Структура и свойства титана и его сплавов при лазерном легировании тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



;; 1 Я. \

САМАРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАД\ЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени В. В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

МОРОЗОВА Елена Александровна

УДК 621.793.6:021.375.820

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ЛЕГИРОВАНИИ

Специальность 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САЛ1АРА 1992

Работа выполнена па кафедре общей и лазерной физики Самарского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института им. В. В. Куйбышева.

НАУЧНЫМ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор физико-математических паук профессор Бекре-нео Л. Н.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук профессор Маркин Л. И,

кандидат физико-математических наук доцент Покоев А. В.

Веду'Цая организация — Поволжский авиационный на. учпо-телнологический центр.

Зашита диссертации состоится . декабря 1992 го-

да в . Ю. . часов на заседании специализированного совета ДОЗЗ. 16.03 при Самарском политехническом институте им. В. В. Куйбышева (443010, т. Самара, ул. Галактионовская, 141, а уд. 23).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского политехнического института.

Автореферат разослан .

2.4. ноября 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук МИТЛИНЛ Л. А.

с«Г !\11

Ос. . ,:?ННЛЯ

¡•з /| ) ЬК Л

I '».«« 1

/г.г

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная техника требует применения материалов, которые обладали бы высокими прочностным» свойствами. К ним относится тптаи и его сплавы. Вместе с тем титановые сплавы имеют и ряд существенных недостатков, сдерживающих их широкое использование в различных отраслях промышленности. Особенно остро стоит вопрос повышения износостойкости, усталостной прочности и других .механических характеристик. Разрешение этого вопроса возможно разными путями, при этом эффективным является применение упрочняющих покрытий п термической обработки.

Перспективным направлением при создании упрочняющих покрытий является лазерная химико-термическая обработка (ЛХТО) и лазерная термическая обработка (ЛТО), основанные на локальном нагреве поверхности п скоростном охлаждении. Однако изучению этих высокоэффективных процессов уделено недостаточное внимание. Особенно слабо изучено влияние лазерного поверхностного легирования (ЛПЛ) на физико-механические свойства облученных поверхностей титана и его сплавов из покрытий с различными сочетаниями легирующих компонентов. Поэтому проведение комплексных исследований процессов ЛПЛ и ЛТО гитана и его сплавов является актуальной проблемой.

Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение структурного состояния, фазовых превращений и свойств поверхностных слоев титана и его сплавов при лазерном легировании из однослойных и двухслойных металлических покрытий и лазерной термообработки и разработка научно-обоснованных рекомендаций, направленных на повышение износостойкости лазерно-облученных поверхностей изделий.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследования:

— исследование влияния легирующих элементов однослойных и двухслойных металлических покрытий и параметров ЛПЛ на структуру н свойства поверхностного слоя титана и титановых сплавов;

— изучение влияния параметров ЛТО на структуру и фн-знко-мсханическне характеристики поверхностного слоя титана и его сплагов;

— определение температурных полей и формы ванны расплава па поверхности титана в зависимости от режимов лазерного облучения методом теплофпзнческого моделирования;

— разработка рекомендаций по поверхностному упрочнению титана н титановых сплавов при лазерном легировании и лазерной термообработке, направленных на повышение износостойкости поверхностей изделий.

Научная новизна. Впервые на основе комплексных исследований лазерного поверхностного легирования титана и его сплавов из однослойных и двухслойных металлических покрытий определены особенности формирования структуры и свойств поверхностных слоев и выявлены наиболее эффективные легирующие элементы при ЛПЛ. Установлено влияние кинетики формирования ванны расплава на процессы ЛПЛ, глубину модифицированного слоя, его структуру и свойства. Выявлены распределения легирующих элементов в области расплава и зоны термического влияния (ЗТВ) при ЛПЛ. Установлены оптимальные параметры лазерного поверхностного легирования деталей из титана и титановых сплавов.

Практическая значимость. Разработаны рекомендации по \лучшению фпзико-мсхаиических характеристик поверхностных слоев титана и его сплавов при сохранении пластичности сердцевины за счет использования ЛХТО и ЛТО. Получены результаты но формированию поверхностных слоев с заданными свойствами, составом н структурой, обладающих прочной связью с основой изделия. Установлены наиболее эффективные легирующие элементы покрытий, позволяющие увеличить износостойкость изделий в 4—6 раз. Даны рекомендации по обработке плоскостей бандажных полок лопаток компрессора и некоторых других деталей.

Основные полоясения, представляемые к защите:

— результаты комплексных исследований влияния ЛПЛ из однослойных и двухслойных покрытий на структуру и свойства поверхностных слоев титана и титановых сплавов;

— результаты влияния ЛТО на структуру и физико-механические характеристики поверхностных слоев титана и его сплавов;

— результаты теоретического расчета температурных полей и формы ванны расплава на поверхности тнтана при непрерывном лазерном воздействии;

— разработанные рекомендации ЛПЛ из однослойных п двухслойных покрытий и ЛТО, повышающие износостойкость изделий из титана и титановых сплавов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на X Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Куйбышев, 1983), научно-техническом семинаре «Лазерная техника и технология» (Троицк, 1985), XI Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Куйбышев, 1986), зональной конференции «Прогрессивные технологии упрочнения деталей машин п инструмента с применением источников с высокой концентрацией энергии» (Пенза, 1988), XII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Куйбышев, 1989), научно-техничс-ской конференции «Обеспечение надежности сельскохозяйственной техники» (Саранск, 1990), научно-технической конференции «Эффективность использования машиностроительного оборудования» (Саранск, 1991), XIII Международной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Самара, 1992).

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 1оч . наименований, 2-х приложений и содержит . страниц машинописного текста, .3.6 . иллюстраций и .Ух • • таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении раскрывается актуальность работы, направленной на решение проблемы повышения износостойкости и надежности изделий из титана п титановых сплавов. На основе анализа имеющихся сведении по вопросам упрочнения поверхностного слоя обосновывается цель и задачи исследования, формулируются научная новизна, практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ работ по влиянию лазерного облучения на фнзпко-мехапические свойства, фазовый состав, структуру п субструктуру титана н его сплавов. Особое внимание уделено проблеме ЛПЛ титана. Дан обзор влияния легирующих элементов при ЛХТО на изменение физико-механических свойств поверхностных слоев титановых сплавов. Показано, что комплексные исследования зависимостей

свойств упрочненной зоны титана и его сплавов при поверхностном легировании из однослойных покрытий и различных режимах лазерного облучения весьма ограничены и практически отсутствуют, когда насыщение поверхностей осуществляется одновременно или последовательно несколькими легирующими компонентами.

Вторая глава посвящена изложению методики эксперимента. Исследованию подвергались образцы из технически чистого титана ВТ1-0 и титанового сплава ВТ9, обработанные по двум схемам. Первая группа образцов, подвергнутых ЛПЛ из однослойных и двухслойных покрытий, обрабатывалась по схеме: предварительная обработка + отжиг+ напыленпе +лазерное облучение. Вторая группа образцов, предназначенных для лазерного термического упрочнения, приготавливалась по схеме: предварительная обработка + отжиг +лазерное облучение. Нанесение легирующих элементов на поверхность образцов осуществлялось электролитическим и вакуумным методами. Толщина покрытия изменялась от 1 до 30 мкм.

ЛПЛ образцов, напыленных электролитическим способом, осуществлялось с помощью С02-лазера «Катуиь» с мощностями 220 и 630 Вт. Лазерная обработка образцов, имеющих вакуумные покрытия, производилась на установке «ЛГЛ-200» при мощности 160 Вт.

Лазерное термическое упрочнение поверхности титана выполнялось с помощью С02-лазера «ЛГЛ-200» при мощности излучения 160 Вт и на установке «Кардамон» при мощности 050 Вт. Диапазон изменения скоростей перемещения лазерио-ного луча (ЛЛ) составлял 0,83 + 7,0 мм/с.

При исследовании свойств, структуры и физико-механических характеристик поверхностных слоев титана и его сплавов использовались современные методы: рентгеноспектраль-ный микроанализ, рентгеновский фазовый анализ, металлография и механические испытания.

Исследование микроструктуры образцов проведено на рентгеновском микроанализаторе «SuperproB-733» фирмы <'JEOL» с микронным разрешением. Распределение исследуемых элементов в поверхностных слоях изучалось путем оптической микрофотографии при увеличении до хбООО. Формирование изображения получали во вторичных электронах. Распределение интенсивпостей рентгеновского излучения на образцах изучалось как в отдельных точках, так и путем сканирования электронного луча вдоль выбранного направления по 4

линии с шагом от 1 до 5 мкм и по площади шлифа. Для определения качественного химического состава в любой точке по поверхности сканирования использовался рентгеновский энергодиеиерспонный анализ системы «LINK», который проводился с помощью Si (Li) детектора.

Для исследования распределения фаз в поверхностных слоях проводился качественный фазовый анализ поверхности н послойный рентгеновский анализ до глубины 70—80 мкм с шагом перемещений 10 мкм. Съемка проводилась на дифрах-тометре «ДРОН-З» в СиКа излучении. Состояние субструктуры материала титановой подложки до воздействия лазерного источника и после пего определялось по уширепшо рентгеновских линий. По соотношению пптенснвностсй дифракционных линий (01.2) Ь.-и (20 0) р-фазы рассчитывалось количество [3-фазы.

Для съемки дебаеграмм использовалась прямая съемка п камере РКД с диаметром 53,7 мм. Съемка образцов производилась в медном излучении при угле наклона образца к рентгеновскому лучу, равному 20—24°.

При металлографическом анализе использовались шлифы с косым срезом поверхностных слосв под углом 2° и с поперечным срсзом. Изучение шлифов проводилось на оптическом микроскопе МИМ-8. Измерение микротвердости осуществлялось па приборе ПМТ-З. Тссрдость образцов измерялась по методу Кнупа.

Исследуемые образцы из титана и сто сплавов с различными покрытиями после лазерного упрочнения подвергались испытаниям на фреттингстойкость. Испытания проводились на специальном стенде, моделирующем условия взаимодействия пары трения и позволяющем варьировать параметры испытаний.

В третьей главе приведены результаты исследований структуры п свойств титана и титанового сплава при лазерном поверхностном легировании из однокомпоненгных и двухкомпо-пентных покрытий. Описан механизм ЛИЛ, раскрывающий характер фазовых и структурных превращений в системе «титан — легирующий элемент». Выявлено, что при ЛПЛ перераспределение легирующих элементов по глубине ванны расплава происходит в два этапа. Показана незначительная роль массопереноса диффузионным путем. Определяющее влияние в перераспределении легирующих элементов в ванне расплава оказывает конвективный массоперенос.

Легирование поверхности титана никелем производилось при скоростях перемещения лазерного луча 1,66; 2,0 и 2,5 мы/с н мощности 220 Вт. Наибольшая микротвердость 8400—8G00 МПа (при исходной 1800 МПа) достигается при максимальной скорости перемещения лазерного луча. На рентгенограммах зафиксированы отражения от ннтерметал-лидов !NIT iо. Отмечено наличие [З-фазы.

Показано, что в зоне оплавления (30) п зоне термического влияния происходит процесс двойной фазовой перекристаллизации а- и [З-моднфихаций по типу:

Микрорентгеноспектральпыми и металлографическими исследованиями в 30 поверхности образцов, обработанных с различными скоростями ЛИ, определены характерные области. При скорости 1,66 мм/с выявленные области характеризуют неоднородность структуры (рис. 1): поверхностная зона 1 (рис. 1,а) с повышенной концентрацией титана; зона 2, состоящая из кристаллитов a-Ti и эвтектики; зона 3 со структурой квазиэвтектоида; зона 4, которая на момент расплава находится в твердо-жидком состоянии и состоит из кристаллитов a-Ti и эвтектики и зона 5 — ЗТВ представляет собой область твердого раствора, выявляющаяся в виде игольчатой структуры мартенсита. Указанные зоны проявляются и в рентгеновских лучах (рис. 1,6).

При' увеличении скорости перемещения лазерного луча до 2,0 мм/с уменьшается размер титановой прослойки в приповерхностном слое-и образуется крупнозернистая структура с глубиной зоны оплавления до 170 мкм. При скорости 2,5 мм/с мпкрообъем ванны расплава характеризуется равномерной мелкодисперсной структурой квазиэвтектоида с улучшенными физико-механическими свойствами, что является следствием большой скорости охлаждения ц определенного концентрационного состава по никелю расплавленной ванны.

Исследование структуры и свойств поверхностного слоя титановой подложки при лазерном легировании железом производилось при скоростях перемещения лазерного луча Ул, равных 0,5 и 1,66 мм/с и его мощности 630 Вт. Установлен различный характер прироста микротвердости на поверхности зоны легирования поперек лазерной дорожки при анализируемых скоростях. Отмечено значительное снижение микротвердости (до 5000 МПа) г, центральной части дорожки при меньшей скорости обработки При большей скорости перемещения лазерного луча микротвсрдость по ширине зоны обработки практически одинакова п составляет 9000—10000 МПа,

_ с*

ч

¥

<ч

и.

Ч лЦ*? 44

* * I

' о - ч - V

Н » | V \»<Л * 4

»5 ^

ч^

1

О

-

„ г*» 4 ♦ ,

» ч ч

*

ч п

* -г

4

"!

к

в. Л.

б

Рис. 1. Микроструктура ванны расплава при лазерном легировании г л та л а никелем при Р = 220 Вт л К. = 1,60 мм/с: а) ебшии вид л781); б) в рентгеновских лучах N1

Результаты рентгеноспектрального и металлографического анализов показывают, что при меньшей скорости обработки нейтральная часть дорожки представляет собой двухфазную смесь, состоящую преимущественно из зерен а—Т1 н эвтекто-ида. По обе стороны от центральной части дорожки наблюдается эвтектоидная структура. При повышении скорости обработки формируется относительно равномерная мелкодисперсная структура квазпэвтектоида. На рентгенограммах, снятых с поверхности исследуемых образцов, отмечены отражения от интермсталлидов ТлРе2 н наличие р-фазы.

ЛГ1Л титана хромом осуществлялось при тех же параметрах, что и легирование железом. Рентгенограммы (рис. 2), полученные с поверхности покрытия при 1/л = 0,5 и 2,0 мм/с, свидетельствуют о «расщеплении» интерференционных линий, свойственном гексагональной офлзе, и об образовании линии с ромбической структурой а"-фазы. В зоне оплавления формируется также р-фаза. Линии этой фазы (110), (200), (211)

после (б) лазерного легирования хромом при Кл=0,5 и 2,0 мм/с

сдвигаются в сторону больших углов, что свидетельствует об уменьшении параметра решетки из-за пересыщения ее хромом. При скорости Ул=1,66 мм/с наблюдается увеличение дефектности материала. Наличие большого количества микротрещин является следствием образования твердого и хрупкого интерметаллида TiCr2. Зона оплавления при большей скорости лазерной обработки характеризуется структурой более однородного состава со стабильно высокими значениями микротвердости.

ЛПЛ титана марганцем осуществлялось при скоростях перемещения лазерного луча 0,5 и 1,(36 мм/с и мощности лазерного воздействия 220 Вт. Прирост мпкротвердости в центральной и периферийной областях обрабатываемой дорожки имеет одинаковый характер. При большей скорости отмечено возрастание интенспвностей линий выявленных интерметаллидов MnTi, (Mni-2Ti)6, Y-Mni-2Ti. При меньшем значении скорости наблюдается большее обогащение облучаемой поверхности нитридом титана, о чем свидетельствует возрастание интенспвностей его линий (111) и (200). На рентгенограммах отмечено наличие р-фазы, наблюдается «расщепление» интерференционных линий а-фазы и образование линий со структурой а"—фазы.

ЛПЛ титана медью, напыленной в вакууме, осуществлялось при скоростях лазерного излучения 1,66; 2,5 н 3,33 мм/с. Выявлено, что легирование титана медью обеспечивает сравнительно меньшую микротвердость поверхности по сравнению с другими легирующими элементами. С увеличением толщины нанесенного слоя при постоянной скорости обработки микротвердость поверхности возрастает, а глубина зоны оплавления уменьшается. При обработке е меньшей скоростью и при большей толщине покрытия формируется крупнокристаллическая структура с повышенными концентрациями меди. На основе качественного фазового анализа поверхности образцов, обработанных с оптимальными режимами (при максимальной скорости и толщине покрытия 10 мкм), выявлено характерное изменение дифракционной картины по глубине поверхностного слоя.

Приведены сопоставимые результаты по изменению структуры и свойств при легировании поверхности титана и титанового сплава ВТ9. Отмечено наибольшее увеличение значений микротвердости при легировании титанового сплава. Установлен максимальный эффект поверхностного упрочнения для титанового сплава, содержащего 6—7% А1, при внедрении

небольшого количества [3-стабилнзатора (2%). Выявлены характерные различия структуры а'-мартенснта при легировании титана и титанового сплава.

Испытания па фретгингстойкость образцов с однослойными покрытиями легирующими элементами показали увеличение износостойкости в 3—4 раза.

Влияние двухслойных покрытий на свойства и структуру титана при ЛПЛ исследовалось при сочетании элементов:

Mí + Mn, Ni+Cr, Cr + Cu, Cr+Mn и Mn + Fc.

Установлено, что формирование той же ванны расплава происходит при меньших скоростях перемещения ЛИ, чем в случае однослойных покрытий. Диапазон изменения скоростей составлял 0,5-ь3,3 мм/с при мощности лазерного излучения 220 Вт. При более высоких скоростях расплавляется только двухслойное покрытие, не образуя при этом области расплава в титановой матрице.

Результаты распределения микротвердости по глубине ванны расплава Ni + Cr (графики 1.7); Ní + Mn (графики 2,6,8); Cr + Мп (графики 3,5) и Mn + Fc (графики 4,9) приведены на pite. 3.

Рис. 3. Распределение мккротвердости по глубине ванны расплава с покрытиями 1\Ч+Сг (1,7) №+Мп (2, 6, 8), Сг + Мп (3,5) и Мп + Ре (4,9) при Р = 220 Вт и 1\=3,3 мм/с (1, 2, 3, 9); 0,5 мм/с (4, 5, 7, 8);

2,5 мм/с (6)

Максимальный эффект упрочнения достигается при легировании никелем и хромом (график 1) и скорости 1/л = = 3,3 мм/с, где микротвердость возрастает в 7,2 раза. Глубина упрочненного слоя составляет 140—160 мкм. Рентгеновский фазовый анализ в камере РКД, проведенный с поверхности косого среза на глубине 30 и 70 мкм, свидетельствует о том, что поверхностных слой более обогащен хромом и частично пнтерметаллидамп никеля. По мере приближения к тнтано-гой подложке определяющими являются отражения от иитср-металлидов никеля, которые отличаются повышенными значениями микротвсрдости.

При ЛПЛ титана никелем и марганцем микротвердость но поверхности зоны легирования существенно повышается и во многом зависит от скорости лазерного луча. Глубина упрочненного слоя для рассматриваемых скоростей 0,5; 2,5 п 3,3 мм/с составляет 130, 250 и 170 мкм соответственно. Относительно небольшая глубина упрочнения при меньшей скорости ЛЛ обусловлена испарением более летучих компонентов покрытия из-за большего времени теплового воздействия. При скорости 2,5 мм/с, при которой наблюдается снижение плотности распределения интерметаллидных фаз в зоне легирования, отражения от ряда интерметаллидов на поверхности ванны расплава не зафиксированы. Определено, что при увеличении скорости до 3,3 мм/с образуется более однородная структура. Рост значений микротвсрдости при данной скорости обусловлен возрастанием количества интерметаллидов МпТи Мп2Т1, у-Мп1-2Т1, б-М/г^нТ!, Т\2Ы\ в зоне ванны расплава. Проведенный энергодисперсионный анализ на расстоянии 10, 50 и 100 мкм от кромки поверхности вглубь ванны расплава характеризует повышенную концентрацию марганца в приповерхностном слое п незначительные отражения от липни никеля. В пижележащнх слоях происходит перераспределение в пптенсиЕностях линий, что указывает на изменение фазового состава. Результаты, полученные с помощью рептгепострук-турпого фазового анализа, указывают на «расщепление» интерференционных линий, свойственных гексагональной а-фазе, и образование па образцах с покрытиями № + Мп мартен-ситной а"-фазы. Отмечено, что нанесение покрытия вызывает смещение рентгеновских линий в сторону больших вульф-брэг-говских углов по сравнению с ненаплавленной поверхностью титана, о чем свидетельствует уменьшение параметра решетки р-фазы титана.

Насыщение поверхности титана хромом и медью также приводит к существенному повышешпо микротвердости по

сравнению с упрочнением поверхности, когда легирование осуществляется отдельно каждым элементом. Однако, полученная микротвердость несколько ниже, чем при насыщении поверхности другими сочетаниями легирующих элементов. Микроструктура сечения вглубь титановой подложки при скорости лазерного луча'0,5 мм/с (рис. 4) характеризуется чсредо-

| ЮШО ® *

: 4 Ш

\т |

15Ш\

%

. . х

V

ч.

*0 ($

: /Спчк'НО

30 и №

зош роапА:

Р и с. 4. Микроструктура (х2200) в центре лазерной дорожки при легировании хромом и .медью с Р = 220 Вг и 1/л = 0,5 мм/с и изменение микротвердости по ЗТВ

т

Р и с. 5. Характер распределения легирующих элементов по глубине ванны расплава н ЗТВ при тазерпом легировании титана хромом и медью с Р=220 Вт и Кл = 0,5 мм/с: 1—титан, 2—лром, 3—медь

ьаннем светлых и темных полос разной микротвсрдости и химического состава, что коррелирует с данными рентгепоспек-грального микроанализа (рис. 5). Светлая зона характеризуется повышенным содержанием хрома. Ввиду того, что испарение верхнего покрытия происходит достаточно быстро, это приводит к обеднению поверхностного слоя медыо. Наряду с этим часть медного покрытия вступает в реакцию с титаном и образует с ним химические соединения. Это подтверждает локальный рентгеновский послойный анализ образцов. Действительно па глубине 20—25 мкм наблюдаются линии ннтермо-галлидов СиТЬ, Си"П3, уСиТк В зоне темной полосы рост микротвердости до 10500 МПа обусловлен увеличением процентного содержания хрома, выявляющегося в виде интерметаллида Т1Сг2 и интермсталлидов меди. При большей скорости ЛИ легированный микрообъем характеризуется более однородной структурой, в которой зафиксированы отражения от легирующих элементов хрома п меди и меньшим значением микротвсрдости.

Характерной особенностью двухслойного покрытия титана марганцем и железом является то, что увеличение микротвсрдости поверхности ванны расплава наблюдается при относительно меньшей скорости ЛИ. Объясняется это тем, что железо обладает сравнительно высокой температурой плавления и большее значение скорости из-за малого времени теплового воздействия не обеспечивает достаточной температуры для образования ванны расплава или зоны оплавления. При скорости 3,3 мм/с наблюдается лишь небольшое повышение микротвсрдости (график 9). Уменьшение скорости обработ кп до 0,50 мм/с приводит к образованию зоны расплава с мпкро-1 вердостыо 11000—11300 МПа (график 4).

Механические нспытапня на фреттингостойкость показали повышение износостойкости образцов в 4—6 раз. Износостойкость возрастает при легировании в следующей последовательности: Кч+Мп, Сг+Си, Сг + Мп, МЦ-Сг.

В заключительной четвертой главе диссертации приведены результаты исследований влияния технологических параметров процесса ЛТО па свойства и физико-механические характеристики технически чистого титана ВТ1-0 н титанового сплава ВТ9.. Исследования проведены с помощью непрерывного лазера «ЛГЛ-200» при скоростях 0,83; 3,7 и 7,0 мм/с и мощностях 160 и 650 Вт.

Установлено, что при мощности 160 Вт н указанных скоростях перемещения лазерного луча существенного повышения

микро.твердости не происходит, тогда как при мощности 650 Вт микротвердость в зоне обработки составляет 5700—5800 МПа.

Характерной особенностью структурных превращений титана и его сплавов при обычной термической обработке является интенсивный рост зерен при температуре выше «-»-р-не-рехода. Установлено, что при ЛТО со скоростью 3,7 мм/с п выше достигается мелкозернистая структура. Рентгеноспектраль-ным анализом выявлено, что фазовый наклеп и мартеиситное превращение являются причинами упрочнения титана при лазерном воздействии. Это подтверждается изменением ширины рентгеновских линий. Ширина линий (100) и (200) а—Т1 и (101) и (202) а—'П, характеризующих степень несовершенства кристаллического строения, увеличивается по мере скорости нагрева. С увеличением скорости обработки происходит монотонный рост микроискаженим кристаллической решетки (повышается плотность дефектов и возрастает степень несовершенства кристаллической решетки) и дробление блоков мозаики. Выявлено, что при скорости перемещения лазерного луча 3,7 мм/с достигаются мелкие блоки зерен и высокий зффект упрочнения.

Для обеспечения необходимой глубины упрочнения поверхности титана при ЛТО выполнен теоретический анализ, позволяющий путем определения параметров лазерной обработки управлять глубиной ванны расплава н направленно воздействовать па другие характеристики поверхностного слоя титана. Наряду с этим, полученные результаты позволяют рассчитывать температурные поля в обрабатываемом материале, находящемся в различном фазовом состоянии и описать кинетику формирования ванны расплава. Расчетные параметры ванны расплава определены для постоянной плотности мощности теплового потока и различных скоростей перемещения лазерного луча в первой серии экспериментов и при неизменной скорости ЛЛ и различных плотностях мощности — во второй серии. Сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик ваий расплава указывает на их удовлетворительное соответствие.

На основе комплексных исследований поверхностного слоя титанового сплава ВТ9 выявлены характерные особенности формирования его фпзпко-механпчеекпх характеристик и разработаны научно-обоснованные рекомендации по реализации ТТО. Отмечено увеличение микротвердости поверхностного слоя па 2000—23С0 МПа при лазерном воздействии. Результаты совмещенных кривых износа сплава ВТ9, физического ушнрения рентгеновских линий, микротвердости и содержания

(5-фазы на различных стадиях износа представлены на рис. 6. Показано, что на каждой стадии износа поверхностный слой характеризуется соответствующим структурным состоянием. Износостойкость образцов после лазерного облучения увеличивается в 2—2,5 раза.

Рис. 6. Кинетика изменения состояния поверхности сплава ВТ9, подвергнутого воздействию лазерного излучения с Ул = 3,7 мм/с 16 при фретгинг-коррозии

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. При лазерном поверхностном легировании титана и титанового сплава ВТ9 (З-стабилизаторами наиболее эффективное воздействие на формирование структуры и свойств поверхностных слоев оказывают легирующие элементы, создающие с титаном системы с относительно низкой температурой эвтек-тоидного превращения, имеющие большую диффузионную подвижность атомов, обладающие ограниченной растворимостью в а- и (]-фазе п образующие с титаном пнтерметаллндные соединения. К таким элементам относятся: хром, марганец, железо, никель и медь.

2. Определена степень влияния каждого легирующего элемента на физическое состояние поверхностного слоя титана и сто сплавов. Отмечено, что более равномерная мелкодисперсная структура с наибольшим проникновением насыщающего элемента в титановую подложку (до 200 мкы) достигае1тя при легировании никелем. Максимальный прирост микротвердости наблюдается при насыщении поверхности хромом, однако, получаемая при этом структура характеризуется дефектностью материала, обусловленной наличием высокопрочного и хрупкого интерметаллида Т1Сг2. Наилучшие характеристики пластичности поверхности достигаются при лазерном легировании марганцем.

3. Наличие мартенситных фаз разной морфологии (а'- п а"-) предопределяет различное влияние на структуру и свойства титана. «Расщепление» дифракционных рентгеновских линий ц-фазы, обусловленное образованием малопрочной и высокопластичной сх"-фазы при лазерном легировании из однослойных и двухслойных покрытий, происходит при соотношении атомных радиусов титана и легирующего элемента, меньшем 1,13.

4. При лазерном легировании титана из однослойных одно-компонентных покрытий микротвердость поверхности в зависимости от режима возрастает до 4000—8000 МПа, что обусловлено образованием твердых растворов с переменной концентрацией, упрочненных интерметаллиднымп включениями, мартенситной а'-фазы и обогащением поверхности азотом. Наибольший прирост мпкротвердостн достигается при более высоких скоростях лазерной обработки.

5. При лазерном легировании гитана из двухслойных покрытий создаются более глубокие упрочненные слои с улучшенными физико-мсханичсскими характеристиками по сравнению с легированием из однослойных покрытий. Наиболее су-

щественно микротвердость повышается при легировании композициями Сг-Ь\Ч и \Ч + Мп, с помощью которых микротвердость увеличивается в 7,2 и 5,4 раза соответственно. Наибольшее внедрение легирующих элементов в матрицу основного металла происходит при легировании № + Мп, где глубина упрочненного слоя составляет 240—250 мкм.

6. При лазерной термической обработке титана и титанового сплава ВТ9 фазовый наклеп и мартенситное превращение ¡3—>-а являются причинами упрочнения поверхностного слоя при лазерном воздействии. При этом с увеличением скорости перемещения лазерного луча происходит монотонный рост микроискажений кристаллической решетки и дробление блоков мозаики. Определены оптимальные скорости перемещения ЛЛ, обеспечивающие наибольший эффект упрочнения.

7. Выполнен теоретический анализ по определению температурных полей и параметров ванны расплава на поверхности технически чистого титана при воздействии непрерывного лазерного источника, позволяющий путем изменения режимов обработки прогнозировать характеристики поверхностного слоя. Сопоставление расчетных и опытных данных показало их удовлетворительную сходимость.

8. Лазерное поверхностное легирование титана и титанового сплава ВТ9 из однослойных покрытий повышает износостойкость в 3—4 раза, из двухслойных — в 4—6 раз. При лазерной обработке без легирования износостойкость увеличивается в 2—2,5 раза. Разработаны рекомендации для каждого метода лазерной обработки.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Валюженич М. К-, Филина Е. А. (Морозова Е. А.). Химико-термическая обработка металлов с использованием лазерного излучения. /'/ Тезисы докладов X Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов. — Куйбышев: КПтИ, 1983. с. 312.

2. Валюженич М. К., Филина Е. А. Микротвердость поверхностных слоев титановых сплавов после лазерного облучения. // Структура и свой-стза деформированных материалов. — Куйбышев: КПтИ, 1984, С. 80—82.

3. Филина Е. А. Диффузионное насыщение титановых образцов после лазерного облучения. // Тезксы докладов XI Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов — Куйбышев: КПтИ 1986. С. 249—250.

4. Филина Е. А. Лазерное легирование титана никелем и марганцем. // Влияние внешних воздействий на структуру и свойства твердых тел. Куйбышев: КГУ, 1988. С. 77—78.

5. Филина Е. Л. Структура и свойства титана, легированного при непрерывном лазерном облучении. // Физические проблемы импульсной обработки металлов к сплавов. — Куйбышев: КПтИ, 1988. С. 52—58.

6". Бекренсв Á. //., Филина Е. Л. Лазерное легирование поверхности титана металлами. //Тезисы докладов зональной конференции. Обработка материалов высококонцентрировапными источниками энергии. — Пенза, 1988. С. 24—25.

7. Филина Е. А. Вгтянис лазерного легирования на изменение физико. механических свойств поверхностных слоев титана.//Тезисы докладов XII Всесоюзной конференции. Физика прочности и пластичности металлов и сплавов. — Куйбышев: КПтИ, 1989. С. 303.

8. Морозова Е. А. Лазерное поверхностное легирование титановой подложки железом //Физические проблемы прочности и пластичности мате, риалов. — Самара: СамПИ, 1990. С. 99—105.

9. Бекренсв А. //., Морозова Е. Л. Улучшение физико-механических характеристик поверхностного слоя износостойкими покрытиями. // Тезисы докладов научно-технической конференции. Обеспечение надежности сельскохозяйственной техники. — Саранск, 1990. С. 22—23.

10. Бекренев А. II., Филина Е. Л. Влияние лазерного легирования на изменение физико-механических свойств поверхностных слоев титана. // Физика и химия обработки материалов. 1991. № 4. С. 116—121.

11. Бекренев А. Н., Морозова Е. Л. Изменение структуры и свойств поверхностных слоев титана при лазерном легировании.//Физика и химия обработки материалов. 1991, № 6. С. 1 17—123.

12. Бекренев А. 11., Морозова Е. Л. Повышение физико-механических характеристик поверхностных слоев изделий из титана путем лазерного упрочнения. // Тезисы докладов научно-технической конференции. Эффективность использования машиностроительного оборудования. — Саранск, 1991. С. 36.

13. Бекренев А. //., Тетюева Т. В., Лртамошкнн С. В., Крупнич С. А., Морозова Е. А. Структура и физико-механические свойства поверхности титана при лазерном легировании никелем.//ПОВЕРХНОСТЬ. Физика, химия, механика. 1992, № 5. С. 133—139.

14. Бекренев Л. Н.. Морозова Е. А. Возможности лазерного легирования титановых сплавов.//Тезисы докладов XIII Международной конференции Физика прочности и пластичности металлов и сплавов. — Самара: СамПИ, 1992. С. 279—280.

15. Морозова Е, Л. Расчет температурных полей и формы ванны расплава при подвижном лазерном излучении.//Тезисы докладов XIII Международной конференции. Физика прочности и пластичности металлов и сплавов. — Самара: СамПИ, 1992. С. 290.