Автореферат (Поверхностное упрочнение инструментальных и конструкционных материалов нанесением дискретного диффузионного покрытия)

На правах рукописиЧекалова Елена АнатольевнаПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХМАТЕРИАЛОВ НАНЕСЕНИЕМ ДИСКРЕТНОГОДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯСпециальность 05.16.09 «Материаловедение» (машиностроение)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 20182Работа выполнена в филиале «Научно-исследовательский институт технологиии организации производства двигателей» (НИИД) Акционерного общества «Научнопроизводственный центр газотурбостроения «Салют»(АО «НПЦ газотурбостроения «Салют»)Официальные оппоненты:доктор технических наук, доцент,Крит Борис Львовичпрофессор кафедры «Технологии производстваприборов и информационных систем управлениялетательных аппаратов»ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» МАИ,Лауреат премии правительства РФ в области науки техникидоктор технических наук, доцент,Костина Мария ВладимировнаВедущий научный сотрудник, и.о.

зав. лабораторией«Физикохимии и механики металлических материалов»Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт металлургии и материаловеденияим. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)»доктор технических наук, профессор,Овчинников Виктор ВасильевичНачальник лаборатории сварочных процессовАкционерное общество «Российскаясамолетостроительная корпорация «МиГ»»Ведущая организацияОАО «Национальныйинститут авиационных технологий» (НИАТ)Защита диссертации состоится «»2018 г., в 14 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.126.03 при ФГБОУ ВО «Московский автомобильнодорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319,г.

Москва, Ленинградский просп., д.64, зал заседаний Ученого Совета, ауд. 42.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ и на сайте ФГБОУВО «Московский автомобильно-дорожный государственный техническийуниверситет(МАДИ)»http://www.madi.ru/1266-uchenyy-sovet-grafik-zaschitydissertaciy.htmlАвтореферат разослан «»2018 г.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просимнаправлять в адрес диссертационного совета университета.

Копию отзыва просимприслать по E-mail: uchsovet@madi.ru.Справки по телефону: 8 (499)155-93-24Ученый секретарьдиссертационного совета,доктор технических наук, доцентФатюхин Д.С.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы. В целях развития науки, техники и технологий в сфередеятельности Государственной корпорации «Ростех» на период до 2030 года и дальнейшуюперспективу наращивания ресурса требуется создание новых методов и технологий поувеличению ресурса изделий и увеличении долговечности инструмента обрабатывающегодетали работающих в сложных высокотемпературных условиях.

Научные исследовательскиеработы,выполняемыекомплексов,входятповгосударственнымпереченьпрограммампервоочередныхзадачперспективныхавиационныхсовременногоавиационногоматериаловедения и технологии. От их решения в существенной мере зависит как прогресс вдвигателестроении и смежных областях промышленности в целом, так и получение рядаинновационных теоретико-прикладных разработок в области материаловедения. Значимостьтаких работ отражается в ежегодных посланиях ПрезидентаРФ, а также в рядегосударственных программ и специальных документов соответствующих ведомств. Задачи,решаемые в данной работе, охватывают несколько разделов: «Приоритетные направленияразвития науки, технологий и техники РФ»; «Критические технологии РФ» (приказ ПрезидентаРФ ПР-842, Пр-843 от 21.05.2006г.), а также в полной мере соответствуют научным и научноприкладным задачам, сформулированным перед АкционернымОбществом «Объединеннойдвигателестроительной корпорации» (АО «ОДК»).Стратегия повышения надежности и долговечности машин требует коренного улучшениякачества деталей и узлов производимой продукции.

Успешное решение этой проблемыпрактически невозможно без разработки и внедрения новых, более совершенных материалов иэффективных технологических процессов. Особое место в достижении максимального эффектавысокого качества изготовления деталей машин принадлежит поверхностному упрочнениюинструментальных и конструкционных материалов.Классически упрочнение инструментальных и конструкционных материалов достигаетсявведением легирующих элементов и термической обработкой путем рационального управленияхимическим составом и структурой материалов, позволяющим получать оптимальные физикомеханические свойства.Применение упрочняющих технологий и покрытий на деталях и инструментах,используемых при их обработке, позволяет существенно повысить надежность и долговечностькак самих машин, так и срок службы инструментов и оборудования, в процессе серийногопроизводства – такой подход успешно использован в работах известных российских и зарубежныхученых Е.Н.

Каблова, О.А. Банных, В.И. Третьякова, А.С. Верещака, Г.С. Креймера, А.М.Дальского, Е. Anschuz и других.В то же время для целого ряда наиболее массовых и ответственных деталей, таких каклопатки компрессора газотурбинных двигателей. работающих в условиях воздействия высокихзнакопеременных нагрузок, коррозионно-эрозионного воздействия газовой среды, которые как4правило оказывают определяющее значение на ресурс двигателей в целом, весьма актуальнойявляется проблема разработки новых более эффективных методов поверхностного упрочнения.Повреждаемость деталей выражается обычно в образовании усталостных трещин, забоин,питтингов, коррозионно-эрозионных повреждений.

Циклические термомеханические нагрузкиявляются одной из основных причин преждевременного разрушения режущих кромокинструментальных материалов. Особенно остро проблема упрочнения инструментальных иконструкционных материалов приобрела при разработке новых высоконагруженных энергоёмкихмашин, при решении проблем снижения трудоёмкости и себестоимости, существенногоповышения их конкурентоспособности на мировом рынке.Создание перспективных газотурбинных двигателей неизбежно сопровождается резкимужесточением условий их эксплуатации, повышением уровня термомеханических циклическихнагрузок, необходимостью применения более совершенных инструментальных материалов,повышения качества обработки поверхностей.

В связи с этим весьма актуальным направлениемрешения проблемы повышения надежности и долговечности инструментов и изделий являетсясоздание новых высокоэффективных износостойких покрытий.Основной причиной преждевременной потери работоспособности лопаток компрессора иинструментов является разрушение упрочняющих покрытий.

Важнейшее значение в решениипроблемы долговечности приобретает установление механизмов изнашивания и разрушенияпокрытий на инструментальных и конструкционных материалов.Другой важной задачей является разработка новых, более надежных и экономичныхпромышленных технологий формирования упрочняющих покрытий, обеспечивающих высокуюстабильность качества и воспроизводимость физико-механических свойств. Высокую актуальностьприобретает установление функциональных связей между параметрами технологического процессаформирования покрытий и их эксплуатационными характеристиками.Комплексный подход к решению поставленных задач предполагает, прежде всего, глубокоеизучениемеханизмовтермомеханическихразрушениянагрузок,покрытийнаучноевусловияхобоснованиевоздействиянестационарныхцеленаправленноголегированияповерхностного слоя деталей и инструмента для получения заданных эксплуатационных свойств.В работе предлагается принципиально новое решение проблемы долговечности деталеймашин и инструмента, состоящее в разработке нового типа диффузионных покрытий с дискретнойячеистой структурой нестехиометрического состава, обладающих повышенной износостойкостью.Актуальность исследований подтверждена Государственной научно-технической программойРоссийской академии наук.

Это проекты: «Исследование физико-химических закономерностейвзаимодействия электронных, ионных и плазменных потоков с поверхностью конструкционных иинструментальных материалов, моделирование и разработка проектов электронно-ионноплазменных технологий»; «Многофункциональные ионно-плазменные покрытия для изделий5межотраслевого назначения»; «Композиционные конденсированные ионно-плазменные покрытиядля изделий машиностроения» и др.Цель работы состоит в разработке и исследование методов поверхностного упрочненияинструментальных материалов и конструкционных сплавов, исследование фазовых иструктурных превращений при формировании покрытий и разработка новых технологическихпроцессов их нанесения, что позволит повысить технологические и эксплуатационные свойстваинструментов и деталей.Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи: разработана теоретическая модель долговечности образца с дискретным диффузионнымпокрытием для сравнительной оценки влияния локального диффузионного и сплошного покрытийна физико-механические свойства поверхностного слоя материала; установлены взаимосвязи между составами газовой среды и обрабатываемых материалов,параметрамитехнологическогопроцессаиструктуройформируемогопокрытия,обеспечивающими повышение долговечности деталей и инструментов; установлено влияние структурных особенностей дискретного диффузионного покрытия,связанныхсобразованиемоксидов,нафизико-механическиеирежущиесвойстваинструментального материала и физико-механические свойства конструкционного материала; выявлен механизм изнашивания режущего инструмента с дискретным диффузионнымпокрытием при точении и фрезеровании, состоящий в торможении процессов зарождения ираспространения трещин, обусловленный наведением переменного напряженного состояния вповерхностном слое; разработаны методика и критерий оценки долговечности материалов c дискретнымдиффузионным покрытием по величине молярной энергии активации Uэф; разработанметоднанесениядискретногодиффузионногопокрытия,какнаинструментальный, так и на конструкционный материал, определены оптимальные параметры,увеличивающие долговечность режущего инструмента в условиях эксплуатации; разработан способ повышения долговечности лопаток компрессора на второй ресурспутем восстановления износостойкого покрытия на антивибрационных бандажных полках; разработанооборудованиеи технология нанесения дискретногодиффузионногопокрытия, как на инструментальный, так и на конструкционный материалы.Объектом исследования являются: инструментальные и конструкционные материалы(быстрорежущая сталь, твердый сплав, титановый сплав) с дискретным диффузионнымпокрытием.Предметом исследования является: состав и строение дискретного диффузионногопокрытия, технологический способ получения дискретного диффузионного покрытия наматериалы для повышения долговечности и износостойкости; метод и оборудование длянанесения диффузионного покрытия, как на инструментальный, так и на конструкционныйматериалы.6Результаты, полученные автором и выносимые на защиту: разработана теоретическая модель долговечности образца с дискретным диффузионнымпокрытием для сравнительной оценки влияния локального диффузионного и сплошного покрытийна физико-механические свойства поверхностного слоя материала; установлены взаимосвязи между составами газовой среды и обрабатываемых материалов,параметрамитехнологическогопроцессаиструктуройформируемогопокрытия,обеспечивающими повышение долговечности деталей и инструментов; установлено влияние структурных особенностей дискретного диффузионного покрытия,связанныхсобразованиемоксидов,нафизико-механическиеирежущиесвойстваинструментального материала и физико-механические свойства конструкционного материала; выявлен механизм изнашивания режущего инструмента с дискретным диффузионнымпокрытием при точении и фрезеровании, состоящий в торможении процессов зарождения ираспространения трещин, обусловленный наведением переменного напряженного состояния вповерхностном слое; разработаны методика и критерий оценки долговечности материалов c дискретнымдиффузионным покрытием по величине молярной энергии активации Uэф; разработанметоднанесениядискретногодиффузионногопокрытия,какнаинструментальный, так и на конструкционный материал, определены оптимальные параметры,увеличивающие долговечность в условиях эксплуатации; разработан способ повышения долговечности лопаток компрессора на второй ресурспутем восстановления износостойкого покрытия на антивибрационных бандажных полках; разработано оборудование и технология нанесения дискретного диффузионного покрытия,как на инструментальный, так и на конструкционный материалы.Научная новизна работы заключается в том, что: разработан новый тип диффузионных покрытий с дискретной ячеистой структуройнестехиометрического состава, обладающий повышенной износостойкостью.