Структурно-фазовые превращения в α + β- титановых сплавах ВТ-6 и ВТ-8 под действием мощного ионного пучка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

/ V

л> '

/

омский государственный университет

институт сенсорной микроэлектроники со ран

На правах рукописи

ПАНОВА ТАТЬЯНА КИМЗЕЕВНА

СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В (а+р)-ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ ВТ-6 И ВТ-8 ПОД ДЕЙСТВИЕМ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА

01.04.07 - Физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Геринг Г.И.

омск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .............................................................4

ГЛАВА I. СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ................9

1.1. Теплофизические процессы при обработке материалов КПЭ................ 9

1.2. Структурные эффекты и упрочнение в металлах и сплавах................. 15

1.3. Механизмы и кинетика фазового превращения в титане и его сплавах при быстром нагреве. Влияние структурно-фазового состояния на механические свойства............................................................ 29

1.4. Выводы по обзору литературы. Постановка задачи........................ 46

ГЛАВА II. ТЕХНИКА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА......................48

2.1. Сильноточный ускоритель ионов........................................48

2.2. Методы исследования структурно-фазовых превращений при воздействии МИП................................................................49

2.3. Механические испытания (а+Р)-титановых сплавов.........................56

2.4. Исследуемые материалы и их подготовка..................................57

ГЛАВА III. СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В (<х+р)-ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ ВТ-6 И ВТ-8 ПОД ДЕЙСТВИЕМ МИП.............................61

3.1. .Моделирование термомеханических процессов в (а+р)-титановых сплавах при воздействии мощных ионных пучков........................................61

3.2. Изменение структуры сплавов ВТ-6 и ВТ-8 при облучении МИП.............68

3.3. Фазовый состав закаленных МИП сплавов ВТ-6 и ВТ-8.....................77

3.4. Напряженно-деформированное состояние титановых сплавов.................91

3.5. Особенности микроструктуры метастабильных а', а"и р-фаз...............96

3.6. Микротвердость титановых сплавов, облученных МИП................... 106

3.7. Распад метастабильных фаз при старении................................112

ГЛАВА IV. КРАТЕРООБРАЗОВАНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ СПЛАВОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ МИП.....................................................125

4.1. Влияние режимов облучения на плотность и размеры кратеров.............125

4.2, Причины образования кратеров на поверхности титановых сплавов при облучении МИП..............................................................136

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.................................. 143

ЛИТЕРАТУРА......................................................... 146

ВВЕДЕНИЕ

За последние десятилетия сплавы на основе титана стали одним из важных конструкционных материалов. Высокая коррозионная стойкость и удельная прочность в широком интервале температур определила их широкое применение в разных отраслях промышленности (аэрокосмической, судостроительной, химической, нефтегазовой, медицинской и пищевой). В то же время поверхностные свойства титановых сплавов (в частности, трибологические) не всегда удовлетворяют новым требованиям, предъявляемым промышленностью. Это стимулировало интенсивные исследования, направленные на поиск новых способов повышения поверхностной прочности титановых сплавов и создание новых технологических процессов их обработки. Перспективным направлением в упрочнении титановых сплавов является использование высоких скоростей нагрева и охлаждения, реализуемых при обработке концентрированными

/ л л

потоками энергии (КПЭ) с плотностью мощности 10 -10 Вт/см (электронная, ионная, лазерная, электроэрозионная обработка, импульсная плазма) /1-5/. Использование КПЭ приводит к формированию структурных состояний (сверхмелкозернистая и высокодисперсная структуры, мелкоигольчатый мартенсит и др.), которые проблематично получить при использовании традиционных способов термической обработки. При этом из перечисленных методов обработки наибольшими возможностями обладает мощный ионный пучок (МИП) наносекундной длительности.

Использование МИП для модификации титановых сплавов, имеющих многофазную поликристаллическую структуру, сдерживается множеством не решенных на сегодняшний проблем. Прежде всего к ним относится недостаточная изученность процессов взаимодействия МИП с материалами и сложность получения экспериментальных данных о параметрах материала в процессе такого воздействия. Кроме того, ряд особенностей

титановых сплавов и специфика их термической обработки требуют более детального изучения процессов фазовых и структурных превращений, протекающих в условиях сверхбыстрого воздействия МИП. До сих пор нет однозначных представлений о механизмах и основных закономерностях полиморфных превращений и кристаллизационных процессов при таком воздействии, позволяющих прогнозировать необходимые механические свойства.

Традиционно сверхбыстрая закалка титановых сплавов используется в основном для получения различных метастабильных состояний с мелкодисперсной структурой. Основное равновесное состояние титановых сплавов получают, как правило, после старения закаленных сплавов. Распад метастабильных состояний, полученных при сверхскоростной закалке, обеспечивает достижение уникальных механических характеристик сплавов. Однако механизмы распада метастабильных фаз, полученных при закалке МИП, также не достаточно изучены.

Еще одним сдерживающим фактором использования МИП для модификации изделий из титановых сплавов является образование кратеров на обрабатываемой поверхности, которое отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках изделий, особенно при циклических нагрузках. Устранение этого явления или существенное снижение плотности и размеров кратеров возможно только при тщательном анализе причин, порождающих их образование при обработке.

Поэтому задачей настоящей работы является исследование закономерностей структурно-фазовых превращений в (а+Р)-титановых сплавах при обработке мощным ионным пучком, процессов распада метастабильных фаз при закалке МИП с последующим старением и конкретизация причин кратерообразования.

Работа состоит из введения, четырех глав и раздела «Основные результаты и выводы». Во введении обосновывается актуальность работы, ставится задача исследования,

формулируются защищаемые положения. В первой главе проанализированы ранее выполненные работы по взаимодействию КПЭ, в том числе и мощных ионных пучков, с металлами и сплавами. Основное внимание уделено структурно-фазовым превращениям и изменению механических характеристик различных металлических материалов (и, в частности, титановых сплавов) и роли теплофизических и гидродинамических процессов в явлении упрочнения. Показано, что нет однозначного описания механизмов и закономерностей процессов кристаллизации и фазовой перекристаллизации в титановых сплавах, облучаемых МИП. Это связано как с большой сложностью этих процессов, так и с их индивидуальностью для каждого сплава в классе мартенситных титановых сплавов. Проанализированы работы по исследованию явления кратерообразования. Показано, что вопрос о причинах образования кратеров на поверхности материалов при облучении МИП также требует уточнения. В результате комплексного анализа проведенных ранее исследований определены основные задачи, решение которых позволит конкретизировать механизмы структурно-фазовых превращений в (а+(3)-титановых сплавах и причины формирования кратеров при облучении МИП.

Вторая глава посвящена технике и методике проводимых исследований. Приведены основные параметры используемого в работе ускорителя ионов «Темп». Описаны методики металлографического, рентгеноструктурного, электронно-микроскопического анализа, а также методики исследования механических характеристик сплавов. Подробно описана подготовка образцов для облучения.

Третья глава содержит результаты моделирования температурных полей в мишенях из титановых сплавов при различных режимах облучения МИП и результаты экспериментальных исследований структурных и фазовых изменений в сплавах ВТ-6 и ВТ-8 при модификации МИП. Показано, что основным фактором воздействия МИП на структурно-фазовое состояние титановых сплавов является интенсивный разогрев

• 2 ♦

поверхностного слоя, приводящий к плавлению (при _)>80 А/см ) и кипению (при 00

А/см2) поверхностного слоя. Проведен анализ процессов, происходящих при высокоскоростной закалке МИП, ответственных за существенное изменение зеренной структуры исследуемых материалов. Выявлены основные особенности структурно-фазового состояния по глубине модифицированного слоя. Установлена взаимосвязь фазового состояния с характеристиками теплового воздействия, изменение которого с увеличением расстояния от поверхности. мишени приводит к формированию трех характерных зон, отличающихся структурным состоянием. Показано, что помимо фазовых превращений в зоне ионно-лучевой модификации наблюдается интенсивная пластическая деформация, приводящая к значительной фрагментации кристаллической решетки и формированию высокодефектных структурных состояний.

Определена последовательность распада при старении метастабильных фаз, сформированных в результате сверхбыстрой закалки МИП. Установлено, что формирование сверхмелкозернистого неоднородного по химическому составу структурного состояния и его сохранение в процессе распада метастабильных фаз приводит к значительному повышению прочности поверхностного слоя.

Четвертая глава посвящена исследованию причин кратерообразования при облучении МИП титановых сплавов. Проведен анализ влияния режимов облучения на плотность, размеры и глубину кратеров. Конкретизированы основные причины этого явления и предложены условия предварительной подготовки образцов титановых сплавов ВТ-6 и ВТ-8 для устранения образования кратеров при облучении МИП.

В разделе «Основные результаты и выводы» кратко изложены полученные в работе результаты.

Защищаемые положения.

1. Высокоскоростная кристаллизация и фазовая перекристаллизация при полиморфных превращениях двухфазных титановых сплавов, облучаемых мощным ионным пучком, приводит к образованию глобулярной, мелкозернистой структуры.

2.. В условиях высокоскоростной закалки (а+р)-титановых сплавов мощным ионным пучком образование высокодисперсного мартенсита обусловлено большой плотностью зародышей мартенситной фазы при высокой степени переохлаждения в зоне модификации МИП и подавлением процессов диффузионного роста кристаллов мартенсита.

3. Формирование высокодефектного, сверхмелкозернистого, неоднородного по химическому составу мартенсита и сохранение дисперсности структуры в процессе распада метастабильных фаз по схемам: а"—>Р; а'+Р„-»а(а')+Р приводит к значительному упрочнению модифицированного слоя титановых сплавов, облученных МИП.

4. Растворенные газы (главным образом водород) и инородные включения в приповерхностных слоях титановых сплавов играют определяющую роль в образовании кратеров на поверхности при облучении МИП. Предложен способ снижения плотности и размеров кратеров путем удаления газовых и инородных включений поверхностного слоя.

ГЛАВА I. СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ

Основной особенностью воздействия на материалы концентрированных потоков энергии является создание высоких плотностей теплового потока, достаточных не только для нагрева, но и плавления и испарения материала. Характер нагрева, определяющийся скоростями изменения температуры, температурными градиентами, временем достижения определенной температуры в заданных точках тела и другими параметрами процесса, оказывается различным в зависимости от свойств обрабатываемого материала, условий обработки и вида энергетического воздействия. Описание процессов, происходящих при модификации материалов МИП, невозможно без сравнения основных характеристик теплофизических процессов при обработке КПЭ с систематическими данными о состоянии их структуры и фазового состава. Для большинства металлов и сплавов (в том числе и для титановых сплавов) изменение свойств при воздействии КПЭ связано с полиморфными превращениями.

1.1. Теплофизические процессы при обработке материалов КПЭ

При взаимодействии КПЭ, к числу которых относятся электронные, ионные, лазерные пучки, а также импульсные потоки плазмы, с веществом происходит множество процессов, в результате которых падающие частицы, испытав рассеяние, и, потеряв энергию, термализуются /6, 7/. В металлах и сплавах энергия заряженных частиц или поглощенных световых квантов очень быстро передается свободным электронам, что в свою очередь приводит к более интенсивному движению атомов в решетке. В общем случае наиболее важными являются следующие процессы, определяющие потерю энергии ускоренных частиц/8, 9/:

-ионизационные потери энергии (потери на возбуждение атомов и молекул и ионизацию);

-кулоновское рассеяние (потери, обусловленные упругим рассеянием на ядрах атомов с учетом экранирующего действия электронных оболочек);

-радиационные потери энергии (неупругие столкновения с ядрами атомов, приводящие к тормозному излучению).

-ядерные реакции (при больших энергиях налетающих частиц).

Передача энергии ускоренных частиц решетке мишени в результате выравнивания температур электронного газа и решетки происходит за время около (Ю"10ч-10"12с) /7, 9-11/. Передача поглощенной энергии от зоны воздействия "холодным" слоям осуществляется с помощью механизма теплопроводности. Стадии нагрева и охлаждения могут быть определены численным решением уравнения теплопроводности /12-14/:

Жг, О"

р- с(Т)

х{ту

дг

+ Щт,Х),. (1.1)

& дг

где р - плотность вещества; с(Т) и х(Т) - удельная теплоемкость и теплопроводность вещества, соответственно; - функция энерговыделения (мощность теплового

источника). Определение основных характеристик температурного поля в веществе в процессе нагрева и охлаждения позволяет прогнозировать состав вещества после обработки, его фазовое и структурное состояние, оптимизировать технологические процессы поверхностной модификации. Нахождение температурных полей при решении уравнения теплопроводности невозможно без знания функции энерговыделения W(r,t). В общем случае тепловой источник является объемным и определяется как способом воздействия (сорт частиц пучка, их энергия, длительность импульса, плотность потока), так и свойствами обрабатываемого материала /10,15,16/. Если ограничиться одномерным случаем (пространственная координата ъ - глубина, отсчитываемая от передней поверхности), то

Х1)Б(г,Е(1)), (1.2)

где: 0(г,Е(Ч))-энергия, потерянная одной частицей с кинетической энергией E(t) на единице длины пути на глубине z, j(t) -плотность тока пучка в момент времени t. Таким образом, W(z,t) -это энергия, выделяющаяся за единицу времени в единичном объеме в момент t на

глубине z.

В случае низкоэнергетических пучков заряженных частиц и в случае лазерного воздействия источник тепла в хорошем приближении можно принять за поверхностный. Это связано с тем, что поглощение излучения происходит в узком поверхностном слое. Например, в случае лазерных пучков для всего оптического спектра длина поглощения очень мала, -100 Ä /16/. В случае электронных и ионных пучков можно считать источник поверхностным, если ускоряющее напряжение не превышает 20 кВ /17/. При более высоких значениях ускоряющего напряжения возникающий тепловой источник следует рассматривать как объемный. По мере движения в глубь образца пучок теряет энергию. Она рассеивается неравномерно. В зависимости от сорта частиц пучка, их начальной энергии и материала мишени максимум энерговыделения может находиться как на передней поверхности, так и на некоторой глубине (последнее характерно, в основном, для электронов)/18/. Расчет распределения поглощенной энергии проводится методом кинетических уравнений /20/ либо методом Монте-Карло 19, 19-21/. Выяснение основных закономерностей нагрева материалов КПЭ проще всего проводить для плоских мишеней в одномерных моделях, что справедливо, если размер области однородного энерговыделения пучка по его сечению d много больше размера области, нагретой вследствие теплопроводности /10,15/. Из решения уравнения теплопроводности можно определить ряд таких важных характеристик, как зависимость температуры от времени и глубины, зависимость толщины расплавленного слоя от плотности энергии, температурные градиенты, скорость движения фронта затвердевания и др.

Формирование различных метастабильных состояний в металлах при облучении КПЭ в

большинстве случаев происходит при фазовых превращениях. Наиболее значительные изменения наблюдаются при фазовых превращениях 1-рода, когда происходит образование жидкой фазы материала. Образование вблизи пов�