ВВЕДЕНИЕ

Одним из перспективных направлений развития современного материаловедения и физики конденсированного состояния является разработка способов модифицирования структурнофазового состояния различных материалов, в результате чего достигается повышение их эксплуатационных параметров. В ряде случаев сроки эксплуатации изделий определяются преимущественно их поверхностными свойствами, в связи с чем актуальным представляется разработка методов поверхностной обработки материалов.

Большое количество исследований сегодня ведется в области обработки сплавов на основе титана, которые являются одними из широко применяемых технических материалов. За счет низкой плотности, сочетающейся с высокой прочностью, а также высокой коррозионной стойкости титановые сплавы нашли широкое применение в таких отраслях промышленности, как авиастроение и судостроение. Они используются при изготовлении лопаток турбин и элементов корпусов. В то же время титан обладает хорошей биосовместимостью к тканям живых организмов, что послужило основой для синтеза новых материалов для изготовления искусственных имплантатов, протезов, а также инструментов медицинского назначения. Тем не менее основной причиной, сдерживающей расширение областей применения титановых сплавов, является их низкая износостойкость, обусловленная в первую очередь низкой твердостью. В связи с этим большинство методов поверхностного модифицирования титановых сплавов направлено на повышение их твердости.

Традиционным методом поверхностной обработки титановых сплавов считается химико-термическая обработка, которая 4

в большинстве случаев связана с процессом азотирования. Титан характеризуется высоким химическим сродством к азоту, в результате чего при его взаимодействии с атомами азота происходит образование нитрида титана TiN, который обладает достаточно высокой твердостью. Совокупность методов химикотермической обработки подразумевает насыщение поверхностного слоя образца из титанового сплава атомами азота из газовой атмосферы при повышенных температурах. Основным механизмом, позволяющим осуществлять массоперенос в поверхностном слое, является диффузия, которая требует большой длительности для достижения необходимой концентрации азота в поверхностном слое.

Также к числу широко используемых методов обработки титана и его сплавов следует отнести деформационные методы, связанные с формированием дефектной структуры, в частности, повышенной плотности дислокаций, образованием текстуры и измельчением зерен. В этом отношении достаточно хорошо зарекомендовал себя метод интенсивной пластической деформации, который позволяет переводить заготовки титана из крупнокристаллического в субмикро- и нанокристаллическое состояние, увеличивая при этом его прочностные характеристики.

Еще одна группа методов, позволяющих повысить механические характеристики поверхностных слоев титана, связана с его легированием атомами металлов, приводящим к формированию сплавов различного фазового состава. В зависимости от растворимости атомов легирующих металлов в аллотропных модификациях титана выделяют а-, (а+р)- и р-сплавы. Традиционно формирование поверхностных сплавов осуществлялось с помощью низкоэнергетической ионной имплантации, которая также требует длительного времени для достижения необходимой концентрации легирующих элементов.

В последнее время стали широко развиваться методы модифицирования материалов, в том числе и титановых сплавов, связанные с воздействием концентрированных потоков энергии (КПЭ). В качестве КПЭ сегодня активно используют электронные и ионные пучки, плазменные потоки, а также высокоинтенсивное электромагнитное (лазерное) излучение. Совокупность данных методов позволяет сконцентрировать за относительно короткий промежуток времени (10-6-10-4 с) высокую плотность энергии (1-100 Дж/см2) в тонком (0,1-10 мкм) приповерхностном слое материала. Сверхвысокие скорости разогрева до критических температур плавления и последующее высокоскоростное (> 106 К/с) охлаждение тонкого поверхностного слоя образца, находящегося в расплавленном состоянии, способствуют формированию нано- и субмикрокристаллических состояний, фазовый состав которых зачастую недостижим при традиционных методах термической и химико-термической обработки. Свойства получаемого при этом поверхностного слоя во многом определяются характеристиками электронных, ионных и плазменных источников, используемых для этих целей. С этой точки зрения теоретические и экспериментальные исследования основных принципов генерации электронных, ионных пучков и плазменных потоков, а также создание современного оборудования для формирования наноструктурированных материалов являются одной из актуальных задач материаловедения.

Системы, генерирующие импульсные электронные и ионные пучки с длительностью импульса от сотен наносекунд до десятков микросекунд, позволяют осуществлять модифицирование поверхностных слоев материалов исключительно за счет тепловых процессов, обусловливающих в первую очередь эффект закалки поверхностного слоя. Однако малое время существования поверхностного расплава, сравнимое с длительностью импульса, не обеспечивает интенсивное протекание процессов массопереноса, определяющих изменение элементного и фазового состава в гетерогенных системах. С целью повышения времени существования поверхностного расплава могут быть использованы квазистационарные плазменные ускорители с собственным азимутальным магнитным полем, генерирующие направленные плотные плазменные потоки с малой расходимостью и относительно большой длительностью существования (на уровне сотен микросекунд). Лидирующее положение в мире в области исследований квазистационарных плазменных ускорителей занимает Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси.

Повышение длительности импульса в плазменных ускорителях позволило разработать эффективные методики легирования поверхностных слоев материалов, при которых высокоэнергетическое воздействие осуществляется на обрабатываемый материал с предварительно нанесенным металлическим покрытием. В этом случае наряду с тепловым эффектом производится также жидкофазное легирование поверхностного слоя. Использование таких источников для поверхностного модифицирования титановых сплавов представляется особенно актуальным ввиду возможности одновременного их легирования атомами различных металлов, а также формирования нанокристаллической структуры в процессе закалки. Более того, использование для этих целей компрессионных плазменных потоков, генерируемых в атмосфере азота, позволяет наряду со всем вышеперечисленным проводить и азотирование поверхностного слоя титановых сплавов.

На сегодняшний день проведены исследования и получен ряд экспериментальных результатов, указывающих на перспективность использования компрессионных плазменных потоков с целью легирования поверхностных слоев низкоуглеродистой стали, кремния, алюминиевых сплавов, композиционных материалов на основе тугоплавких карбидов металлов. Однако до сих пор не существует единой теоретической модели, позволяющей описать процессы тепло- и массопереноса в поверхностных слоях материалов, подвергнутых воздействию высокоэнергетических плазменных потоков. Также не установлены основные закономерности структурно-фазовых изменений в поверхностных слоях титана, легированного атомами металлов в результате воздействия на них компрессионных плазменных потоков. В связи с этим в настоящей работе рассматриваются основные закономерности структурно-фазовых превращений в приповерхностных слоях титана, обусловленные воздействием компрессионных плазменных потоков, а также связанное с ними модифицирование механических свойств.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >