Физико-химическое модифицирование поверхностей деталей

Под физико-химическим модифицированием понимают целенаправ­ленное изменение свойств поверхности в результате технологического внешнего воздействия. При этом имеется в виду изменение структуры материала в тонких поверхностных слоях вследствие физического воз­действия (ионными и электронными пучками, низкотемпературной и вы­сокотемпературной плазмы, электрического разряда и др.) или химиче­ского воздействия, приводящего к образованию на поверхности слоев химических соединений на основе базового материала (химическое, электрохимическое и термическое оксидирование, фосфатирование, сульфидирование, плазменное нитрирование и т.д.).

Очевидно, что отсутствует выраженная классификационная граница между процессами физико-химического модифицирования и поверхно­стного упрочнения.

Среди множества способов физико-химического модифицирования наиболее перспективными представляются ионная имплантация, аноди­рование, в частности импульсное (обработка в электролитной плазме), лазерное упрочнение.

Ионная имплантацияявляется сравнительно новым способом физико-химического модифицирования, основанным на внедрении ускоренных ионов легирующих элементов в поверхностный слой. Имплантируемые ионы имеют малую глубину проникновения, однако их влияние распро­страняется намного дальше от поверхности.

Можно выделить следующие особенности ионной имплантации:

возможность формирования на поверхности сплавов, которые нельзя получить в обычных условиях из-за ограниченной растворимости или диффузии компонентов. В ряде случаев равновесные пределы раствори­мости превышены на несколько порядков;

легирование не связано с диффузионными процессами, за исключени­ем модифицирования материалов ионной имплантации при большой плотности тока, когда наблюдается радиационно-стимулированная диф­фузия компонентов;

процесс протекает при низких температурах (менее 150 °С), без изме­нения механических свойств материала. Метод позволяет обрабатывать термочувствительные материалы;

отсутствует заметное изменение размеров деталей после имплантации;

модифицированные поверхности не требуют дальнейшей финишной обработки;

процесс хорошо контролируется и воспроизводится;

экологическая чистота процессов;

упрочняются только открытые поверхности, непосредственно находящиеся под воздействием облучения ионами;

малая глубина модифицированного слоя;

относительно высокая стоимость оборудования.

Ионная имплантация может выполняться ионами газов и металличе­скими ионами, причем с различными уровнями энергии:

высокой энергии (30 ... 100 кэВ, 65 мА);

средней энергии (1... 10 кэВ, 100 мА);

низкой энергии (0,1 ... 1,5 кэВ, 200 мА)

с диаметром луча 300 ... 450 мм.

Различают имплантации ионным лучом (рис. 5.40, а) и ионами плазмы (рис. 5.40, б).

Установка для имплантации ионным лучом содержит источник ионов 1, систему «вытягивания» ионов 2, сепаратор ионов 3, магнитные фокуси­рующие линзы 4, линейный ускоритель 5, электростатическую отклоняющую систему 6. На практике используются различные по конструк­ции источники ионов непрерывного и импульсного действия, генери­рующие ионы газов (от водорода до криптона) и металлов (с горячим и холодным катодом, магнетронный, диаплазмотрон и др.). Выходящие из источника ионы неоднородны по составу. Для отделения посторонних ионов используется магнитный масс-сепаратор, который отклоняет от основной оси ионы, имеющие другую массу и заряд. «Очищенный» ион­ный луч фокусируется и ускоряется в линейном ускорителе. Сканирова­ние ионного луча по поверхности упрочняемой детали производится от­клоняющей системой 6. Для обеспечения равномерности упрочнения деталь вращается и поворачивается относительно луча.

Рис. 5.40. Схема установки для ионной имплантации с линейным ускорителем (а) и 3D-имплантация (б):

1 – источник ионов; 2 – система вытягивания ионов; 3 – сепаратор; 4 – фокусирующие магниты; 5 – линейный ускоритель; 6 – электростатическая отклоняющая система; 7 – поток ионов; 8 – упрочняемые детали

Ионная имплантация ионами плазмы - иногда ее называют 3D-имплантация - выполняется в вакуумных камерах, где тлеющим или дуго­вым разрядом создают ионизированную среду, а на деталь подается им­пульсное высокое напряжение, обеспечивающее ускорение ионов в на­правлении бомбардируемых поверхностей. Высокоэнергетический ион­ный поток может формироваться непосредственно в процессе горения импульсного самостоятельного разряда между заземленной вакуумной камерой и изделием, являющимся катодом. Ионы, ускоренные в поле прикатодного падения малой толщины, эффективно модифицируют поверхность изделия, которое может иметь сложную объемную форму. Па­дающие ионы генерируют электронный пучок с поверхности изделия, который, взаимодействуя с плазмой, обеспечивает самоподдержание разряда. Этот метод имеет определенные преимущества перед лучевыми методами за счет простоты и относительно низкой цены реализации технологических процессов. Он может сочетаться с другими ионно-плазменными методами обработки, такими, как магнетронное, вакуумно-дуговое и плазменно-термическое напыление, ионное азотирование и др.

При высокоэнергетической ионной имплантации для упрочнения ме­таллов и сплавов, керамик, полимеров используются ионы газов с энергиеи до 100 кэВ.

Обработка высокоэнергетическими ионами азота эффективно повышает стойкость режущего и штампового инструмента, усталостную прочность деталей.

Имплантация атомов внедрения (азот, углерод и бор) способствует повышению износостойкости и сопротивления усталости сталей. Эти элемен­ты обладают свойством сегрегации к дислокациям даже при комнатной температуре, что блокирует их движение и упрочняет поверхностный слой, а это в свою очередь препятствует развитию усталостных трещин. На рис. 5.41 приведены результаты исследований влияния ионной импланта­ции на усталостную прочность лопаток из сплава ВТ18У, выполненных в Уфимском авиационном университете.

Установлено, что увеличение усталостной прочности обусловлено не действием остаточных напряжений сжатия, возникающих при ионной имплантации, как считалось раньше, а торможением развития усталост­ных трещин вследствие снижения подвижности дислокаций.

Для повышения антифрикционных свойств может выполняться имплантация ионов молибдена и двойного количества ионов серы. Совме­стная имплантация может стать новым методом формирования анти­фрикционных и других специальных легированных слоев.

Имплантируя титан, получают на поверхности аморфную фазу Ti-C-Fe, что приводит к снижению трения и износа.

Ионная имплантация широко используется для повышения коррозионной стойкости стальных деталей. С этой целью имплантируют ионы Сг, Mo, Ti, Сг-Р, Сг-Мо, Та-Cr-P и др. при энергиях 50 ... 150 кэВ доза­ми 5• 10¹⁶... 2• 10¹⁷ см^-2. Увеличение сопротивления коррозии объясняет­ся формированием на поверхности пассивирующих пленок, в частности фосфатных.

Рис. 5.41. Изменение усталостной прочности лопаток IV ступени КВД из сплава ВТ18У после ионной имплантации в поверхность (Т = 20^оС, f = 1000 Гц):

1 – виброполирование; 2, 3, 4 – имплантация ионов N⁺, C⁺, B⁺ ; 5 – обработка без виброшлифования + имплантация ионов N⁺; 6 – ионная имплантация N⁺ + отжиг в контролируемой атмосфере

а) б)

Рис. 5.42. Микрофотографии структуры поверхностей до (а) и после (б) ионной имплантации азота в титановый сплав

На рис. 5.42 приведены фотографии микроструктуры поверхностей до и после ионной имплантации азота в титановый сплав.

Лазерное упрочнениеосновано на изменении физико-химических свойств материалов при воздействии лазерного луча. Лазерным упрочне­нием выполняют:

лазерную термическую обработку (закалка, отжиг, отпуск);

глазурирование (оплавление для получения остеклованной поверхности);

поверхностное легирование;

наплавку (восстановление изношенных деталей);

плакирование.

Локальная термическая обработка осуществляет модифицирование структуры поверхностного слоя. При этом обеспечиваются такие температурно-временные режимы и результаты упрочнения, которые сложно или невозможно получить традиционными способами термической обра­ботки, а именно:

высокие скорости нагрева и охлаждения (скорости нагрева достигают величин 10⁴... 10⁸ К/с, а скорости охлаждения - 10³... 10⁴ К/с в зависи­мости от времени воздействия и энергии излучения, а также от режимов работы лазера). Такие режимы нагрева и охлаждения приводят к нерав­новесному протеканию фазовых превращений, к смещению критических точек Ас и А, образованию пересыщенных твердых растворов с мелко­дисперсными структурами вплоть до аморфных. В результате формиру­ется слой с повышенной твердостью (превышает на 15 ... 20 % твердость после закалки существующими способами), с хорошим сопротивлением износу и схватыванию при трении;

возможность упрочнения поверхностей в труднодоступных местах (полости, углубления), куда луч лазера может быть введен с помощью оптических устройств;

использование лазера позволяет резко уменьшить глубину закаленно­го слоя и эффективно управлять его величиной.

Лазерное закаливание используется для упрочнения режущего и ме­рительного инструмента, рабочих кромок матриц и пуансонов на глубину до 0,15 мм (импульсное излучение) и до 1,5 мм (непрерывное излучение). На инструментальных сталях твердость составляет 63 ... 67 HRC. Шеро­ховатость обрабатываемой поверхности при этом не изменяется.

При лазерном воздействии на вольфрамокобальтовые твердые сплавы происходит дополнительное растворение периферии зерен WC в кобальте, диффузия кобальта к поверхности и увеличение степени микроис­кажений кристаллической решетки карбид­ной фазы сплавов, что благоприятно сказы­вается на их износостойкости.

Дополнительному упрочнению способствует увеличение плотности дислокаций за счет действия термических и фазовых на­пряжений, возникающих при локальном ла­зерном нагреве.

Установлено, что использование лазерного излучения в качестве источника нагрева при термопластическом упрочнении никелевых сплавов позволяет получать в поверхностном слое остаточные напряжения сжа­тия величиной до 10 ГПа.

При лазерной термической обработке можно создать условия избирательного испарения выступов неровностей, которые приводят к снижению шероховатости поверхности.

Глазурирование заключается в создании тонкого слоя расплава на поверхности, который, остывая, образует слой глазури - остеклованной (аморфной) поверхности. Этот вид обработки в отличие от предыдущего связан с проплавлением части материала. Сверхбыстрая кристаллизация расплава, обусловливающая получение сверхмелкозернистых структур или структур, обладающих сверхвысокой дисперсностью упрочняющих фаз с высокой однородностью химического состава, определяет более высокие эксплуатационные свойства поверхностных слоев. Чистые металлы трудно перевести в аморфное состояние методом закалки из рас­плава. Аморфное состояние возможно у сплавов переходных металлов (Ti, Zr, Nb, Та) с Сu, Fe, Co, Ni. Для стабилизации аморфного состояния в сплавы вводят элементы-стабилизаторы (углерод, бор, кремний). Износо­стойкость аморфизированных поверхностей с бором в качестве стабили­затора превышает износостойкость твердых сплавов на основе WC-Co.

Лазерное легирование в последние годы получает все более широкое распространение. Для ввода в расплав легирующих компонентов используют намазывание поверхностей пастами определенного состава, предварительное нанесение покрытий из легирующего материала, электроис­кровую металлизацию, накатывание фольг и проволоки.

С помощью лазера сравнительно легко осуществляется процесс азотирования и науглероживания поверхности изделий. Образующиеся но­вые фазы и соединения (карбиды, нитриды) обладают свойствами, позво­ляющими резко повысить твердость, а также износостойкость материа­лов. В результате такого легирования удается повысить твердость и изно­состойкость в 2 ... 3 раза. Перспективным является легирование деталей из углеродистых сталей металлокерамической смесью или твердыми вольфрамокобальтовыми сплавами. Достоинством способа лазерного легирования, несомненно, является возможность управления его пара­метрами: энергией, частотой следования импульсов и их длительностью. Изменяя скорость перемещения и число проходов луча по поверхности, можно достаточно просто и точно изменять фазовый и химический со­став поверхностных слоев, добиваясь необходимых результатов.

Для увеличения износостойкости торцевых поверхностей лопаток, ра­ботающих в контакте с уплотнительными покрытиями, рекомендуется упрочнение лазерным переплавом материала торца с предварительно на­несенными на него частицами карбида кремния.

Лазерная наплавка является одним из наиболее перспективных способов восстановления ответственных деталей ГТД, в частности лопаток турбин и компрессоров. Ее основными достоинствами являются возмож­ность устранения небольших дефектов без разогрева примыкающей к дефекту поверхности и отсутствие поводок при наплавке.

Лазерную наплавку производят в камерах с защитной атмосферой или с поддувом инертного газа. В качестве присадочных мате­риалов используют проволоку, фольгу или порошковые материалы.

Лазер­ная наплавка порошковыми металлическими сплавами при минимальном термическом воздействии позволяет повысить в несколько раз работо­способность деталей в тяжелых температурных, эрозионных и других условиях эксплуатации.

Лазерное плакирование заключается в расплавлении предварительно нанесенного на поверхность детали материала, который затем растекает­ся по ней с последующим быстрым затвердеванием. Плакированию под­вергают материалы, имеющие высокую температуру плавления, при ус­ловии сравнительно низкой температуры плавления плакирующего мате­риала во избежание подплавления основного материала.

Обработка в электролитной плазме позволяет получать на поверхно­сти деталей твердые оксидные керамические покрытия, имеющие исклю­чительно высокую прочность сцепле­ния с подложкой. Покрытие формиру­ется непосредственно из материала поверхности детали под воздействием плазменных разрядов в жидком элек­тролите и представляет со­бой плотную твердую керамику.

Такие покрытия могут быть полу­чены на алюминиевых, магниевых, титановых, циркониевых и других сплавах, а также интерметаллидных сплавах TiAl, AlNi. На других материалах, например сталях, подобные покрытия можно получить путем предварительного нанесения алюминия, в частности алитированием с последующей обработкой в электролитной плазме.

Покры­тия выдерживают кратковременное воздействие температур до 2000 °С, обладают высокой коррозионной стойкостью и низким коэффициентом трения (менее 0,1 в смазке и менее 0,5 всухую).