Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя в материале изделий из металлических сплавов

Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя в материале изделий из металлических сплавов

Реферат

Изобретение относится к области получения нанокристаллических материалов, в частности к получению нонокристаллических поверхностных слоев на изделиях из металлических материалов, и может быть использовано для обработки лопаток газовых и паровых турбин для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных эксплуатационных свойств.

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. M.: 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.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. (Fleischcr R.L., Price P.B. 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 настоящего изобретения является повышение эксплуатационных свойств изделий из металлов и сплавов за счет формирования однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя в материале изделий из металлических сплавов, в отличие от прототипа, в материале получают равномерный аморфный поверхностный слой, нагревают его до температуры начала процесса кристаллизации и деформируют при температуре нагрева до достижения необходимых размеров нанокристаллов, после чего прекращают нагрев и деформирование поверхностного слоя и производят охлаждение материала изделия со скоростью, обеспечивающей быструю фиксацию процессов перехода материала от аморфного состояния к нанокристаллическому.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя получение аморфного поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов, а нагрев аморфного поверхностного слоя производят либо токами высокой частоты, либо облучением потоком электронов, причем облучение потоком электронов производят сканирующим электронным лучом, в частности, подачей положительного потенциала на изделие.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя деформирование материала поверхностного слоя осуществляют приложением к изделию знакопеременной нагрузки, при этом знакопеременную нагрузку могут создавать приложением ультразвуковых колебаний.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя получают нанокристаллы с размером в диапазоне 1…900 нм.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя в качестве изделия используют турбинную лопатку.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования нанокристаллического поверхностного слоя перед ионной имплантацией проводят упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием микрошариками.

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 изделия 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 упрочняющая 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 изделия 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 свойств изделий из металлов и сплавов.

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 (при 300-450°С) на воздухе. Образцы деталей (лопаток турбин) были изготовлены из стали 20Х13 и титановых сплавов ВТ3-1, ВТ6. Режимы и условия обработки деталей по способу-прототипу были следующие: имплантация ионов Yb, Та; энергия ионов 300-3000 эВ; плотность ионного тока 5-10 мА/см²; доза имплантации ионов 8·10¹⁹ ион/см².

Режимы и условия обработки деталей по предлагаемому техническому решению являются "ноу-хау".

В результате проведенных испытаний были получены следующие результаты: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток в среднем для различных вариантов обработки (приведенных в формуле изобретения предлагаемого технического решения) по сравнению с прототипом составляет:

А. Для лопаток из стали 20Х13:

1) по способу-прототипу: 390-425 МПа;

2) по предлагаемому способу: 475-520 МПа;

Б. Для лопаток из титанового сплава ВТ3-1:

1) по способу-прототипу: 610-640 МПа;

2) по предлагаемому способу: 710-740 МПа;

В. Для лопаток из титанового сплава ВТ6:

1) по способу-прототипу: 700-720 МПа;

2) по предлагаемому способу: 795-810 МПа;

Г. Обработка микрошариками перед ионной имплантацией (для предлагаемого технического решения):

1) Для лопаток из стали 20Х13 485-530 МПа;

2) Для лопаток из титанового сплава ВТ3-1 715-745 МПа;

3) Для лопаток из титанового сплава ВТ6 800-820 МПа;

Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа получения нанокристаллического поверхностного слоя позволяет повысить по сравнению с прототипом эксплуатационные свойства лопаток из стали 20Х13 и титановых сплавов ВТ3-1 и ВТ6. Как видно из приведенных примеров, условный предел выносливости (σ_-1) в среднем повышается приблизительно, для стали на 25%, а для титановых сплавов - на 14%, при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и на 17%, что подтверждает заявленный технический результат.

Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток, во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что получение в материале равномерного аморфного поверхностного слоя, его нагрева до температуры начала процесса кристаллизации, деформация поверхностного слоя и прекращение его нагрева и деформации при достижении необходимых размеров нанокристаллов, при применении одного из следующих вариантов обработки деталей (результаты испытаний эксплуатационных свойств которых даны в вышеприведенном примере реализации): получение аморфного поверхностного слоя ионной имплантацией; нагрев аморфного поверхностного слоя токами высокой частоты; нагрев аморфного поверхностного слоя облучением потоком электронов, например, производят сканирующим электронным лучом или подачей положительного потенциала на изделие; деформирование материала поверхностного слоя осуществляют приложением к изделию знакопеременной нагрузки, например, за счет ультразвуковых колебаний; и проведение обработки до достижения размеров нанокристаллов в диапазоне 1…900 нм; при использовании, дополнительно, перед ионной имплантацией поверхности детали, например лопатки турбомашины, обработки микрошариками, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повышения эксплуатационных свойств изделий из металлов и сплавов за счет формирования однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.

1. Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя в материале изделий из металлических сплавов, отличающийся тем, что в материале получают равномерный аморфный поверхностный слой, нагревают его до температуры начала процесса кристаллизации и деформируют при температуре нагрева до достижения необходимых размеров нанокристаллов, после чего прекращают нагрев и деформирование поверхностного слоя и проводят охлаждение материала изделия со скоростью, обеспечивающей быструю фиксацию процессов перехода материала от аморфного состояния к нанокристаллическому.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что получение аморфного поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев аморфного поверхностного слоя проводят токами высокой частоты.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев аморфного поверхностного слоя проводят облучением потоком электронов.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что облучение потоком электронов проводят сканирующим электронным лучом.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что облучение потоком электронов проводят при подаче положительного потенциала на изделие.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформирование материала поверхностного слоя осуществляют приложением к изделию знакопеременной нагрузки.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что знакопеременную нагрузку создают приложением ультразвуковых колебаний.

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что получают нанокристаллы с размером в диапазоне 1…900 нм.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что в качестве изделия используют турбинную лопатку.

11. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед ионной имплантацией проводят упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием микрошариками.