Введение к работе
Актуальность проблемы. Поверхностное легирование - это один из наиболее эффективных способов упрочнения и защиты поверхности конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Его применение в ряде случаев позволяет отказаться от разработки и использования новых высокопрочных материалов. Вместе с тем, методы традиционной химико-термической обработки в силу их высокой энергоемкости и длительности экономически оправдывают себя только в условиях массового производства.
Высокой экономичностью обладают способы поверхностного легирования, использующие концентрированные потоки энергии (КПЭ), например, лазерное излучение, мощные электронные и ионные пучки, плазменные потоки и струи. Они позволяют проводить обработку непосредственно в тех местах, которые испытывают разрушение в процессе эксплуатации деталей. По экспертным оценкам применение различных методов поверхностной обработки с использованием КПЭ в таких отраслях промышленности как автомобильная, авиакосмическая, в общем машиностроении неуклонно возрастает и сопоставимо с использованием различных методов нанесения покрытий.
Особый интерес вызывают плазменные способы поверхностного легирования с использованием КПЭ. Это связано с возможностью обработки сравнительно больших площадей поверхности, а также с тем, что в ряде случаев для легирования может использоваться само плазмообразующее вещество. Эффективность применения новых технологий плазменного легирования с целью упрочнения поверхности обусловлена также достигнутым уровнем развития оборудования для их реализации.
Одним из таких способов является электровзрывное легирование (ЭВЛ), суть которого состоит в изменении структурно-фазовых состояний и свойств металлов и сплавов путем оплавления и насыщения поверхности импульсной плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва проводников.
Развитие новых способов и средств импульсного плазменного упрочнения металлов и сплавов ставит актуальную проблему оптимизации структуры и свойств поверхности легирования. Анализ состояния проблемы показывает, что ее решение в случае ЭВЛ возможно при использовании дополнительной электронно-пучковой обработки (ЭПО) поверхности легирования. Вместе с тем, работы, выполненные в настоящее время по изучению результатов совместного использования ЭВЛ и ЭПО, еще не позволяют выработать развитые модельные представления о процессах и установить физические механизмы упрочнения.
Исследования выполнялись по тематическому плану НИР СибГИУ, проводимых по заданию Федерального агентства по образованию (2008, 2009 гг.), в соответствии с грантом РФФИ № 07-08-92100-ГФЕН и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было установление закономерностей формирования структурно-фазовых состояний и повышения микротвердости и износостойкости поверхностных слоев титановых сплавов ВТ 1-0 и ВТ20 при комбинированной обработке.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
разработаны способы науглероживания, алитирования, бороалитирования поверхности титана с использованием комбинированной обработки;
установлено влияние электронно-пучковой обработки на рельеф упрочняемой поверхности;
установлены особенности структурно-фазовых состояний зоны комбинированного упрочнения;
определены распределение микротвердости по глубине зоны комбинированной обработки и износостойкость поверхности.
Научная новизна. В результате выполнения работы были получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1)показано, что ЭПО поверхности электровзрывного науглероживания, алитирования и бороалитирования приводит к выглаживанию рельефа, залечиванию микротрещин и микропор;
2)выявлено, что по глубине зоны комбинированного воздействия располагаются три слоя, закономерно связанные друг с другом: приповерхностный слой, граница которого определяется глубиной ЭПО; промежуточный слой с измененным фазовым составом, вызванным ЭВЛ; слой термического влияния, в котором упрочнение достигается вследствие структурно-фазовых изменений основы сплава. Общая глубина зоны воздействия при науглероживании составляет 70, алитировании - 60, а при бороалитировании - 90 мкм;
3)установлено, что упрочнение достигается вследствие формирования многофазной структуры, содержащей нано- и микрокристаллические частицы карбидов титана, интерметаллидов системы титан-алюминий, а при бороалитировании - также бориды алюминия и титана различной морфологии.
Практическая значимость работы. Практическая значимость выполненных исследований заключается в том, что они позволили определить режимы комбинированной обработки технически чистого
титана, приводящие к кратному повышению износостойкости и микротвердости. Износостойкость в условиях сухого трения скольжения после электровзрывного науглероживания и последующего вакуумного отжига увеличивается в 2,6 и 10 раз, соответственно. Установлено, что микротвердость поверхности науглероживания после ЭПО возрастает в 12 раз, а поверхности алитирования - в 3 раза. После бороалитирования и ЭПО микротвердость возрастает в 5 раз. Результаты работы позволяют рекомендовать способ комбинированной обработки поверхности титана для практического использования.
Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментального материала, полученного с использованием методов современного физического материаловедения, сравнением результатов между собой и с результатами других авторов, использованием для их анализа хорошо апробированных теоретических представлений.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях: Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество», Новокузнецк, 2008; V и VI Международной конференции, посвященной памяти акад. Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 2008, 2010; IX и X Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых учёных «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Екатеринбург, 2008, 2009; Всероссийской научно-технической конференции «Научное наследие И.П. Бардина», Новокузнецк, 2008; Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных, Кемерово-Томск, 2009; II и III Международном российско-китайском семинаре «Влияние электромагнитных полей на структуру и характеристики материалов», Москва, 2009, Шеньжень, 2010; Седьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработки и применение высоких технологий в промышленности» (Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование), С-Пб., 2009; XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности», Самара, 2009; IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009; Всероссийской Байкальской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по наноструктурным материалам, Иркутск, 2009; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2009; Берн-штейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 2009; XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных 130-летию академика АН УССР Н.Н. Давиденкова, С.-Пб., 2010, V Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, 2010; 50 Международном научном симпозиуме «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2010; От-
крытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наност-руктурные материалы», Уфа, 2010; XIII Республиканской конференции «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2011; XIV Международного семинара «Структурные основы модифицирования материалов», Обнинск, 2011.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе 1 коллективная монография, 17 статей, 8 из которых - в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 6 докладов и тезисы 22-ти докладов на конференциях и других научных мероприятиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
Способы комбинированной упрочняющей обработки титановых сплавов ВТ 1-0 и ВТ20, сочетающие электровзрывное легирование поверхности и последующее ее переплавление при электронно-пучковом воздействии.
Совокупность экспериментальных данных о структуре поверхности обработки, строении по глубине зоны комбинированного воздействия, ее структурно-фазовых состояниях и свойствах.
Модельные представления о процессах формирования структурно-фазовых состояний и свойств поверхностных слоев технического титана при комбинированной обработке.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 разделов, заключение и приложение, изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка, список литературы состоит из 163 наименований.
