ЛЕГИРОВАНИЕ ТИТАНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КОМПРЕССИОННЫМИ ПЛАЗМЕННЫМИ ПОТОКАМИ

Практическое использование титановых сплавов в промышленности обусловливается в первую очередь их механическими свойствами, которые определяются преимущественно микроструктурой и фазовым составом сплава. Формирование сплавов различного фазового состава осуществляется обычно при легировании титана другими элементами, причем концентрация последних является основным фактором, определяющим соотношение а- и P-фаз в сплаве.

В настоящей главе рассматриваются основные закономерности изменения элементного состава приповерхностного слоя титана, обусловленные воздействием компрессионными плазменными потоками с предварительным нанесением металлического покрытия легирующего материала.

Формирование легированных слоев

В качестве основы для формирования приповерхностных легированных слоев был выбран технически чистый сплав титана марки ВТ 1-0 со следующим содержанием примесей в % (мае.): 0,25 - Fe; 0,20 - О; 0,10 - Si; 0,07 - С; 0,04 - N; 0,01 - Н (ГОСТ 19807-91). Данный сплав характеризуется наименьшим содержанием примесных атомов по сравнению с другими сплавами титана и поэтому может выступать как модельный материал для исследования особенностей структурно-фазовых превращений в нем, обусловленных именно легированием атомами металлов, и исключить влияние случайных примесей. Присутствующие в сплаве ВТ1-0 примесные атомы относятся (за исключением Fe)

37

к группе а-стабилизаторов, вследствие чего фазовый состав данного сплава представлен низкотемпературной гексагональной фазой a-Ti.

Исследуемые образцы имели размеры 10х 10 мм и толщину 2 мм. Указанные размеры образцов были выбраны из условия превышения площади плазменного потока над площадью образцов с целью однородного воздействия плазмы и исключения из рассмотрения краевых эффектов.

На предварительно отполированную поверхность титановых образцов наносились покрытия металлов (Mo, Cr, Zr, А1) методом вакуумно-дугового осаждения по технологии КИБ - конденсация вещества в вакууме с ионной бомбардировкой [106, 107]. Осаждение металлических покрытий осуществлялось на установке ВУ-2МБС в две стадии.

  • 1. Обработка поверхности подложки потоком плазмы осаждаемого металла (стадия «ионной очистки») при следующих режимах: вакуум в камере - 10~5 Па; ток дуги металлического катода - 100 А; отрицательное напряжение, прикладываемое к подложке, - 1 кВ; продолжительность ионной очистки 60 с. Данная стадия обеспечивает активацию и очистку поверхностного слоя в результате его нагрева до температуры 400-450 °С, за счет чего происходит повышение адгезионной прочности покрытия к подложке.
  • 2. Непосредственное осаждение металлических покрытий из плазмы при следующих режимах: ток дуги - 100 А; отрицательное напряжение, прикладываемое к подложке, - 120 В; время осаждения - 10 мин.

Использованные режимы позволили сформировать металлические покрытия толщиной «2 мкм.

Выбор легирующих элементов, наносимых в виде покрытий, обусловлен их различной растворимостью в низкотемпературной и высокотемпературной фазах титана [1, 108-111]. В связи с этим, используя легирующие элементы из различных групп стабилизаторов (см. рис. 1.2), представляется возможным формировать титановые сплавы с различным соотношением низкотемпературной (а) и высокотемпературной (р) фаз.

С целью установления влияния толщины наносимого металлического покрытия на элементный состав легированного слоя были сформированы на поверхности титана покрытия никеля различной толщины электрохимическим осаждением из электролита Уотса (состав в г/л: NiCl2 - 26; NiS04 - 165; Н3В03 - 30). Толщина наносимых покрытий варьировалась от 4 до 6 мкм путем изменения плотности электрического тока в электролите.

Сформированные системы Mo/Ti, Cr/Ti, Ni/Ti, Zr/Ti и Al/Ti, а также образцы сплава титана ВТ 1-0 без металлических покрытий подвергались воздействию КПП, генерируемых квази- стационарным плазменным ускорителем типа МПК компактной геометрии [112]. Характерной особенностью плазменного потока, формирующегося в МПК, является его высокая устойчивость, а также возможность управления его размерами и энергетическими параметрами при длительности импульса ~ 100 мкс, что недостижимо в других типах плазменных ускорителей. Все это достигается за счет особой геометрии специально разработанного разрядного устройства (рис. 3.1). Внутренний электрод (катод) такого разрядного устройства представляет собой усеченный конус длиной 5 см и диаметрами 3 и 0,6 см. Внешний электрод (анод) представляет собой совокупность восьми стержней длиной 11,5 см и диаметром 0,8 см, симметрично расположенных вокруг катода [97, 113].

Схема (а) и внешний вид (б) разрядного устройства МПК

Рис. 3.1. Схема (а) и внешний вид (б) разрядного устройства МПК: 1 - катод;

2 - стержневой анод

При разряде между электродами, происходящем в результате разрядки системы конденсаторов, на выходе из разрядного устройства МПК формируется компрессионный плазменный поток длиной 10-12 см и диаметром в области максимального сжатия 1-2 см. Компрессионный поток плазмы устойчиво существует в течение времени ~ 100 мкс, после чего начинает распадаться.

Варьируемой величиной, позволяющей формировать поверхностные слои в титане, находящиеся в различных структурнофазовых состояниях, являлась плотность энергии (0, поглощаемая поверхностным слоем, изменение которой осуществлялось за счет изменения расстояния между поверхностью обрабатываемого образца и срезом электрода разрядного устройства (.L) от 6 до 12 см. При напряжении на системе конденсаторов 4,0 кВ это позволяло варьировать плотность поглощенной энергии, определенную по калориметрическим данным [114], от 13 до 35 Дж/см2 (рис. 3.2). Длительность импульса плазменного воздействия (т) составляла 100 мкс.

Калориметрические зависимости плотности поглощенной энергии (0 от напряжения на накопительной системе конденсаторов (U) [114]

Рис. 3.2. Калориметрические зависимости плотности поглощенной энергии (0 от напряжения на накопительной системе конденсаторов (U) [114]: 1 - L = 12 см, р = 400 Па; 2 - L= 10 см, р = 400 Па; 3 - L = 8 см, р = 400 Па; 4 -

L = 6 см, р = 400 Па

Выбор параметров воздействия КПП, обеспечивающих плотность поглощенной энергии 13-35 Дж/см2, обусловлен наличием предварительных экспериментальных данных при обработке низкоуглеродистой стали 3 [104, 105, 115], которые показали эффективность использования таких параметров для формирования поверхностных легированных слоев.

Обработка образцов титана с металлическими покрытиями осуществлялась в МПК в режиме «остаточного газа», при котором предварительно откачанная вакуумная камера заполнялась рабочим газом (азотом) до давления (р) в 400 Па. С целью установления влияния плазмообразующего вещества на особенности структурно-фазового состояния поверхностного слоя титана после обработки КПП были проведены серии экспериментов, плазмообразующим газом в которых был использован водород, давление которого составляло также 400 Па.

Обработка КПП каждого образца осуществлялась тремя последовательными импульсами, в результате чего достигалось многократное жидкофазное перемешивание поверхностного расплавленного слоя, о чем речь пойдет ниже, и, как следствие, гомогенизация его элементного состава. Импульсы следовали друг за другом с интервалом 20 с (частота 0,05 Гц), необходимым для перезарядки системы конденсаторов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >