ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Никелевые сплавы широко применяются в аэрокосмической промышленности, однако их эксплуатационные характеристики требуют улучшения за счет модификации поверхности. Актуальной задачей является сравнительный анализ методов механо-импульсной обработки литого и аддитивно полученного сплава ЖС6У для оптимизации их свойств. Цель работы заключается в исследовании влияния низкочастотной (НЧ) и высокочастотной (ВЧ) ударной обработки на структурно-фазовое состояние и свойства поверхности никелевого сплава ЖС6У, полученного электронно-лучевым аддитивным производством и литьем. Методы исследования: микроструктурный анализ методом оптической микроскопии, рентгеноструктурный анализ фазового состава, измерение микротвердости и трибологические испытания методом скретч-тестирования образцов сплава ЖС6У после различных режимов обработки. Результаты и обсуждение. Установлено, что НЧ-обработка литого сплава увеличивает объемную долю упрочняющей фазы γ', а ВЧ-обработка формирует дополнительную фазу Ti₂O. Обработка аддитивного сплава демонстрирует более значительные изменения: микродеформации кристаллической решетки выше в 1,71–2,18 раза, микронапряжения в поверхностном слое – в 2,09–2,73 раза, микротвердость обработанной поверхности аддитивно-полученного сплава ЖС6У – на 8–16 % по сравнению с литым материалом. Выявлены оптимальные режимы обработки: при НЧ – 40 секунд, при ВЧ – 20 минут, обеспечивающие минимальный коэффициент трения 0,075. Выводы. Механо-импульсная обработка позволяет эффективно упрочнять поверхность никелевых сплавов ЖС6У, полученных различными методами. Рекомендуется применение разработанных подходов для повышения эксплуатационных характеристик деталей в авиакосмической и машиностроительной отраслях. Требуются дальнейшие исследования циклической стабильности модифицированных структур после механо-импульсной обработки в различных частотных диапазонах.

1. Pollock T.M., Tin S. Nickel-based superalloys for advanced turbine engines: chemistry, microstructure and properties // Journal of Propulsion and Power. – 2006. – Vol. 22 (2). – P. 361–374. – DOI: 10.2514/1.18239.

2. Microstructure evolution during supersolvus heat treatment of a powder metallurgy nickel-base superalloy / S.L. Semiatin, K.E. McClary, A.D. Rollett, C.G. Roberts, E.J. Payton, F. Zhang, T.P. Gabb // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. – 2012. – Vol. 43. – P. 1649–1661. – DOI: 10.1007/s11661-011-1035-y.

3. Advances in solidification characteristics and typical casting defects in nickel-based single crystal superalloys / J. Zhang, T. Huang, L. Liu, H. Fu // Acta Metallurgica Sinica. – 2015. – Vol. 51 (10). – P. 1163–1178. – DOI: 10.11900/0412.1961.2015.00448.

4. Directional solidification of a nickel-based superalloy product structure fabricated on stainless steel substrate by electron beam additive manufacturing / S.V. Fortuna, D.A. Gurianov, K.N. Kalashnikov, A.V. Chumaevskii, Yu.P. Mironov, E.A. Kolubaev // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. – 2021. – Vol. 52. – P. 857–870. – DOI: 10.1007/s11661-020-06090-8.

5. Evolution of structure and properties of the nickel-based alloy EP718 after the SLM growth and after different types of heat and mechanical treatment / D. Ivanov, A. Travyanov, P. Petrovskiy, V. Cheverikin, Е. Alekseeva, A. Khvan, I. Logachev // Additive Manufacturing. – 2017. – Vol. 18. – P. 269–275. – DOI: 10.1016/j.addma.2017.10.015.

6. Additive manufacturing of nickel superalloys: opportunities for innovation and challenges related to qualification / S.S. Babu, N. Raghavan, J. Raplee, S.J. Foster, C. Frederick, M. Haines, R. Dinwiddie, M.K. Kirka, A. Plotkowski, Y. Lee, R.R. Dehoff // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. – 2018. – Vol. 49. – P. 3764–3780. – DOI: 10.1007/s11661-018-4702-4.

7. Effect of laser shock peening without coating on surface morphology and mechanical properties of Nickel-200 / A. Kulkarni, S. Chettri, S. Prabhakaran, S. Kalainathan // Mechanics of Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 9. – DOI: 10.2412/mmse.55.5.304.

8. Carter T.J. Common failures in gas turbine blades // Engineering Failure Analysis. – 2005. – Vol. 12. – P. 237–247. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2004.07.004.

9. Kim H. Study of the fracture of the last stage blade in an aircraft gas turbine // Engineering Failure Analysis. – 2009. – Vol. 16 (7). – P. 2318–2324. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2009.03.017.

10. Silveira E., Atxaga G., Irisarri A.M. Failure analysis of two sets of aircraft blades // Engineering Failure Analysis. – 2010. – Vol. 17 (3). – P. 641–647. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2008.10.015.

11. Karthik D., Swaroop S. Laser shock peening enhanced corrosion properties in a nickel-based Inconel 600 superalloy // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 694. – P. 1309–1319. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.10.093.

12. Microstructural evolution and mechanical properties of selective laser melted nickel-based superalloy after post treatment / L. Chen, Y. Sun, L. Li, X. Ren // Materials Science and Engineering A. – 2020. – Vol. 792. – P. 139649. – DOI: 10.1016/j.msea.2020.139649.

13. Effect of sand blasting and glass matrix composite coating on oxidation resistance of a nickel-based superalloy at 1000 °C / M. Chen, M. Shen, S. Zhu, F. Wang, X. Wang // Corrosion Science. – 2013. – Vol. 73. – P. 331–341. – DOI: 10.1016/j.corsci.2013.04.022.

14. Ghara T., Paul S., Bandyopadhyay P.P. Effect of grit blasting parameters on surface and near-surface properties of different metal alloys // Journal of Thermal Spray Technology. – 2021. – Vol. 30. – P. 251–269. – DOI: 10.1007/s11666-020-01127-1.

15. Surface nanocrystallization and enhanced surface mechanical properties of nickel-based superalloy by coupled electric pulse and ultrasonic treatment / R. Ji, Z. Yang, H. Jin, Y. Liu, H. Wang, Q. Zheng, W. Cheng, B. Cai, X. Li // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 375. – P. 292–302. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.07.037.

16. "Target effect" of pulsed current on the texture evolution behaviour of Ni-based superalloy during electrically-assisted tension / X. Zhang, H. Li, G. Shao, J. Gao, M. Zhan // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – Vol. 898. – P. 162762. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162762.

17. Effects of laser shock processing on microstructure and mechanical properties of K403 nickel-alloy / C. Wang, X.J. Shen, Z.B. An, L.C. Zhou, Y. Chai // Materials Design. – 2016. – Vol. 89. – P. 582–588. – DOI: 10.1016/j.matdes.2015.10.022.

18. Ultrasonic nanocrystal surface modification effect on reduction of hydrogen embrittlement in Inconel-625 parts fabricated via additive manufacturing process / S.-H. Baek, S. He, M.-S. Jang, D.-H. Back, D.-W. Jeong, S.-H. Park // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 108. – P. 685–695. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.11.024.

19. Воронцов А.В., Утяганова В.Р., Зыкова А.П. Влияние ударной обработки в разных частотных диапазонах на эволюцию структурно-фазового состояния поверхности перлитной стали // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2024. – Т. 67, № 6. – С. 32–38. – DOI: 10.17223/00213411/67/6/5.

20. Effect of electropulsing treatment on corrosion behavior of nickel base corrosion-resistant alloy / Y. Liu, L. Wang, H. Liu, B. Zhang, G. Zhao // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2011. – Vol. 21 (9). – P. 1970–1975. – DOI: 10.1016/s1003-6326(11)60958-8.