ТЕХНОЛОГИИ И РАЗРАБОТКИ ИНСТИТУТА
ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
Назначение
Предлагаемые оборудование иметоды предназначены для поверхностной обработки материалов и изделий с целью повышения их прочностных,электрохимических и электрофизических характеристик.
Рис. 1. Источник электронов на основе
плазмонаполненного диода
с взрывоэмиссионным катодом
Краткое описание и технико-экономические показатели
Суть методов состоит в том, что рабочие поверхности материалов и изделий многократно (5—50 раз) облучают низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком (НСЭП) микросекундной длительности в режимах поверхностного плавления и/или начального испарения.
Для генерации НСЭП используется оригинальный, не имеющий аналогов по совокупности параметров, источник электронов на основе плазмонаполненного диода с взрывоэмиссионным катодом.
| максимальная энергия электронов | 50 кэВ |
| длительность импульса | 2—4 мкс |
| максимальный ток пучка | 50 кА |
| диаметр пучка | до 8 см |
| частота следования импульсов | 0.1—0.2 Гц |
| КПД преобразования электрической энергии в энергию пучка | 40 % |
| потребляемая мощность | 5 кВт |
| площадь, занимаемая установкой | 3 м2 |
В результате высокоскоростной закалки из расплава в приповерхностном слое формируются метастабильные структурно-фазовые состояния, способные обеспечить повышение эксплуатационных свойств материалов и изделий. Конкретные примеры реализации данных методов приведены ниже.
Повышение стойкости твердосплавного режущего инструмента. Облучение твердосплавных режущих пластин из сплавов ВК8, Т15К6 и Т5К10 позволяет повысить их стойкость при высокоскоростных режимах резания в 2-5 раз (рис.2).
Рис. 2. Зависимости высоты площадки износа по задней поверхности для режущих пластин из сплава T5K10 в зависимости от пути резания до (1) и после (2-4) воздействия НСЭП при различных значениях плотности энергии. Обрабатываемый материал - сталь 40Х. Условия резания: S= 0.14 мм/об, d = 1.5 мм, v = 300 м/мин.
Структурные исследования показали, что при контактном плавлении карбидных и связующей фаз в поверхностном слое происходит измельчение кобальтовой связки и дополнительное насыщение ее вольфрамом, титаном и углеродом. Это приводит к подавлению диффузии в связку обрабатываемого материала и, соответственно, к росту стойкости инструмента.
Оценки показывают, что с учетом производительности электронно-лучевой установки, стоимости серийного инструмента, капитальных и эксплуатационных расходов и ожидаемой прибыли, расходы на приобретение оборудования окупятся за 1-2 года.
Повышение усталостных характеристик лопаток компрессоров газо-турбинных двигателей (ГТД). Эксперименты, проведенные на специальных образцах, изготовленных из титановых сплавов ВТ6, ВТ8М и др. и моделирующих работу лопаток компрессоров ГТД, показали, что импульсное плавление поверхности позволяет повысить предел выносливости на ~ 20 %, а циклическую долговечность примерно на порядок (рис.3).
Рис. 3. Усталостные кривые для образцов из сплава ВТ8М:
а - в исходном состоянии,
b - после облучения и последующего отжига.
Повышение усталостных характеристик связано со сглаживанием и очисткой поверхности за счет ее оплавления и ростом концентрации алюминия в приповерхностном слое.
Сглаживание жаростойких защитных покрытий. Жаростойкие защитные покрытия на основе никеля (например, Ni-Cr-Al-Y) имеют достаточно высокую исходную шероховатость поверхности. Эксперименты показали, что оплавление покрытия позволяет за счет резкого снижения шероховатости поверхности повысить его жаростойкость на ~20 % (при 1050°С).
Удаление жаростойких защитных покрытий. Для замены трудоемкой и экологически опасной технологии удаления отработавших покрытий можно использовать НСЭП. Эксперименты показали, что при плотности энергии ~30 Дж/см2 можно эффективно (~ 1мкм за импульс) удалять подобные покрытия. При этом структура подложки (никелевый жаропрочный сплав) существенно не изменяется.
Формирование поверхностных сплавов (поверхностное легирование). При плотности энергии пучка 10-20 Дж/см2 появляется возможность импульсного нанесения покрытия и переплавления его с подложкой. Эксперименты на системах Cu-Fe, Al-Fe, Ti-Fe и др. показали, что концентрация легирующего элемента в приповерхностном слое существенно превышает равновесную. Толщина полученных легированных слоев составляет несколько микрон, т.е. на порядок выше, чем при ионной имплантации.
В рабочей камере установленэлектродуговой испаритель оригинальной конструкции,что позволяет в едином вакуумном цикле наносить на поверхность изделия различные покрытия толщиной в десятки микрон и переплавлять их с материалом подложки, т.е. осуществлять высокоэффективное поверхностное легирование.
Повышение коррозионной стойкости и износостойкости конструкционных сплавов.Эксперименты на образцах из алюминиевых сплавов Д16 и АД33 показали, что импульсное плавление поверхностного слоя приводит к существенному росту коррозионной стойкости. Это связано с полным (или частичным) растворением исходных частиц вторых фаз в поверхностном слое и формированиемна самой поверхностиоднородной по толщине окисной пленки.
Существенное повышение коррозионной стойкости за счет растворения частиц вторых фаз наблюдаются также ипри импульсном плавлении аустенитных нержавеющих сталей (12Х18Н10Т и др.). Облучение приводит также к поверхностному упрочнению данных сплавов и повышению их износостойкости.
Увеличение электрической прочности вакуумной изоляции. Импульсное плавлениеприводит к сглаживанию поверхности электродов и очистке ее от примесей и растворенныхгазов. В сочетании с последующей тренировкой промежутка слаботочными импульснымиразрядами это позволяет существенно снизить предпробойные токи и повысить электрическуюпрочность вакуумной изоляции.
Основные преимущества
По сравнению с мощными импульсными лазерами, используемыми для поверхностнойтермообработки, источник НСЭП имеет более высокий КПД преобразования запасаемой электрической энергии в энергию пучка, большую надежность и меньшую стоимость оборудования; кроме того электронный пучок в отличие от лазерного, практически полностью поглощается мишенью. В источниках мощных ионных пучков (МИП), также применяемых для поверхностной обработки, используются высокие (до ~1 МэВ) ускоряющие напряжения, что, во-первых, увеличивает сложность и уменьшает надежность высоковольтного оборудования, во-вторых, создает проблему радиационной защиты (в источниках МИП повышенный уровень рентгеновского излучения связан с наличием паразитной электронной нагрузки).
Аналоги
Ближайшими альтернативными методами являются методы, основанные на использовании импульсных лазеров и источников мощных электронных и ионных пучков. Сравнительный анализ, приведенный выше, показывает, что предлагаемые оборудование и методы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с альтернативными.
Защищенность разработки
На способ формирования НСЭП получено 3 патента РФ. Имеются также патенты РФ и положительные решения на способы упрочнения стальных изделий, способ упрочнения твердосплавного инструмента, способ создания поверхностных сплавов.
Уровень разработки
Закончены НИР по разработке основ технологии упрочнения твердосплавного режущего инструмента. Разрабатываются основы технологии повышения эксплуатационных характеристик лопаток ГТД. Ведутся работы по улучшению стабильности пучка и надежности источника.
Предложения по сотрудничеству
Предлагаются следующие виды сотрудничества:
- совместное доведение разработок до промышленного уровня;
- совместное патентование и организация совместного производства и продажи;
- электронно-лучевых установок и продукции, обработанной предлагаемыми методами;
- возможны и другие формы сотрудничества.
КОРРЕСПОНДЕНЦИЯ
Проскуровский Дмитрий Ильич
зав. лабораторией, профессор, д.ф-м.н.
тел.: (3822) 49-27-09
факс: (3822) 49-24-10
E-mail: PDI@Lve.hcei.tsc.ru