Легирование титана β-изоморфнмм элементом (Мо)

(3-изоморфные элементы характеризуются неограниченной растворимостью в высокотемпературной фазе титана и ограниченной растворимостью в низкотемпературной фазе (рис. 5.7) [2, 4-6]. Типичным представителем этой группы элементов является молибден, легирование титана которым широко используется с целью формирования как однофазных Р-сплавов, так и двухфазных (а+Р)-сплавов.

Формирование на поверхности титана приповерхностного слоя, легированного молибденом, имеет особое практическое значение, связанное со следующими обстоятельствами:

создание на основе системы Mo-Ti структур, эффективно поглощающих водород, в которых образуются стабильные гидриды TiH10 20 (5-фазы), оказывающие меньшее охрупчивающее действие по сравнению с их формированием в a-сплавах титана [192];

Диаграмма состояния системы Ti-Mo [110]

Рис. 5.7. Диаграмма состояния системы Ti-Mo [110]

легирование титана атомами молибдена позволяет повысить его коррозионную стойкость [193];

модуль упругости титана, легированного молибденом, снижается, приближаясь к значениям, характерным для костной ткани живых организмов, что наряду с нетоксичностью молибдена позволяет использовать такие титановые сплавы при изготовлении искусственных имплантатов [194-196].

После воздействия КПП при Q = 13-35 Дж/см2 на титан с предварительно нанесенным покрытием молибдена в системе реализуется жидкофазное перемешивание расплавленного слоя, приводящее к равномерному распределению атомов молибдена по всему слою, глубина которого составляет 15-28 мкм (см. рис. 3.2).

После кристаллизации расплава происходит формирование твердого раствора на основе высокотемпературной фазы титана p-Ti(Mo), характеризующегося кубической кристаллической решеткой [2, 197, 198]. Дальнейший фазовый переход в низкотемпературную фазу титана определяется концентрацией молибдена в расплаве.

С помощью рентгеноструктурного анализа (РСА) установлено, что при воздействии на систему Mo/Ti КПП при Q = 13-19 Дж/см2, обеспечивающем концентрацию молибдена в легированном слое титана 11 и 9,4 ат.% соответственно, поверхностный легированный слой представляет собой однофазный сплав на основе высокотемпературной кубической (3-фазы титана (рис. 5.8). Данная фаза формируется в виде твердого раствора типа замещения (3-Ti(Mo), параметр решетки которого увеличивается от 0,3233 до 0,3254 нм при повышении Q от 13 до 19 Дж/см2 [117].

Ввиду того, что указанные выше режимы воздействия КПП обеспечивают формирование однофазной системы, весь молибден находится в твердом растворе. Полученные значения параметра решетки твердого раствора (3-Ti(Mo) меньше параметров решетки, соответствующих правилу Вегарда [199] для непрерывных рядов твердых растворов для данного диапазона концентраций молибдена. Это может являться следствием повышенной дефектности закристаллизовавшегося слоя в результате его скоростной кристаллизации.

Полная стабилизация высокотемпературной (3-фазы титана происходит в этом случае вследствие того, что зафиксированная концентрация молибдена превосходит критическую концентрацию атомов молибдена С^, составляющую по разным источни-

Участки рентгенограмм системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q = 13 Дж/см (1), Q = 19 Дж/см (2), Q = 23 Дж/см (3) и Q =

Рис. 5.8. Участки рентгенограмм системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q = 13 Дж/см2 (1), Q = 19 Дж/см2 (2), Q = 23 Дж/см2 (3) и Q =

35 Дж/см2 (4)

кам от 5,0 до 7,4 ат.% (табл. 1.1). В этом случае температура начала мартенситного перехода М находится ниже комнатной температуры [2, 4-6], что позволяет стабилизировать высокотемпературную 0-фазу титана.

С повышением плотности поглощенной энергии КПП до 23 Дж/см2 концентрация молибдена снижается до величины 5,5 ат.%, которая соответствует критической концентрации С"р . Вследствие этого при охлаждении высокотемпературной фазы титана происходит ее частичный распад с выделением низкотемпературной мартенситной а'-фазы. На соответствующей рентгенограмме (рис. 5.8) данной фазе принадлежат дифракционные линии слабой интенсивности, расположенные при углах дифракции 20 = 35,20 и 40,25°.

Выделение из твердого раствора p-Ti(Mo) низкотемпературной мартенситной фазы a'-Ti сопровождается появлением на соответствующей рентгенограмме дифракционной линии, расположенной при угле дифракции 20 = 39,80° . Данная дифракционная линия, согласно [200,201], может быть связана с отражением от кристаллографических плоскостей (111) орторомбической мартенситной фазы a"-Ti, которая является промежуточной при фазовом переходе 0—»а в присутствии (3-стабилизирующих элементов с концентрацией ниже С"р [2]. а"-Фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор молибдена в гексагональной решетке титана, однако ввиду превышения предела его растворимости в ГПУ решетке последняя является сильно деформированной. Согласно [201], мартенситная орторомбическая фаза a'-Ti характеризуется следующими параметрами решетки: а = 0,300 нм, Ъ - 0,505 нм, с = 0,475 нм.

Зафиксированная концентрация молибдена 5,5 ат.% в легированном слое титана превосходит первую критическую концентрацию С^р, составляющую около 2 ат.%, вследствие чего температура окончания мартенситного перехода становится ниже комнатной температуры. Таким образом, в данном случае мартенситный переход незавершен, и в системе фиксируется как высокотемпературная фаза p-Ti(Mo), так и низкотемпературная a'-фаза титана.

При повышении Q до 35 Дж/см2 происходит снижение концентрации молибдена до 1,4 ат.% (табл. 3.1). Такой концентрации молибдена недостаточно для стабилизации высокотемпературной фазы титана при его охлаждении, и при достижении комнатной температуры в системе фиксируется низкотемпературная а'-фаза титана, а также остаточная мартенситная орторомбическая фаза a"-Ti. В данном случае происходит перераспределение интенсивностей дифракционных линий мартенситной a"-Ti и низкотемпературной a'-Ti фаз в сторону увеличения объемного содержания последней (рис. 5.9).

В случае воздействия на систему Mo/Ti КПП, генерируемых в атмосфере водорода, также имеет место стабилизация высокотемпературной фазы титана в виде твердого раствора P-Ti(Mo) (рис. 5.10).

При плотности поглощенной энергии 13 Дж/см2, концентрация молибдена при которой составляет 8,5 ат.%, легированный слой является однофазным и представляет собой твердый раствор p-Ti(Mo) с параметром решетки а = 0,3241 нм. При плотности поглощенной энергии 21 и 27 Дж/см2 концентрация молибдена составляет 5,1 и 4,8 ат.% соответственно, в результате чего параметр решетки твердого раствора p-Ti(Mo) увеличивается до

Участок рентгенограммы системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q = 35 Дж/см

Рис. 5.9. Участок рентгенограммы системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q = 35 Дж/см2

Участки рентгенограмм системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере водорода при Q = 13 Дж/см (7), Q - 19 Дж/см (2), Q = 23 Дж/см (5) и ?=35 Дж/см (?)

Рис. 5.10. Участки рентгенограмм системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере водорода при Q = 13 Дж/см2 (7), Q - 19 Дж/см2 (2), Q = 23 Дж/см2 (5) и ?=35 Дж/см2 (?)

я = 0,3252 нм. Ввиду снижения концентрации молибдена ниже С"р происходит частичный мартенситный переход в низкотемпературную фазу с образованием переходной мартенситной орторомбической фазы.

Таким образом, воздействие КПП с плотностью поглощенной энергии 13-19 Дж/см2 в атмосфере азота и с плотностью поглощенной энергии 13 Дж/см2 в атмосфере водорода на систему Mo/Ti позволяет стабилизировать высокотемпературную фазу титана, сформировав тем самым однофазный (3-сплав титана. Схематически последовательность фазовых переходов в системе Mo/Ti ((dMo = 2 мкм) после воздействия КПП в атмосфере азота можно представить следующим образом:

при концентрации молибдена выше 9,4 ат.% (при Q = 13- 19 Дж/см2):

при концентрации ниже 9,4 ат. % (при Q = 23-35 Дж/см2):

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >