное плавление материала в поверхностном слое толщиной 20-25 мкм без протекания процесса местной нестационарной абляции, приводящей к формированию на поверхности кратеров и микротрещин, т.е. облучение проводится в режиме плавления. При таком выборе величины плотности энергии в импульсе (18-20 Дж/см² - α+β-титановые сплавы; 20-22 Дж/см² - жаропрочные стали; 40-45 Дж/см² - никелевые сплавы) уменьшается шероховатость поверхности до R_a=0,10-0,35 мкм в зависимости от исходной шероховатости и числа импульсов, возрастают предел выносливости на 20-40%, сопротивление солевой коррозии в 3-6 раз и пылевой эрозии более чем в 2 раза. Требуемое минимально необходимое число импульсов определяется экспериментально измерением физико-химического состояния материала поверхностного слоя, которое достигает стабильного состояния при фиксированном числе импульсов, а при дальнейшем его увеличении практически не изменяется. После завершения облучения проводят стабилизирующий отжиг в вакууме при давлении не выше 10^-5 мм рт.ст. в течение 2-6 часов (титановые сплавы и стали) и в течение 2 часов (никелевые сплавы с жаростойкими покрытиями). Стабилизирующий отжиг в вакууме после облучения рабочих поверхностей изделий сильноточным импульсным электронным пучком обеспечивает уменьшение количества дефектов, снятие остаточных растягивающих напряжений и дисперсионное упрочнение материала в поверхностном слое. Это позволяет значительно повысить эффективность поверхностной обработки деталей из жаропрочных сплавов по сравнению со способом-прототипом.The method is implemented by treating the surface of parts made of heat-resistant SIEP alloys lasting tens of microseconds with an electron energy of 110-120 keV, the energy density per pulse and the number of pulses being selected depending on the physicochemical state (chemical composition, phase composition and structure) of the surface layer material products. The required energy density is chosen in the range in which uniform melting of the material in the surface layer with a thickness of 20-25 μm occurs without the occurrence of a process of local unsteady ablation, which leads to the formation of craters and microcracks on the surface, i.e. irradiation is carried out in the melting mode. With this choice of energy density per pulse (18-20 J / cm ² - α + β-titanium alloys; 20-22 J / cm ² - heat-resistant steels; 40-45 J / cm ² - nickel alloys), the surface roughness decreases to R _a = 0.10-0.35 μm, depending on the initial roughness and the number of pulses, the endurance limit increases by 20-40%, the resistance to salt corrosion by 3-6 times and dust erosion by more than 2 times. The required minimum number of pulses is determined experimentally by measuring the physicochemical state of the material of the surface layer, which reaches a stable state with a fixed number of pulses, and practically does not change with its further increase. After completion of the irradiation, stabilizing annealing is carried out in vacuum at a pressure of no higher than 10 ^-5 mm Hg. within 2-6 hours (titanium alloys and steels) and within 2 hours (nickel alloys with heat-resistant coatings). Stabilizing annealing in vacuum after irradiation of the working surfaces of products with a high-current pulsed electron beam ensures a decrease in the number of defects, removal of residual tensile stresses and dispersion hardening of the material in the surface layer. This allows you to significantly increase the efficiency of surface treatment of parts made of heat-resistant alloys in comparison with the prototype method.

Изобретение поясняется фотографиями и графиками.The invention is illustrated by photographs and graphs.

Фиг.1 - Ускоритель ГЕЗА-1.Figure 1 - Accelerator GEZA-1.

Фиг.2 - Лопатки 1-й ступени ротора турбины высокого давления газотурбинного двигателя (ТВД ГТД).Figure 2 - Blades of the 1st stage of the rotor of the high pressure turbine of a gas turbine engine (turbine engine gas turbine engine).

Фиг.3 - Кинетические кривые окисления для цилиндрических монокристаллических образцов из сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2 (NiCrAlY).Figure 3 - Kinetic oxidation curves for cylindrical single crystal samples from alloy ZhS26NA coated SDP-2 (NiCrAlY).

Фиг.4 - Фотографии шлифов поверхностного слоя образца из сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2 после вакуумного отжига и термоэкспозиции на воздухе:Figure 4 - Photos of thin sections of the surface layer of a sample of alloy ZhS26NK coated SDP-2 after vacuum annealing and thermal exposure in air:

а) без облучения электронным пучком,a) without exposure to an electron beam,

б) после облучения электронным пучком.b) after exposure to an electron beam.

Фиг.5 - Лопатки 3-й ступени ротора компрессора высокого давления газотурбинного двигателя (КВД ГТД) из сплава ВТ9, подготовленные к испытаниям на технологической машине.Figure 5 - Blades of the 3rd stage of the rotor of the high-pressure compressor of a gas turbine engine (HPC GTD) from VT9 alloy, prepared for testing on a technological machine.

Фиг.6 - Эрозионные кривые для серийных лопаток и лопаток, поверхность которых обработана различными способами, основанными на использовании концентрированных потоков энергии.6 - Erosion curves for serial blades and blades, the surface of which is processed in various ways based on the use of concentrated energy flows.

Предлагаемый способ опробован на серийных лопатках ТВД и КВД ГТД.The proposed method is tested on the serial blades of the theater of manufacture and high-pressure engines of the gas turbine engine.

Для реализации предлагаемого способа вместо источника низкоэнергетических сильноточных электронных пучков был использован источник сильноточных электронных пучков с управляющим разрядом /патент РФ №2395866 «Источник импульсных электронных пучков (варианты)»/, формирующий пучки с существенно бóльшими значениями энергии электронов (110-120 кэВ), чем в известном устройстве-прототипе и длительностями импульсов 10-100 мкс. Применение данного источника позволило добиться высокой степени однородности распределения плотности энергии по сечению пучка (неоднородность распределения плотности энергии по сечению пучка меньше 10%), при этом толщина перекристаллизованного поверхностного слоя достигала 20-25 мкм, а однородно переплавленная поверхность не содержала кратеров и микротрещин.To implement the proposed method, instead of a source of low-energy high-current electron beams, a source of high-current electron beams with a control discharge was used / RF patent No. 2395866 "Source of pulsed electron beams (options)" /, forming beams with significantly higher values of electron energy (110-120 keV), than in the known prototype device and pulse durations of 10-100 μs. The use of this source made it possible to achieve a high degree of uniformity in the distribution of the energy density over the beam cross section (heterogeneity in the distribution of the energy density over the beam cross section is less than 10%), while the thickness of the recrystallized surface layer reached 20–25 μm, and the uniformly remelted surface did not contain craters and microcracks.

Оптимизация режимов облучения (выбор интервалов плотности энергии в импульсе, длительности и числа импульсов), обеспечивающих наиболее эффективное увеличение усталостной прочности, жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости, проводилась по результатам исследования физико-химического состояния материала поверхностных слоев. Были использованы методы оптической металлографии, сканирующей электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, электронной Оже-спектроскопии, экзоэлектронной эмиссии, моделирования термонапряженного состояния в зоне воздействия пучка, механических и коррозионных испытаний образцов и конкретных деталей из жаропрочных титановых и никелевых сплавов и сталей после облучения и термообработки (Shulov V.A., Engelko V.I. Mueller G., Paikin A.G. «Processing of gas turbine engine blades with intense pulsed electron beams». Proceedings of 15^th International Conference on High-Power Particle Beams. Saint-Petersburg, Russia, 18-23 July 2004, p.618-621; Shulov V.A., Engelko I., Tkachenko K.I., Paikin A.G., Kraynikov A.V., Lvov A.F. «Mechanisms of operating property alterations of EP866sh and EP718ID steel blades modified by intense pulsed electron beams». Известия вузов. Физика. - 2006. - №8. Приложение. - С.248-250; Shulov V.A., Engelko V.I., Tkachenko K.I., Paikin A.G., Kraynikov A.V., Lvov A.F., Teryaev A.D. «Mechanisms of operating property alterations of α+β-titanium alloy blades modified by intense pulsed electron beams». Известия вузов. Физика. - 2006. - №8. Приложение. - С.251-254).The optimization of the irradiation regimes (the choice of intervals of energy density per pulse, duration and number of pulses), providing the most effective increase in fatigue strength, heat resistance, corrosion and erosion resistance, was carried out according to the results of a study of the physicochemical state of the material of the surface layers. We used methods of optical metallography, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction analysis, Auger electron spectroscopy, exoelectronic emission, simulation of the thermally stressed state in the beam exposure zone, mechanical and corrosion tests of samples and specific parts from heat-resistant titanium and nickel alloys and steels after irradiation and heat treatment (Shulov VA, Engelko VI Mueller G., Paikin AG “Processing of gas turbine engine blades with intense pulsed electron beams.” Proceedings of 15 ^th International Conference on High -Power Particle Beams. Saint-Petersburg, Russia, 18-23 July 2004, p.618-621; Shulov VA, Engelko I., Tkachenko KI, Paikin AG, Kraynikov AV, Lvov AF "Mechanisms of operating property alterations of EP866sh and EP718ID steel blades modified by intense pulsed electron beams ". University proceedings. Physics. - 2006. - No. 8. Appendix. - P.248-250; Shulov VA, Engelko VI, Tkachenko KI, Paikin AG, Kraynikov AV, Lvov AF, Teryaev AD "Mechanisms of operating property alterations of α + β-titanium alloy blades modified by intense pulsed electron beams". University News. Physics. - 2006. - No. 8. Application. - S.251-254).

Пример 1. Лопатки 1-й ступени ротора турбины ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2 были облучены на ускорителе ГЕЗА-1 (Фиг.1) СИЭП с энергией 110-120 кэВ при различных плотностях энергии в диапазоне w=18-55 Дж/см², длительностях импульса в диапазоне 20-50 мкс и числе импульсов - 4. На фиг.2 представлен внешний вид лопаток 1-й ступени ротора ТВД, подготовленных к испытаниям на технологической машине. После облучения лопатки отжигались в вакуумной печи ULVAK при температуре 1250°С в течение 2 часов.Example 1. The blades of the 1st stage of the turbine engine turbine rotor made of heat-resistant nickel alloy ZhS26NK with SDP-2 coating were irradiated with the GESA-1 accelerator (Fig. 1) SIEP with an energy of 110-120 keV at various energy densities in the range w = 18- 55 J / cm ² , pulse durations in the range of 20-50 μs and the number of pulses is 4. Figure 2 shows the appearance of the blades of the 1st stage of the turbine rotor, prepared for testing on a technological machine. After irradiation, the blades were annealed in a ULVAK vacuum oven at a temperature of 1250 ° C for 2 hours.

Поверхностные слои лопаток и образцов до и после облучения СИЭП исследовались методами рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии и оптической металлографии. Кроме того, определились шероховатость и микротвердость поверхности лопаток и образцов, их усталостная прочность и жаростойкость. На фиг.3 представлены кинетические кривые окисления для цилиндрических монокристаллических образцов из сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2 после облучения СИЭП и стабилизирующего вакуумного отжига при температуре 1050°С в течение 2 часов. На фиг.4 представлены фотографии шлифов поверхностного слоя образца из сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2 после отжига в вакууме при температуре 1050°С в течение 2 часов и термоэкспозиции на воздухе при температуре 900°С в течение 500 часов без обработки электронным пучком (а) и после обработки СИЭП при плотности энергии 40-45 Дж/см² четырьмя импульсами при длительности импульса 40 мкс (б). Результаты проведенных исследований и испытаний представлены также в таблицах 1 и 2. На основании анализа результатов, представленных в таблице 2, можно отметить, что обработка с плотностью энергии 40-45 Дж/см² приводит к значительному снижению шероховатости поверхности лопаток, а при повышении плотности энергии свыше 45 Дж/см² не только повышается шероховатость поверхности лопаток, но и значительно снижается микротвердость. Таким образом, обработка с плотностью энергии СИЭП свыше 45 Дж/см² является нецелесообразной. Следует также отметить, что уже после обработки пятью импульсами СИЭП при плотности энергии 40-45 Дж/см² начинается процесс эрозии покрытия, который приводит к развитию пористости и уменьшению его толщины. В этой связи представляется нецелесообразной обработка СИЭП даже при плотности энергии 40-45 Дж/см² более чем 5 импульсами.The surface layers of the blades and samples before and after irradiation of the SIEC were studied by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and optical metallography. In addition, the roughness and microhardness of the surface of the blades and samples, their fatigue strength and heat resistance were determined. Figure 3 shows the kinetic oxidation curves for cylindrical single-crystal samples of ZhS26NK alloy coated with SDP-2 after SIEP irradiation and stabilizing vacuum annealing at a temperature of 1050 ° C for 2 hours. Figure 4 presents photographs of thin sections of the surface layer of a specimen from ZhS26NK alloy coated with SDP-2 after annealing in vacuum at a temperature of 1050 ° C for 2 hours and thermal exposure in air at a temperature of 900 ° C for 500 hours without treatment with an electron beam (a ) and after processing the SIEC at an energy density of 40-45 J / cm ² with four pulses at a pulse duration of 40 μs (b). The results of the research and testing are also presented in tables 1 and 2. Based on the analysis of the results presented in table 2, it can be noted that processing with an energy density of 40-45 J / cm ² leads to a significant reduction in the surface roughness of the blades, and with increasing density energy over 45 J / cm ² not only increases the surface roughness of the blades, but also significantly decreases the microhardness. Thus, processing with an energy density of SIEC over 45 J / cm ² is impractical. It should also be noted that already after treatment with five SIEP pulses at an energy density of 40-45 J / cm ² , the process of coating erosion begins, which leads to the development of porosity and a decrease in its thickness. In this regard, it seems impractical to process the SIEC even with an energy density of 40-45 J / cm ² more than 5 pulses.

Полученные данные позволяют выбрать величины плотности энергии, при которых удается снизить шероховатость поверхности, сформировать в поверхностном слое однородную мелкодисперсную микроструктуру, «залечить» поверхностные и подповерхностные микротрещины и микропоры. Толщины перекристаллизованных при облучении с плотностями энергии w=40-45 Дж/см² поверхностных слоев лопаток с покрытием СДП-2 достигают 20-25 мкм. Жаростойкость таких лопаток после стабилизирующего вакуумного отжига почти в 3 раза превышает эту характеристику для серийных деталей.The data obtained make it possible to choose the energy density values at which it is possible to reduce the surface roughness, form a homogeneous finely dispersed microstructure in the surface layer, and “heal” surface and subsurface microcracks and micropores. Thicknesses recrystallized by irradiation with energy densities w = 40-45 J / cm ² of surface layers of the coated blades PSD-2 reach 20-25 microns. The heat resistance of such blades after stabilizing vacuum annealing is almost 3 times higher than this characteristic for serial parts.

Таблица 1Table 1 Протокол испытаний лопаток турбины из сплава ЖС26НК с покрытием СДП-2 после обработки СИЭП (остаточные напряжения определялись рентгенографически при съемке из зоны входной кромки после завершения испытаний и при использовании в качестве эталонов образцов, вырезанных из лопаток, приготовленных по серийной технологии).Test report of turbine blades made of ZhS26NK alloy with SDP-2 coating after SIEP processing (residual stresses were determined by X-ray diffraction when shooting from the edge of the input edge after testing and when samples cut from blades prepared using serial technology were used as standards). №No. №No. σσ ff 2А2A NN Остаточные напряжения,Residual stresses лопатокshoulder blades кгс/мм² kgf / mm ² ГцHz ммmm Число циклов до разрушенияThe number of cycles to failure результаты испытаний, место разрушения, очаг разрушенияtest results, place of destruction, source of destruction 1one 3А2096Э3A2096E 2525 32433243 0,680.68 2,06·10⁷ 2.06 · 10 ⁷ -158 МПа, без разрушения-158 MPa, without destruction 22 3Б285Э3B285E 2525 38083808 0,510.51 2,28·10⁶ 2.2810 ⁶ -132 МПа, разрушение по входной кромке 11 мм от полки замка, очаг на глубине 150 мкм-132 MPa, destruction at the input edge of 11 mm from the lock shelf, the focus at a depth of 150 microns 33 3А56Э3A56E 2525 38653865 0,570.57 3,98·10⁶ 3.9810 ⁶ -98 МПа, разрушение, последний паз елочного замка-98 MPa, destruction, the last groove of the Christmas tree castle 4four 3А609Э3A609E 2222 38043804 0,590.59 2,07·10⁷ 2.07 · 10 ⁷ -123 МПа, без разрушения-123 MPa, without destruction 55 3А2083Э3A2083E 2222 36853685 0,490.49 2,10·10⁶ 2.10 · 10 ⁶ -113 МПа, без разрушения-113 MPa, without destruction 66 2Н1487Э2H1487E 2222 33503350 0,630.63 1,21·10⁶ 1.21 · 10 ⁶ -79 МПа, разрушение по входной кромке, по радиусу перехода к пера в полку, очаг в окрестности дефекта мехобработки-79 MPa, destruction along the input edge, along the radius of the transition to the pen in the shelf, the focus in the vicinity of the machining defect 77 2Л773Э2L773E 2222 37763776 0,500.50 4,75·10⁶ 4.7510 ⁶ -147 МПа, разрушение по полке замка-147 MPa, destruction of the castle shelf 88 3Б256Э3B256E 20twenty 38423842 0,480.48 2,17·10⁷ 2.17 · 10 ⁷ -231 МПа, без разрушения-231 MPa, without destruction 99 3Д292Э3D292E 20twenty 32743274 0,480.48 2,08·10⁷ 2.08 · 10 ⁷ -127 МПа, без разрушения-127 MPa, without destruction 1010 3Г930Э3G930E 20twenty 33113311 0,710.71 5,36·10⁷ 5.36 · 10 ⁷ -154 МПа, разрушение по входной кромке, по радиусу перехода к пера в полку, очаг в окрестности дефекта мехобработки-154 MPa, destruction along the input edge, along the radius of the transition to the pen in the shelf, the focus in the vicinity of the machining defect 11eleven 3А1269Э3A1269E 18eighteen 35023502 0,540.54 2,095·10⁷ 2,09510 ⁷ -141 МПа, без разрушения-141 MPa, without destruction 1212 3А1788Э3A1788E 18eighteen 34873487 0,610.61 1,109·10⁷ 1,10910 ⁷ -96 МПа, разрушение по входной
кромке 9 мм от полки замка, очаг на внутренней поверхности-96 MPa, input failure
edge 9 mm from the lock shelf, hearth on the inner surface 1313 3А1203Э3A1203E 1616 34733473 0,440.44 2,13·10⁷ 2.13 · 10 ⁷ -154 МПа, без разрушения-154 MPa, without destruction 14fourteen 3Б1634Э3B1634E 1616 33603360 0,370.37 2,16·10⁷ 2.1610 ⁷ -67 МПа, без разрушения-67 MPa, without destruction 15fifteen 3Б1199Э3B1199E 1616 35173517 0,530.53 2,22·10⁷ 2.22 · 10 ⁷ -176 МПа, без разрушения-176 MPa, without destruction 1616 3В323Э3V323E 1616 34243424 0,490.49 2,07·10⁷ 2.07 · 10 ⁷ -165 МПа, без разрушения-165 MPa, without destruction 1717 2М842Э2M842E 1616 34263426 0,530.53 1,644·10⁷ 1,64410 ⁷ -88 МПа, разрушение по входной кромке 10 мм от полки замка, очаг на глубине 230 мкм-88 MPa, destruction along the input edge 10 mm from the lock shelf, hearth at a depth of 230 microns 18eighteen 3А1286Э3A1286E 14fourteen 34933493 0,390.39 1,781·10⁷ 1,78110 ⁷ -126 МПа, разрушение по входной кромке 4 мм от полки замка, очаг на глубине 120 мкм-126 MPa, destruction along the input edge 4 mm from the lock shelf, hearth at a depth of 120 microns 1919 3Б1683Э3B1683E 1212 34533453 0,310.31 2,2·10⁷ 2.210 ⁷ -210 МПа, без разрушения-210 MPa, without destruction 20twenty 3А2097Э3A2097E 1212 34223422 0,300.30 2,05·10⁷ 2.05 · 10 ⁷ -210 МПа, без разрушения-210 MPa, without destruction 2121 2Н4449Э2N4449E 1212 34583458 0,350.35 2,07·10⁷ 2.07 · 10 ⁷ -179 МПа, без разрушения-179 MPa, without destruction 2222 3А1380Э3A1380E 1212 33443344 0,280.28 2,09·10⁷ 2.09 · 10 ⁷ -123 МПа, без разрушения-123 MPa, without destruction 2323 2Л762Э2L762E 1212 35023502 0,380.38 2,1·10⁷ 2.110 ⁷ -113 МПа, без разрушения-113 MPa, without destruction 2424 3Б48Э3B48E 1212 34293429 0,400.40 2,06·10⁷ 2.06 · 10 ⁷ -86 МПа, без разрушения-86 MPa, without destruction 2525 3Б774Э3B774E 1212 33063306 0,310.31 2,12·10⁷ 2.1210 ⁷ -189 МПа, без разрушения-189 MPa, without destruction

Таблица 2table 2 Влияние плотности энергии в импульсе на шероховатость поверхности и микротвердость NiCrAlY вакуумно-плазменного покрытия, осажденного на поверхности лопаток из жаропрочного сплава ЖС26НКEffect of energy density in a pulse on surface roughness and microhardness of NiCrAlY vacuum-plasma coating deposited on the surface of blades made of heat-resistant alloy ZhS26NK РежимыModes ШероховатостьRoughness Интенсивность экзоэлектронной эмиссииExoelectronic Emission Intensity МикротвердостьMicrohardness w, Дж·см^-2 w, J cm ^-2 n, имп.n, imp R_a, мкм, ±0.05R _a , μm, ± 0.05 I_еее, имп./сI _eee , imp./s Н_µ, ед. HV, р=2 НH _µ unit HV, p = 2 N -- -- 2.122.12 240±60240 ± 60 420-490420-490 22-2622-26 55 1.141.14 390±90390 ± 90 440-520440-520 22-2622-26 1010 1.031.03 420±40420 ± 40 460-510460-510 42-4542-45 55 0.360.36 610±30610 ± 30 480-490480-490 42-4542-45 1010 0.320.32 620±20620 ± 20 470-480470-480 50-5550-55 55 0.990.99 720±80720 ± 80 390-530390-530 50-5550-55 1010 1.121.12 740±70740 ± 70 380-520380-520

Пример 2. Лопатки 3-й ступени ротора компрессора высокого давления ГТД из титанового сплава ВТ9 были облучены на ускорителе ГЕЗА-1 СИЭП с энергией 110-120 кэВ при различных плотностях энергии в диапазоне w=18-36 Дж/см², длительности импульса в диапазоне 20-30 мкс и числе импульсов 1-5. Облученные лопатки отжигались в вакуумной печи ULVAK при температуре 550-570°С в течение 2 часов. Поверхностные слои лопаток до и после облучения СИЭП исследовались методами электронной Оже-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, экзоэлектронной эмиссии и оптической металлографии. Кроме того, определялись шероховатость и микротвердость поверхности лопаток, их усталостная прочность, жаростойкость, сопротивление солевой коррозии и пылевой эрозии. Некоторые результаты проведенных исследований и испытаний представлены в таблицах 3-6. На фиг.5 представлен внешний вид лопаток из сплава ВТ9, подготовленных к испытаниям на технологической машине. На фиг.6 представлены эрозионные кривые для серийных и облученных ионами гафния и самария лопаток из сплава ВТ9, а также для серийных лопаток после обработки СИЭП (условия испытаний: V=200 м/сек, угол α=90 град, вид частиц - кварцевый песок со средним размером частиц 40-80 мкм).Example 2. The blades of the 3rd stage of the rotor of a high-pressure gas turbine compressor of VT9 titanium alloy were irradiated with a GESA-1 SIEP accelerator with an energy of 110-120 keV at various energy densities in the range w = 18-36 J / cm ² , pulse duration in the range of 20-30 μs and the number of pulses 1-5. Irradiated blades were annealed in a ULVAK vacuum oven at a temperature of 550-570 ° C for 2 hours. The surface layers of the blades before and after irradiation of the SIEC were studied by Auger electron spectroscopy, X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, exoelectronic emission, and optical metallography. In addition, the roughness and microhardness of the surface of the blades, their fatigue strength, heat resistance, resistance to salt corrosion and dust erosion were determined. Some results of research and testing are presented in tables 3-6. Figure 5 presents the appearance of the blades made of alloy VT9, prepared for testing on a technological machine. Figure 6 shows the erosion curves for serial and irradiated with hafnium and samarium ions blades made of VT9 alloy, as well as for serial blades after processing SIEP (test conditions: V = 200 m / s, angle α = 90 degrees, type of particles - quartz sand with an average particle size of 40-80 microns).

Таблица 3Table 3 Влияние облучения и финишной термообработки (*) на фазовый состав, остаточные напряжения, текстуру и параметры решетки материала поверхностного слоя лопаток из сплава ВТ9 (Сu_kα - излучение с монохроматором)The effect of irradiation and finishing heat treatment (*) on the phase composition, residual stresses, texture and lattice parameters of the material of the surface layer of VT9 alloy blades (Cu _kα - radiation with a monochromator) Сплав, режимы облученияAlloy, irradiation modes Фазовый состав,Phase composition Остаточные напряженияResidual stress Параметры решетки, с/аLattice parameters, s / a маркаmark w, Дж/см² w, J / cm ² n, имп.n, imp текстураtexture σ, МПаσ, MPa ±0,008± 0.008 ВТ9VT9 -- -- α+β (8,6%), нетα + β (8.6%), no -369±47-369 ± 47 1,6101,610 ВТ9VT9 18-2018-20 1one α(α'), (110)α (α '), (110) +266±42+ 266 ± 42 1,6021,602 ВТ9VT9 26-2826-28 1one α(α',α''), (110)α (α ', α' '), (110) +470±90+ 470 ± 90 1,6091,609 ВТ9VT9 26-2826-28 55 α(α',α''), (110)α (α ', α' '), (110) +490±60+ 490 ± 60 1,5971,597 ВТ9VT9 32-3632-36 55 α(α',α''), (110)α (α ', α' '), (110) +570±40+ 570 ± 40 1,5991,599 ВТ9*VT9 * 18-2018-20 33 α+β (5,7%), (110)α + β (5.7%), (110) -215±20-215 ± 20 1,6051,605

Таблица 4Table 4 Результаты коррозионных испытаний лопаток из сплава ВТ9 после 250 циклов: нагрев до 550°С - охлаждение в морской водеResults of corrosion tests of VT9 alloy blades after 250 cycles: heating to 550 ° C - cooling in sea water №No. СплавAlloy Режимы облученияExposure modes Режимы отжигаAnnealing modes Удельный привес ±0,03 мг/мм² Δm/S_cor, мг/мм² Specific gain ± 0.03 mg / mm ² Δm / S _cor , mg / mm ² W, Дж/см² W, J / cm ² N, имп.N, imp. Т, °СT, ° С τ, часτ, hour 1one ВТ9VT9 -- -- -- -- 1,211.21 22 ВТ9VT9 18-2018-20 55 -- -- 1,351.35 33 ВТ9VT9 18-2018-20 55 570570 22 0,240.24

Таблица 5Table 5 Результаты высокочастотных испытаний при 25 и 450°С на воздухе лопаток третьей ступени ротора КВД из сплава ВТ9 после электронно-пучковой и термической (550°С в вакууме 10^-3 мм рт.ст.* и 10^-6 мм рт.ст.**) обработокThe results of high-frequency tests at 25 and 450 ° C in air of the blades of the third stage of the HPC rotor made of VT9 alloy after electron-beam and thermal (550 ° C in a vacuum of 10 ^-3 mm Hg * and 10 ^-6 mm Hg * *) treatments №No. Плотность энергии, w, Дж/см² The energy density, w, J / cm ² Число импульсов n, имп.The number of pulses n, imp. Температура испытаний, Т°СTest temperature, ° C Продолжительность отжига, τ, часDuration of annealing, τ, hour Усталостная прочность, σ_-1, МРАFatigue strength, σ _-1 , MPA 1one -- -- 2525 -- 490±10490 ± 10 22 18-2018-20 1one 2525 -- 390±20390 ± 20 33 18-2018-20 22 2525 -- 400±20400 ± 20 4four 18-2018-20 33 2525 -- 400±15400 ± 15 55 18-2018-20 55 2525 -- 400±10400 ± 10 66 32-3632-36 55 2525 -- 340±30340 ± 30 77 -- -- 450450 -- 360±20360 ± 20 88 18-2018-20 33 450450 2(**)2 (**) 390±15390 ± 15 99 18-2018-20 33 450450 4(**)four(**) 400±10400 ± 10 1010 18-2018-20 33 450450 6(**)6 (**) 420±10420 ± 10 11eleven 18-2018-20 33 450450 8(**)8(**) 420±10420 ± 10 1212 18-2018-20 33 2525 6(*)6 (*) 400±10400 ± 10 1313 18-2018-20 33 450450 6(*)6 (*) 320±10320 ± 10

Таблица 6Table 6 Результаты испытаний на жаростойкость лопаток из титановых сплавов в течение 500 часов до и после обработки СИЭП (Е=110-120 кэВ; τ=20-30 мкс): h₀ - толщина окисленного слоя, Т - температура экспозиции, w - плотность энергии, n - число импульсовThe test results for the heat resistance of blades made of titanium alloys for 500 hours before and after processing the SIEC (E = 110-120 keV; τ = 20-30 μs): h ₀ is the thickness of the oxidized layer, T is the exposure temperature, w is the energy density, n is the number of pulses Условия испытанийTest conditions Режимы облученияExposure modes Толщина окисленного слояOxidized layer thickness Содержание кисло родаOxygen content №No. СплавAlloy Температура Т, °СTemperature T, ° С Плотность энергии w, Дж/см² The energy density w, J / cm ² Число импульсов n, имп.The number of pulses n, imp. h₀, мкмh ₀ μm

ат. %

at. % one VT8 500 - - 65 ± 5 42 ± 5 2 VT9 500 - - 60 ± 5 40 ± 5 3

VT8

500 18-20 5 20 ± 5 22 ± 4 four

VT8

500 30-36 5 85 ± 10 52 ± 5 5

VT9

500 18-20 5 18 ± 5 20 ± 4 6

VT9

500 32-36 5 105 ± 15 59 ± 6

При облучении лопаток из жаропрочного α+β-титанового сплава ВТ9 целесообразным представляется получить поверхность, не содержащую макро- и микродефектов, являющихся концентраторами напряжений при усталостном нагружении. Этому требованию удовлетворяет поверхность лопаток, облученных в режиме плавления (18-20 Дж/см²). С точки зрения остаточных напряжений и формирования оптимального размера зерен, этот режим облучения также является оптимальным, однако из полученных результатов однозначно следует необходимость проведения стабилизирующего отжига в вакууме при температурах, несколько превышающих температуру эксплуатации, для стабилизации физико-химического состояния, снятия остаточных растягивающих напряжений и дисперсионного упрочнения материала в поверхностном слое.When blades are irradiated from the heat-resistant α + β-titanium alloy VT9, it seems advisable to obtain a surface that does not contain macro- and microdefects, which are stress concentrators under fatigue loading. This requirement is met by the surface of the blades irradiated in the melting mode (18-20 J / cm ² ). From the point of view of residual stresses and the formation of an optimal grain size, this irradiation mode is also optimal, however, the obtained results clearly indicate the need for stabilizing annealing in vacuum at temperatures slightly higher than the operating temperature in order to stabilize the physicochemical state and relieve residual tensile stresses and dispersion hardening of the material in the surface layer.

Еще одно важное заключение о выборе режимов облучения лопаток из титановых сплавов, в частности заключение о выборе необходимого числа импульсов, может быть сделано на основе результатов проведенных исследований. Поскольку поверхность облучаемой лопатки характеризуется высокой неоднородностью распределения структурно-фазового состояния, а именно значения плотности дислокаций на участках поверхности в окрестности кромок, на спинке и корыте существенно отличаются, то эти величины будут различаться и после первого импульса, что связано с потерей части энергии на релаксационные процессы в поверхностном слое. Это проявляется в неоднородности экзоэмиссионных сканограмм и в различии значений микротвердости, измеренной в различных точках поверхности. Только после второго импульса было зафиксировано однородное физико-химическое состояние материала по всей поверхности лопатки, которое практически не изменялось при последующем облучении.Another important conclusion about the choice of irradiation modes for blades made of titanium alloys, in particular, the conclusion about choosing the required number of pulses, can be made on the basis of the results of the studies. Since the surface of the irradiated blade is characterized by a high heterogeneity of the distribution of the structural-phase state, namely, the dislocation density values on the surface areas in the vicinity of the edges, on the back and trough are significantly different, these values will also differ after the first pulse, which is associated with the loss of a part of the energy for relaxation processes in the surface layer. This is manifested in the heterogeneity of exoemission scans and in the difference in microhardness values measured at different points on the surface. Only after the second pulse was a homogeneous physicochemical state of the material over the entire surface of the scapula recorded, which practically did not change during subsequent irradiation.

Таким образом, с точки зрения структурно-фазового состояния и уровня эксплуатационных свойств оптимальными значениями плотности энергии и числа импульсов при электронно-лучевой обработке лопаток из α+β-титанового сплава ВТ9 являются w=18-20 Дж/см² и n=2-5 имп.Thus, from the point of view of the structural phase state and the level of operational properties, the optimal values of the energy density and the number of pulses during electron beam processing of the blades from VT9 α + β-titanium alloy are w = 18–20 J / cm ² and n = 2– 5 imp.

Claims

A method of surface treatment of products from heat-resistant alloys, including irradiating the working surfaces of products with a high-current pulsed electron beam, characterized in that the irradiation is carried out by an electron beam with a pulse duration of 20-50 μs, an electron energy of 110-120 keV, an energy density of 18-45 J / pulse cm ² and the number of pulses 2-5, and then carry out stabilizing annealing in vacuum at a pressure of no higher than 10 ^-5 mm Hg within 2-6 hours