Введение к работе
Актуальность исследований. Титан и его сплавы на сегодняшний день являются одними из перспективных металлических материалов для современной техники и медицины. Однако низкое сопротивление изнашиванию титана и его сплавов значительно ограничивает сферу их применения. Тем не менее, титан и его сплавы используют в трибосопряжениях, где по условиям эксплуатации требуются высокая коррозионная стойкость в сочетании с низким весом, но при этом предполагается кратковременная работа узла, либо для повышения износостойкости используют различные методы модификации поверхности изделий или нанесение покрытий.
В настоящее время использование методов интенсивной пластической деформации для формирования ультрамелкозернистой структуры в титане и титановых сплавах позволило повысить их прочностные свойства, что открыло новые перспективы их применения. В литературе имеется сравнительно небольшое количество сведений о трении и изнашивании титана и его сплавов с ультрамелкозернистой структурой, а сделанные в этих работах выводы противоречивы. По-видимому, это обусловлено неполным учетом особенностей ультрамелкозернистой структуры, характеризующейся не только малым размером зерен, но и высокой неравновесностью. Таким образом, актуальным является выяснение факторов, определяющих закономерности трибологического поведения ультрамелкозернистых титана и его сплавов.
Разработаны достаточно эффективные способы повышения износостойкости титана и титановых сплавов путем модификации поверхности либо нанесения покрытий. Однако для материалов с ультрамелкозернистой структурой эти способы не всегда пригодны, поскольку большинство из них предполагает высокое и продолжительное термическое воздействие. Поэтому исследование возможности повышения износостойкости титана и его сплавов с ультрамелкозернистой структурой также является актуальной задачей.
В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является изучение закономерностей изнашивания титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой при трении с граничной смазкой, а также исследование возможности повышения износостойкости этих материалов методами высокодозной ионной имплантации и электроискрового легирования.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:
Провести аттестацию структуры титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 в исходном состоянии и после формирования ультрамелкозернистой структуры по различным технологическим схемам.
Исследовать закономерности изнашивания титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой в условиях трения с граничной смазкой.
Выявить наиболее значимые параметры структуры ультрамелкозернистых материалов (размер зёрен, фазовый состав, степень неравновесности струк-
туры), оказывающие определяющее влияние на закономерности их изнашивания. 4. Определить параметры высокодозной ионной имплантации и электроискрового легирования, обеспечивающие наибольшую износостойкость исследуемых материалов.
Научная новизна. Установлено, что в исследованных условиях интенсивность изнашивания сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 выше, чем у титана технической чистоты ВТ 1-0, и ее величина максимальна для сплава ВТ6, имеющего наибольшие концентрации легирующих элементов.
Разработана методика оценки неравновесности структуры с использованием метода дифракции обратно рассеянных электронов.
На основе проведенных экспериментальных исследований сформулированы общие закономерности и различия элементарных механизмов изнашивания нелегированного титана технической чистоты ВТ 1-0 и титановых сплавов ПТ-ЗВ, ВТ6.
Показано, что при испытаниях в исследованных условиях определяющим параметром для всех исследованных материалов является степень неравновесности структуры: чем выше степень неравновесности структуры, тем выше интенсивность изнашивания.
Практическая значимость. Установленная в работе более высокая интенсивность изнашивания сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 по сравнению с титаном технической чистоты ВТ 1-0 как в крупнозернистом, так и в ультрамелкозернистом состоянии позволяет рекомендовать для применения в трибосопряжениях нелегированный ультрамелкозернистый титан.
Выявленная в работе корреляция интенсивности изнашивания со степенью неравновесности ультрамелкозернистой структуры может быть использована для выработки рекомендаций по корректировке технологических режимов получения ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ 1-0 и сплавах ПТ-ЗВ и ВТ6, чтобы обеспечить, наряду с повышением прочностных характеристик, и повышение сопротивления изнашиванию.
Результаты по влиянию сорта имплантируемых элементов при высоко-дозной имплантации и материалов электрода при электроискровом легировании на закономерности изнашивания могут использоваться для повышения износостойкости титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 как с крупнозернистой, так и с ультрамелкозернистой структурой.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика оценки относительной степени неравновесности структуры ультрамелкозернистых металлов и сплавов по параметру, рассчитанному на основании данных компьютерной обработки картин дифракции обратнорассеянных электронов.
Экспериментально установленное образование на поверхности трения образцов крупнозернистого титана и ультрамелкозернистого титана с равновесной структурой износостойких вторичных структур в виде островков, предположительно содержащих мелкодисперсный диоксид титана, которые предотвращают адгезионный механизм изнашивания.
Определяющее влияние степени неравновесности ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ 1-0 и сплавах ПТ-ЗВ и ВТ6 на интенсивность их изнашивания: чем больше степень неравновесности структуры, тем выше интенсивность изнашивания.
Повышение износостойкости титана ВТ 1-0 с крупнозернистой структурой путем высокодозной имплантации ионов алюминия, обеспечивающей формирование в поверхностном слое титана износостойких ультрадисперсных интер-металлидных частиц Ті3А1.
Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается использованием современных апробированных методик исследования, анализом литературных данных, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных, статистической обработкой результатов эксперимента.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006 г.), III Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 16-19 апреля 2006 г.), VI Всероссийской школе-семинаре «Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2006» (Томск, 13-16 июня 2006 г.), XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 26 - 29 июня 2006 г.), IV Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 15-18 мая 2007 г.), VII Всероссийской школе-семинаре «Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2007» (Томск, 13-15 июня 2007 г.), VIII Международной конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 2008 г.), 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (September 21 - 26, Tomsk, Russia, 2008), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 16-20 ноября 2009 г.), I Международная научно-практическая конференция «Технология, материалы, транспорт и логистика: ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» TMTL'10 (20-24 сентября 2010 г., Ялта, Украина), Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и нано-структурные материалы - 2010» (Уфа, 11-15 октября 2010), Научно - технической конференции с участием иностранных специалистов «Трибология - машиностроению, посвященная 120 - летию со дня рождения проф. М.М. Хрущова» (Москва, 7-9 декабря 2010 г.), V Международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (Минск, 15-17 сентября 2010 г.), XII Международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов ДСМСМС-2011» (Екатеринбург, 13-16 июня 2011 г.), Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (Томск, 5-9 сентября 2011 г.), XI Международной
конференции «Трибология и надёжность» (27-29 октября 2011 г. Санкт-Петербург).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, из них 5 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 18 докладов и 10 тезисов - в материалах научных конференций различного уровня.
Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задачи диссертации, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 91 наименование. Всего 171 страница машинописного текста, в том числе 75 рисунков и 7 таблиц.
