Структура зоны упрочнения титанового сплава ВТ6 при электровзрывном науглероживании совместно с оксидом циркония и последующей электронно-пучковой обработке Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 669.15:620.186:539.12

СТРУКТУРА ЗОНЫ УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПРИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОМ НАУГЛЕРОЖИВАНИИ СОВМЕСТНО С ОКСИДОМ ЦИРКОНИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ

© Т.Ю. Кобзарева, С.В. Райков, Н.А. Соскова, Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов, Ю.Ф. Иванов

Ключевые слова: титановый сплав ВТ6; электровзрывное легирование; науглероживание; оксид циркония; электронно-пучковая обработка; структура; сканирующая электронная микроскопия.

Методами сканирующей электронной микроскопии изучены особенности структурно-фазовых состояний по глубине зоны упрочнения титанового сплава ВТ6 при электровзрывном науглероживании совместно с оксидом циркония и последующей электронно-пучковой обработки.

В последние годы получил развитие новый метод поверхностной обработки, включающий электро-взрывное легирование (ЭВЛ) металлов и сплавов и последующую электронно-пучковую обработку (ЭПО) [1, 2]. Инструментом воздействия на поверхность при ЭВЛ являются импульсные многофазные плазменные струи, формируемые из продуктов электрического взрыва проводников. Электровзрывное легирование поверхности проводится с ее оплавлением. При этом вблизи поверхности образуется ударно-сжатый слой с высокими значениями температуры и давления, а в зоне оплавления, насыщаемой компонентами струи, развиваются интенсивные процессы конвективного перемешивания, приводящие к перераспределению легирующих элементов по всей глубине расплава. Импульсные плазменные струи, используемые при ЭВЛ, и низкоэнергетические сильноточные электронные пучки имеют сопоставимые значения времени воздействия на поверхность, диаметра зоны обработки (~1 см) и поглощаемой плотности мощности (~1 ГВт/м2), что дает возможность их эффективного совместного применения.

Известно, что легирование цирконием повышает коррозионную стойкость титана в соляной кислоте любой концентрации, в серной кислоте при концентрации менее 75 %. Цирконий также повышает стойкость титана в растворах фосфорной кислоты и в растворах хлоридов. Цель настоящей работы - анализ структуры поверхностных слоев титанового сплава ВТ6, подвергнутого электровзрывному науглероживанию совместно с оксидом циркония и последующей ЭПО.

Электровзрывное легирование осуществляли на установке ЭВУ 60/10 при поглощаемой плотности мощности плазменной струи д = 5,5 ГВт/м2. Взрываемым проводником служила углеродная лента массой 70 мг, в область взрыва вносили порошок оксида циркония массой 50 мг. Для ЭПО использовали установку «СОЛО», разработанную в Институте сильноточной электроники СО РАН. Плотность энергии пучка электронов

варьировали в пределах 45-60 Дж/см2 при длительности импульсов обработки т, равной 100 и 200 мкс, количестве импульсов Ы, равном 10 и 20 имп. Частота следования импульсов составляла 0,3 с-1. Исследования поверхности облучения осуществляли методами сканирующей электронной микроскопии.

Поверхностные слои сплава после ЭВЛ характеризуются неоднородностью элементного состава по площади поверхности и глубине (рис. 1а), наличием в них частиц углеродных волокон, частиц порошка оксида циркония (рис. 1б), микропор и микротрещин (рис. 1в). Электровзрывное легирование приводит к формированию многослойной структуры, включающей поверхностный 1, промежуточный 2 и переходный 3 слои (рис. 2). Толщина первых двух слоев, вследствие высокоразвитого рельефа поверхности легирования, изменяется в широких пределах; толщина третьего слоя составляет 3-5 мкм.

Поверхность после комбинированной обработки характеризуется сглаженным рельефом вследствие ее переплавления. В зоне упрочнения уменьшается количество макро- и микропор, снижается разброс в значениях ее толщины (рис. 3), которая изменяется в пределах 20-35 мкм и незначительно уменьшается с ростом Е„. Вместе с тем ЭПО оказывает незначительное влияние на структуру границы раздела зоны упрочнения и зоны термического влияния: как и после ЭВЛ, так и после ЭПО она характеризуется высоким уровнем неровностей (рис. 3).

При т = 100 мкс независимо от значений Ех в зоне упрочнения формируется структура дендритной кристаллизации (рис. 4). Можно выделить три слоя, имеющих дендритную структуру, размеры дендритов которых существенно различаются (рис. 4). При т = = 200 мкс и Е5 = 45 дЖ/см2 в слое 1, примыкающем к поверхности облучения (рис. 4), формируется структура преимущественного глобулярного типа, в слое 2 -структура смешанного глобулярно-дендритного типа (рис. 4).

1717

Рис. 1. Структура поперечного сечения зоны упрочнения после ЭВЛ. Стрелками обозначены частицы углеродных волокон (б), макро- и микропоры (в)

Рис. 2. Структура поперечного сечения зоны упрочнения после ЭВЛ. Обозначено: 1 - поверхностный; 2 - промежуточный; 3 - переходный слои. Стрелками указана поверхность ЭВЛ

? if- 'л.-;.

- ¥Хя' л Ґ 1 Я* •

Рис. 3. Морфология поперечных шлифов зоны упрочнения после ЭBЛ и ЭПО при т = 100 мкс; N = 10 имп., а, б -Es = 45 Дж/см2; в - Es = 60 Дж/см2

Рис. 4. Структура поперечного сечения зоны упрочнения после ЭПО при Es = 45 Дж/см2; т = 200 мкс; N = 10 имп. 1 -поверхностный; 2 - промежуточный; 3 - переходный слои. Стрелками указана поверхность ЭВЛ

Таким образом, после электровзрывного науглероживания совместно с оксидом циркония поверхности титанового сплава BT6 структура зоны упрочнения неоднородна по толщине, элементному составу и по структурно-фазовому состоянию. Электронно-пучковая обработка зоны легирования способствует гомогенизации ее структурно-фазовых состояний. Общая зона упрочнения достигает 35 мкм. По глубине выделяется три слоя - поверхностный, промежуточный и переходный. Поверхностный слой после ЭПО имеет структуру преимущественного глобулярного типа, промежуточный - структуру глобулярно-дендритного типа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Багаутдинов А.Я., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. 301 с.

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

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке госзадания Минобрнауки № 2.4807.2011.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 года.

Kobzareva T.Y., Raykov S.V., Soskova N.A., Vashchuk E.S., Budovskikh E.A., Gromov V.E., Ivanov Y.F. STRUCTURE OF HARDENING ZONE OF TITANIUM ALLOY VT6 BY ELECTRO-EXPLOSIVE CARBURIZING WITH OXIDE ZIRCONIUM AND SUBSEQUENT ELECTRON-BEAM TREATMENT

By scanning electron microscopy the structure-phase states in the depth of hardening zone in titanium alloy BT6 electroexplosive carburizing with zirconium oxide and subsequent elec-tron-beam treatment are studied.

Key words: titanium alloy VT6; electro-explosive alloying; carburizing; zirconium oxide; electron beam treatment; structure; scanning electron microscopy.

1718