CC BY
13УДК 621.891. (048)
ИОННО-ЛУЧЕВАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ СПЛАВА
36НХТЮ
М.К. Скаков, А. А. Ситников, Б.Т. Туякбаев, Б. К. Ахметжанов
Работа посвящена актуальной теме ионно-лучевой модификации поверхности стареющего сплава 36НХТЮ. Установлено, что ионно-лучевая обработка дисперсионно-твердеющего сплава приводит к формированию имплантированного слоя порядка 15...20 нм. Ионная имплантация Т? позволяет резко увеличить коррозионную стойкость в морской воде, а имплантация Та+ - в среде влажного хлора. Имплантация ионами азота приводит к залечиванию поверхностных дефектов и, как следствие, повышению циклической стойкости сплава.
Ключевые слова: ионно-лучевая модификация, имплантация, дисперсионно-твердеющий сплав, коррозионная и циклическая стойкость.
Введение
Ионная имплантация является современным методом поверхностного легирования материалов [1], и широко применяется для повышения служебных свойств различных изделий, работающих в сильно агрессивных средах. Ионная имплантация может быть использована и для обработки особо тонких конструкций упругих чувствительных элементов приборов, для которых состояние поверхностного слоя является определяющим фактором, влияющим на метрологические характеристики и ресурс работы приборов. При обработке концентрированными потоками энергии одновременно осуществляются радиационное, тепловое, ударно-механическое воздействия. Развивающиеся при этом процессы перестройки структуры происходят в условиях, далеких от термодинамически равновесных и позволяют получать поверхностные слои с уникальным комплексом физико-механических свойств [2].
В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является изучение влияния ионной имплантации на структуру и свойства дисперсионно-твердеющего сплава 36НХТЮ. Материал и методика эксперимента
В качестве объекта исследования был выбран аустенитный дисперсионно-твердею-щий сплав 36НХТЮ [3], широко используемый при изготовлении упругих чувствительных элементов (пружин, мембран, силь-фонов, трубок Бурдона) приборов теплотехнического контроля.
Механические испытания проводили согласно ГОСТ 1497-73: определяли предел текучести а02, прочности ав, усталости а0 и относительное удлинение 8. Усталостные
испытания проводили в условиях чистого изгиба. Цикл нагружения асимметричный от нулевого, база испытаний 107 цикла.
Коррозионные испытания проводили по стандартной методике в соответствии с общими требованиями по ГОСТ 9.905-82 с использованием потенциостата П-5848. Анод-но-поляризационные кривые снимали методом склейки, т.е. с рабочим раствором соприкасалась только исследуемая поверхность образца. Площадь поверхности образца составила 1см2, поверхность образца готовили по стандартной методике. Статистическую обработку результатов эксперимента проводили на ПЭВМ с использованием стандартных программ статистической обработки и корреляционного анализа. Скорость развертки потенциала составила 10-3 В/с в различных диапазонах тока, что соответствует нормативным данным. Электродами сравнения служили насыщенный хлорсеребряный и водородный электроды.
Перед проведением ионной имплантации образцы толщиной 0,3 мм электролитически полировали. Имплантацию ионами Ы+, Т1+, Та+ проводили на установке «Везувий 2-450» по режиму: энергия ионов 100 кэВ, интегральная доза облучения
15х1016^15х1017 ион/см2, температура образцов не превышала 1000С. Температуру поверхности поддерживали на уровне 1000С с охлаждением противоположной стороны образца.
Электронно-микроскопические исследования тонких фольг приготовленных методом струйной полировки проводили на электронном микроскопе ЭМ-125К.
СКАКОВ М.К., СИТНИКОВ А.А., ТУЯКБАЕВ Б.Т., АХМЕТЖАНОВ Б.К.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Для формирования различных исходных структурных состояний образца сплава 36НХТЮ подвергали термической и механико-термической обработкам, режимы которых приведены в таблице.
После закалки на твердый раствор от 9700С, 2 мин. и старения при 7000С, 4 часа была сформирована структура смешанного типа распада [3]. Такая термическая обработка используется при изготовлении мембран и сильфонов с глубоким профилем гофры. Для изделий простой формы применяется меха -нико-термическая обработка, состоящая из закалки на твердый раствор, холодной пластической деформации со степенью обжатия е= 50% и последующего старения при 700° С, 4 часа. После деформации в сплаве формируется ячеистая, слабо разориентированная структура с азимутальной разориентацией
ячеек, не превышающей 1-3 . При последующем старении развиваются комплексные реакции рекристаллизации и распада с выделением метастабильной /-фазы, а на поздних стадиях старения или при температуре более 8000 С выделяется стабильная п- фаза типа N1311 [3].
В таблице приведены полученные данные по механическим и электрохимическим свойствам сплава 36НХТЮ до и после им плантации ионами титана с дозой 1x10 ион/см2. Из представленных данных видно, что после ионной имплантации существенного изменения уровня механических свойств не произошло, за исключением некоторого роста предела усталости. Последнее, вероятно, обусловлено не только залечиванием поверхностных дефектов, но и увеличением плотности дислокаций в подповерхностном слое.
17
Таблица - Механические и коррозионные характеристики сплава 36НХТЮ после стандартных режимов
обработки и имплантации ионами титана
Примечание Режим термической обработки Режим ионной имплантации Механические свойства Электрохимические свойства
Режим закалки Степень деформации Режим старения СТ0.2, МПа Ов, МПа S, % О0, МПа фнп, В фп, В Аф, В к Ахсм"2 .кор, Ахсм" 2 j™, Ахсм-2
Стандартные способы обработки 970° С 2 мин 700оС 4 часа 910 121С 15 62 0,075/ 0,285 0,293/ 0,488 0,71/ 0,91 0,94 0,22 12
970° С 2 мин 50% 899 918 0,16 50 0,092/ 0,321 0,311/ 0,494 0,67/ 0,84 1,2 0,34 28
970° С 2 мин 50% 700оС 4 часа 1100 1300 10 69 0,078/ 0,292 0,295/ 0,490 0,71/ 0,86 0,95 0,24 90
1редлагаемый способ обработки 970° С 2 мин 700оС 4 часа Е=100 кэВ, 0=1017 ион/см2 940 1220 14 68 0,180/ 0,061 0,049/ 0,218 0,98/ 0,95 0,015 0,006 90
970° С 2 мин 50% Е=100 кэВ, 0=1017 ион/см2 845 882 1,73 65 0,186/ 0,054 0,051/ 0,264 0,94/ 1,06 0,01 0,008 100
970° С 2 мин 50% 700оС 4 часа Е=100 кэВ, 0=1017 ион/см2 1070 1260 11 117 1 -/ 0,046 0,045/ 0,127 1,03/ 1,29 0,009 0,004 60
Примечание: в числителе приведены значения потенциала хлорсеребряного электрода сравнения, в знаменателе - водородного
В качестве критерия оценки коррозионных свойств принимали величины коррозионного тока и тока пассивации, потенциалы пассивации и начала пассивации, а также ширину области пассивного состояния, определяемого величиной Аф.
Сравнение этих характеристик до и после имплантации показывает (см. таблицу),
что образование на поверхности образца имплантированного слоя приводит к резкому повышению коррозийной стойкости. Об этом свидетельствует смещение потенциалов начала пассивации фнп и собственно пассивации Фп к более отрицательным значениям, кроме того, после имплантации происходит расширение области пассивного состояния. Срав-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК №4/2 2010
нение величин коррозионного тока и тока начала пассивации показывает, что в имплантированных образцах эти токи более чем на порядок меньше, чем токи для образцов после обычной термической и механико-термической обработок. Натурные испытания мембранных блоков из сплава 36НХТЮ, имплантированных титаном, показали высокую коррозионную стойкость в морской воде.
Проведенные электронно-микроскопические исследования дислокационной
структуры приповерхностного слоя сплава 36НХТЮ после имплантации ионами азота и титана показали (рисунок 1), что на глубине, превышающей пробег ионов, наблюдается неоднородное распределение дислокаций, встречаются длинные прямолинейные дислокации со следами скольжения, а также дислокационные петли, возможно, вакансионного происхождения.
Рисунок 1 - Микроструктура сплава после ионной имплантации: а - дислокационные петли вакансионного происхождения (глубина 5+10 мкм); б -дислокационная структура под поверхностью имплантированного слоя (глубина 15+30 мкм); в - распыление поверхности при ионной имплантации азота 5x1017
ион/см
На рисунке 2 представлены типичные кривые накопления остаточной пластической деформации с ростом числа циклов нагруже-ния для образцов в исходном состоянии и после имплантации азота с различными дозами облучения. Видно, что рост Аеост протекает в несколько стадий, отличающиеся скоростью изменения. При этом особенностью кривой 1 для образцов без ионной имплантации является отсутствие монотонности хода на второй и третьей стадиях. При изменении числа циклов нагружения наблюдается возрастание Аеост, которое затем сменяется резким падением с последующим увеличением. Даже на заключительной стадии, характеризующейся наиболее интенсивным накоплением остаточной деформации и заканчивающееся разрушением, иногда наблюдается отклонение от монотонности хода. Структурными исследованиями было установлено, что причиной зигзагообразного хода кривых является образование микротрещин на поверхности образцов. Количество микротрещин значительно больше на наружной стороне, где действуют растягивающие напряжения, чем на сжимаемой, прилегающей к оправке. Возникая на растягиваемой или сжимаемой поверхностях, микротрещины приводят соответственно к резкому возрастанию или уменьшению Аеост.
Имплантация азота приводит к меньшей скорости накопления остаточной деформации, увеличивается циклопрочность, а колебательный характер изменения Аеост~1пМ выражен значительно слабее. Кроме того, обнаружена дозовая зависимость степени накопления остаточной деформации.
В ходе металлографических исследований, проведенных дополнительно, было нами обнаружено, что имплантированный слой препятствует развитию процессов скольжения, полосы скольжения не образуются, что обусловлено наличием значительных сжимающих напряжений. После ионной имплантации основным механизмом разрушения является разрушение по границам зерен, а не разрушение, инициируемое полосами скольжения. В неимплантирован-ных образцах, в которых в полосах скольжения образуются экструзии и в них зарождаются усталостные трещины. В имплантированных образцах повышение сопротивления усталости достигается за счет залечивания поверхностных дефектов и за счет подавления образования дислокационных каналов. Необходимо отметить, что при усталостных испытаниях наблюдается значительно меньший разброс экспериментальных данных.
Зависимость циклической стойкости от дозы облучения обусловлено распылением на поверхности образца (рисунок 1, в). Так,
СКАКОВ М.К., СИТНИКОВ А.А., ТУЯКБАЕВ Б.Т., АХМЕТЖАНОВ Б.К. при дозе облучения 5х1017 ион/см2 распыле- ся интенсивное образование дефектов и их
ние препятствует формированию поверхностного имплантированного слоя, наблюдает-
комплексов, снижающих не только циклическую, но и коррозионную стойкость.
ДёостХЮ
35
30
25
20
15
10
1 Г
/ 2 3 1
J_2_3_4_5_6_
¡пЫ
Рисунок 2 - Зависимость накопленной при циклировании микропластической деформации от числа циклов нагружения. (1-исходное состояние: закалка 970 С, 2 мин., старение 700 С, 4 часа; 2-ионная имплантация азота с дозой облучения 5х1017 ион/см2; 3 - то же, что и 2, доза облучения 1,2х1017
ион/см2)
Для защиты мембранных блоков, работающих в атмосфере влажного воздуха с хлором, используют покрытия из тантала. Покрытия, полученные стандартными способами, не обеспечивают необходимой защиты и, кроме того, при работе в условиях повторного статистического нагружения наблюдаются дефекты типа отслоений, что ухудшает метрологические характеристики приборов. Для устранения имеющихся недостатков была проведена имплантация ионов тантала в заготовки для мембран. Результаты коррозионных испытаний показали высокую эффективность метода ионной имплантации.
В практике изготовления упругих чувствительных элементов широко используются
различные способы сварки элементов приборов с арматурой. При этом формируется структурная неоднородность в виде основного металла, зоны термического влияния и сварного шва. Как правило, в этих участках ранее всего наблюдаются различного вида коррозионные повреждения, включая питтин-говую и межкристаллитную коррозии. Для защиты изделий от коррозионных повреждений весьма перспективно использование ионной имплантации, что подтвердили проведенные нами эксперименты. После ионной имплантации титаном, танталом происходит полное устранение всех видов структурных неоднородностей. При металлографических исследованиях не удалось установить разли-
5
0
чия в структурах основного металла, зоны термического влияния и сварного шва. Одновременно с увеличением коррозионной стойкости сварного соединения происходит повышение циклической прочности. Образование микротрещин наблюдается не только в области сварного соединения, но и в участках основного металла.
Заключение
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования свидетельствуют, что имплантация ионами Т1+ и Та+ с энергией ионов 100 кэВ и интегральной дозе облучения 5х1016^5х1017 ион/см2 приводит к формированию в сплаве 36НХТЮ имплантированного слоя порядка 15^20 нм. Ионная имплантация Т+ позволяет резко увеличить коррозионную стойкость в морской воде, а имплантация Та+ - в среде влажного хлора. Имплантация ионами азота приводит к развитой дислокационной структуре в подповерхностных слоях, на глубинах, значительно превышающих пробег внедренных ионов, залечиванию поверхностных дефектов и, как следствие, повышению циклической стойкости сплава.
Настоящая работа выполнена на осно-
вании Договора о сотрудничестве между Восточно-Казахстанским государственным университетом им. С. Аманжолова и Алтайским государственным техническим университетом им. И.И. Ползунова.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комаров, Ф.Ф. Ионная имплантация в металлах/ Ф.Ф. Комаров; - М.: Металлургия. 1990.-С.216
2. Кадыржанов,К.К. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов/ К.К. Ка-дыржанов, Ф.Ф. Комаров, А.Д. Погребняк, В.С. Русаков, Т.Э. Туркебаев; - Изд-во Московского университета. 2005. - 640 с.
3. Суховаров, В.Ф. Прерывистое выделение фаз в сплавах/ В.Ф. Суховаров; - Новосибирск: Наука. 1983. - 168 с.
Скаков М.К., Восточно-Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск, Казахстан; Ситников А.А., д.т.н., проф., зам. проректора АлтГТУ им. И. И. Ползунова, Е-mail: [email protected];
Туякбаев Б.Т., Восточно-Казахстанский государ-ственный университет им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск, Казахстан; Ахметжанов Б.К. Восточно-Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск, Казахстан.
