Способ модификации поверхности жаропрочных сплавов

 

Изобретение относится к способам упрочнения поверхности деталей из жаропрочных материалов, путем облучения ионами высоких энергий с последующей термообработкой и может быть использовано для обработки поверхности изделий, эксплуатируемых при высоких нагрузках и температурах в агрессивной среде. С целью улучшения эксплуатационных характеристик последовательно осуществляют ионную очистку, имплантацию азота с энергией 40 - 100 кэВ, плотностью тока 1-5мA/cм² и дозой 10¹⁹-210¹⁹ион/cм², ионное легирование бором или редкоземельными элементами (J, La, Sm, Jt и т. д. ) с энергией 30 - 100 кэВ, плотностью тока 20-100мкA/cм², дозой 510¹⁶-10¹⁷ион/cм² и стабилизирующий отжиг при 450 - 650С в вакууме 110^-3-510^-3 в течение 1,5 - 2 ч. 6 ил. 1 табл.

Изобретение относится к способам упрочнения поверхности деталей из жаропрочных материалов путем облучения ионами высоких энергий (E > 10 Кэв) с последующей термообработкой, может быть использовано при изготовлении различных изделий, эксплуатируемых при высоких нагрузках и температурах в агрессивной среде, в машиностроительной, приборостроительной, авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности.

Известны способы повышения эксплуатационных характеристик изделий посредством ионной имплантации.

1. Азота, углерода, бора, бария (энергия Е = 25 -100 КэВ, плотность тока J= 10-100 мкА/см², доза облучения D5 10¹⁷ион/см²), обеспечивающих повышение циклической долговечности в 3-8 раз и износостойкости в 2-4 раза.

2. Бария, стронция, кальция, натрия, калия (Е = 100 КэВ, J = 10 мкА/см², D = = 10¹⁷ ион/см²).

3. Бария и палладия (Е = 40-100 КэВ, J= 10-100 мкА/см², D10¹⁷ ион/см²) - для повышения коррозионной стойкости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, включающий ионную имплантацию азота или углерода, или бора Е = 40-100 КэВ, J = 10-100 мкА/см², D10¹⁷ ион/см², служащий повышению износостойкости.

Недостатками указанных способов является невозможность обеспечения целого комплекса эксплуатационных характеристик на требуемом уровне (усталостная прочность, жаростойкость, эрозионная стойкость и сопротивление высокотемпературной солевой коррозии), небольшие глубины ионнолегированных слоев до 0,1 мкм, а также их загрязнения примесями углерода и кислорода, внедpяемыми в материал вместе с основным легирующим элементом.

Цель изобретения - увеличение толщины модифицированного слоя и одновременное повышение усталостной прочности сопротивления солевой коррозии и пылевой эрозии, а также жаростойкости.

Это достигается за счет того, что способ включает ионную очистку, имплантацию азота с энергией 40-100 КэВ, высокой плотностью тока 1-5 мА/см² и дозой 10¹⁹-210¹⁹ ион/см², ионное легирование бором или редкоземельными элементами (I, La, Sm, It и т. д. ) с энергией 30-100 КэВ, плотностью тока 20-100 мкА/см², дозой облучения 5 1016-1017 ион/см² и стабилизирующий отжиг при 450-650^оС в вакууме 110^-3 Па в течение 1,5-2 ч.

На фиг. 1 показано распределение элементов в поверхностном слое образцов из стали ЭП 866 после облучения ионами N⁺ без ионной очистки ( Е = 30 КэВ, I = 40 мкА/см², D = 210¹⁸ ион/см²); на фиг. 2 - распределение элементов в поверхностном слое образцов из стали ЭП866Ш после ионной очистки и облучения ионами N⁺ (Е = = 30 КэВ, I = 40 мкА/см², D = 210¹⁸ ион/cм²; на фиг. 3 - распределение элементов в поверхностном слое образцов из стали ЭП866Ш после облучения ионами N⁺ (Е = = 40 КэВ, I = 5 мА/см², D = 210¹⁹ ион/см²), съемка с поверхности малоуглового косого шлифа, в центре приведен оже-спектр, зафиксированный на глубине h = 5 мкм; на фиг. 4 - распределение элементов в поверхностном слое образцов из сплава ЭП718ИД после облучения ионами N⁺ (Е = 40 КэВ, I = = 5 мА/см², D = 210¹⁹ ион19/см²) и La⁺(Е = = 30 КэВ I = 20 мкА/см², D = 10¹⁷), сверху приведен оже-спектр, зафиксированный на глубине 4 мм; на фиг. 5 - фрагменты дифрактограмм, полученных от исходного (а и облученного азотом б) образцов из стали ЭП866Ш (Е = 40 КэВ, I = 5 мА/см², D = 210¹⁹ ион/см²) и La⁺(Е = 30 КэВ, I = 20 мкА/см², D = 10¹⁷ ион/см²); на фиг. 6 - распределение микротвердости по толщине поверхностного слоя образцов из стали ЭП866Ш: - облучение ионами N⁺(Е = 40 КэВ, I = = 5 мА/см², D -= 210¹⁹ ион/см² и La⁺(Е = = 30 КэВ, I = 20 мкА/см², D = 10¹⁷ ион/см²), 0 - исходное состояние.

В результате ионной очистки с поверхности материала удаляются примесные вещества, что предотвращает их имплантацию в поверхностный слой при облучении (фиг. 1 и 2). Ионное легирование азотом N⁺ с высокой плотностью тока 1-5 мА/см² и дозой 10¹⁹-210¹⁹ ион/см², с энергией 40-100 кэВ позволяет сформировать новое структурно-фазовое состояние в приповерхностной зоне толщиной до 6 мкм, которое характеризуется высокой концентрацией дефектов, а также присутствием атомов азота в количестве 6 - 8 ат. % (фиг. 3,4). Теоретического объяснения этого эффекта (проникновения атомов азота на такие большие глубины) до сих пор сделано не было. Предполагается диффузионный механизм массопереноса в высокодефектном поверхностном слое жаропрочного материала при повышенных температурах или массоперенос, стимулированный коллективными явлениями. Упрочнение материала в приповерхностной зоне обеспечивает повышение усталостных и эрозионных характеристик, одного сопротивление солевой коррозии при этом снижается. Последующее ионное легирование бором (титановые сплавы) или редкоземельными элементами с энергией 30-100 кэВ, I = 20-100 мкА/см², D = 510¹⁶-10¹⁷ ион/см² приводит как к увеличению концентрации дефектов в слое толщиной 0,1 мкм, так и к образованию оксидов (например, La₂O₃, Y₂O₃ и др). Это наряду с улучшением усталотных и эрозионных свойств повышает коррозионную стойкость материалов.

Финишная термообработка отжиг при 450-650^оС в вакууме 110^-3-510^-3 Па в течение 1,5-2 ч стабилизирует структурно-фазовое состояние и тем самым повышает жаростойкость изделия.

Известные способы упрочнения поверхностных слоев жаропрочных сплавов не предусматривают такой ступенчатой ионно-лучевой обработки при указанных режимах. При реализации описанного способа удается сформировать рентгеноаморфный слой толщиной до 5-10 мкм при глубине проникновения легирующих элементов до 6 мкм, что позволяет увеличить: циклическую долговечность в 8 раз, жаростойкость в условиях усталостного нагружения в 2-3 раза и сопротивление жидкостной солевой коррозии на 30-40% при температуре испытаний 450-650^оС (таблица). В комплексе такого высокого уровня эксплуатационных свойств с помощью известных методов обработки не удается.

П р и м е р. Детали из стали ЭП866Ш и ЭП718ИД подвергались ионной очистке пучком ионов азота с целью распыления слоя толщиной 1 мкм, затем осуществлялась ионная имплантация азота, ионное легирование редкоземельными элементами и стабилизирующий отжиг.

Режимы приведены в таблице (примеры 1-3).

Химический состав поверхностного слоя, обработанных таким образом деталей, приведен на фиг. 3 и 4, а результаты рентгено-структурного анализа и измерений микротвердости % % на фиг. 5 и 6. Из данных следует, что толщина ионнолегированных азотом и лантаном слоев достигают 6 и 10 мкм соответственно; на поверхности стали ЭП866Ш сформировано рентгеноаморфное состояние; микротвердость поверхностного слоя толщиной 6 мкм достигает 620 ед. H (для исходного состояния H = 44030 ед. НV).

Предел усталости таких деталей на базе 210⁷ циклов (высокотемпрературные высокочастотные испытания при 600^оС и частоте 3300 Гц) возрастает по сравнению с необработанными изделиями на 15% . Сопротивление эрозионному воздействию (кварцевый песок диаметром 80-12 мкм, скорость эрозирующих частиц 200 м/с) увеличивается в 1,75 раза. Соответственно улучшаются и коррозионные свойства (жаростойкость в условиях циклического нагружения и сопротивление солевой коррозии в условиях термоциклирования). После двухчасовых испытаний на вибростенде (600^оС) толщина оксидного слоя составила для исходных деталей 1,50,1 мкм, а для облученных изделий - 20010 нм. Обработка результатов коррозионных испытаний (быстрый нагрев за 3 мин до 600^оС на воздухе, закалка в 3% раствор NaCl при 20^оС и т. д. ), выполненных на базе 50 циклов показала, что посредством ионного легирования коррозионная стойкость увеличивается в 3,3 раза (привес массы исходных деталей составил m = = 8,32,4 мг, а подвергнутых обработке по описанному выше способу - m = 2,51,3 мг).

Детали из сплавов ВТ18У и ВТ25 подвергались очистке пучком ионов азота, затем ионная имплантация азота, ионное легирование бором и стабилизирующий отжиг (пример 4).

В результате такой обработки удалось увеличить циклическую долговечность деталей в 8 раз (f = 3300 Гц, Т = 500^оС, напряжение = 37020 МПа), жаростойкость в 1,7 раза (Т = 500^оС, = 37020 МПа, t = 1,5 ч), сопротивление горячей солевой коррозии в условиях термоциклирования в 1,6 раза (Т = = 500^оС, число циклов 240, среда "воздух" - 3% -й раствор NaCl), сопротивление эрозии в 3,2 раза.

Положительные результаты были также получены для сплавов ЭП718ИД, ВТ9, ВТ20 и др.

Таким образом, ресурс и надежность работы деталей машин при эксплуатации в значительной степени определяются физико-химическим состоянием поверхностного слоя. Целенаправленное изменение его химического состава, структурно-фазового состояния и толщины способствует как существенному увеличению срока службы, так и повышению эксплуатационных характеристик изделий. (56) Gournal aurface Engineering, 1987, N 2, v. 3, р. 154.

Формула изобретения

СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ, включающий ионную очистку поверхности, имплантацию ионов азота, отличающийся тем, что, с целью улучщения эксплуатационных характеристик, имплантацию ионов азота осуществляют с энергией E = 40 - 100 кэВ, плотностью ионного тока 1 - 5 мА/см², дозой 10¹⁹ - 2 10¹⁹ ион/см², затем проводят ионное легирование бором или редкоземельными элементами с энергией 30 - 100 кэВ, плотностью ионного тока 20 - 100 мкА/см², дозой 5 10¹⁶ - 10¹⁷ион/см² и стабилизирующий отжиг при t = 450 - 650^oС и давлении остаточных газов 10^-3 - 5 10^-3 Па в течение 1,5 - 2 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7