Механизм азотирования титана при воздействии компрессионными плазменными потоками

Выявленные закономерности проникновения азота в поверхностный слой титана после воздействия КПП при Q = 13- 35 Дж/см2, в частности то, что глубина его проникновения существенно ниже глубины легирования атомами металлов, исключают участие азота в процессе конвективного массопереноса и свидетельствуют в пользу диффузионного насыщения поверхностного слоя атомами азота из остаточной атмосферы. Диффузионное насыщение поверхностного слоя обрабатываемого материала может происходить как в твердой фазе на этапах до плавления материала и после его кристаллизации, так и в жидкой фазе.

Постоянная концентрация азота на поверхности титана после воздействия КПП при Q = 13-35 Дж/см2, составляющая 40-45 ат.%, обусловливает формирование поверхностного нитридного слоя, что подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа. В самом деле, температура, достигаемая непосредственно на поверхности титана после воздействия КПП при Q = 13-35 Дж/см2, превышает 2000 К и соответствует температуре кристаллизации нитрида титана 5-TiN. с концентрацией азота 35-40 ат.% [175]. Формирование на поверхности нитрида нестехиометрического состава с содержанием азота 40-45 ат.% было также обнаружено при лазерном азотировании титана [176].

Сформированный поверхностный нитридный слой 8-TiN^ характеризуется коэффициентом диффузии азота, равным 3,95 • 10-13 см2/с (при температуре 850 °С) [177], который существенно ниже коэффициента диффузии азота в а-фазе (1,8 • 10-11 см2/с) [2, 177] и в (3-фазе (2,5-10-11 см2/с) титана [2] (при температуре 850 °С). Вследствие этого сформированный нитридный слой выступает в качестве барьерного слоя, препятствующего проникновению азота из остаточной атмосферы в расплав титана.

Дальнейшее повышение температуры поверхностного слоя расплава приводит к увеличению интенсивности испарения материала, который формирует ударно-сжатый слой, удерживаемый непосредственно у поверхности образца набегающим компрессионным плазменным потоком [97, 98, 113]. Сформированный таким образом слой препятствует проникновению атомов азота из атмосферы плазмообразующего вещества в расплав, также являясь своего рода барьерным слоем. После окончания действия импульса плазмы зона компрессии плазменного потока начинает распадаться, что обусловливает рассеяние ударно-сжатого слоя, заполнение приповерхностной области азотом из остаточной атмосферы и создание условий для эффективной диффузии атомов азота в материал. Объем формирующегося ударно-сжатого слоя определяется плотностью потока атомов у, испаряющихся с поверхности образца, которая, согласно [156], может быть оценена следующим образом:

где Р(Т) - давление насыщенных паров над поверхностью при температуре Г; М - масса испаряющихся атомов; а - постоянная, не зависящая от температуры и испаряемого материала.

Таким образом, длительность диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом определяется интервалом времени между рассеянием ударно-сжатого слоя и охлаждением поверхности образца до комнатной температуры. После рассеяния ударно-сжатого слоя происходит полная кристаллизация расплава, в результате чего диффузионное насыщение поверхностного слоя атомами азота осуществляется в твердой фазе.

Смещением образца относительно центра плазменного потока было достигнуто его частичное плавление, плотность поглощенной энергии при этом составляла 23 Дж/см2. После исследования элементного состава с помощью ОЭС в расплавленной и нерасплавленной областях удалось установить, что концентрация азота в приповерхностном слое практически не зависит от его плавления (рис. 4.6). Это свидетельствует о преобладании твердофазной диффузии азота в поверхностный слой титана после воздействия на него КПП при Q = 13-35 Дж/см2.

Распределение азота по глубине в расплавленной (1) и нерасплавленной (2) частях поверхности титана после воздействия КПП при Q = 23 Дж/см

Рис. 4.6. Распределение азота по глубине в расплавленной (1) и нерасплавленной (2) частях поверхности титана после воздействия КПП при Q = 23 Дж/см2

(результаты ОЭС)

Формирование ударно-сжатого слоя в непосредственной близости к поверхности обрабатываемого образца позволяет объяснить снижение концентрации азота в его поверхностном слое с повышением Q. Изменение плотности потока испаряющихся атомов титана j с поверхности с повышением Q определяется в основном значением выражения Р(Т)Т~05, которое увеличивается с повышением плотности поглощенной энергии (рис. 4.7). В силу того, что массы атомов железа и титана слабо отличаются друг от друга, основной вклад в плотность потока испаряемых атомов j вносит отношение Р(Т) Г-0,5. Можно заметить, что с повышением плотности поглощенной энергии до 35 Дж/см2 происходит увеличение потока испаряющихся атомов, формирующих более плотный и объемный ударно-сжатый слой.

С повышением Q от 13 до 35 Дж/см2 количество испаряющихся атомов титана увеличивается. Вследствие этого в приповерхностной области обрабатываемого материала формируется более плотный ударно-сжатый слой, на рассеяние которого после прекращения действия импульса плазмы затрачивается большее время. При этом процесс диффузионного насыщения атомами азота поверхностного слоя начинается позже и при более

Значения функции Р(Т) 7^ для титана (а) и низкоуглеродистой стали СтЗ (б) при воздействии компрессионными плазменными потоками

Рис. 4.7. Значения функции Р(Т) 7^0 5 для титана (а) и низкоуглеродистой стали СтЗ (б) при воздействии компрессионными плазменными потоками

низкой температуре, приводя к более низкой концентрации азота в приповерхностном слое.

Вследствие этого уменьшается эффективное время протекания диффузионного процесса, снижая тем самым глубину проникновения азота в поверхностный слой. Этим и объясняется более низкое содержание в нем азота при возрастании Q от 13 до 35 Дж/см2.

Таким образом, воздействие на титан компрессионными плазменными потоками, генерируемыми в атмосфере азота, с плотностью поглощенной энергии 13-35 Дж/см2 приводит к диффузионному насыщению поверхностного слоя атомами азота, реализуемого преимущественно в твердой фазе титана после кристаллизации расплава. Максимальная концентрация азота в титане, достигаемая непосредственно на его поверхности, составляет 40-45 ат.% и не изменяется при увеличении плотности поглощенной энергии от 13 до 35 Дж/см2. Однако глубина проникновения азота при этом снижается с ~1,5 мкм (для Q - 13 Дж/см2) до ~0,5 мкм (для Q = 35 Дж/см2), что является следствием уменьшения времени диффузионного насыщения из-за формирования в приповерхностной области ударно-сжатого слоя.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >