SHABANOVA IRINA NIKOLAYEVNA (RU)
ZHURAVLEV VITALY ANATOLEVICH (RU)
TRAPEZNIKOV VIKTOR ALEKSANDROV (RU)
SHABANOVA IRINA NIKOLAYEVNA (RU)
ZHURAVLEV VITALY ANATOLEVICH (RU)
| WO2002066706A2 | 2002-08-29 | |||
| WO1988006639A1 | 1988-09-07 |
| RU2235147C1 | 2004-08-27 |
| формула изобретения
1. способ упрочнения изделий, включающий формирование на поверхности детали упрочняющего слоя на основе церийсодержащего 5 материала, отличающийся тем, что в качестве материала для упрочняющего слоя используют материал с тяжелофермионными свойствами.
2. способ по п. I 5 отличающийся тем, что в качестве материала с тяжелофермионными свойствами используют церий αсе и/или тяжелофермионные соединения церия. ю 3. способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве тяжелофермионных соединений церия используют соединения со степенью ковалентности в химической связи атомов от 0,3 до 0,7 и запрещенной зоной 0< δE<3 эв.
4. способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве тяжелофермионных соединений церия используют соединения церия с, по меньшей мере, одним
15 элементом Iпа-VIа групп периодической системы и/или с, по меньшей мере, одним переходным металлом с заполненной или близкой к заполнению d-оболочкой.
5. способ по п.l, отличающийся тем, что упрочняющий слой формируют по толщине не менее 0, 1 мкм 0 6. способ по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющий слой формируют по толщине в несколько этапов.
7. способ по п.6, отличающийся тем, что на каждом этапе формирования упрочняющего слоя используют различные тяжелофермионные системы.
8. способ по любому из п. п.l - 7, отличающийся тем, что после 5 покрытия изделия упрочняющим слоем на него наносят слой из кристаллического аморфизируемого материала.
заменяющий лист (правило 26) |
способ упрочнения изделий
настоящее изобретение относится к способам повышения прочности
5 изделий и может быть использовано при изготовлении различных изделий в авиастроении, машиностроении, станкостроении, а также при изготовлении инструментов с повышенными требованиями к прочности.
способ направлен на упрочнение металлических изделий, работающих в условиях больших механических и тепловых нагрузок, а также в условиях, ю приводящих к эрозии и коррозии поверхностей изделий. к изделиям, работающим в таких условиях, относятся лопатки компрессоров и турбин двигателей летательных аппаратов, кольца и цилиндры двигателей внутреннего сгорания, оружейные стволы, детали шлифовальных и металлообрабатывающих станков, например, фрезы, долбяки, токарные
15 резцы и т.п., а также режущий инструмент. необходимость упрочнения подобных изделий связана с тем, что микроскопические трещины и полости на поверхности изделий, работающих в жестких условиях, являются причиной их разрушения и снижения срока службы.
известно использование редкоземельных металлов и их соединений, в
20 том числе церия и его соединений, для повышения прочностных свойств изделий. церий и его соединения вводят в сплавы или используют для нанесения защитных покрытий. при использовании церийсодержащих материалов для покрытий применяют различные технологии: электролитическое осаждение (пат. сша JNi- 5932083, Kл.205/261, 1999 г.,
25 пат.заявка сша JSTs 2004/0144642, Kл.204/290.04, 2004 г.), гальванизацию
(например, EP JYa 1354970, кл. C22C38/00 и др., 2003 г.), вакуумное напыление, осаждение из паровой и газовой фазы (пат. сша N° 6808761 кл.
427/596, 2004 г., пат. заявка сша N° 2004/0026260, Kл.205/261,
2004 г.), плазменное напыление (например, EP JVb 1260602, Kл.C23C4/12, зо 2002 г. и др.), метод ионной имплантации (например, пат. россии JVb 2235147,
заменяющий лист (правило 26)
кл. C23C14/48, 2004 г.). настоящее изобретение направлено на разработку способа, позволяющего получить высокий технический результат по повышению прочностных свойств изделий при использовании любой 5 известной технологии нанесения покрытий, доступной практически любому производителю (метод ионной имплантации в настоящее время большинству производителей недоступен).
выбор тех или иных церийсодержащих материалов определяется назначением изделий, условиями их эксплуатации, требуемым ресурсом и ю т.п. так, оксиды, оксалаты и диоксиды церия используют для повышения устойчивости к коррозии и эрозии (пат. сша N° 5932083 ,Kл.205/261, 1999 г., пат.заявка сша JNo 2004/0020568, кл. 148/273, 2004 г., пат.заявка сша JYo 2004/0016910, кл. 252/387, 2004 г. пат.заявка сша íN° 2004/0028820, кл. 427/367.1, 2004 г), для повышения абразивных свойств изделий и повышения
15 качества шлифовального инструмента (заявка японии Jч° 2000117643, кл. B24Dз/32, 2000 г., пат. сша JNo 6471733, кл. 51/298, 2002 г.), для повышения твердости и устойчивости к высоким температурам, а также для предотвращения образования трещин (например, пат. японии JNs 2001302943, кл. C09Cз/08 и др., 2001 г., WO JYs 0153420, кл. C08F290/00, 2001 г.). для
20 повышения прочности режущего инструмента используют флюорит церия (пат. заявка японии JSгs 2003321763, Kл.C23C 14/06, 2003г.) известно использование церия и его солей в покрытиях для упрочнения изделий из различных металлов и сплавов, в том числе, алюминия и его сплавов (пат. сша No 6077885, Kл.523/445, 2000 г., пат. сша JYs 6248184, Kл.148/275,
25 2001 г., пат. сша JYo 6635362, кл. 428/678, 2003 г.).
в качестве прототипа выбран способ, известный по пат. заявке сша JNfо 2002/0132131, кл. 428/615, 2002 г., основанный на формировании на изделии аморфного упрочняющего слоя с применением оксида церия.
недостатком этого способа, как и всех вышеприведенных, является зо недостаточная прочность упрочняющего слоя, что выражается в том, что
заменяющий лист (правило 26)
повышение ресурса изделий, изготовленных таким способом возможно не более, чем в 2 раза.
заявляемый способ, как и известный, основан на формировании на изделии упрочняющего слоя на основе церийсодержащего материала, а в соответствии с изобретением в качестве церийсодержащего материала используют материал с тяжелофермионными свойствами.
в качестве материала с тяжелофермионными свойствами используют αсе и/или тяжелофермионные соединения церия. целесообразно в качестве тяжелофермионных соединений церия использовать соединения церия со степенью ковалентности в химической связи атомов от 0,3 до 0,7 и запрещенной зоной - 0 < δе < 3 эв.
при этом в качестве тяжелофермионных соединений церия используют соединения церия с элементом IIIа- VIA групп периодической системы или с переходными металлами с заполненной или близкой к заполнению d- оболочкой.
упрочняющий слой формируют по толщине не менее 0,1 мкм.
целесообразно упрочняющий слой формировать по толщине в несколько этапов. при этом на каждом этапе формирования упрочняющего слоя используют различные материалы в зависимости от эксплуатации изделий.
после покрытия изделия упрочняющим слоем на него целесообразно нанести слой из кристаллического аморфизируемого материала. изобретение основано на экспериментальных исследованиях с последующим теоретическим обоснованием полученных результатов. исследования показали, что упрочняющий слой из материала в тяжелофермионном состоянии позволяет повысить прочность изделий в десятки раз. характерной особенностью тяжелофермионных систем является высокая электронная плотность на уровне ферми и большая эффективная масса
заменяющий лист (правило 26)
электронов проводимости. тяжелофермионное состояние церийсодержащих материалов на основе αсе или соединений церия связано с наличием в них f— электронов. внешнее воздействие на такие материалы приводит к заполнению в них локализованной f-оболочки за счет валентных электронов церия и/или других компонентов, входящих в состав соединения, и, как следствие, к увеличению электронной плотности на уровне ферми и росту межатомного взаимодействия. тяжелофермионными свойствами при внешних воздействиях обладают соединения церия с элементами Iпа- VIA групп периодической системы, соединения церия, по меньшей мере, с одним переходным металлом с заполненной или близкой к заполнению d-оболочкой (Cu, Ag, Au, Pd, Pt, Ru, Rh, Ir), а также соединения церия с вышеприведенными переходными металлами и элементами IIIа- VIA групп периодической системы. необходимое сохранение локализации f- электронной плотности, т.е. отсутствие перекрытия между волновыми функциями f-электронов соседних атомов в тяжелофермионных соединениях обеспечивается степенью ковалентности в химической связи атомов в упрочняющем слое от 0,3 до 0,7 и запрещенной зоной (δе) между валентной зоной и зоной проводимости 0<δE<зэB, что эквивалентно расстоянию между 4f электронами соседних атомов не менее 3,5-4 а.
толщина упрочняющего слоя должна быть соизмерима с размерами микротрещин на изделиях и, как показали эксперименты, определяется необходимостью заполнения устья трещин; в общем случае толщина может быть равной 0,1-0,3 мкм. толщина слоя, равная 0,1 мкм, обеспечивает повышетние прочности изделий на порядок (не менее, чем в 10 раз), при этом, чем больше толщина слоя при формировании слоя за один раз, тем выше прочностные свойства изделия. в то же время упрочняющий слой можно формировать в несколько этапов, при этом слои покрытия могут быть выполнены как из одного и того же материала, так и из разных материалов,
заменяющий лист (правило 26)
каждый из которых ответственен за реализацию конкретного требуемого свойства. так, например, для повышения эксплуатационных свойств изделия, работающего в агрессивной среде в режиме импульсного воздействия, 5 упрочняющий слой может состоять из слоев различных материалов, один из которых повышает прочность изделия при импульсных воздействиях, а другой защищает изделия от разрушающего воздействия агрессивной среды.
для повышения сопротивления коррозии, окислению, эрозии после нанесения упрочняющего слоя целесообразно нанести слой из ю кристаллического материала, переходящего в аморфный. аморфизация может происходить при нанесении слоя или в результате внешних воздействий в процессе эксплуатации изделия (давлении, температуры, шлифовки). защитные свойства аморфных покрытий связаны с наличием прочной ковалентной связи атомов материалов, входящих в состав
15 покрытий. толщина покрытия (0,1 - 0,2 мм) определяется необходимостью защитить упрочняющий слой от царапин и других нарушений сплошности. легко аморфизирующимися материалами являются соединения вышеприведенных переходных металлов с элементами IIIа -VIA групп периодической системы, например: Fe(Ni 5 Co)-X, где X - в, P, Si или CeSi.
20 повышение упрочняющих свойств изделий в общем случае не связано с применением конкретной технологии и выбором конкретных материалов для нанесения упрочняющего слоя, но, исходя из условий эксплуатации изделия, можно подобрать оптимальные материалы для упрочняющего слоя. так, например, для изделий, работающих в режиме импульсного воздействия на
25 него больших нагрузок, в интервале времени между воздействием на изделие этих нагрузок (например, время холостого хода) время релаксации электронной системы материала должно быть больше этого интервала времени. время релаксации электронной системы определяется значением плотности электронных состояний на уровне ферми или эффективной зо массой электронов проводимости. эти параметры могут быть измерены
заменяющий лист (правило 26)
коэффициентом γ электронной теплоемкости. исходя из известности режима эксплуатации и физического представления происходящих процессов подбирают материалы упрочняющего слоя: при импульсном воздействии на 5 изделие через каждые 10 "4 c, например, для компрессоров и турбин двигателей летательных аппаратов, можно использовать в качестве материала для упрочняющего покрытия CeSi 2 , CeSn 3 , CePt 3 , при воздействии через каждые 10 "2 c; например, для колец цилиндров двигателей внутреннего сгорания, - Ce 3 Pd 2 Ge 5 , CeCu 2 Si 2 , CeRu 2 Si 2 , при воздействии через каждые ιо 10 "1 C; например, для инструмента металлообрабатывающих станков, - CePd 3 , CeCu 65 CeCu 3 , при постоянном воздействии на изделие нагрузок; например, для резца токарного станка в качестве материала для упрочняющего слоя можно использовать сплав церия с палладием (CePd 3 ), у которого существование тяжелофермионного состояния после внешних воздействий
15 ожидается длительное время .
примеры конкретной реализации способа.
пример 1.
для нанесения упрочняющего слоя на поверхность лопаток компрессора авиадвигателя целесообразно использовать соединение CeCu 2 Si 2 и нанести
20 его толщиной -0,1 мкм методом ионной имплантации. ресурс лопаток повышается более чем на порядок.
проведенные усталостные испытания серийных (без покрытия) и опытных лопаток (с покрытием) на стенде завода-изготовителя показали повышение ресурса лопаток над серийными более чем на порядок при
25 одинаковой нагрузке в 22 кгс мм " и частоте колебаний 6,7 кгц. усталостные испытания шести лопаток, покрытых соединением церия (CeCu 2 Si 2 ) не разрушались ни после первой базы испытаний в 10 8 циклов (см. таблицу), ни после второй - 2x10 8 циклов (см. таблицу) и при испытаниях в пределах третьей базы (зхl 0 8) стали отрываться датчики на лопатках, а сами лопатки зо все остались целыми. в работе принимали участие специалисты удмуртского
заменяющий лист (правило 26)
государственного университета, физико - технического института уо ран (г.ижевск), курчатовского института атомной энергии (г.москва) и акционерного общества «Aвиaдвигaтeль» (г.пермь).
результаты усталостных испытаний лопаток 3-eй ступени KB д двигателя пC-90A, подвергнутых ионной имплантации и нагрузке 1x10 8
условный N_> σ, Kгc/мм2 по частота наработка результа лопатки тензорезистору испыт.гц в циклах испытан]
20 22 6148 IxIO 8 не слом.
19 22 6137 IxIO 8 не слом.
18 22 6069 IxIO 8 не слом.
17 22 5955 IxIO 8 не слом.
16 22 5870 IxIO 8 не слом.
15 22 6055 IxIO 8 не слом.
14 22 6143 IxIO 8 не слом.
результаты усталостных испытаний лопаток 3-eй ступени KB д двигателя пC-90A, подвергнутых ионной имплантации и нагрузке 2x10 8
условный N° σ, Kгc/мм2 по частота наработка результаты лопатки ттеен:зорезистору испыт.гц в циклах испытаний
14 22 6137 2xlO u не слом.
15 22 6055 2x10 8 не слом.
16 22 5870 2xlO 8 не слом.
17 22 5955 2xlO 8 не слом.
18 22 6069 2x10 8 не слом.
19 22 6137 2x10 8 не слом.
20 22 6148 2x10 8 не слом.
заменяющий лист (правило 26)
пример 2
для упрочнения фрезы используют соединения CeAl 3 или CeCu 6 , упрочняющий слой формируют методом напыления с использованием лазерного или электронно-лучевого испарения. упрочняющий слой наносят послойно не менее одмкм с интервалом 1-2 минуты до полной толщины 0,1-
0,3 мкм.
затем формируют моно или многослойный слой из аморфизируемого материала, используя материал основы детали или Fe 80 Pi 3 C 7 толщиной 0,1- 0,3мм. прочность изделия составляет 10-17 кратное превышение прочности изделия без покрытия. фреза устойчива к коррозии в процессе её эксплуатации.
пример 3 для нанесения упрочняющего слоя на поверхность ствола автоматического оружия целесообразно использовать соединение CeAl 3 .
упрочняющий слой на поверхности детали формируют методом гальванизации в стандартном режиме. упрочняющий слой наносят послойно не менее одмкм с интервалом 1-2 минуты до полной толщины 0,1-0,3 мкм. в качестве аморфизируемого материала используют материал основы ствола, который напыляют на упрочняющий слой. прочность изделия увеличивается более чем на порядок.
таким образом, предложенный способ упрочнения изделий позволяет повысить прочностные характеристики изделий в десятки раз.
заменяющий лист (правило 26)