Повышение прочностных свойств конструкционных материалов путем наноструктурирования их поверхностных слоев комбинированным методом ультразвуковой обработки-ионноплазменного осаждения покрытия-ионной имплантации.

В ходе исследований процессов формирования наноструктурных слоев на поверхности образцов авиационной стали ВНС-5 и титанового сплава ВТ6 (состояние поставки: закалка, отжиг) комбинированным методом ультразвуковой обработки - ионно-плазменного осаждения покрытия – ионной имплантации получены следующие результаты.
Проведена электронно-микроскопическая и металлографическая аттестация исходного состояния и изменений структуры (толщина модифицированного слоя, размер зерна) и свойств (микротвердости) поверхности и приповерхностных слоев исследуемых образцов, модифицированных путем ультразвуковой обработки, ионноплазменного осаждения покрытия и ионной имплантации.
Выполнена оценка влияния проведенной обработки на повышение усталостной прочности и износостойкости образцов исследуемых материалов при циклическом изгибе и изнашивании (по схеме вал-колодка), и интерпретация результатов с позиций многоуровневого подхода.
Подобраны режимов создания наноструктурных состояний и барьерных поверхностных слоев, обеспечивающих увеличение на 30-50% усталостной прочности и в 2 раза износостойкости названных конструкционных материалов.
Предложен метод оценки эффективности проведенной обработки и прогнозирования ресурса изделий с наноструктурными поверхностными слоями, основанный на регистрации акустической эмиссии.
Показано, что в процессе предварительной ультразвуковой обработки и последующего облучения формируется упрочненный слой толщиной до нескольких десятков или сотен микрон, микротвердость в котором плавно уменьшается по мере удаления от упрочненной (модифицированной) поверхности.
С использованием предлагаемых методов комплексной поверхностной обработки, сочетающей предварительную обработку ультразвуком для стали ВНС5 и сплава ВТ6 получены результаты о повышении усталостной прочности более чем в 2 раза и существенном увеличении износостойкости (при использованных режимах трения износостойкость повысилась более чем в 3 раза).
Предложен метод оценки эффективности формирования нанострутурного поверхностного слоя, основанный на регистрации акустической эмиссии при трех (четырех) точечном изгибе образца. Показано, что время до начало интенсивной генерации импульсов акустической эмиссии в образцах с наноструктурированным поверхностным слоем в 4 раза больше чем в образцах, не подвергавшихся поверхностному упрочнению
Создаваемая технология повышения прочности и износостойкости конструкционных материалов в настоящее время адаптируется для применения для ОКБ Сухого (технология повышения ресурса работы болтов стыка ОЧК и ЦЧК) и Ленинградского металлического завода (технология повышения износостойкости и усталостной прочности лопаток паровых турбин).
Область применения: предприятия Росавиакомоса, энергетической отрасли.
Значимость работы заключается в разработке качественно нового подхода к поверхностному упрочнению конструкционных материалов, сочетающего создание высокопрочного (наноструктурного) поверхностного слоя, создания предварительной обработкой ультразвуком барьерного подслоя и обеспечения достаточно плавного изменения прочностных свойств от поверхности вглубь материала.
Развитием проекта должно стать исследование предложенных методов поверхностного упрочнения для других типов сталей, титановых и алюминиевых сплавов для повышения ресурса работы и допустимых рабочих нагрузок деталей и конструкций энергетического оборудования, авиа- и машиностроения.