1.4. Ультразвуковая обработка

Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование

Установка для упрочнения ультразвуковым деформированием лопаток ГТД (рис. 1.9) и других деталей состоит из генератора ультразвуковых колебаний, магнитострикционного преобразо­вателя 1 электрических колебаний в механические преобразова­теля 2 (концентратора) с рабочей камерой для размещения упроч­няемых заготовок 4 и рабочего тела 3 (шариков), при помощи ко­торых энергия механических колебаний ультразвуковой частоты передается шарикам.

Упрочняемые детали закрепляются в зажимах, установленных на верхней крышке 5 рабочей камеры. В качестве генератора ультразвуковых колебаний обычно используют генераторы мощностью до 10 кВт и частотой 18...20 кГц. Деформа­ционное упрочнение окончательно обработанных лопаток осу­ществляется стальными шариками диаметром 1...3 мм, смачи­ваемыми эмульсией. Заданная степень деформационного упроч­нения поверхностного слоя детали обеспечивается выбором ре­жима обработки (расстояние детали от вибрирующих стенок ка­меры, продолжительность обработки, диаметр стальных шариков). Шероховатость поверхности после упрочнения ухудшается по сравнению с исходной.

Рис. 1.9. Установка для ультразвукового деформационного упрочнения:

1 – магнитострикционный преобразователь; 2 – преобразователь колебаний (концентратор); 3 – рабочее тело (шарики); 4 – лопатка ГТД; 5 – прозрачная крышка

Контрольные вопросы

1. На какие шесть основных классов подразделяются методы упрочнения?

2. Сущность процесса упрочнения пластическим деформированием.

3. Особенности метода упрочнения шариками.

4. Характеристики процесса упрочнения виброгалтовкой.

5. Особенности метода упрочнения раскатыванием.

6. Упрочнение выглаживанием, характеристика процесса.

7. Характеристики процесса ультразвукового упрочнения.

8. Возможности метода дробеструйной обработки в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

9. Возможности метода виброгалтования в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

10. Возможности метода гидрогалтования в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

11. Возможности метода ультразвукового упрочнения в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

12. Возможности метода упрочнения микрошариками в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

Список литературы к главе 1

1. Евстигнеев М. И. Технология производства двигателей летательных аппаратов / М. И. Евстигнеев, А. В. Подзей, А. М. Сулима. – М.: Машиностроение, 1982.

2. Сулима А. М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / А. М. Сулима, В. А. Шулов, Ю. Д. Ягодкин. – М.: Машиностроение, 1988.

3. Материалы сайта ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». – Режим доступа: http://coatings-pvd.ru/nanoarc.php. – Загл. с экрана.

4. Материалы сайта www/swri.org

5. Материалы сайта www1.fips.ru

Глава 2. Методы ионно-имплантационной обработки поверхностей деталей

В последнее десятилетие в технологии обработки поверхности конструкционных материалов все шире получают развитие методы, связанные с воздействием концентрированных потоков энергий, к числу которых относятся вакуумные ионно-имплантационные (ИИ), ионно-плазменные (ИП) технологии, позволяющие значительно повысить эксплуатационные свойства наиболее ответственных деталей различных машин. Рост разработок по данному направлению, а также крупные научно-технические программы по разработке и использованию тех­нологии ИИ в промышленности (США – программа ВМФ MAFNTECH [1], фирма «Rolls-Royce» [2], космическое и авиационное двигателестроение; Великобритания – фирма «Dowty Seals» [3], фирма «Westinghouse» [4]) свидетельствуют о перспективности данного направления.

Известные вакуумные ионно-имплантационные и ионно-плазменные технологии по способу реализации подразделяются:

• на ионно-имплантационные (для упрочнения и легирования поверхности детали);

• вакуумные ионно-плазменные (для нанесения покрытий с целью упрочнения и защиты поверхности от эксплуатационных воздействий);

• вакуумные ионно-плазменные (для химико-термической обработки),

а также совмещение (комбинирование) этих вакуумных ионно-имплантационных и ионно-плазменных методов обработки для реализации процесса упрочнения и нанесения покрытия в едином вакуумном объеме.

К преимуществам вакуумной ионно-имплантационной технологии относится возможность внедрения в матрицу любого химического элемента и проведения процесса ионного легирования при низких температурах, внедрение строго дозированных количеств легирующей примеси (например, при упрочнении дорогостоящими веществами), практическая неизменность размеров обрабатываемой детали, отсутствие коробления, простота управления параметрами этого процесса, возможность получения заданных профилей залегания легирующих примесей и обработки локальных участков поверхности, а также исключительная экологическая чистота процесса.

Процесс ионной имплантации позволяет изменять физико-химические, механические и эксплуатационные характеристики поверхностных слоев материала. При обработке готовых изделий в их поверхностном слое получены уникальные по своему структурно-фазовому составу химические соединения, которые традиционными способами получить в настоящее время невозможно. При этом глубина имплантированного слоя с измененным химическим составом может изменяться от нескольких атомных слоев до 10…15 мкм, а глубина модифицированного поверхностного слоя с измененной дислокационной структурой доходит до нескольких миллиметров. Такое модифицирование структуры поверхностей обусловливает повышение эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей, создание в их поверхности благоприятных сжимающих напряжений, увеличение ресурса эксплуатации всего изделия.

К преимуществам вакуумной ионно-плазменной технологии можно отнести возможность нанесения высокоадгезионных плотных покрытий на поверхность различных материалов, в том числе и неметаллических. Процесс позволяет создавать многокомпонентные покрытия с различными стехиометрическими композициями: нитридные, карбонитридные, оксикарбонитридные, интерметаллидные, на основе различных металлов. Разработанная для этих целей вакуумная ионно-плазменная технология позволяет наносить многослойные покрытия (общей толщиной до 50 мкм) с уникальными свойствами. При этом повышается коррозионная, эрозионная стойкость, износо- и жаростойкость, усталостная прочность. Кроме того, вакуумная ионно-плазменная технология позволяет проводить химико-термическую обработку поверхности (например, ионное азотирование, хромирование и др.). Этот процесс заключается в низкоэнергетическом насыщении обрабатываемой поверхности легируемым веществом. Одним из основных достоинств этого метода является глубокое проникновение внедряемого элемента при незначительном повышении температуры поверхностного слоя, что не вызывает коробления детали и разупрочнения основного материала.

Совмещение вакуумных ионно-имплантационной (ИИ) и ионно-плазменной технологии реализуется в последовательном (либо совмещенном) воздействии на обрабатываемую поверхность в одном вакуумном объеме. Например, проведение ионной имплантации перед нанесением покрытия обусловливает упрочнение и активизацию поверхности, что значительно увеличивает адгезию покрытия к подложке. Кроме этого, при совмещенной обработке создается плавный переход физико-химического состояния покрытия в матрицу и исчезает граница раздела покрытие–матрица, что исключает возникновение ненормированных остаточных напряжений.

Процессы, обуславливающие изменение физико-химического и структурно-фазового состояния поверхностного слоя конструкционных материалов в связи с ИИ излагаются в работах [6–8]. Сущ­ность метода ИИ заключается в бомбардировке имплантируемым веществом поверхности металлических материалов, при этом ионизи­рованные атомы или молекулы, внедряясь в кристаллическую решетку, формируют новые поверхностные сплавы, образующиеся вне зависи­мости от пределов растворимости и диффузионных констант [7–10]. Таким образом, оказывается возможным создание композиционных систем с уникальными структурами и свойствами, существенно отличающимися от свойств основной массы материала. Если известны тип, энергия ионов и свойства обрабатываемого ма­териала, то, используя теорию И. Линхарда, М. Шарфа и Х. Шиотта для энергетических потерь быстрых ионов [11], падающих в аморфные тела, глубина проникновения R может быть рассчитана по фор­муле:

, (1)

где  и M₂ – плотность материала и массовое число атомов мишени; M₁ и Z₁ – массовое число и атомный номер иона; E₁ – начальная энергия иона; R – пробег (нм).

Величина проецированного пробега находится из соотношения:

, (2)

где K – коэффициент, зависящий от E₁. Распределение концентрации имплантированных ионов по глубине поверхностного слоя подчиняется закону Гаусса и описывается функцией:

, (3)

где D – доза облучения (ион/см²); R – стандартное проецирование пробега, рассчитываемое из выражения

  0,4  ^1/2 , (4)

где  = 4M₁ M₂ / (M₁ +M₂)² – максимально возможная доля E₁, которая может быть передана покоящемуся атому.

Следует отметить, что приведенные выражения (1)–(4) по­лучены без учета распыления и структурно-фазового состава ис­ходной поверхности, а также структурно-фазовых изменений повер­хности детали в процессе имплантации.

Профессором М. И. Гусевой показано [7, 11], что, изменяя энергию и дозу облучения ионов, можно варьировать профилем распределе­ния имплантированных атомов по глубине поверхностного слоя от десятков до нескольких сотен микрон. При этом в отличие от традицион­ных методов введения легирующих примесей, ИИ сопровождается об­разованием большого количества радиационных дефектов в имплантированном слое (рис. 2.1). Увеличение количества дефектов в структуре металлов является одним из путей традиционного их уп­рочнения. Наиболее типичным радиационным дефектом является пара Френкеля: вакансия–межузельный атом. Аналогич­ные дефекты возникают в кристаллической решетке металла под действием ионной бомбардировки [12] и последующего перераспре­деления элементного состава поверхности [13]. Это обуславливает появление различного рода сегрегаций, дислокаций, клубков дислокаций новых источников дислокаций, разупорядочение упорядоченных и образование новых фаз [7] (рис. 2.1). Отмеченные явления приводят к возрастании плотности дислокаций в поверхности на несколько порядков по сравнению с исходным (необлученным) состоянием [11].

Рис. 2.1. Распределение ионов легирующего вещества (1) и дефектов кристаллической решетки (2) по глубине поверхностного слоя подложки

при ее бомбардировке ускоренны­ми ионами

Таким образом, оказывается возможным создание композиционных систем с уникальными структурами и свойствами, отличными от свойств основного материала детали. Ионная имплантация позволяет внедрить в поверхность на заданную глуби­ну определенное количество практически любого химического элемента или легировать одно вещество другим в пропорциях, которые невозможно достичь даже при использовании высоких темпера­тур (рис. 2.2). Кроме этого, с технологической точки зрения метод ИИ обла­дает, по сравнению с другими методами модифицирования поверх­ности (плазменным напылением, диффузией, эпитаксией и др.), ря­дом преимуществ [11]:

- константы диффузии практически не влияют на образование сплава;

- отсутствие проблемы адгезии, так как нет поверхности раздела;

- размеры детали практически не изменяются;

- вводится очень малое количество вещества, поэ­тому при необходимости можно применять дорогое вещество, без существенного удорожания технологии;

- менее жесткие требования к чистоте легирующих материалов, так как они разделяются по массе в сепараторе перед ускорителем;

- процесс реализуется при низких температурах;

- простота методов защиты поверхностей, не требующих обработки ИИ;

- многократная имплантация с изменяющимся ускоряющим напряжением позволяет осуществить нужное распределение имплантированного элемента по глубине поверхностного слоя.

Рис. 2.2. Модель взаимодействия имплантируемых ионов