Термическая стабильность микротвердости

Ввиду того что эксплуатация изделий из титановых сплавов может осуществляться при повышенных температурах, актуальным является исследование термической стабильности микротвердости поверхностных слоев титана, модифицированных с помощью КПП. Исследование термической стабильности осуществлялось после вакуумного отжига (термического воздействия) систем после воздействия КПП.

После термического воздействия при температуре 400 °С микротвердость системы Cr/Ti повышается до 10,4 ГПа на глубине индентирования 1,3 мкм (рис. 6.7). С увеличением температуры термического воздействия микротвердость поверхностного слоя снижается до 5,7 ГПа (при 500 °С) и до 5,0 ГПа (при 600 °С) при аналогичных глубинах индентирования. В этом случае микротвердость указанного слоя становится ниже микротвердости системы Cr/Ti до термического воздействия. При температуре 600 °С также происходит снижение микротвердости до 3,3 ГПа на глубине индентирования 3,5 мкм.

Микротвердость системы Mo/Ti, обработанной КПП с Q - 19 Дж/см2 и подвергнутой термическому воздействию при температуре 400 °С, увеличивается до 9,0 ГПа на глубине индентирования 1,4 мкм (рис. 6.8). При повышении температуры термического воздействия микротвердость снижается до 7,5 ГПа (при 500 °С) и до 5,4 ГПа (при 600 °С).

Микротвердость системы Cr/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q = 19 Дж/см с последующим вакуумным отжигом при температурах 400 °С (2), 500 °С (2), 600 °С (4) и без последующего отжига (/)

Рис. 6.7. Микротвердость системы Cr/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q = 19 Дж/см2 с последующим вакуумным отжигом при температурах 400 °С (2), 500 °С (2), 600 °С (4) и без последующего отжига (/)

Микротвердость системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q= 19 Дж/см с последующим вакуумным отжигом при температурах 400 °С (2), 500 °С (3), 600 °С (4) и без последующего отжига (7)

Рис. 6.8. Микротвердость системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q= 19 Дж/см2 с последующим вакуумным отжигом при температурах 400 °С (2), 500 °С (3), 600 °С (4) и без последующего отжига (7)

Повышение микротвердости поверхностных слоев в системах Cr/Ti и Mo/Ti, подвергнутых воздействию КПП и последующему термическому воздействию, обусловливается происходящими в них структурно-фазовыми превращениями.

Так, при термическом воздействии на систему Cr/Ti при температуре 400 °С в результате диффузии атомов хрома происходит частичный распад твердого раствора p-Ti(Cr), сформированного в результате воздействия КПП с Q = 19 Дж/см2 (рис. 6.9). При температуре 500 °С происходит полный распад твердого раствора P-Ti(Cr) и формируются а- и а"-фазы (рис. 6.9).

В результате термического воздействия на систему Mo/Ti в интервале температур 400 и 500 °С твердый раствор p-Ti(Mo) термически стабилен, содержание в нем атомов молибдена не изменяется при данных температурах отжига, о чем свидетельствует положение его дифракционных максимумов (рис. 6.10). При температуре отжига 600 °С происходит частичный распад твердого раствора P-Ti(Mo), в результате чего имеет место увеличение его параметра решетки, обусловленное выделением из

Участки рентгенограмм системы Cr/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q= 19 Дж/см и подвергнутой последующему вакуумному отжигу при температурах 400 °С (/), 500 °С (2) и 600 °С (5)

Рис. 6.9. Участки рентгенограмм системы Cr/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q= 19 Дж/см2 и подвергнутой последующему вакуумному отжигу при температурах 400 °С (/), 500 °С (2) и 600 °С (5)

Участки рентгенограмм системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q= 19 Дж/см и подвергнутой последующему вакуумному отжигу при температурах 400 °С (1), 500 °С (2) и 600 °С (5)

Рис. 6.10. Участки рентгенограмм системы Mo/Ti, обработанной КПП в атмосфере азота при Q= 19 Дж/см2 и подвергнутой последующему вакуумному отжигу при температурах 400 °С (1), 500 °С (2) и 600 °С (5)

него атомов молибдена и образованием промежуточной орторомбической а"-фазы.

Выделение из твердых растворов |3-Ti(Cr) и p-Ti(Mo) частиц орторомбической а'-фазы обусловливает повышение микротвердости поверхностного слоя титана после термического воздействия (см. рис. 6.7 и 6.8).

Повышенная термическая стабильность твердого раствора P-Ti(Mo) по сравнению с твердым раствором |3-Ti(Cr) обусловлена, во-первых, более низким значением коэффициента диффузии атомов молибдена в кубической решетке Р-титана, который составляет 0,3-10~9 см2/с для молибдена, в то время как для атомов хрома эта величина составляет 61,6-10~9 см2/с [2]. Во-вторых, наличие некогерентных межфазных границ между высокотемпературной и низкотемпературной фазами титана ускоряет процесс диффузии атомов легирующих элементов. Вследствие этого формирование двухфазной (а+р) системы в случае легирования титана атомами хрома повышает интенсивность диффузионного перераспределения атомов хрома и способствует скорейшему распаду твердого раствора (3-Ti(Cr) по сравнению с твердым раствором P-Ti(Mo).

Зафиксированные изменения микротвердости поверхностного слоя в результате термического воздействия свидетельствуют о роли твердого раствора на основе высокотемпературной (3-фазы титана. Так, в случае термического воздействия на систему Cr/Ti при температурах 500 и 600 °С методом РСА не обнаружено присутствия твердого раствора (3-Ti(Cr), в результате чего микротвердость данных систем снижается по сравнению с микротвердостью поверхностных слоев, содержащих твердый раствор p-Ti(Cr).

Более высокие значения микротвердости в случае термического воздействия на титан, легированный атомами хрома, принадлежащего к группе (3-эвтектоидных элементов, могут быть также обусловлены формированием интерметаллида TiCr2.

Помимо термической стабильности твердого раствора на основе высокотемпературной фазы титана повышение микротвердости поверхностного слоя при термическом воздействии обусловлено структурными превращениями, происходящими в азотированном слое.

При термическом воздействии на систему Mo/Ti при температуре 600 °С происходит частичная трансформация нестехиометрического нитрида титана 8-TiN. в стехиометрический нитрид титана TiN. Это является следствием диффузии атомов азота из твердого раствора (3-Ti(Mo), присутствующих в его поверхностном слое. Коэффициент диффузии азота в кубической решетке твердого раствора (3-Ti(Mo) выше, чем коэффициент диффузии атомов азота в гексагональном твердом растворе a-Ti(N), который формируется в системе Cr/Ti после воздействия КПП. Этим и объясняется отсутствие нитрида TiN в системе Cr/Ti после ее термического отжига при температуре 600 °С.

В случае термического воздействия на систему Cr/Ti в результате миграции атомов хрома из нитрида 5-(Ti, Cr)N. происходит повышение его параметра решетки до 0,4200 нм, приближаясь к параметру решетки нелегированного нитрида 5-TiN^ (табл. 5.1). С этим связано снижение уровня растягивающих напряжений в кубической решетке нитрида, наличие которых, как правило, способствует снижению микротвердости материала [232].

Еще одним фактором, влияющим на микротвердость поверхностного слоя титана после термического воздействия, являются структурные изменения, связанные с рекристаллизационными процессами в поверхностном слое, происходящими при температуре 600 °С [70]. В этом случае начинает происходить увеличение размера кристаллитов, сопровождаемое снижением плотности дислокаций. Свидетельством этого является уменьшение ширины на полувысоте дифракционных линий низкотемпературной a-фазы титана (см. рис. 6.9).

Таким образом, воздействие КПП на титан с предварительно нанесенными металлическими покрытиями, в результате которого происходит легирование поверхностных слоев, позволяет повысить их микротвердость за счет совокупного действия зернограничного, дислокационного, дисперсионного и твердорастворного механизмов упрочнения. Последующее термическое воздействие, приводящее к частичному распаду твердых растворов и формированию выделений промежуточной фазы титана, способствует дополнительному повышению микротвердости поверхностных слоев титана. На основе полученных экспериментальных результатов разработан способ упрочнения изделий из титановых сплавов [233, 234].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >