Модифицирование поверхности сплава ВТ6 электровзрывным двухкомпонентным легированием и облучением электронным пучком

Иванов Юрий Федорович; Соскова Нина Александровна; Райков Сергей Валентинович; Денисова Ю.А.; Тересов Антон Дмитриевич; Петрикова Е.А.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

УДК 621.785:669.14.08

Ю.Ф. Иванов1, Н.А. Соскова2, С.В. Райков2, Ю.А. Денисова1, А.Д. Тересов1,

Е.А. Петрикова1

1Институт сильноточной электроники СО РАН (г. Томск)

2Сибирский государственный индустриальный университет

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СПЛАВА ВТ6 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫМ ДВУХКОМПОНЕНТНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ И ОБЛУЧЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННЫМ

ПУЧКОМ*

Сплавы на основе титана в качестве конструкционных материалов находят широкое применение в авиационной промышленности при изготовлении конструкций и изделий, относящихся по структуре к классу а+Р сплавов [1]. В качестве одного из перспективных методов защиты поверхности изделий из этих сплавов используется электровзрывное легирование (ЭВЛ) [2, 3]. Такая обработка приводит к одновременному повышению физикомеханических и эксплуатационных свойств: микротвердости, жаро- и износостойкости в условиях абразивного износа и сухого трения скольжения, устойчивости к фреттинг-кор-розии. Дополнительное повышение свойств поверхностного слоя материала и изделия в целом достигается при комбинированной обработке, сочетающей ЭВЛ и последующую электроннопучковую обработку (ЭПО) модифицированной поверхности. По сравнению с широко распространенной лазерной электронно-пучковая технология обладает большими возможностями контроля и регулирования количества подводимой энергии, отличается локальностью распределения энергии в приповерхностном слое обрабатываемого материала и высоким коэффициентом полезного действия [4].

Для установления оптимальных режимов таких обработок необходимо выяснение природы улучшения физико-механических и прочностных свойств сплава при ЭВЛ и ЭПО.

Целью настоящей работы является обнаружение закономерностей эволюции структуры и свойств поверхностного слоя сплава на основе титана ВТ6, подвергнутого обработке, сочетающей электровзрывное легирование и последующее облучение электронным пучком.

* Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813) и грантами РФФИ (проекты № 11-02-91150-ГФЕН-а, № 11 -02-12091 -офи-м-2011).

В качестве объекта исследования выбран сплав на основе титана ВТ6, содержащий

< 0,6 % Fe; < 0,1 % С; < 0,1 % Si; 3,5 - 5,3 % V; 5,3 - 6,8 % А1; < 0,3 % 2г; < 0,05 % N

< 0,2 % О; < 0,015 % Н; остальное Ті (по массе). Использовали образцы в форме шайб толщиной 10 и диам. 15 мм. Легирование поверхностного слоя осуществляли путем воздействия плазмы, формирующейся при электрическом взрыве углеграфитового волокна (УГВ) массой 140 мг, на поверхность которого в область взрыва помещали навеску порошка ди-борида титана ТіВ2 или диоксида циркония 2гО2 массой 50 мг. Режим электровзрывного легирования не отличался от описанных в работах [2, 3]. Такому режиму электровзрывного легирования титанового сплава ВТ6 соответствует средняя толщина расплавленного слоя -приблизительно 30 мкм [2]. Дополнительную импульсную обработку модифицированного слоя осуществляли в среде аргона высокоинтенсивным электронным пучком на установке «СОЛО» [5] по режимам: энергия электронов 18 кэВ, плотность (Е_^ энергии пучка электронов 45 - 60 Дж/см2, длительность т импульсов воздействия 100 и 200 мкс, количество N импульсов 10 и 20, частота / следования импульсов 0,3 с-1. Порог плавления сплава на основе титана ВТ6, облучаемого электронным пучком с указанными выше параметрами, составляет приблизительно 11 Дж/см2 [3, 5]. При дальнейшем увеличении плотности энергии пучка электронов (вплоть до 30 Дж/см2) толщина расплавленного слоя практически линейно увеличивается, достигая максимальных значений примерно 23 мкм. При больших значениях плотности энергии пучка электронов рост толщины расплавленного слоя замедляется, что обусловлено активизацией процесса испарения материала.

Исследования элементного и фазового составов, зеренной и внутризеренной структуры

поверхностного слоя осуществляли методами сканирующей и электронной дифракционной микроскопии [6, 7], рентгеноструктурного

анализа (геометрия Брегга-Брентано, кобальтовое £а-излучение); механические свойства изучали путем измерения микротвердости.

Характерное изображение поверхности образца сплава ВТ6, формирующейся при электровзрывном легировании с использованием УГВ и диборида титана ^В2, приведено на рис. 1, а.

Как и в работах [2, 3], поверхностный слой характеризуется высоким уровнем шероховатости и большим разнообразием структурных элементов: присутствуют микропоры и микрократеры, микротрещины; наплывы, обусловленные радиальным течением металла; наслоения, образовавшиеся в результате выплескивания металла при попадании в расплав частиц порошка и осколков углеграфитового волокна, размеры которых изменяются в широких пределах (поперечные 3 - 9 мкм; продольные 10 - 50 мкм). Электровзрывное легирование при указанных выше параметрах сопровождается плавлением поверхностного слоя. Толщина легированного слоя практически не зависит от типа порошковой навески и может изменяться в пределах 15 - 75 мкм (рис. 1, б).

Последующая ЭПО сопровождается существенным снижением шероховатости модифицируемого слоя. На поверхности выявляется поликристаллическая структура, размеры зерен которой изменяются в пределах 10 мкм. В объеме зерен наблюдается субзеренная структура (ячейки высокоскоростной кристаллизации); размеры субзерен изменяются в пределах

0,2 - 0,8 мкм.

Высокоскоростная кристаллизация после ЭПО приводит к формированию многослойной структуры, представленной собственно леги-

рованным слоем I, тонким (3 - 5 мкм) переходным слоем II и слоем термического влияния III, плавно переходящим в основной объем материала (рис. 2, а).

Толщина легированного слоя практически не зависит от режима электронно-пучковой обработки и изменяется в пределах 25 - 30 мкм. В свою очередь, при плотности энергии пучка электронов 45 и 50 Дж/см2 и длительности импульсов воздействия 100 мкс легированный слой разбивается на три явно выраженных подслоя (рис. 2, б), названных авторами поверхностным (1), подповерхностным (2) и промежуточным (3). Толщина первых двух подслоев изменяется в пределах 10 - 12 мкм; толщина третьего подслоя составляет 5 - 7 мкм. При обработке сплава ВТ6 электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 60 Дж/см2 и длительности импульсов воздействия 100 мкс, а также при Ех = 45 Дж/см2, т = 200 мкс структура слоя легирования выравнивается и на подслои не разбивается.

Выделенные подслои различаются морфологией и размерами структурных элементов. При использовании УГВ и диоксида циркония 2Ю2 поверхностный и подповерхностный слои имеют преимущественно дендритную структуру; промежуточный слой - преимущественно глобулярную структуру (рис. 2, а).

При легировании сплава ВТ6 с использованием УГВ и диборида титана ^В2 слой легирования имеет дендритное строение; подслои различаются степенью дисперсности дендри-тов (структура подповерхностного слоя заметно крупнее структуры поверхностного и промежуточного слоев (рис. 2, б)).

Методом рентгенофазового анализа поверхности облучения показано, что в модифицированном слое сплава ВТ6 наряду с а-Т присутствуют вторые фазы, объемная доля которых изменяется в пределах 25 - 75 %; основной

НВІ

а ЯР? + ^ б \ \

■■■ 9 '

50 мкм ДЯГ і СІМпД 50 мкм

Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение (сканирующая электронная микроскопия) структуры поверхности (а) и поперечного сечения (б) образца сплава ВТ6, подвергнутого ЭВЛ с использованием УГВ и диборида титана ТіВ2. На поз. б стрелками показана поверхность легирования

Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение (сканирующая электронная микроскопия) структуры поперечного шлифа сплава ВТ6, подвергнутого ЭВЛ и последующей ЭПО при Е; = 45 Дж/см2, т = 100 мкс, N = 10 имп., f = 0,3 с-1): а - ЭВЛ с использованием УГВ и диоксида циркония 2г02; б - ЭВЛ с использованием УГВ и диборида титана ТВ2

из них является карбид титана ТіС, объемная доля ТіС изменяется в пределах 10 - 58 % и достигает максимального значения при легировании титана с использованием УГВ и диборида титана ТіВ2. Дополнительное облучение электронным пучком приводит к следующим результатам: в сплаве, легированном с использованием УГВ и диборида титана ТіВ2, суммарная объемная доля вторых фаз изменяется в пределах 45 - 61 %; в сплаве, легированном с использованием УГВ и диоксида циркония 2гО2 - в пределах 35 - 61 %. При этом независимо от вида легирования основной дополнительной фазой является карбид титана ТіС.

Анализ прочностных характеристик поверхностного слоя сплава ВТ6, подвергнутого ЭВЛ и последующей ЭПО, осуществляли путем построения профиля микротвердости. Результаты исследований приведены на рис. 3. Отчетливо видно, что после ЭВЛ максимальная микротвердость достигается на поверхности обработки (рис. 3, а, кривая 1) или в приповерхностном слое (рис. 3, а, кривая 2) и превышает микротвердость основы в 3,5 - 5,5 раз в зависимости от типа порошка навески. Толщина поверхностного слоя, микротвердость которого превышает микротвердость основы примерно в три раза, достигает 35 мкм. После-

дующая ЭПО приводит к существенному увеличению толщины упрочненного слоя. Так, при науглероживании с использованием навески порошка ПВ2 толщина упрочненного слоя (микротвердость которого превышает микротвердость основы примерно в три раза) достигает 85 - 90 мкм (рис. 3, в).

Методами просвечивающей электронной микроскопии фольг, расположенных на расстоянии 2 - 3 мкм от поверхности обработки, показано, что в объеме субзерен сформирована пластинчатая субструктура (а-П, толщина пластин изменяется в пределах 70 - 150 нм). По границам субзерен и в стыках границ располагаются частицы второй фазы (ТЮ) в виде протяженных прослоек или глобул; их размеры изменяются в пределах до 100 нм.

Таким образом, многократное увеличение микротвердости поверхностного слоя сплава ВТ6, подвергнутого ЭВЛ и последующей ЭПО, обусловлено формированием многофазной суб-микро- и наноразмерной структуры пластинчатого типа на основе а-П, упрочненной частицами карбида титана.

Выводы. Электровзрывное легирование (науглероживание с добавлением порошков ПВ2 и 2г02) поверхности сплава ВТ6 формирует упрочненный слой толщиной до 35 мкм,

Рис. 3. Распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя после ЭВЛ (а) с использованием

УГВ и порошковой навески диборида титана TiB2 (-------),

УГВ и диоксида циркония ZrO2 (-------), а также после

ЭВЛ с использованием УГВ и диоксида циркония (б) и УГВ и диборида титана (в) и последующей ЭПО в различных режимах:

1 - Es = 45 Дж/см2; т = 1QQ мкс; N = 1Q имп.; f = Q,3 с-1;

2 - Es = 5Q Дж/см2; т = 1QQ мкс; N = 1Q имп.; f = Q,3 с-1;

3 - Es = 6Q Дж/см2; т = 1QQ мкс; N = 1Q имп.; f = Q,3 с-1;

4 - Es = 45 Дж/см2; т = 2QQ мкс, N = 2Q имп.;f = Q,3 с-1

микротвердость которого в три - пять раз (в зависимости от типа порошка навески) превышает микротвердость основы. Последующая электронно-пучковая обработка снижает шероховатость поверхности модифицированного слоя и приводит к значительному увеличению толщины упрочненного слоя. Значительное увеличение микротвердости поверхностного слоя сплава ВТ6, подвергнутого ЭВЛ и последующей электронно-пучковой обработке, обусловлено формированием многофазной суб-микро- и наноразмерной структуры пластинчатого типа на основе a-Ti, упрочненной нано-размерными выделениями второй фазы TiC.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. И л ь и н А.А., К о л а ч е в Б.А., П о л ь-к и н И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. - М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. - 520 с.

2. Структура, фазовый состав и свойства титана после электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки / С.В. Карпий, М.М. Морозов, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. - Новокузнецк: Изд-во НПК, 2010. - 173 с.

3. Формирование структурно-фазовых состояний металлов и сплавов при электровзрывном легировании и электроннопучковой обработке / Под ред. В.Е. Громова. - Новокузнецк: Изд-во «Интеркузбасс», 2011. - 212 с.

4. 4. R o t s h t e i n V., I v a n o v Yu., M a rk o v A. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams. Chapter 6 in Book «Materials surface processing by directed energy techniques» P. 205 -240. / Ed. by Y. Pauleau. - Elsevier, 2006. -736 p.

5. И в а н о в Ю.Ф., К о в а л ь Н.Н. - В кн.: Структура и свойства перспективных металлических материалов / Под ред. А.И. Потекаева. - Томск: Изд-во НТЛ, 2007. С. 345 - 382.

6. У т е в с к и й Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. -М.: Металлургия, 1973. - 584 с.

7. Э н г е л е Л., К л и н г е л е Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение: Справочное изд. Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1986. - 232 с.

- б -

Текст научной работы на тему «Модифицирование поверхности сплава ВТ6 электровзрывным двухкомпонентным легированием и облучением электронным пучком»