vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2024-4(50)-72-82vsgiu-30Research ArticleРаздел 2. Металлургия и материаловедениеSection 2. Metallurgy and Materials ScienceМОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СПЛАВА ХН65ВМТЮ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИMODIFICATION OF THE SURFACE LAYER OF THE ХН65ВМТЮ ALLOY BY THE METHOD OF PULSE ELECTRON BEAM TREATMENThttps://orcid.org/0000-0002-2003-2021КомаровДмитрий ВалерьевичKomarovDmitrij V.

аспирант кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения, начальник отдела организации научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ

Postgraduate student of the Department of Metal Technology and Aviation Materials Science, Head of the Research and Development Department

komarov_dimitriy@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4809-8660КоноваловСергей ВалерьевичKonovalovSergej V.

д.т.н., профессор, проректор по научной и инновационной деятельности, профессор кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения

Dr. Sci. (Eng.), Prof., Vice-Rector for Scientific and Innovation Activities, Professor of the Department of Metal Technology and Aviation Materials Science

konovalov@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮрий ФедоровичIvanovYurij F.

д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Chief Researcher, Laboratory of Plasma Emission Electronics

yufi55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1631-9644ПанченкоИрина АлексеевнаPanchenkoIrina A.

к.т.н., доцент кафедры менеджмента качества и инноваций, заведующий лабораторией электронной микроскопии и обработки изображений

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Quality Management and Innovation, Head of the Laboratory of Electron Microscopy and Image Processing

i.r.i.ss@yandex.ruАО «Газпром диагностика», Самарский национальный исследовательский  университет имени академика С.П. КоролеваРоссияAO «Gazprom diagnostika», Samara State Aerospace University named after academician S.P. KorolevRussian FederationСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Сибирский государственный индустриальный  университетRussian FederationSamara State Aerospace University named after academician S.P. Korole, Siberian State Industrial UniversityRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАНRussian FederationInstitute of High Current Electronics SB RASRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетRussian FederationSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202402022026047282Copyright © Комаров Д.В., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Панченко И.А., 20262026Комаров Д.В., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Панченко И.А.Komarov D., Konovalov S., Ivanov Y., Panchenko I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/30

Одним из перспективных методов повышения эксплуатационных характеристик деталей горячего тракта газотурбинных двигателей является изменение физико-химических свойств поверхностных слоев основного материала за счет применения радиационно-пучковых технологий, а именно импульсной электронно-пучковой обработки (ЭПО). В работе рассмотрены результаты модификации электронным лучом образцов, вырезанных из замковой части рабочих лопаток турбины высокого давления наземного газотурбинного компрессора ГТК-10-4 после эксплуатации в течение 37444 ч, выполненных из жаропрочного сплава на никелевой основе ХН65ВМТЮ без защитного покрытия. Изменяемым параметром обработки выбрана плотность энергии электронного пучка Es, которая составила 15, 25 и     35 Дж/см2, длительность его воздействия и количество импульсов не варьировались. Измерение микротвердости и нанотвердости модифицированных слоев, а также исследование трибологических характеристик (коэффициента трения и скорости износа поверхностного слоя) поверхности обработанных образцов позволили определить оптимальный режим ЭПО из рассматриваемых, плотность энергии при котором составила 15 Дж/см2. Выдвинуты предположения о возможных причинах деградации трибологических свойств поверхностного слоя сплава относительно исходного состояния после ЭПО на других режимах, связанные с полученной структурой модифицированных слоев и наличием в нем трещин и объемных дефектов. Подтверждены основные положения теории направленной кристаллизации в условиях многокомпонентности сплава и высоких скоростей охлаждения поверхностного слоя. Отмечена невозможность применения импульсной ЭПО в условиях массового производства как самостоятельного финишного метода обработки. Использование указанной технологии возможно лишь при условии применения определенных режимов с последующей шлифовкой, необходимой для выравнивания развитого микрорельефа обработанной поверхности, а также снятия слоя металла в объеме, необходимом для устранения поверхностных трещин.

One of the promising methods for increasing the performance characteristics of parts of the hot path of gas turbine engines is to change the physicochemical properties of the surface layers of the base material through the use of radiation beam technologies, namely pulsed electron beam processing (EBP). The paper examines the results of modification by an electron beam of samples cut from the locking part of the rotor blades (RB) of the high-pressure turbine (HPT) of the ground-based gas turbine compressor GTK-10-4 after operation for 37,444 hours, made of a heat-resistant nickel-based alloy ХН65ВМТЮ without protective coating. The variable processing parameter was the electron beam energy density Es, which was Es = 15, 25 and 35 J/cm2, the duration of its exposure τ, as well as the number of pulses N did not vary. Measurement of the microhardness and nanohardness of the modified layers, as well as the study of the tribological characteristics (friction coefficient µ and wear rate of the surface layer Vis) of the surface of the treated samples made it possible to determine the optimal EPO mode from those considered, the energy density at which was Es = 15 J/cm2. Suggestions have been put forward about the possible reasons for the degradation of the tribological properties of the surface layer of the alloy relative to the initial state after EPB in other modes, related to the resulting structure of the modified layers and the presence of cracks and volumetric defects in it. The main provisions of the theory of directional crystallization under conditions of multicomponent alloy and high cooling rates of the surface layer have been confirmed. The impossibility of using pulsed EPB in mass production conditions as an independent finishing method of processing was noted. The use of this technology is possible only if certain modes are used with subsequent grinding necessary to level the developed microrelief of the treated surface, as well as remove the metal layer in the amount necessary to eliminate surface cracks.

жаропрочный никелевый сплавизносостойкостькоэффициент трениямикротвердостьнанотвердостьэлектронно-пучковая обработкаheat-resistant nickel alloywear resistancecoefficient of frictionmicro-hardnessnanohardnesselectron beam processingReferencesIvanov Y.F., Gromov V.E, Zagulyaev D.V., Konovalov S.V., Rubannikova Y.A., Semin A.P. Prospects for the Application of Surface Treatment of Alloys by Electron Beams in State-of-the-Art Technologies. Uspehi Fiziki Metallov. 2022;21(3):345–362.Ivanov Y.F., Gromov V.E, Zagulyaev D.V., Konovalov S.V., Rubannikova Y.A., Semin A.P. Prog. Phys. Met. 2022;21(3):345–362.https://doi.org/10.15407/ufm.21.03.345Komarov D.V., Konovalov S.V., Zhukov D.V., Vinogradov I.S., Panchenko I.A. Analiz sovremennoj situacii v oblasti primeneniya elektronno-puchkovoj obrabotki razlichnyh splavov. Part 1. Polzunovskij vestnik. 2021;4:129–139. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2021.04.0174; EDN: PEMXHD.Комаров Д.В., Коновалов С.В., Жуков Д.В., Виноградов И.С., Панченко И.А. Анализ современной ситуации в области применения электронно-пучковой обработки различных сплавов. Часть 1. Ползуновский вестник. 2021;4:129–139.Komarov D.V., Konovalov S.V., Zhukov D.V., Vinogradov I.S., Panchenko I.A. Analiz sovremennoj situacii v oblasti primeneniya elektronno-puchkovoj obrabotki razlichnyh splavov. Part 2. Polzunovskij vestnik. 2022;3:204–215. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2022.03.028. EDN: VAJZCT.https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2021.04.017; EDN: PEMXHD.Shulov V.A., Engel'ko V.I., Gromov A.N., Teryaev D.A., Bycenko O.A., Shirvan'yanc G.G. Primenenie sil'notochnyh impul'snyh elektronnyh puchkov dlya vosstanovleniya ekspluatacionnyh svojstv lopatok gazoturbinnyh dvigatelej. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Poroshkovaya metallurgiya i funkcional'nye pokrytiya. 2014;1:43–49. EDN: RYEQWL.Комаров Д.В., Коновалов С.В., Жуков Д.В., Виноградов И.С., Панченко И.А. Анализ современной ситуации в области применения электронно-пучковой обработки различных сплавов. Часть 2. Ползуновский вестник. 2022;3:204–215.Shulov V.A., Gromov A.N., Teryaev D.A., Engel'ko V.I. Primenenie sil'notochnyh im-pul'snyh elektronnyh puchkov dlya modificirovaniya poverhnosti lopatok gazoturbinnyh dvigatelej (review). Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Poroshkovaya metallurgiya i funkcional'nye pokrytiya. 2015;1:38–48. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2015-1-38-48; EDN: TNIHGB.https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2022.03.028; EDN: VAJZCT.Shulov V.A., Krajnikov A.V., Pajkin A.G., Bycenko O.A., Engel'ko V.I., Tkachenko K.I. Modificirovanie zharostojkogo vakuumno-dugovogo pokrytiya NiCrAlY na poverhnosti lopatok iz zharoprochnyh nikelevyh splavov ZhS6U i ZhS26NK sil'notochnymi impul'snymi elektronnymi puchkami. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2009;2:37–40. EDN: KWJKAN.Шулов В.А., Энгелько В.И., Громов А.Н., Теряев Д.А., Быценко О.А., Ширваньянц Г.Г. Применение сильноточных импульсных электронных пучков для восстановления эксплуатационных свойств лопаток газотурбинных двигателей. Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014; 1:43–49. EDN: RYEQWL.Novikov A.S., Pajkin A.G., Shulov V.A., Bycenko O.A., Teryaev D.A., Engel'ko V.I., Tkachenko K.I. Rezul'taty dlitel'nyh ispytanij na tekhnologicheskom dvigatele RD33 lopatok kompressora GTD iz stali EP866Sh, obluchennyh sil'notochnym impul'snym elektronnym puchkom. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2010;9:18–22. EDN: MUFMUF.Шулов В.А., Громов А.Н., Теряев Д.А., Энгелько В.И. Применение сильноточных импульсных электронных пучков для модифицирования поверхности лопаток газотурбинных двигателей (обзор). Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2015;1:38–48. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2015-1-38-48; EDN: TNIHGB.Zhao G., Zhang P., Li J., Zhang Z., Li H., Ma L. Surface modification of CrFeCoNiMo high entropy alloy induced by high-current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2020;504:144453. https://doi.org/10.1016/ j.apsusc.2019.144453.Шулов В.А., Крайников А.В., Пайкин А.Г., Быценко О.А., Энгелько В.И., Ткаченко К.И. Модифицирование жаростойкого вакуумно-дугового покрытия NiCrAlY на поверхности лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У и ЖС26НК сильноточными импульсными электронными пучками. Упрочняющие технологии и покрытия. 2009;2:37–40. EDN: KWJKAN.Zhao G., Zhang P., Li J., Zhang Z., Li H., Ma L. Effects of different scanning speeds on microstructure evolution and tribological properties of Inconel 718 alloy vacuum electron beam surface modification. Materials Today Sustainability. 2024;25:100613.Новиков А.С., Пайкин А.Г., Шулов В.А., Быценко О.А., Теряев Д.А., Энгелько В.И., Ткаченко К.И. Результаты длительных испытаний на технологическом двигателе РД33 лопаток компрессора ГТД из стали ЭП866Ш, облученных сильноточным импульсным электронным пучком. Упрочняющие технологии и покрытия. 2010;9:18–22. EDN: MUFMUF.https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100613.Lyu P., Chen Y., Liu Z., Cai J., Zhang C., Jin Y., Guan Q., Zhao N. Surface modification of CrFeCoNiMo high entropy alloy induced by high-current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2020;504:144453.Hajrulin V.T., Samohvalov N.Yu., Tihonov A.S., Sendyurev S.I. Rezul'taty eksperimental'nogo issledovaniya lopatok turbin s razlichnoj poverhnostnoj sherohovatost'yu. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika. 2015;42:20–33.https://doi.org/10.1016/ j.apsusc.2019.144453.https://doi.org/10.15593/2224-9982/2015.42.2; EDN: TZQUDL.Zhao G., Zhang P., Li J., Zhang Z., Li H., Ma L. Effects of different scanning speeds on microstructure evolution and tribological properties of Inconel 718 alloy vacuum electron beam surface modification. Materials Today Sustainability. 2024;25:100613.Liu J., Li Z., Hanachi H. A physics-based framework for online surface roughness as-sessment for high-pressure turbines. Chinese Journal of Aeronautics. 2021;34(7):135–156.https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100613.Nosov N.V., Abramov A.D., Kosulin S.I. Ocenka mikrostruktury poverhnosti profilya pera lopatok gazoturbinnogo dvigatelya. Vestnik Samarskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika, tekhnologii i mashinostroenie. 2017;16(2):90–100. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2017-16-2-90-100; EDN: ZAETLZ.Хайрулин В.Т., Самохвалов Н.Ю., Тихонов А.С., Сендюрев С.И. Результаты эксперимен-тального исследования лопаток турбин с различной поверхностной шероховато-стью. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2015;42:20–33. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2015.42.2. EDN: TZQUDL.Shulov V.A., Engel'ko V.I., Gromov A.N., Teryaev D.A., Bycenko O.A., Shirvan'yanc G.G. Krateroobrazovanie na poverhnosti detalej iz titanovyh splavov pri obluche-niisil'notochnymi impul'snymi elektronnymi puchkami. Fizika i himiya obrabotki materialov. 2015;5:22–28. EDN: UXBPTV.Liu J., Li Z., Hanachi H. A physics-based framework for online surface roughness as-sessment for high-pressure turbines. Chinese Journal of Aeronautics. 2021;34(7):135–156. https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.06.015Gromov V.E., Konovalov S.V., Aksyonova K.V., Kobzareva T.Yu. Evolyuciya struktury i svojstv legkih splavov pri energeticheskih vozdejstviyah. Min-vo obr. i nauki RF, SibGIU, Mezhgos. Koordinac. Sovet po fizike prochnosti i plastichnosti materialov. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2016:249.Носов Н.В., Абрамов А.Д., Косулин С.И. Оценка микроструктуры поверхности профиля пера лопаток газотурбинного двигателя. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017;16(2):90–100.Toktarbaeva G.M., Alpysbaev S.K., Rahadilov B.K., Satabaeva Z.A., Zhaparova M.S. Vliyanie elektrolitno-plazmennogo uprochneniya poverhnosti na strukturu i svojstva stali 40HN. Vestnik Vostochno-Kazahstanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. D. Serikbaeva. 2020;1:199–204.https://doi.org/10.18287/2541-7533-2017-16-2-90-100. EDN: ZAETLZ.https://doi.org/10.51885/15614212_2020_1_199 EDN: QZKRJI.Шулов В.А., Энгелько В.И., Громов А.Н., Теряев Д.А., Быценко О.А., Ширваньянц Г.Г. Крате-рообразование на поверхности деталей из тита-новых сплавов при облучении сильноточными импульсными электронными пучками. Физика и химия обработки материалов. 2015;5:22–28.Muslov S.A., Lotkov A.I. Nanotverdost' i modul' uprugosti monokristallov i polikristallov sistemy splavov TiNi‒TiFe. Fizicheskaya mezomekhanika. 2022;25(6):57–62.EDN: UXBPTV.https://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_6_57; EDN: ALVTYQ.Громов В.Е., Коновалов С.В., Аксёнова К.В., Кобзарева Т.Ю. Эволюция структуры и свойств легких сплавов при энергетических воздействиях. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2016:249.Gao Y. Surface modification of TC4 titanium alloy by high current pulsed electron beam (HCPEB) with different pulsed energy densities. J. Alloys and Comps. 2013;572:180–185.Токтарбаева Г.М., Алпысбаев С.К., Рахадилов Б.К., Сатабаева З.А., Жапарова М.С. Влияние электролитно-плазменного упрочнения поверхности на структуру и свойства стали 40ХН. Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. 2020;1:199–204. https://doi.org/10.51885/15614212_2020_1_199. EDN: QZKRJI.Mysik R.K., Sulinin A.V., Brusnicyn S.V. Litejnye splavy na osnove tyazhelyh cvetnyh metallov: uchebnoe posobie dlya srednego professional'nogo obrazovaniya. Moscow: Yurajt, 2024:140.Муслов С.А., Лотков А.И. Нанотвердость и модуль упругости монокристаллов и поликристаллов системы сплавов TiNi-TiFe. Физическая мезомеханика. 2022;25(6):57–62. https://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_6_57. EDN: ALVTYQ.Belyavin A.F., Kurenkova V.V., Fedotov D.A., Salij S.G., Shcherbinin A.P. Prodlenie resursa rabochih lopatok GTK 10-4 iz splava EI 893 posle prodolzhitel'nogo sroka ekspluatacii. Avtomaticheskaya svarka. 2016; 4(752):9–25.Gao Y. Surface modification of TC4 ti-tanium alloy by high current pulsed electron beam (HCPEB) with different pulsed energy densities. J. Alloys and Comps. 2013;572:180–185.Mubarakshin R.M., Dicheskul M.D., Nikolaev N.N., Travkin A.A., Mubarakshin R.M. Robotizirovannaya adaptivnaya razmernaya polirovka kompressornyh i turbinnyh lopatok. Aviacionnye dvigateli. 2021;4(13):51‒62. https://doi.org/10.54349/26586061_2021_4_51 EDN: YGFKKK.Мысик Р.К., Сулинин А.В., Брусницын С.В. Литейные сплавы на основе тяжелых цветных металлов. Учебное пособие для вузов. Москва: Юрайт, 2022:140.Sazonov M.B., Solovackaya L. V. Vliyanie napryazhyonnogo sostoyaniya poverhnostnogo sloya na vynoslivost' lopatok kompressora gazoturbinnogo dvigatelya. Vestnik Samarskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika, tekhnologii i mashinostroenie. 2019;18(1):109–117. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2019-18-1-109-117; EDN: ZDUVLV.Белявин А.Ф., Куренкова В.В., Федотов Д.А., Салий С.Г., Щербинин А.П. Продление ресурса рабочих лопаток ГТК 10-4 из сплава ЭИ 893 после продолжительного срока эксплуатации. Автоматическая сварка. 2016; 4(752):9–25.Белявин А.Ф., Куренкова В.В., Федотов Д.А., Салий С.Г., Щербинин А.П. Продление ресурса рабочих лопаток ГТК 10-4 из сплава ЭИ 893 после продолжительного срока эксплуатации. Автоматическая сварка. 2016; 4(752):9–25.Мубаракшин Р.М., Дическул М.Д., Николаев Н.Н., Травкин А.А., Мубаракшин Р.М., Мубаракшин М.Р. Роботизированная адаптивная размерная полировка компрессорных и турбинных лопаток. Авиационные двигатели. 2021;4(13):51–62.Мубаракшин Р.М., Дическул М.Д., Николаев Н.Н., Травкин А.А., Мубаракшин Р.М., Мубаракшин М.Р. Роботизированная адаптивная размерная полировка компрессорных и турбинных лопаток. Авиационные двигатели. 2021;4(13):51–62.https://doi.org/10.54349/26586061_2021_4_51 EDN: YGFKKK.https://doi.org/10.54349/26586061_2021_4_51 EDN: YGFKKK.Сазонов М.Б., Соловацкая Л. В. Влияние напряжённого состояния поверхностного слоя на выносливость лопаток компрессора газотурбинного двигателя. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019;18(1):109–117. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2019-18-1-109-117. EDN: ZDUVLV.Сазонов М.Б., Соловацкая Л. В. Влияние напряжённого состояния поверхностного слоя на выносливость лопаток компрессора газотурбинного двигателя. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019;18(1):109–117. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2019-18-1-109-117. EDN: ZDUVLV.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.