Способ восстановления поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана при помощи цикла ионно-лучевых обработок

Способ восстановления поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана при помощи цикла ионно-лучевых обработок

Реферат

 

Изобретение относится к области немеханической поверхностной обработки и может быть использовано для повышения выносливости, длительной прочности и улучшения качества поверхности деталей из сплавов на основе титана на стадии ремонта в машиностроении, авиадвигателестроении, судостроении и т.п. Способ включает ионную имплантацию азота с энергией 30 кэВ, плотностью тока 40-50 мкА/см², флюэнсом 510¹⁶ ион/см² и постимплантационный отжиг при 540^oС в течение 2 ч, при этом вначале проводят предварительную ионную имплантацию ионов аргона с энергией 15 кэВ, плотностью тока 60 мкА/см², временем обработки 1200-1800 с, затем не вынимая детали из рабочей камеры, проводят ионно-плазменную очистку ионами плазмы аргона с энергией 300 эВ, плотностью тока 5-10 мА/см² и временем очистки 5000-6000 с. Способ позволяет улучшить эксплуатационные свойства и качество поверхности деталей на стадии ремонта.

Изобретение относится к области немеханической поверхностной обработки и может быть использовано для повышения выносливости, длительной прочности и улучшения качества поверхности деталей из сплавов на основе титана на стадии ремонта в машиностроении, авиадвигателестроении, судостроении и т.п.

Известен способ восстановления рабочей поверхности лопатки турбины теплового двигателя, включающий в себя удаление обработанного слоя и нанесение жaростойкого покрытия потоком ионов плазмы вакуумного дугового разряда, причем удаление обработанного слоя проводят потоком ускоренных ионов тугоплавких металлов при давлении (2-3)10^-3 Па, отрицательном потенциале на изделии 1 - 5 кВ и времени бомбардировки 15 - 30 мин (a.с. СССР N 1832132, кл. C 23 C 14/32, 1993).

Недостатком указанного способа являются ограниченныe функциональные возможности ввиду отсутствия в цикле лучевых обработок ионной имплантации. Кроме того, способ не исключает возможности повреждения слоев в результате неодинаковых условий распыления обрабатываемой поверхности: особенно в случае ремонта деталей, отработавших свой ресурс, поверхность которых покрыта неконтролируемыми загрязнениями и имеет неодинаковые свойства различных участков рабочей поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ повышения эксплуатационных характеристик изделий при помощи последовательно осуществляемых: ионной очистки, имплантации азота с энергией 40 - 100 эВ, плотностью тока 1 - 5 мА/см², дозой 10¹⁹-210¹⁹ ион/см² и ионного легирования бором или редкоземельными элементами с энергией 30-100 кэВ: плотностью тока 2 - 100 мкA/см², дозой 510¹⁶ - 10¹⁷ ион/см² и стабилизирующего отжига при 450 - 650^oC в вакууме 110^-3-510^-3Па в течение 1,5 - 2 ч [2].

Недостатком прототипа является низкая скорость очистки из-за использования ионно-лучевого распыления.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение эксплуатационных свойств и качества поверхности деталей из сплавов на основе титана на стадии ремонта.

Поставленная задача достигается тем, что сначала проводят предварительную ионную имплантацию ионов аргона с энергией 15 кэВ, плотностью тока 60 мкА/см², временем обработки 1200-1800 с, с целью гомогенизации обрабатываемой поверхности; затем, не вынимая детали из рабочей камеры имплантера, проводят ионно-плазменную очистку ионами плазмы аргона с энергией 300 эВ, плотностью тока 5-10 мА/см² и временем очистки 5000-6000 с; далее в этой же рабочей камере проводят окончательное ионно-имплантационное модифицирование ионами азота с энергией 30 кэВ, плотностью тока 40-50 мкА/см², флюэнсом 510¹⁶ ион/см²; вынимают деталь из рабочей камеры имплантера и проводят постимплантационный вакуумный отжиг при 540^oC в течение 2 ч.

Введение в цикл ионно-лучевых обработок операции предварительной ионной имплантации позволяет значительно улучшить качество ионно-плазменной очистки.

Пример конкретного выполнения способа.

Лопатки компрессора из сплава ВТ18-У, обработанные по серийной технологии, включающей в качестве окончательной обработки виброупрочнение, после эксплуатации в составе двигателя в течение 300 ч были подвергнуты ремонту по двум вариантам.

Первый вариант обработки включал в себя ионно-плазменную очистку ионами плазмы аргона с энергией 300 эВ, плотностью тока 5 мА/см² и временем очистки 5000 с; затем окончательное ионно-имплантационное модифицирование ионами азота с энергией 30 кэВ, плотностью тока 40 мкA/см², флюэнсом 510¹⁶ ион/см² и постимплантационный вакуумный отжиг при 540^oC в течение 2 ч.

По второму варианту перед указанными ионно-лучевым обработками дополнительно проводили предварительную имплантацию ионов аргона с энергией 15 кэВ, плотностью тока 60 мкА/см², временем обработки 1800 с.

В результате обработки по первому варианту после ионно-плазменной очистки на поверхности лопаток наблюдались каверны из-за гетерогенности физико-химического и структурно-фазового состояния поверхностного слоя.

Обработка по второму варианту привела на стадии предварительной ионной имплантации к гомогенизации поверхностного слоя. При последующей ионно-плазменной очистке каверны не наблюдались. Шероховатость поверхности достигала R_a = 0,20 мкм.

В результате реализации трехступенчатого цикла непрерывных ионно-лучевых обработок на стадии ремонта лопатки компрессора ГТД полностью восстановили свои эксплуатационные свойства. Более того, выносливость лопаток, отремонтированных с применением ионно-лучевых обработок выше, чем выносливость новых лопаток, изготовленных по традиционной технологии, на 15,5 - 18%.

Формула изобретения

Способ восстановления поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана при помощи ионно-лучевых обработок, включающий ионную имплантацию азота с энергией 30 кэВ, плотностью тока 40 - 50 мкА/см², флюэнсом 5 10¹⁶ ион/см² и постимплантационный отжиг при 540^oС в течение 2 ч, отличающийся тем, что вначале проводят предварительную ионную имплантацию ионов аргона с энергией 15 кэВ, плотностью тока 60 мкА/см², временем обработки 1200 - 1800 с, затем не вынимая детали из рабочей камеры имплантера, проводят ионно-плазменную очистку ионами плазмы аргона с энергией 300 эВ, плотностью тока 5 - 10 мА/см² и временем очистки 5000 - 6000 с.