Способ повышения прочности деталей, работающих при импульсном давлении

 

Изобретение относится к способам повышения прочности деталей машин и механизмов, работающих в циклическом режиме при превышении времени релаксации, возбужденной рабочим давлением электронной структуры на поверхности изделий, над временем холостой части цикла. В поверхность деталей ионной имплантацией внедряют ионы церия или последовательно ионы азота совместно с ионами фосфора. Затем на поверхность детали наносят слой основного материала детали толщиной 0,1-0,2 мм. При заполнении пор и трещин образующимися соединениями церия или полифосфонитрида Р_хN_у на глубину, где их размер соответствует размеру капилляра, возникает большое увеличение эффективной массы электрона, соответствующее высокой плотности состояний на поверхности Ферми, и соответствующее увеличение межатомных сил связи. Таким образом, наблюдается повышение прочности соединения основа - покрытие, что способствует устранению напряжений, возникающих в порах и трещинах, препятствующему росту трещин. 3 з.п. ф-лы.

Предлагаемое изобретение относится к способам повышения прочности деталей машин и механизмов, работающих в циклическом режиме, при превышении времени релаксации, возбужденной рабочим давлением электронной структуры на поверхности изделий, над временем холостой части цикла путем нанесения на их поверхность слоя другого материала с более прочными и стабильными во времени связями, чем в материале основы. Кроме упрочнения собственно поверхности изделия в этом способе предусматривается затягивание поверхностных пор и трещин при заполнении их на глубину, где размер пор и трещин соответствует размеру капилляра, присущего данной паре основа - покрытие, что может дать большое увеличение эффективной массы электрона, соответствующее высокой плотности состояний на поверхности Ферми, при соответствующем увеличении межатомных сил связи.

Образование трещин на поверхности деталей машин и механизмов, работающих под нагрузкой, является одной из основных причин последующего их разрушения. Особенно большое значение выяснение механизмов образования трещин играет для лопаток авиационных двигателей, испытывающих значительные знакопеременные нагрузки с большой частотой, в целях повышения их ресурса.

В [1] показано, что значительную роль в формировании несущей способности лопаток компрессора и турбин ГТД выполняет поверхностный слой детали. Зная параметры слоя (деформационные, физические, структурные, геометрические) и регламентируя их в процессе изготовления детали, можно получить оптимальные для нее прочностные характеристики.

В [1] показано, что сочетанием различных методов обработки можно улучшать состояние поверхностного слоя детали, полученного в процессе ее изготовления. Детали, имеющие концентраторы напряжений, следует подвергать поверхностному упрочнению, а выравнивание структуры, снятие остаточных напряжений достигается стабилизирующей термообработкой. После стабилизирующего отпуска предел выносливости обычно уменьшается примерно на 10%, что устраняется последующей виброполировкой и глянцовкой.

Известны методы [2] повышения усталости лопаток, отлитых методом направленной кристаллизации, путем нанесения на их поверхность алюминидов никеля (алитирование) или электронно-лучевого нанесения многокомпонентных покрытий типа Ni-Cr-Al-Y. Однако в последнем случае поверхность подложки не должна иметь глубоких рисок, каверн и включений инородных частиц, являющихся потенциальными источниками дефектов.

В связи с этим поверхностный слой, содержащий трещины, которые являются концентраторами напряжений, необходимо удалять. Известен классический эксперимент [2] А.Ф.Йоффе с кристаллом каменной соли, у которого поверхностный слой растворяют в воде. Кроме того, можно залечить трещины путем их заполнения с помощью напыления или электролиза. При этом согласно работе [3] полного заполнении пор для последующего равномерного покрытия всей поверхности, как говорится в [4], не требуется. Как показано в этой работе, покрытие начинается не с полного заполнения пор, а только с 5% их полного объема.

Другим способом упрочнения поверхностного слоя является увеличение межатомных сил связи в нем путем нанесения на поверхность и в поверхность слоя другого материала с более прочными и стабильными по времени связями, чем в основе [5] (прототип). Известный способ по прототипу [5] не обеспечивает целостность поверхностного слоя упрочняемых деталей, испытывающих знакопеременные циклические нагрузки. При этом задача заключается в том, чтобы подобрать материал покрытия и рабочее давление такие, чтобы большие межатомные связи образовались, но разрушение не началось бы. Это становится возможным, когда время холостого цикла детали (без давления) меньше времени релаксации материала из состояния с сильной межатомной связью. Так для лопаток компрессора и турбины авиадвигателя время цикла составляет порядка 10^-4 и менее, для колец и цилиндров - 10^-2, для стволов оружия и фрез порядка 10^-1 с.

С другой стороны, желательно иметь наибольшее время релаксации материала покрытия и основы, и наилучшее из них - бесконечность. К последнему случаю относятся материалы с достигнутыми стабильными во времени высокими прочностными свойствами.

В качестве примера материала со стабильными во времени высокими прочностными свойствами и сильной межатомной связью, сохраняющейся во времени, полученными при импульсном воздействии, можно назвать полифосфонитрид, полученный путем синтеза химического соединения в плазме электроионизационного разряда [6], в котором электроны атомов фосфора и азота переведены на высокие колебательные уровни [5]. Известен также материал церий, обладающий высокой интенсивностью фрактоэмиссии под давлением, которая позволяет говорить не только об увеличении межатомных сил связи, но и об увеличении проводимости.

Возрастание межатомных сил связи для церия объясняется гибридизацией под давлением 4f-электронов с валентными 5d6sp и образованием сильной ковалентной связи. Результаты получены методом рентгеноэлектронной спектроскопии по изучению шейк-эффекта [7]. Исходя из изменения сопротивления вплоть до исчезновения при соответственном изменении электрон-фононного взаимодействия по критерию О.В.Вонсовского и М.С. и Л.С.Свирских [8, 9] сделан вывод, что большая интенсивность эмиссии электронов из церия связана с резким увеличением плотности состояний электронов на поверхности Ферми, соответствующим увеличению эффективной массы электрона (m_х), или отражает значительное возрастание межатомных сил связи с соответствующим возрастанием u~ дебаевской температуры. Освобождение энергии такого сильного межатомного сцепления при образовании трещин дает интенсивную фрактоэмиссию электронов.

Высокую интенсивность фрактоэмиссии церия, связанную с образованием под давлением высокой плотности состояний на границе Ферми (на несколько порядков выше, чем без давления), можно также объяснить за счет резонанса Абрикосова-Сула [10], используемого для объяснения эффекта Кондо [11]. Этот эффект с изменением давления был предсказан для соединений церия, например CeSi₂ и урана UBe₁₃, в работе В.В.Мощалкова и Н.Б.Брандта [12] - он допускает появление в металле состояния высокой проводимости вплоть до сверхпроводимости. В работе [13] говорится, что нептуний может дать тот же эффект. С высокой плотностью состоянии на границе Ферми связывают увеличение числа электронов, ответственных за межатомные силы связи. Классический эффект Кондо (низкотемпературный) имеет весьма узкий энергетический интервал плотности состояний на поверхности Ферми (тысячные доли вольта), но в случае высокого давления, который возможен при значительно более высокой температуре, ширина интервала энергии с высокой плотностью состояний может быть значительно больше. С повышением температуры начинает проявляться ангармонизм, что автоматически приведет к увеличению энергетической ширины высокой плотности состояний на границе Ферми.

При импульсном давлении до 10 кбар и при скорости нарастания давления в 2,5 кбар с^-1 в области 7-10 кбар, то есть в пределах одной секунды (последней), обнаружена эмиссия электронов церия (12000 имп ^-1), превышающая на два порядка эмиссию из празеодима (500 имп с^-1), неодима (450 имп с^-1) и самария (80 имп с^-1). В полученных результатах обращает на себя внимание большое различие (на два порядка) в интенсивности эмиссии электронов под давлением между церием и празеодимом, неодимом и самарием. Увеличение валентности церия до 4-х за счет перехода электронов 4f5d6sp или их 4f5d6sp гибридизация при сохранении 3-х валентности других элементов представляется недостаточным для объяснения такой мощной эмиссии из церия. Это можно объяснить также за счет образования очень сильных межатомных сил связи на короткое время между достижением критического давления и началом фрактоэмиссии: при разрыве таких сильных связей выделится больше энергии и будет большая интенсивность фрактоэмиссии электронов. Возможно, в этот процесс вносит вклад и тонкий поверхностный слой окисла церия, известного своей большей склонностью к окислению по сравнению с празеодимом и неодимом [14].

Было проведено исследование [15] фрактоэмиссии церия и для сравнения - празеодима, неодима и самария под давлением. Экспериментальная установка состояла из гидравлического пресса, вакуумной камеры, систем регистрации электронов и измерения давления. Вакуумная камера (Р=10^-2 Па) представляет собой цилиндр, перпендикулярно оси которого имеются два отверстия для ввода закаленных стальных наконечников для сдавливания образца. В камере установлены канальный электронный умножитель ВЭУ-6 и две сетки между ним и образцом. Одна из сеток - под потенциалом 300 В, другая - экранная. Давление на образец осуществляется с помощью пресса. Образец при этом деформируется, растрескивается и испускает электроны. Давление доводилось до 1 ГПа со скоростью нагружения 2,5-10^-1 ГПа/с. Размер образца по осям 3 мм. При сдавливании церия зарегистрирован пик интенсивности электронов 1210³ имп/с. Нарастание эмиссии заметно началось со второй половины импульса давления с максимумом при Р=710^-1 ГПа. Пик для празеодима, неодима и самария - 500, 450 и 80 имп/с соответственно с погрешностью 10%.

Целью изобретения является повышение прочности деталей машин и механизмов, испытывающих значительные знакопеременные нагрузки с большой частотой за счет получения оптимальных прочностных характеристик поверхностного слоя деталей.

Сущность предлагаемого изобретения достигается тем, что в поверхностный слой детали, работающей при импульсном давлении, методом ионной имплантации внедряют ионы церия или последовательно ионы азота совместно с ионами фосфора, а затем на поверхность детали наносят слой основного материала детали толщиной 0,1-0,2 мм. При заполнении пор и трещин церием или последовательно азотом и фосфором на глубину, где их размер соответствует размеру капилляра, присущего данной паре основа - внедренный слой, возникает большое увеличение эффективной массы электрона, соответствующее высокой плотности состояний на поверхности Ферми при соответствующем увеличении межатомных сил связи. Таким образом, наблюдается повышение прочности соединения основа - внедренный слой, что способствует устранению напряжений, возникающих в порах и трещинах, препятствующее росту трещин. Кроме того, заполнение пор и трещин лишь на 5% их объема церием или последовательно азотом и фосфором позволяет осуществлять контроль участка в районе острия трещины методом электронной спектроскопии и последующее равномерное нанесение покрытия на поверхностный слой детали слоем основного материала детали. Внедрение в поверхность детали церия или последовательно азота и фосфора позволяет произвести упрочнение поверхностного слоя детали путем увеличения межатомных сил связи в нем, т.к. время холостого цикла детали (без давления) меньше времени релаксации церия или азота и фосфора из состояния с сильной межатомной связью. Церий или последовательно азот и фосфор наносили методом ионной имплантации, так как он позволяет предотвратить перемешивание слоев основного материала детали и получать толщину наносимого слоя, достаточного, с одной стороны, для предотвращения развития трещин и пор на поверхности детали и достаточного тонкого (до 0,1 мкм), с другой стороны, чтобы значительно не увеличить массы детали, например лопатки компрессора или турбины двигателя самолета. Внедренный в поверхность церий или азот и фосфор покрывают защитным слоем основного материала детали толщиной 0,1-0,2 мм для того, чтобы при изменении размеров детали в рабочем режиме, например за счет вытягивания или изгиба, а также при образовании царапин, которые могут возникнуть из-за воздействия инородным телом, например, аэродромной пылью, этот защитный слой толщиной не менее глубины царапины мог подвергнуться механическому разрушению, а основная поверхность детали осталась бы неповрежденной. При этом нанесение слоя основного материала детали на церий или азот и фосфор не снижает качеств предшествующего слоя. Необходимо или загодя изготовлять детали меньшего размера на величину слоя покрытия, или для имеющихся стандартных деталей необходимо соответственно уменьшать их размер в направлении упрочняемой поверхности.

Было выполнено исследование по упрочнению лопаток 3-й ступени компрессора высокого давления авиадвигателя ПС-90А путем легирования тонкого приповерхностного слоя (~0,1 мкм) церием или последовательно азотом и фосфором с образованием полифосфонитрида P_xN_y методом ионной имплантации. Проведенные усталостные испытания серийных (без покрытия) и опытных лопаток на стенде завода-изготовителя показали повышение ресурса опытных лопаток над серийными более чем на порядок при одинаковой нагрузке в 22 кгс/мм² и частоте колебаний 6,7 кГц, а легирование азотом и фосфором показало такое же повышение ресурса при повышенных нагрузках в 24 и 26 кгс/мм².

Возрастание межатомных сил связи при импульсном давлении в поверхностном слое можно использовать для самоупрочнения деталей машин и механизмов, работающих в циклическом режиме, например, таких как участки лопаток компрессоров и турбин двигателей летательных аппаратов, клапана и пружины, кольца и цилиндры двигателей внутреннего сгорания, фрезы и долбяки (ряд расположен по мере увеличения времени цикла, вероятность самоупрочнения деталей при этом возрастает с ростом частоты цикла знакопеременной нагрузки), которое происходит за счет рабочего давления в случаях, когда время холостой части цикла без давления меньше времени релаксации материала из состояния с сильной межатомной связью.

Источники информации

1. Петухов А.И. Сопротивление усталости деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1993, с.94-96.

2. Иоффе А.Ф., Кирпичева М.В., Левицкая М.А. ЖРФХО, 1924, 56, 489.

3. Морозов З.Н., Худяков В.А., Лехович А.М., Шабанова И.Н., Трапезников В.А. Природа адгезии меди на окисле алюминия. Изв. АН СССР, Сер.неорг.мат., 1981, т.17, №1, с.177-179.

4. Keller F., Hunter M.S., Robinson D.L., J.Electrochem So., 1953, v.100.

5. Трапезников В.А. Электронная спектроскопия малых доз излучения. Успехи физических наук, 1998, т.168, №7, с.796; Повышение прочности тонких поверхностных слоев твердых тел за счет кратковременного увеличения межатомных сил связи. Поверхность, 1994, №8-9, с.136-143 (прототип).

6. Басов Н.Г. и др. ЖТФ 55 2259 (1985).

7. Shabanova I.N. Phis.State Solid., 1989, v.149, p.177-181.

8. Вонсовский С.В., Свирский М.С., Свирская Л.М. К теории взаимодействия зонного электрона с фононами. ФММ, 1989, 67, вып.5. С.885-890.

9. Вонсовский С.В., Свирский М.С., Свирская Л.М. К теории взаимодействия зонного электрона с фононами. Замечания к статье [8]. ФММ, 1989, 68, вып.1. С.212.

10. Абрикосов А.А. Об особенностях температурной зависимости сопротивления немагнитных с малой примесью магнитных атомов. ЖЭТФ, 1965, 48. С.990-992.

11. Kondo J Prog. Theor. Phys. 32 37 (1964).

12. Мощалков В.В., Брант Н.Б. Немагнитные кондо-решетки. УФН, 1986, 149, вып.4. С.585-634.

13. Осипьян Ю.А. Вестник АН СССР, 1987, №5. С.16.

14. Акашев Л.А. Эллипсометрическое исследование изменения свойств поверхностных слоев легких РЗМ./В кн.: Поверхность и новые материалы. Ижевск: ФТИ УрО АН СССР, 1990, с.103-107.

15. Трапезников В.А., Соснов В.А., Шабанова И.Н., Гайворонский А.Т. Эмиссия электронов из церия, празеодима, неодима и самария под давлением. ФММ, 1991, №8. С.198-201.

Формула изобретения

1. Способ повышения прочности деталей, работающих при импульсном давлении, включающий ионную имплантацию в поверхностный слой детали редкоземельного металла, отличающийся тем, что в поверхностный слой детали имплантируют ионы церия или последовательно ионы азота и фосфора, а затем на поверхность детали наносят слой основного материала детали толщиной 0,1-0,2 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что с поверхности детали предварительно снимают слой толщиной не менее величины вытягивания детали в работе.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что размер детали в направлении упрочняемой поверхности уменьшают на величину покрытия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно осуществляют имплантацию ионов церия или последовательно ионов азота и фосфора, а затем нанесение слоя основного материала повторяют многократно.