АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ МОДИФИКАЦИИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Общая классификация методов

Практическое использование титана и его сплавов требует предварительной обработки, позволяющей существенным образом модифицировать его свойства. В первую очередь это относится к механическим свойствам титана.

С целью повышения эксплуатационных характеристик изделий, изготовленных из титановых сплавов, широко применяются методы формирования на их поверхности защитных покрытий толщиной до нескольких микрометров, отличающихся по своему химическому составу и структурному состоянию от массива титана [16, 17]. В большинстве случаев формируются нитридные или карбидные покрытия вакуумно-плазменными технологиями осаждения (physical vapour deposition, PVD) [18, 19]. Они используются для повышения твердости, а также износостойкости поверхностных слоев, которые необходимы при эксплуатации изделий из титановых сплавов. Недостатком данных методов является низкая адгезионная прочность покрытий, для повышения которой часто используют предварительную ионную обработку поверхности.

Также используются методы химического вакуумного осаждения, которые основаны на химических реакциях в парогазовой среде, окружающей поверхность металла [17].

Согласно [16], все многообразие методов модификации непосредственно титановых сплавов можно условно разделить на две основные группы:

  • 1) термическая и деформационная обработки;
  • 2) химико-термическая обработка.

Первая группа методов модификации титана связана исключительно с изменением его микроструктурного состояния, в первую очередь с размером и формой зерен при сохранении его химического состава.

Традиционно к этой группе относятся методы, заключающиеся в нагреве образца до определенной температуры и его последующем охлаждении. В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения получают титановые сплавы в различном структурном состоянии. Здесь особо следует отметить процессы наноструктурирования, которые позволяют сформировать нанокристаллическую зеренную структуру со средним размером зерна менее 100 нм. В основном это достигается за счет закалки из расплавленного состояния и также при интенсивной пластической деформации [20].

Химико-термическая обработка направлена в первую очередь на модификацию свойств титана за счет изменения его элементного состава, который, в свою очередь, способствует изменению структурного состояния. В этом отношении следует выделить два основных направления. Это, во-первых, процессы, связанные с насыщением поверхностного слоя атомами азота (азотирование), кислорода (оксидирование), углерода (науглероживание), которые приводят к формированию нитридов, оксидов или карбидов соответственно, а также твердых растворов внедрения. Наиболее перспективным оказался метод азотирования титана. Традиционно этот метод реализуется при повышенной температуре в среде азота. Недостатком данного способа является достаточно высокая длительность процессов азотирования, которая для достижения существенного эффекта составляет несколько часов [21-25].

Второе направление химико-термической обработки титановых сплавов связано с внедрением в его кристаллическую решетку атомов металлов, что приводит к полной или частичной стабилизации высокотемпературной фазы титана и формированию (3- или (ои-(З)-сплавов. Одним из основных традиционных методов в этом отношении является ионная имплантация. Его преимущество заключается в возможности управления концентрацией, а следовательно, и фазовым составом. Основные недостатки ионной имплантации - относительно высокая длительность процесса и неравномерное распределение имплантированных атомов по глубине мишени [26-29].

В последнее время наметился интерес исследователей к использованию КПЗ для модифицирования структурно-фазового состояния различных материалов и улучшения их механических характеристик. Под КПЗ понимают такие способы воздействия на материал, которые позволяют за относительно короткие промежутки времени (как правило, от десятков наносекунд до сотен микросекунд) сообщать материалу высокие плотности энергии (от единиц до десятков Дж/см2). Причем энергия локализована в ограниченном объеме пространства, т. е. представляет собой узкие лучи, пучки заряженных частиц или поток плазмы [30-34].

К числу КПЗ, широко используемых при модификации материалов, в том числе и титановых сплавов, относятся плазменные потоки [35, 36], электронные пучки [37, 38], ионные пучки [39, 40], лазерное излучение [41, 42].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >