Легирование титана нейтральным элементом (Zr)

Такие элементы, как Zr и Hf, расположенные в той же группе Периодической системы элементов, что и титан, характеризуются двумя аллотропными модификациями - низкотемпературной с гексагональной структурой и высокотемпературной с кубической структурой. Легирование титана атомами циркония или гафния не оказывает влияния на температуру мартенситного перехода системы при ее охлаждении (рис. 5.19) [2, 4-6].

Ввиду неограниченной растворимости циркония в обеих модификациях титана он является одним из наиболее подходящих легирующих элементов для эффективного твердорастворного упрочнения легированных слоев. Более того, легирование титана атомами циркония позволяет существенно повысить коррозионную стойкость сплава в различных средах, что делает его перспективным материалом в ядерной и химической промышленности [212]. Так же как и титан, цирконий характеризуется биосовместимостью, в результате чего титан-циркониевые сплавы широко используются при изготовлении искусственных хирургических имплантатов [213].

Рис. 5.19. Диаграмма состояния системы Ti-Zr [111]

Воздействие КПП при Q = 13-23 Дж/см² на систему Zr/Ti приводит к формированию поверхностного слоя титана, легированного атомами циркония, концентрация которых изменяется от 13 до 2,6 ат.% при повышении Q от 13 до 35 Дж/см² (табл. 3.1).

После кристаллизации расплава титана в присутствии атомов циркония формируется твердый раствор на основе высокотемпературной фазы титана p-Ti(Zr), который в процессе скоростного охлаждения претерпевает мартенситное превращение с образованием твердого раствора на основе низкотемпературной фазы a-Ti(Zr) (рис. 5.20) [212, 213].

Ввиду превышения атомного радиуса циркония (r_Zr= 0,160 нм) над атомным радиусом титана (г_т.= 0,146 нм) [20] твердый раствор a-Ti(Zr), формирующийся по типу замещения, характеризуется повышенными значениями параметров решетки по сравнению с нелегированным титаном. При увеличении плотности поглощенной энергии КПП от 13 до 35 Дж/см² параметры решетки формирующегося твердого раствора a-Ti(Zr) снижаются с 0,2973 до 0,2948 нм (параметр а)ис 0,4791 до 0,4723 нм (пара-

Рис. 5.20. Участки рентгенограмм системы Zr/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при 0=13 Дж/см² (/), 0=19 Дж/см² (2), 0 = 23 Дж/см² (5) и 0 = 35 Дж/см² (4)

Рис. 5.21. Зависимость параметров решетки (а и с) твердого раствора a-Ti(Zr) от плотности поглощенной энергии КПП

метр с) (рис. 5.21). Параметр гексагональности (с/а) решетки твердого раствора a-Ti(Zr), сформированного в указанном диапазоне концентрации циркония, составляет 1,61.

Ввиду того что в приповерхностном слое титана, легированном атомами циркония, весь цирконий находится в твердом растворе a-Ti(Zr), представляется возможным оценить вклад легирующего элемента в механические напряжения решетки. Так как локальная концентрация циркония не является постоянной в легированном слое, а также ввиду механических напряжений наблюдается уширение дифракционных линий, соответствующих твердому раствору a-Ti(Zr) (рис. 5.20). В табл. 5.2 приведены значения ширины дифракционных линий на их полувысоте (Р_ш), а также их отношение для дифракционных линий (100) и (103) твердого раствора a-Ti(Zr), сформированного при различных плотностях поглощенной энергии.

Из представленных в табл. 5.2 данных следует, что при увеличении плотности поглощенной энергии КПП от 13 до 35 Дж/см² происходит уменьшение ширины дифракционной линии (100)

Таблица 5.2. Значения полуширин (Р_ш) дифракционных линий (100) и (103) твердого раствора a-Ti(Zr)

твердого раствора a-Ti(Zr) от 0,0133 до 0,0063 радиан, и дифракционной линии (103) - от 0,0258 до 0,0096 радиан. Известно [214, 215], что основной вклад в ширину дифракционных линий вносят внутренние механические напряжения 2-го рода (микронапряжения) и дисперсность структуры.

Для твердого раствора a-Ti(Zr), сформированного в результате воздействия КПП при Q = 13-35 Дж/см², отношение Р₍₁₀₀/Р₍₁₀₃₎ уменьшается от 1,94 до 1,52 и подчиняется следующему соотношению:

где 0_(1ОО) - угол дифракции от кристаллографической плоскости (100); 0 - угол дифракции от кристаллографической плоскости (103); Р_(Ю0) - ширина на полувысоте дифракционной линии (100); р - ширина на полувысоте дифракционной линии (103).

Следовательно, ширина дифракционных линий твердого раствора a-Ti(Zr), сформированного в результате воздействия КПП, определяется как дисперсностью зерен, что связано со скоростной кристаллизацией расплава со скоростью ~10⁷ К/с, так и внутренними микронапряжениями, обусловленными растворением в решетке a-Ti атомов циркония.

Таким образом, последовательность фазовых превращений в системе Zr/Ti после воздействия КПП в атмосфере азота при Q = 13-35 Дж/см² выглядит следующим образом: