Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертационной работе, обосновывается тем, что сплавы на основе титана являются в настоящее время одними из важнейших конструкционных материалов. Широкое применение в разных отраслях промышленности (аэрокосмической, судостроительной, химической, нефтегазовой, медицинской и пищевой) объясняется их высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью в широком интервале температур. В то же время поверхностные свойства титановых сплавов (в частности, трибологаческие) не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым промышленностью. Это стимулировало интенсивные исследования, направленные на поиск способов повышения поверхностной прочности титановых сплавов и создание новых технологических процессов их обработки. Перспективным направлением в упрочнении титановых сплавов является использование высоких скоростей нагрева и охлаждения, реализуемых при обработке концентрированными потоками .энергии (КПЭ) с плотностью мощности 106 - 109 Вт/см2 (электронная, ионная, лазерная, электроэрозиокная обработка, импульсная плазма). Использование КПЭ приводит к формированию структурных состояний (сверхмелкозернистая и высокодисперсная структуры, мелкоигольчатый мартенсит и др.), которые проблематично получить при использовании традиционных способов термической обработки. При этом из перечисленных методов обработки наибольшими возможностями обладает мощный ионный пучок (МИЛ) наносекундной длительности.
Использование МИЛ для модификации титановых сплавов, имеющих многофазную поликристаллическую структуру, сдерживается множеством не решенных на сегодняшний проблем. Прежде всего к ним относится недостаточная изученность процессов взаимодействия МИП с материалами и сложность получения экспериментальных данных о параметрах материала в процессе такого воздействия. Кроме того, ряд особенностей титановых сплавов и специфика их термической обработки требуют более детального изучения процессов фазовых и структурных превращений, протекающих в условиях сверхбыстрого воздействия МИП. До сих пор нет однозначных представлений о механизмах и основных закономерностях полиморфных превращений и кристаллизационных процессов при таком воздействии, позволяющих прогнозировать необходимые механические свойства.
Традиционно сверхбыстрая закалка титановых сплавов используется в основном для получения различных метастабильных состояний с мелкодисперсной структурой. Основное равновесное состояние титановых сплавов получают, как правило, после
старения закаленных сплавов. Распад метастабильных состояний, полученных при сверхскоростной закалке, обеспечивает достижение уникальньк механических характеристик сплавов. Однако механизмы распада метастабильных фаз, полученных при закалке МИЛ, также не достаточно изучены.
Еще одним сдерживающим фактором использования МИП для модификации изделий из титановых сплавов является образование кратеров на обрабатываемой поверхности, которое отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках изделий, особенно при циклических нагрузках. Устранение этого явления или существенное снижение плотности и размеров кратеров возможно только при тщательном анализе причин, порождающих их образование при обработке.
Цель работы. Исследование закономерностей структурно-фазовых превращений в (а+Р)-титановых сплавах при обработке мощным иониым пучком, процессов распада метастабильных фаз при закалке МИП с последующим старением и конкретизация причин кратерообразования.
Научная новизна.
К новым результатам относятся:
-
Роль процессов кристаллизации и фазовой перекристаллизации в формировании структуры модифицированного слоя двухфазных титановых сплавов при сверхскоростной закалке мощным ионным пучком.
-
Закономерности образования высокодисперсного мартенсита в модифицированном МИП слое титановых сплавов.
-
Влияние распада метастабильных фаз, сформированных при облучении МИП, на упрочнение (а+р)-титашвых сплавов.
-
Роль растворенного водорода и инородных включений в приповерхностных слоях титановых сплавов в образовании кратеров при обработке мощным ионным пучком.
Практическая ценность. -Установленные закономерности изменения структурно-фазового состояния двухфазных титановых сплавов, облучаемых мощным ионным пучком, позволяют конкретизировап процессы, играющие важную роль в формировании модифицированного слоя для сплавы мартенситного класса.
-Уточненные схемы распада метастабильных фаз при старении позволяют оптимизировать режимы комплексной обработки (МИП+отжиг) при разработю технологии упрочнения поверхности титановых сплавов.
-Предложенный способ снижения плотности и размеров кратеров для титановых сплавов ВТ-б и ВТ-8 позволяет улучшить эксплуатационные характеристики деталей, модифицированных мощным ионным пучком.
- Разработанные программы для расчета структурных и субструктурных характеристик используются в научных и учебных программах.
Защищаемые положения.
1. Высокоскоростная кристаллизация и фазовая, перекристаллизация при
полиморфных превращениях двухфазных титановых сплавов, облучаемых мощным
ионным пучком, приводит к образованию глобулярной, мелкозернистой структуры.
-
В условиях высокоскоростной закалки (ои-(З)-титановых сплавов мощным ионным пучком образование высокодисперсного мартенсита обусловлено большой плотностью зародышей мартенситной фазы при высокой степени переохлаждения в зоне модификации МИП и подавлением процессов диффузионного роста кристаллов мартенсита.
-
Формирование высокодефектного, сверхмелкозернистого, неоднородного по химическому составу мартенсита и сохранение дисперсности структуры в процессе распада метастабильных фаз по схемам: а"->Р; а'+рм->а(а')+Р приводит к значительному упрочнению модифицированного слоя титановых сплавов, облученных МИТ.
-
Растворенные газы (главным образом водород) и инородные включения в приповерхностных слоях титановых сплавов играют определяющую роль в образовании кратеров на поверхности при облучении МИП. Предложен способ снижения плотности и размеров кратеров путем удаления газовых и инородных включений поверхностного слоя.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись на Региональном научно-техническом семинаре «Модификация поверхности конструкционных материалов с целью повышения износостойкости и долговечности деталей машин» (Благовещенск, 1992); на Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии машиностроения» (Москва, 1992); на XXIII-Межнапиональном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1993); на Всероссийской научно-технической конференции «Ресурсо-сберегающие технологии» (Москва, 1993); на VI-Международной конференции «Радиационные гетерогенные процессы» (Кемерово, 1995); на XXV, XXVII, XXVIII-Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с
кристаллами (Москва, 1995, 1997, 1998); на IV-МеждуиародноЙ конференции «Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий» (Томск, 1995); на IX-Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1996); на IV-Всероссийской конференции по модификации свойств конструїсционньк материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996); на ХШ-th International Symposium on the reactivity of solids (Hamburg, Germany, 1996); на IV-Межгосударствешгом семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1997); на X-th International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams (Gatlinburg, USA, 1997); на Xl-th International Conference on Ion Beams Modification (Amsterdam, Netherlands, 1998); на FV-th International Conference on Computer Simulation of Radiation Effects in Solids (Okayama, Japan, 1998), на ГУ-Международной конференции "Актуальные проблемы элетронного приборостроения" (Новосибирск, 1998), на Международной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в нерганических материалах (Томск, 1998).
Публикации. По материатам диссертация опубликовано 23 работы.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с 5С рисунками и 14 таблицами, раздела «Основные результаты и выводы», спида литературы, включающего 131 наименование. Общий объем диссертации 159 страниц.
