и Технические науки Шифр совета Д 212.110.04 Тел. ученого секретаря 417-8878 E-mail mitom@implants.ru Предполагаемая дата защиты 17 июля 2008г. в 14.00 диссертации Место защиты диссертации Оршанская, 3, ауд. 220А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте МАТИ-Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского в сети Интернет 17 июня 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета С.В.Скворцова

На правах рукописи

АСПИРАНТ Иванчук Светлана Борисовна ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРЫ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ГАЗОВОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМНОЙ ИОННОПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ Специальность 05.16.06. - Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2008

Работа выполнена на кафедре Материаловедение и технология обработки материалов МАТИ - Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского.

Научный консультант: - доктор технических наук, профессор Петров Леонид Михайлович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук Эпельдфельд Андрей Валерьевич (МАТИ) - доктор технических наук Чернов Дмитрий Борисович (НИИСУ) Ведущее предприятие - МГИУ

Защита диссертации состоится 17 июля 2008 года в 1400 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 по присуждению ученой степени доктора технических наук в области металловедения и термической обработки металлов, порошковой металлургии и композиционных материалов, материаловедения (машиностроение и металлургия) в МАТИ-Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: Москва, ул. Оршанского, 3, МАТИ -РГТУ им. К. Э. Циолковского, ауд. 220A. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанского, 3, МАТИ -РГТУ им. К. Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 17 июня 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доцент, кандидат технических наук С. В. Скворцова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современного машиностроения, в том числе и авиационной техники, невозможно представить без использования технологий поверхностной обработки, позволяющих радикально изменять свойства поверхностных слоёв конструкционных материалов и тем самым обеспечивать повышение их работоспособности. Одним из направлений повышения работоспособности изделий является создание модифицированных поверхностных слоёв и покрытий различного служебного назначения для защиты рабочих поверхностей деталей. При этом реализуемый новый комплекс физико-химических и эксплуатационных свойств, как правило, не свойственен материалу основы и позволяет обеспечить как работоспособность поверхностных слоев изделий в экстремальных условиях эксплуатации, так и их ремонт.

Вакуумные ионно-плазменные технологии используются в авиационной промышленности с 1986 г., когда впервые был разработан нормативный технологический процесс по нанесению многослойных коррозионно-износостойких покрытий на основе композиции Ti-TiN на ниппельные соединения трубопроводов гидравлических систем самолётов. Двадцатилетний опыт эксплуатации данного вида покрытий показал его высокую надёжность.

Современные достижения в области оборудования и вакуумных ионноплазменных технологии позволяют рассматривать их как наиболее перспективные технологии при производстве изделий авиационной техники. Так как они позволяют создавать сложные композиции различных видов покрытий, а также осуществлять комплексную обработку с предварительным диффузионным модифицированием.

Это в свою очередь позволяет создавать градиентные структуры поверхностных слоёв со специальными свойствами без ухудшения механических свойств в объеме изделий. При этом модифицирование поверхности дает значительный положительный эффект как за счет повышения ресурса работы изделий, так и за счет снижения затрат на мероприятия по повышению несущей способности основного материала, включая дополнительное легирование и совершенствование технологий производства полуфабрикатов и изделий.

Однако широкое применение вакуумных ионно-плазменных технологий в производстве ответственных деталей авиационной техники сдерживается целым рядом проблем, связанных с обеспечением качественного выполнения различных технологических этапов формирования покрытии и модифицирования поверхности:

- формирование однородного потока плазмы в рабочем объёме вакуумной камеры, как по энергетическим параметрам, так и по его плотности;

- распределение плазменного потока относительно обрабатываемой поверхности;

- формирование контролируемой текстуры покрытия за счет варьирования плотности и энергии плазменного потока;

- формирование контролируемого состава многокомпонентных покрытий из чистых металлических компонентов или из сплавов при использовании электродуговых испарителей;

- оптимизации технологии подготовки поверхности деталей перед вакуумной ионно-плазменной обработкой.

Самостоятельной проблемой является сохранение исходного уровня механических свойств материала детали после воздействия на него высокоэнергетического плазменного потока. Это делает необходимым разработку таких технологических режимов, которые не только не снижают, но в ряде случаев даже повышают служебные характеристики материала детали за счет создания на поверхности композиционной структуры.

Для эффективного решения указанного комплекса проблем необходимо создание системы оценки уровня служебных свойств и структурного состояния материалов, подвергнутых различным видам поверхностной обработки, что позволит обеспечить воспроизводимость формирования структуры и свойств поверхностных слоев материалов в технологических процессах.

Таким образом, исследования, направленные на решение проблем применения экологически чистых вакуумных ионно-плазменных технологий, на основе изучения формирования равномерных по плотности и энергии потоков газовой и металлической плазмы, а также анализа закономерностей формирования структуры и свойств модифицированных поверхностей и покрытий на деталях авиационной техники, обеспечивающие гарантированный уровень эксплуатационных свойств, являются актуальными.

Цель работы: Исследование закономерностей влияние воздействия газовой и металлической плазмы на структуру и свойства поверхностных слоев конструкционных материалов на различных этапах технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки, в зависимости от энергетических характеристик плазмы и компоновки источников плазмы серийных установок типа ННВ-6.6.

Для достижения постановленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выявить влияние геометрических, химических и энергетических характеристик газовой и металлической плазмы на структуру и свойства поверхностных слоев конструкционных материалов на различных этапах технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки, осуществляемой с использованием серийных установок типа ННВ-6.6;

2. Разработать метод оценки качества подготовки поверхности и эффективности проведения различных этапов технологического процесса модифицирования поверхности и нанесения покрытий;

3. Разработать технологические способы повышения эффективности очистки и активации поверхности перед проведением модифицирования поверхности и нанесения покрытий;

4. На основе установленных закономерностей создать компоновочную схему установки нового поколения и разработать комплекс аппаратурных и технологических мероприятий, обеспечивающих получение требуемой структуры поверхностных слоев и стабильно высокий уровень эксплуатационных свойств.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Разработан метод очистки и активации поверхности деталей из конструкционных материалов, путем обработки ускоренной газовой плазмой, что обеспечивает полное удаление оксидов без внесения макро- и микроструктурных дефектов в поверхностный слой деталей.

Показано, что эффективность очистки и активации поверхности зависит от шероховатости исходной поверхности и степени замещения атомов металла основы сплава, из которого изготовлена деталь в поверхностном оксиде атомами легирующих элементов сплава. Для поверхностей с параметром шероховатости Ra < 0,3 мкм и низкой степенью замещения энергия ионов плазмы не должна превышать 200 эВ, а для поверхностей с Ra 0,3 мкм и высокой степенью замещения - 400 эВ.

2. Разработана комплексная система оценки эффективности реализации отдельных этапов технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки и качества сформированной поверхностной структуры изделий из различных конструкционных материалов. В рамках этой системы показана эффективность метода количественной оценки эффективности процессов очистки и активации поверхности по изменению величины поверхностного потенциала, и рентгеновского флюоресцентного метода неразрушающего контроля толщины покрытия.

3. Установлены закономерности влияния энергетических параметров газовой и металлической плазмы на структурное состояние поверхностного слоя при модифицировании, а также на структуру, кристаллографическую текстуру и когерентность границ слоев при формировании однокомпонентных и многокомпонентных однослойных и многослойных покрытий.

4. Установлен количественный критерий выбора эффективности применения плазмообразующего газа для процессов очистки и активации исходной поверхности, согласно которому, поверхность детали можно считать полностью очищенной и активизированной для реализации процессов модифицирования и нанесения покрытия, если значения поверхностного потенциала находятся в области положительных значений.

5. Показано что, оптимальной температурой ионной очистки является температура, при которой дефектность поверхностных оксидов наибольшая, что соответствует максимальной величине потенциала поверхности. Температура ионной очистки поверхности составляет для титановых сплавов ~400оС, ~350оС для сталей и ~350оС для алюминиевых сплавов, что обеспечивает удаление оксидов с поверхности при минимальном уровне энергетического воздействия плазмы на поверхность.

Практическая значимость работы 1. Разработана новая схема размещения источников газовой и металлической плазмы в виде поворотных технологических модулей. На основе этих модулей создана новая компоновочная схема универсальной установки модульного типа, изготовлена установка УРадугаФ, которая позволяет реализовать комплексные технологии, сочетающие модифицирование и нанесение покрытий на поверхности деталей из материалов, применяемых в авиастроении. Результаты разработки защищены двумя патентами.

2. Разработаны методические материалы Комплексная оценка качества формирования ионно-вакуумных покрытий и диффузионного модифицирования поверхности деталей и изделий машиностроения (ММ 1-3430-4-2002), которые используются в производстве деталей авиационной техники.

3. Разработано и изготовлено устройство для измерения величины поверхностного потенциала на основе метода контактной разности потенциалов (КРП): Приспособление для измерения разности потенциалов ПАСП-МК03;

комплект чертежей датчика 3-3430-1-2003; техническое описание и инструкция по эксплуатации 2-3430-1-2003.

4. На основе установленных закономерностей реализована комплексная технологическая схема обработки ниппельных соединений трубопроводов авиационной техники из конструкционных сталей, включающая низкотемпературную очистку и активацию поверхности ниппельных соединений с вакуумным ионно-плазменным нанесением многослойных покрытий, формирующих на поверхности многослойные коррозионностойкие градиентные структуры.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: 2-ой международной научной конференции Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы, Москва, Россия (2003 г.); Всероссийской научно-технической конференции Новые материалы и технологии в МАТИ- РГТУ им. К.Э. Циолковского (2004 г.); V Международном аэрокосмическом конгрессе IACТ06, Москва, Россия (2006г.); на Международных конференциях Титан в СНГ в г. Суздале, Россия (2006 г.);

Титан в СНГ в г. Ялте, Украина (2007г.), Международной молодежной научнотехнической конференции Гагаринские чтения, Москва, МАТИ-РГТУ им.К.Э.

Циолковского, (2006 г.); 6 научной конференции по гидроавиации Гидроавиасалон-2006 в г. Геленджике, Россия (2006 г.); на V Всероссийской международной научно-технической конференции Быстрозакаленные материалы и покрытия в МАТИ- РГТУ им. К.Э. Циолковского Москва (2006 г.); 6-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции Быстрозакаленные материалы и покрытия, Москва, МАТИ-РГТУ им.

К.Э.Циолковского (2007 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из Перечня ведущих научных журналов и изданий ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения. Список статей и патентов приведен в конце автореферата.

Объем диссертации, ее структура. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и списка литературы из 151 наименований.

Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, таблиц.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА Анализ литературных данных показал, что процессы формирования вакуумных ионно-плазменных покрытий и модифицирования поверхности конструкционных материалов методом конденсации с ионной бомбардировкой отличаются аппаратурным обеспечением, используемой технологией, выбором химического состава покрытий, механизмом формирования поверхностных микроструктур, фазового состава и реализуемым уровнем остаточных напряжений.

Проанализированы вопросы применения методов исследования и контроля качества формирующихся покрытий и модифицированных слоев на различных этапах соответствующих технологических процессов.