Упрочнение титана ВТ1-0 комплексным электровзрывным легированием и последующей электронно-пучковой обработкой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Соскова Нина Александровна

Упрочнение титана ВТ1-0 комплексным электровзрывным легированием и последующей электронно-пучковой обработкой

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 СЕН 2013

Ои

Новокузнецк - 2013

005533198

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор физико-математических наук, профессор Громов Виктор Евгеньевич

Панин Сергей Викторович - доктор технических наук, доцент, ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения СО РАН», заместитель директора по науке;

Базайкина Татьяна Витальевна - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Кузбасская государственная педагогическая академия», заведующая кафедрой «Профессиональное обучение, экономика и общетехнические дисциплины»

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Защита состоится «08» октября 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, д. 42, СибГИУ.

Факс: (8-3843) 46-57-92, e-mail: d212_252_04@sibsiu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.х.н., профессор

А-

Горюшкин В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Актуальность темы исследования обусловлена тем, что разрушение деталей машин и инструмента, как правило, начинается с поверхности. Поэтому разработка новых методов упрочнения и защиты именно поверхности, а не всего объема материала, оказывается экономически эффективной. Они находят все более широкое применение в промышленности. Получили развитие методы упрочнения, основанные на использовании концентрированных потоков энергии. К ним, в частности, относятся электровзрывное легирование (ЭВЛ) и обработка поверхности низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Они позволяют проводить локальное упрочнение поверхности в местах ее наибольшего разрушения при эксплуатации и увеличивать функциональные свойства в несколько раз.

Степень ее разработанности. В последние годы выполнены исследования в области комбинированной обработки поверхности металлов и сплавов, сочетающей ЭВЛ и последующую электронно-пучковую обработку (ЭПО). Изучены особенности упрочнения поверхностных слоев стали 45 и титана после электровзрывного алитирования и бороалитирования, меднения и боромеднения. Исследования показали, что такая обработка приводит к формированию нанокомпозитных структурно-фазовых состояний, обеспечивающих кратное повышение микротвердости и износостойкости поверхности.

Цель и задачи. Целью настоящей работы явилось выявление физической природы повышения физико-механических свойств поверхности технически чистого титана ВТ1-0 при комплексном ЭВЛ с использованием порошковых навесок и последующей ЭПО.

Для этого были поставлены и решены следующие задачи:

1) определить микротвердость, износостойкость и коэффициент трения поверхности титана после различных видов ЭВЛ и последующей ЭПО в различных режимах;

2) установить оптимальные режимы упрочняющей комбинированной обработки;

3) изучить изменение по глубине структуры и фазового состава зоны упрочнения, сформированной в оптимальных режимах упрочнения и выявить его физическую природу;

4) выработать рекомендации по практическому использованию результатов обработки.

Научная новизна. В работе установлено, что на поверхности зоны ЭВЛ формируется покрытие, которое при последующей ЭПО объединяется с нижележащей зоной легирования, образуя единую зону упрочнения. На поверхности зоны легирования, а также во фрагментах покрытия наблюдаются следы течения расплава, микротрещины и поры. Последующая ЭПО поверхности зоны легирования приводит к уменьшению ее шероховатости, залечиванию микротрещин и пор, выравниваю содержания легирующих элементов

как по поверхности зоны обработки, так и по ее глубине. Зона упрочнения имеет двуслойное строение. Верхний слой имеет мелкодисперсное дендритное строение, а нижний - либо более грубое дендритное строение как в случае использования порошка диборида титана, либо равноосное строение как при использовании частиц порошка карбида кремния и оксида циркония. Установлено, что максимальное упрочнение как после ЭВЛ, так и после ЭПО достигается при использовании порошка диборида титана, а наименьшее -при использовании порошка оксида циркония. После ЭВЛ максимальный уровень микротвердость имеет на поверхности зоны легирования. Во всех режимах ЭПО зоны ЭВЛ микротвердость как на поверхности, так и ее средний уровень по объему зоны упрочнения уменьшается, а глубина зоны упрочнения увеличивается. Распределение микротвердости по глубине зоны упрочнения после ЭПО имеет немонотонный характер - вблизи границ верхнего и нижнего слоя формируются максимумы микротвердости. С ростом плотности энергии электронного пучка содержание а-"П в зоне упрочнения увеличивается, а упрочняющих фаз уменьшается. Во всех случаях основной упрочняющей фазой является карбид титана. Частицы упрочняющих фаз, а также титановые прослойки, разделяющие их, имеют в основном субмикро- и нано-размерный характер. Взаимодействие с расплавом частиц порошков, использованных для легирования, приводит к образованию новых наноразмерных упрочняющих фаз.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты работы расширяют модельные представления о процессах формирования структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов при ЭВЛ и ЭПО. Они используются аспирантами, обучающимися по специальностям «Физика конденсированного состояния», апробированы на предприятиях промышленности и рекомендованы к внедрению.

Тема диссертации соответствует критической технологии РФ «Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов» и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем».

Исследования выполнялись по тематическому плану НИР СибГИУ, проводимых по госзаданию Минобрнауки № 2.4807.2011, в соответствии с грантами РФФИ (проекты №№ 11-02-91150-ГФЕН и 11-02-12091 офи-м-2011) и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813).

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования является положение, согласно которому свойства поверхностных слоев материалов определяются их составом и структурой, которая зависит от режимов обработки. Исследование структуры и фазового состава модифицированных слоев проводили с использованием высокоинформативных методов металлографического анализа. Повышение физико-механических свойств оценивали, измеряя микротвердость, износостойкость и коэффициент трения.

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).

Положения, выносимые на защиту:

1) комбинированная обработка поверхностных слоев сплава ВТ1-0, сочетающая электровзрывное науглероживание с порошковыми навесками ди-борида титана, карбида кремния и оксида циркония и последующую электронно-пучковую обработку, приводит к кратному повышению микротвердости. В случае использования порошка диборида титана она увеличивается на поверхности в 14 раз и монотонно падает с глубиной зоны упрочнения. После ЭПО средний уровень микротвердости в 10 раз выше, чем в основе материала. При этом изменение микротвердости по глубине становится немонотонным, а глубина зоны упрочения увеличивается в 1,5 раза. Износостойкость поверхности также многократно увеличивается (при использовании порошковой навески диборида титана - в 8,2 раза);

2) после ЭВЛ на поверхности зоны легирования формируется неоднородное по толщине тонкое покрытие, образованное конденсированными частицами продуктов взрыва углеродных волокон и порошковых навесок, а последующая ЭПО приводит к объединению покрытия с зоной легирования и формированию двухслойного строения зоны упрочнения, имеющей дендритный характер, выглаживанию рельефа поверхности, залечиванию микротрещин и микропор;

3) сформированные при комбинированной обработке поверхностные слои отличаются друг от друга степенью дисперсности, имеют структуру дендритного и глобулярного типа субмикро- и наноразмерного диапазона, основной упрочняющей фазой которой является карбид титана.

Степень достоверности н апробация результатов. Достоверность результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием высокоинформативных методов металлографического анализа, определения микротвердости и износостойкости, соответствием полученных экспериментальных данных и результатов результатам других авторов.

Результаты диссертации представлялись на International conference World Academy of Science, Engineering and Technology (WASET 2011), Venice, Italy, 2011; XII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2011; XXI Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012; V Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур (ПРОСТ

2012), Москва, 2012; XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2012; III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Москва, 2012; 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2012; International Conference Nanomaterials and Properties, 2012, Alushta, the Crimea, Ukraine, 2012; Международной конференции «Электрон-фононные и спиновые взаимодействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах», Ольгинка, 2012, 2013; Научных чтениях им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012; 53 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2012; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2012; Четвертой ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, Москва, 2012; 11-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск, 2013.

Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение и приложение, изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 6 таблиц, список литературы состоит из 98 наименований.

Основное содержание работы опубликовано в 24-х работах, в том числе в 11 -ти статьях в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК, в 4-х главах коллективной монографии, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций и других научных мероприятий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, степень ее разработанности, приведены цель и задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов, дан обзор содержания диссертации.

Первая глава «Формирование нанокомпозитных слоев на поверхности металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии, исследование их структуры и свойств» посвящена методам решения проблемы упрочнения металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии. Рассмотрены основные экспериментальные и теоретические результаты в области изучения особенностей формирования структуры, фазового состава и свойств металлов и сплавов при импульсных плазменных методах поверхностного легирования. Исходя из анализа литературных источников, сформулированы цель и задачи работы.

Электровзрывная обработка позволяет сконцентрировать за короткий промежуток времени (КИ с) высокую плотность мощности (~ 1 ГВт/м2) в тонких (~ 10 мкм) поверхностных слоях материалов и дает возможность провести оплавление и легирование поверхностных слоев без выплеска расплава, развивающегося вследствие неоднородного давления (~ 10 МПа) плазменной струи на облучаемую поверхность. Импульсные многофазные плазменные струи, используемые для ЭВЛ, и низкоэнергетические сильноточные электронные пучки хорошо сочетаются друг с другом. Они имеют сопоставимые значения поглощаемой плотности мощности, площади облучаемой поверхности и глубины зоны упрочнения. Установка для ЭПО позволяет изменять энергию электронов в пучке в пределах от 2 до 20 кэВ, время импульсов — от 20 до 200 мкс, их количество от 2 до 200, частоту следования импульсов - 0,3-20 Гц.

Во второй главе «Оборудование, материалы и методики исследований» описано оборудование, использованное для осуществления комбинированной обработки образцов титана ВТ 1-0.

Обоснован выбор сплава ВТ1-0 для проведения исследований как модельного материала, который хорошо изучен после упрочнения поверхности с использованием концентрированных потоков энергии. В частности, в литературе имеются сведения о поверхностном упрочнении этого сплава при электровзрывном алитировании и бороалитировании и последующей ЭПО. Одним из недостатков титановых сплавов является их высокая схватываемость с парой трения, вследствие чего они обладают низкой износостойкостью. Образцы имели форму шайб толщиной 5 и диаметром 18 мм.

Легирование поверхности осуществляли на лабораторной электровзрывной установке ЭВУ 60/10. Она включает в себя емкостный накопитель энергии и плазменный ускоритель, рабочим веществом которого является материал взрываемого проводника. Обработку проводили при поглощаемой плотности мощности 5,5 ГВт/м2, которая обеспечивала оплавление поверхности на максимальную глубину, насыщение расплава продуктами взрыва и частицами порошковых навесок и последующую самозакалку. При этом выплеск расплава не развивался.

Науглероживание поверхности совместно с порошковыми навесками соединений с высокими физико-механические свойствами, а именно, дибори-да титана TiB2, карбида кремния SiC и оксида циркония Zr02 проводили для того, чтобы повысить ее микротвердость и износостойкость. В качестве взрываемого проводника использовали ленту углеродную марки ЛУ-П/0,1-50 массой 140 мг. Навески порошков массой 50 мг располагали на ленте в области внутреннего электрода ускорителя. При формировании струи они захватывались ею и переносились на упрочняемую поверхность.

Электронно-пучковую обработку образцов поверхности после ЭВЛ осуществляли на установке «Соло» Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, изменяя плотность энергии пучка (45, 50 и 60 Дж/см2), длительность импульсов (100 и 200 мкс) и их число (10 и 20 имп.). Частота импульсов во всех случаях составляла 0,3 Гц.

Исследования структуры упрочненных слоев проводили с использованием методов световой (Olympus GX 51, МБС-9), электронной сканирующей (Carl Zeiss EV050) и просвечивающей дифракционной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа (EDS X-Act), оптической интерферометрии (Zygo New View 7300) и рентгенофазового анализа (ДРОН-2,0, ДРОН-7). Упрочнение поверхности оценивали по уровню микротвердости (HVS-1000A) и износостойкости («High Temperature Tribometer»).

В третьей, четвертой и пятой главах представлены результаты исследования рельефа поверхности, строения по глубине, структуры и фазового состава зоны упрочнения после комбинированного упрочнения поверхности сплава титана ВТ1-0, сочетающего электровзрывное науглероживание с навесками порошков диборида титана, карбида кремния и оксида циркония соответственно и последующую электронно-пучковую обработку. Использование порошковых навесок позволяет придать упрочняемой поверхности дополнительный уровень функциональных свойств.

Сканирующая электронная микроскопия показала (рисунок 1), что на поверхности ЭВЛ титана формируется неоднородное по толщине тонкое покрытие. Оно образовано частицами продуктов взрыва углеродных волокон и частиц порошковых навесок, оседающих на поверхности из тыла многофазной плазменной струи. В его структуре выявляются микропоры и микротрещины.

Рисунок 1 - Морфология поверхности титана после науглероживания с порошковой навеской ТіВ2. СЭМ. Изображение получено во вторичных (а, в) ив обратно отраженных (б, г) электронах. Яа = 3,4 мкм

Рисунок 2 - Морфология поверхности (а, б) и энергетический спектр (в) образца ВТ 1-0 после электровзрывного науглероживания с порошковой навеской 51С

Поверхность обработки характеризуется неоднородным распределением легирующих элементов. Так, например, после науглероживания с использованием порошка карбида кремния выявлены участки, обогащенные как атомами кремния, так и атомами углерода (рисунок 2).

Последующая ЭПО с переплавлением поверхности обработки приводит к уменьшению ее шероховатости, объединению покрытия с нижележащей зоной легирования и залечиванию микротрещин.

Электровзрывное науглероживание титана с использованием порошка диборида титана позволяет более чем в 14 раз увеличить микротвердость поверхности обработки при общей толщине упрочненного слоя 65 мкм (рисунок 3). При использовании навески порошка карбида кремния микротвердость увеличивается более чем в 10 раз при общей толщине упрочненного слоя 65 мкм. При использовании навески порошка оксида циркония микротвердость также увеличивается в 10 раз, однако глубина упрочнения составляет только 45 мкм.

Выявлены режимы облучения поверхности ЭВЛ электронным пучком, позволяющие максимально повысить износостойкость поверхности обработки и снизить ее коэффициент трения. Так, при легировании с использованием порошка диборида титана и при последующей ЭПО при поверхностной плотности энергии 60 Дж/см2; длительности импульсов 100 мкс, их количестве 10 имп., износостойкость повышается в 8,2 раза, а коэффициент трения уменьшается 1,2 раза по отношению к исходному материалу. При этом глубина упрочненного слоя составляет 100 мкм, а максимум микротвердости достигается не на поверхности, а в объеме зоны упрочнения.

ну ................~

2500" 2000 • 1500 -1000 -500 ■

0 20 40 60 80 -V, мкм

Рисунок 3 - Профиль микротвердости технически чистого титана ВТ1-0

после электровзрывного науглероживания с навеской порошка Т1В2

Выявлены аналогичные режимы для случаев легирования с использованием порошковых навесок карбида кремния и оксида циркония. Установлено, что наибольший эффект упрочнения как после ЭВЛ, так и после ЭПО достигается при легировании поверхности с использованием порошковой навески диборида титана.

Сопоставление результатов, полученных при исследовании зоны упрочнения до и после ЭПО, показывает, что во всех случаях после ЭПО микротвердость поверхности уменьшается, однако глубина зоны упрочнения увеличивается.

Физическая природа упрочнения была выявлена при рентгенофазовых и электронно-микроскопических исследованиях. Рентгеновский фазовый анализ показал (рисунок 4), что после электровзрывного науглероживания с порошковой навеской диборида титана и последующей ЭПО основной фазой модифицированного слоя образцов является а-Тк После ЭВЛ его объемная доля составляет 17 %. После ЭПО с ростом плотности энергии пучка электронов она увеличивается от 50 до 72 %. Вновь образованными фазами являются Т1С, Т1В2, Т13в4, С и В8с. Независимо от режима ЭПО основной из дополнительных фаз является карбид титана, объемная доля которого после

ЭВЛ составляет 60 %,а после ЭПО имеет максимальное значение, равное 40 %, при плотности энергии пучка электронов 60 Дж/см2.

2800

2400

нг X 2000

с

л'

о 1600

с;

о 1200

ш

5 800

400

0

1 2 з 4

' 3 «I

и

I3 ?

м.

£1........Ш

20 40

2 з 45 6

ла

14 15 16

ИСХОДНЫЙ

4

3 2

60

80 100 120 140 160 2©

На рентгенограмме «исходный» цифрами обозначены пики: 1 - (201 )В8С;

2 - (002)С; 3 - (100)ТЧВ2; 4 - (100)а-Тц 5 - (111)ТЮ; 6 - (101 )а-П;

7 - (220)Т1С; 8 - (101 )ТлВ2; 9 - (102)а-Тц 10 - (220)"ПС; 11 - (110)ТВ2;

12 — (102)Т1В2; 13 — (311>Т1С; 14 - (331)Т1С; 15 - (203)а-Тл; 16 - (203)а-Тц на рентгенограмме 1:1 - (002)а-Н; 2 - (220)Т1С; 3 - (110)а-Т1; 4 - (103)а-Тц 5 - (200)ос-П; 6 - (112)а-Тц 7 - (104)а-Тл

Рисунок 4 - Участки дифрактограмм после науглероживания с порошком Т1В2 и последующей ЭПО

После электровзрывного науглероживания с порошковой навеской карбида кремния основной фазой зоны упрочнения является а-Тл, объемная доля которого после ЭВЛ составляет -43 %. После ЭПО она увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов от 68 до 75 %. Дополнительными фазами являются НС, БЮ, ТмБ! и Тл812. После электровзрывного науглероживания с порошковой навеской оксида циркония основной фазой зоны упрочнения является а-Тл, объемная доля которого после электровзрывного легирования ~ 42 %. После электронно-пучковой обработки она увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов от 68 до 90 %. Дополнительными фазами являются НС (23 %) и а-2Ю0,з5 (25 %).

Представленные данные показывают, что частицы порошковых навесок испытывают химическое превращение, обусловленное взаимодействием их с плазмой и расплавом титана.

Методами электронной дифракционной микроскопии выполнены послойные исследования структурно-фазовых состояний зоны обработки. Ана-

лизировали слои, расположенные в областях формирования максимумов микротвердости.

Исследования после ЭВЛ с частицами диборида титана и последующей ЭПО осуществляли в двух сечениях. Первое сечение на глубине 10 мкм соответствует объему материала, обладающему сравнительно высокодисперсной структурой дендритного типа. Второе сечение располагается на глубине 50 мкм в переходном слое на границе раздела слоев жидкофазного и твердофазного легирования материала и обладает структурой глобулярного и игольчатого типа.

Исследования показали, что в сечении 1 оси дендритов первого и второго порядка практически бездефектны (рисунок 5).

100_нм

а-светлое поле; б, в - темные поля, полученные в рефлексах [101]а-Ті + [002]ТіС (б) и [202] а-Ті + [004]ТіС (в); г - микроэлектронограмма, стрелками указаны рефлексы, в которых получены темные поля: 1 - (б), 2-(в)

Рисунок 5 - Электронно-микроскопическое изображение структуры сплава ВТ 1-0 после науглероживания с навеской порошка ТіВ2 и последующей ЭПО по режиму 60 Дж/см2; 100 мкс; 10 имп.; 0,3 с"1. Слой, расположенный на глубине ~10 мкм

Анализ фазового состава с использованием методики темного поля и последующего индицирования соответствующих микроэлектронограмм дает основание предположить, что дендритные оси сформированы карбидом титана состава ТІС, а междендритные пространства а-титаном.

Наряду с дендритной, частицы карбида титана могут иметь глобулярную форму, при этом размеры глобул изменяются в пределах от 100 до 250 нм. Как и в случае дендритной морфологии, глобулы карбида титана являются бездислокационными образованиями. Глобулы располагаются в титановой матрице, которая имеет дислокационную субструктуру в виде хаотически распределенных дислокаций. Высокий уровень дефектности является следствием релаксации термических напряжений, формирующихся в зоне упрочнения. В этом сечении выявлено образование фазы, которая имеет кристаллическую решетку карбида бора состава В8С. Наноразмерные (8... 10 нм) частицы располагаются на дислокациях и дислокационных границах фрагментов.

Структура, формирующаяся на глубине ~50 мкм, имеет преимущественно зеренно-субзеренное строение. Зерна сформированы а-титаном. В объеме зерен присутствует дислокационная субструктура в виде дислокационного хаоса и дислокационных сеток. Скалярная плотность дислокаций ~4,5-Ю10 см-2. Вторыми фазами, выявленными при индицировании микроэлектроно-грамм, являются карбид титана НС, а также бориды титана состава Т1В, НВ2, Т12В5 и Т13В4. Карбид титана имеет преимущественно глобулярную морфологию, размеры частиц изменяются в пределах от 50 до 150 нм. Частицы борида титана состава ИВ также имеют глобулярную форму, размеры их изменяются в предела от 50 до 100 нм. Частицы боридов титана состава Т1В2, Т12В5 и ГП3В4 более дисперсны, размеры их изменяются в пределах от 5 нм до 15 нм. Как правило, частицы данных боридов располагаются на дислокациях, границах ячеек, фрагментов и субзерен.

В слое, легированном с использованием порошка карбида кремния формируется многофазная структура субмикро- и наноразмерного диапазона дендритного типа. Включения карбида титана практически бездефектны; в зернах а-титана присутствует дислокационная субструктура, выявляются частицы упрочняющих фаз.

В слое, легированном с использованием порошка окиси циркония, формируется многофазная структура субмикро- и наноразмерного диапазона дендритного (поперечные размеры дендритов изменяются в пределах от 80 до 150 нм) и/или зеренного (300...700 нм) типа. Дендриты и зерна карбида титана практически бездефектны. В зернах титана ВТ1-0 присутствует дислокационная субструктура, выявляются частицы карбида титана.

В заключении изложены итоги данного исследования, рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.

На ООО «Вест 2002» проведены исследования и разработка технологии упрочнения оснастки, конструкционных деталей и инструмента из титановых сплавов методом электровзрывного легирования. В частности показано, что матрицы прессования керамических абразивных стержней из электроциркона, изготовленные из сплава ВТ6, после упрочнения электровзрывным науглероживанием с порошковой навеской диборида титана имеют износостойкость в 2,1 раза выше стандартных из инструментальной стали Х12М. На ООО «Куз-бассБелАвто» в процессе производственных испытаний установлено, что из-

носостойкость шлифнасадок из сплава ВТ14 после упрочнения при обработке термостойкой керамики БГП соответствовала уровню аналогичного инструмента с режущей частью из электрокорунда. На ООО «КВРП Новотранс» проведены испытания бандажных полок компрессорных лопаток из жаропрочных титановых сплавов ВТ9 и ВТ8. Испытания показали, что износостойкость упрочненных поверхностей в условиях эксплуатации повысилась в 3,4 раза. Разработанные технологии возможно применять в условиях производства на малых предприятиях.

В приложении приведены справки о практической значимости работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Электровзрывное науглероживание с порошковыми навесками дибо-рида титана, карбида кремния и оксида циркония технически чистого титана ВТ1-0 приводит к формированию зоны упрочнения, неоднородной по толщине, элементному составу и структурно-фазовому состоянию. Установлено, что наибольшая микротвердость достигается при использовании порошка ди-борида титана, когда микротвердость поверхности увеличивается в 14 раз при общей толщине зоны упрочнения 65 мкм.

2. Выявлены режимы ЭПО, позволяющие формировать зону упрочнения с низкой шероховатостью поверхности и высоким уровнем однородности распределения легирующих элементов. Последующая ЭПО сопровождается увеличением толщины зоны упрочнения и снижением общего уровня микротвердости. При использовании порошка диборида титана она возрастает до 100 мкм. При этом на поверхности микротвердость в 10 раз больше по сравнению с основным материалом. В глубине зоны упрочнения появляются объемные максимумы. Износостойкость поверхности увеличивается в 8,2 раза, а коэффициент трения снижается в -1,2 раза по отношению к исходному материалу.

3. По глубине зоны упрочнения выделяются два слоя с дендритной структурой различной дисперсности.

4. Оптимальными режимами ЭПО являются следующие. При использовании порошка диборида титана: плотность энергии 60 Дж/см2, длительность импульсов 100 мкс, их число 10 имп., частота следования 0,3 Гц. При использовании порошков карбида кремния и оксида циркония соответственно: плотность энергии 60 и 45 Дж^см2, длительность импульса 200 и 100 мкс, число импульсов 20 и 10.

5. Методами рентгеноструктурного анализа установлено, что основной фазой зоны ЭВЛ с порошком ТШ2 является а-Т1 (17 %), после ЭПО ее объемная доля с ростом плотности энергии пучка электронов увеличивается от 50 % до 72 %. Вновь образованными фазами являются НС (60 %), НВ2, Т!2В5, Н3В4, "ПВ, С и В8С. Независимо от режима ЭПО, основной из дополнительных фаз является НС (40 % при плотности энергии пучка электронов 60 Дж/см2).

6. Методами электронной дифракционной микроскопии показано, что в зоне упрочнения формируется многофазная структура субмикро- и нано-размерного диапазона дендритного типа. Включения TiC практически бездефектны; в зернах а-титана присутствует дислокационная субструктура, выявляются частицы упрочняющих фаз (при использовании порошка карбида кремния - SiC, TiSi и TiSi2 , при использовании порошка оксида циркония -TiC и ZrO).

7. Научные результаты диссертационной работы использованы в практике научной деятельности СибГИУ и НГТУ, в образовательной сфере по подготовке аспирантов, апробированы и используются на малых предприятиях промышленности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в peifei/зирусмых журналах из Перечня ВАК:

1 Фазовый состав поверхности технически чистого титана ВТ1-0 после электровзрывного карбоборирования / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, H.A. Соскова и др. // Обраб. металлов (Технологии, оборудование, инструменты). -2012.-№ 1.-е. 77-80.

2 Влияние электронно-пучковой обработки на структуру и микротвердость поверхности технически чистого титана ВТ 1-0 после электровзрывного науглероживания / Л.П. Бащенко, H.A. Соскова, Ю.Ф. Иванов и др. // Фун-дам. проблемы соврем, материаловедения. -2012. - Т. 9. -№ 1. - С. 15-22.

3 Electroexplosive carboborating: formation of nanosize structure-phase states in Ti / V.E. Gromov, N.A. Soskova, S.V. Raikov et al. // Фундам. проблемы соврем, материаловедения. - 2012. - Т. 9. -№ 1. - С. 71-75.

4 Диффузионная модель растворения частиц углерода в титане при воздействии концентрированных потоков энергии / Б.Б. Хаимзон, В.Д. Сарычев, H.A. Соскова, В.Е. Громов // Фундам. проблемы соврем, материаловедения. -2012.-Т. 9.-№ 2.-С. 19-21.

5 Электровзрывное науглероживание титана: рельеф, структура и твердость / Л.П. Бащенко, H.A. Соскова, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов и др. // Деформация и разрушение материалов. - 2012. -№ 3.- С. 15-19.

6 Формирование нанокомпозитных слоев на поверхности титана ВТ1-0 при электровзрывном науглероживании и электронно-пучковой обработке / Ю.Ф. Иванов, Е.А. Будовских, В.Е. Громов, Л.П. Бащенко, H.A. Соскова, C.B. Райков // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2012. - № 6. - С. 67-70.

7 Особенности структурно-фазовых состояний науглероженных слоев титана ВТ1-0, сформированных электровзрывным легированием и последующей электронно-пучковой обработкой / Ю.Ф. Иванов, Е.А. Будовских, В.Е. Громов, H.A. Соскова, A.B. Ионина // Деформация и разрушение материалов. - 2012.-№ 6. - С. 11-16.

8 Формирование бездислокационных наноструктур в металлах и сплавах при электровзрывном легировании / H.A. Соскова, Е.А. Будовских, В.Е.

Громов, Ю.Ф. Иванов, C.B. Райков // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2012. — № 12.-С. 45-48.

9 Механизм растворения частиц углерода в титане при воздействии концентрированных потоков энергии / Б.Б. Хаимзон, H.A. Соскова, В.Д. Са-рычев, В.Е. Громов // Фундам. проблемы соврем, материаловедения. - 2012. -Т. 9,-№4.-С. 475-479.

10 Электронно-пучковая обработка поверхности сплавов на основе титана, модифицированных плазмой электрического взрыва проводящего материала / Ю.Ф. Иванов, Громов В.Е., Соскова H.A., Денисова Ю.А., Тересов А .Д., Петрикова Е.А., Будовских Е.А. // Изв. РАН. Сер. физ. - 2012. - Т. 76. -№ 11.-С. 1393-1399.

11 Градиент фазового состава и дефектной субструктуры поверхности технически чистого титана ВТ 1-0, подвергнутого электровзрывному науглероживанию и последующей электронно-пучковой обработке / Ю.Ф. Иванов, Е.А. Будовских, В.Е. Громов, H.A. Соскова, C.B. Райков // Титан. - 2012. - № 2.-С. 35-40.

Главы в монографии

Структура, фазовый состав и свойства поверхностных слоев титана после электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки / Ю.Ф. Иванов Ю.Ф., В.Е. Громов, Е.А. Будовских, C.B. Райков, Л.П. Бащенко, H.A. Соскова, В.Д. Сарычев, Б.Б. Хаимзон, А.Ю. Грановский, Д.А. Романов, Е.Ю. Сучкова. - Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс», 2012. - 435 с.

Статьи в других изданиях

Газовая коррозия титана в тетрахлориде углерода / В.Ф. Горюшкин, Ю.В. Бендре, Я.В. Тонкушин, H.A. Соскова, Будовских Е.А. // Вестн. Сиб. гос. индустр. ун-та. -2013. - №. 1 (3). — С. 25-28.

Статьи и тезисы докладов в трудах конференций:

1 Nanosize Structure Phase States in the Titanium Surface Layers after Elec-troexplosive Carburizing and Subsequent Electron Beam / V.E. Gromov, E.A. Bu-dovskikh, L.P. Bashchenko, Yu.F. Ivanov, A.V. Ionina, N.A. Soskova, Guoyi Tang // World Academy of Science, Engineering and Technology. 28-30 November 2011. Issue 59, Venice, Italy. Article 442. P. 2407-2709.

2 Растворение частиц углерода в титане / В.Д. Сарычев, Б.Б. Хаимзон, В.Е. Громов, H.A. Соскова, Ю.Ф. Иванов // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: материалы XXI Уральской школы металловедов-термистов. 06-12 февраля 2012. Магнитогорск: Магнитогорск, гос. техн. ун-т им. Г.И. Носова. С. 224-225.

3 Моделирование процесса растворения частиц углерода в титане / В.Д. Сарычев, Б.Б. Хаимзон, В.Е. Громов, H.A. Соскова, Ю.Ф. Иванов // Прочность неоднородных структур (ПРОСТ 2012): Сб. тр. конф. 17-19 апр. 2012. М.: НИТУ «МИСиС». С. 28.

4 Электронно-пучковая обработка поверхности титана ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания совместно с оксидом циркония / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Ю.В. Злобина, Н.А. Соскова, Е.А. Будовских, А.В. Ионина // Прочность неоднородных структур (ПРОСТ 2012): Сб. тр. конф. 17-19 апр. 2012. М.: НИТУ «МИСиС». С. 50.

5 Моделирование растворения углерода в титане / В.Д. Сарычев, Б.Б. Хаимзон, В.Е. Громов, Н.А. Соскова, Ю.Ф. Иванов // XX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвящ. памяти проф. В.А. Лихачева: Сб. материалов. 10-12 апр. 2012. - Ч. 2. - СПб.: Соло, 2012. С. 46-49.

6 Модификация поверхности технически чистого титана путем электровзрывного науглероживания совместно с оксидом циркония / Ю.Ф. Иванов, Н.А. Соскова, Е.А. Будовских, С.В. Райков, В.Е. Громов // XX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвящ. памяти проф. В.А. Лихачева: Сб. материалов. 10-12 апр. 2012. -Ч. 2. - СПб.: Соло, 2012. С. 62-63.

7 Modification of structure and properties of titanium surface layer by elec-troexplosive alloying and electron-beam treatment / Yu.F. Ivanov, A.D. Teresov, N.A. Soskova, S.V. Raykov, E.A. Budovskikh, V.E. Gromov // 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows: Abstracts. 17-21 September, 2012. Tomsk: National Research Tomsk Polytechnic University Publishing. 2012. P. 376-377.

8 Nanosize Structure Phase States of Ti Surface Layers Formed During Elec-troexplosive Carboborating / V.E. Gromov, N.A. Soskova, S.V. Raykov, et al. // Proceedings of the International Conference Nanomaterials and Properties. 17-22 September, 2012, Alushta, the Crimea, Ukraine. Vol. 1. No. 2. 02NFC01(2 pp). 2012. Sumy: Sumy State University Publishing.

9 Градиент фазового состава зоны электровзрывного науглероживания титана после электронно-пучковой обработки / Л.П. Бащенко, Н.А. Соскова, С.В. Райков и др. // Научные чтения им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов». Москва. 10—12 сентября 2012. Сборник материалов. - М.: ИМЕТ РАН, 2012. С. 91-93.

10 Структура и свойства поверхности титана ВТ6 после двухкомпонент-ного электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки / Н.А. Соскова, С.В. Райков, А.В. Ионина и др. // 53 Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности». 2-5 октября 2012 года. Витебск, Беларусь. Ч. 1 / У О «ВГТУ» - Витебск, 2012. С. 75-77.

11 Электровзрывное науглероживание с диборидом титана поверхности титанового сплава ВТ6 и последующая электронно-пучковая обработка / С.В. Райков, Н.А. Соскова, Ю.Ф. Иванов и др. // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: сб. трудов Всерос. науч.-практ. конф. 9-11 ноября 2012 / под ред. Е.В. Протопопова; Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2012. С. 80-82.

Подписано в печать 19 августа 2013.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,05 . Уч. изд. л. 1,17 . Тираж 120 экз. Заказ № 347. Типография ИЦ Сибирского государственного индустриального университета.

654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

На правах рукописи

04201362791

Соскова Нина Александровна

УПРОЧНЕНИЕ ТИТАНА ВТ 1-0 КОМПЛЕКСНЫМ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКОЙ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук, профессор Громов В.Е.

Новокузнецк - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ СЛОЕВ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ, ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ................................................................................................ 10

1.1 Разработка новых методов повышения физико-механических свойств поверхности титановых сплавов с улучшенными характеристиками........................................................................... 10

1.2 Методы формирования композиционных слоев с улучшенными эксплуатационными характеристиками на поверхности металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии...... 12

1.3 Особенности структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов после обработки поверхности с использованием концентрированных потоков энергии................................................ 19

1.4 Цель и задачи исследования.................................................... 27

2 ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ... 29

2.1 Материалы для исследования процессов электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки поверхности металлов.................................................................................... 29

2.2 Режимы и оборудование для осуществления комбинированной обработки................................................................................................... 37

О О 1 I I Л М Г* т/Ч'Л ТТЛ <Т Г» /Л Т^ГТЛ |*Т т глтп ТТ <-» •»-* т^п ^^ I ) Л Т /С Л / 1 Л у-г «V ■•—г л

¿.-¿...і лаии^ашрпал олсі\.ірооЗрші5пал іанивла ^»и _у ии/ і и ДЛХ 1Ш-

лучения импульсных многофазных плазменных струй и особенности методики проведения электровзрывного легирования .......................................................................... 37

2.2.2 Оборудование для обработки поверхности материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками и особенности методики ее проведения................ 41

2.2.3 Режимы обработки...................................................... 42

2.3 Методика исследования структуры, фазового состава и свойств

зоны легирования................................................................ 43

3 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ НАУГЛЕРОЖИВАНИЕ С НАВЕСКОЙ ПОРОШКА ДИБОРИДА ТИТАНА ПОВЕРХНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ 1-0 И ПОСЛЕДУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА.................................................................... 47

3.1 Модификация поверхностных слоев сплава ВТ 1-0 с использованием порошковых частиц диборида титана....................................... 47

3.2 Выводы.............................................................................................. 73

4 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ НАУГЛЕРОЖИВАНИЕ С НАВЕСКОЙ ПОРОШКА КАРБИДА КРЕМНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ 1-0 И ПОСЛЕДУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА............................................................ 79

4.1 Модификация поверхностных слоев технически чистого титана

ВТ 1-0 с использованием порошковых частиц карбида кремния...... 79

4.2 Выводы.............................................................................. 110

5 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ НАУГЛЕРОЖИВАНИЕ С НАВЕСКОЙ ПОРОШКА ОКСИДА ЦИРКОНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ 1-0 И ПОСЛЕДУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА............................................................ 114

5.1 Модификация поверхностного слоя технически чистого титана

ВТ 1-0 с порошковой навеской оксида циркония......................... 114

5.2 Выводы............................................................................. 142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................... 146

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................... 153

ПРИЛОЖЕНИЕ А СПРАВКИ О ПРАКТИЧЕСКОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................... 163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Актуальность темы исследования обусловлена тем, что разрушение деталей машин и инструмента, как правило, начинается с поверхности. Поэтому разработка новых методов упрочнения и защиты именно поверхности, а не всего объема материала, оказывается экономически эффективной [1]. Они находят все более широкое применение в промышленности, в том числе для обработки титановых сплавов, которые обладают низкой износостойкостью [2-5]. Получили развитие методы нанесения неорганических покрытий и упрочнения поверхности, основанные на использовании концентрированных потоков энергии (КПЭ) [6, 7], таких как лазерное излучение [8-11] и плазменные струи [12, 13]. Как правило, они приводят к оплавлению и легированию поверхностных слоев упрочняемого материала. К этим методам относятся, в частности, электровзрывное легирование (ЭВЛ) [14] и обработка поверхности низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками [15, 16], которые могут эффективно использоваться совместно [17-19]. Они позволяют проводить локальное упрочнение поверхности в местах ее наибольшего разрушения при эксплуатации и увеличивать функциональные свойства в несколько раз.

Степень ее разработанности. В последние годы выполнены подробные исследования в области комбинированной обработки поверхности металлов и сплавов, сочетающей ЭВЛ и последующую электронно-пучковую обработку (ЭПО). Изучены особенности упрочнения поверхностных слоев стали 45 и титана после электровзрывного алитирования и бороалитирования, меднения и боромеднения [20-23]. Исследования показали, что такая обработка приводит к кратному повышению микротвердости и износостойкости зоны обработки вследствие формирования новых упрочняющих фаз, таких как интерметаллиды, бориды и другие, субмикро- и наноразмерного диапазона.

Получение нанокомпозиционных поверхностных слоев с использованием КПЭ возможно путем введения в расплав наноразмерных компонентов различной природы (оксидов, боридов, различных модификаций углерода и др.) [24]. Такая технология формирования зоны упрочнения широко используется при лазерном

легировании [25-33]. Однако при ЭВЛ она была реализована только лишь в работах [34, 35], поэтому ее возможности в настоящее время пока еще остаются малоизученными.

Цель и задачи. Целью настоящей работы явилось выявление физической природы повышения физико-механических свойств поверхности технически чистого титана ВТ 1-0 при комплексном ЭВЛ с использованием порошковых навесок и последующей ЭПО.

Для этого были поставлены и решены следующие задачи:

- определить микротвердость, износостойкость и коэффициент трения поверхности титана после различных видов ЭВЛ и последующей ЭПО в различных режимах;

- установить оптимальные режимы упрочняющей комбинированной обработки;

- изучить изменение по глубине структуры и фазового состава зоны упрочнения, сформированной в оптимальных режимах упрочнения и выявить его физическую природу;

- выработать рекомендации по практическому использованию результатов обработки.

Научная новизна. 1. В работе установлено, что на поверхности зоны ЭВЛ формируется покрытие, которое при последующей ЭПО объединяется с нижележащей зоной легирования, образуя единую зону упрочнения.

2. На поверхности зоны легирования, а также во фрагментах покрытия наблюдаются следы течения расплава, микротрещины и поры. Последующая ЭПО поверхности зоны легирования приводит к уменьшению ее шероховатости, залечиванию микротрещин и пор, выравниваю содержания легирующих элементов как по поверхности зоны обработки, так и по ее глубине.

3. Зона упрочнения имеет двуслойное строение. Верхний слой имеет мелкодисперсное дендритное строение, а нижний - либо более грубое дендритное строение как в случае использования порошка диборида титана, либо равноосное

строение как при использовании частиц порошка карбида кремния и оксида циркония.

4. Установлено, что максимальное упрочнение как после ЭВЛ, так и после ЭПО достигается при использовании порошка диборида титана, а наименьшее -при использовании порошка оксида циркония. После ЭВЛ микротвердость имеет максимальный уровень на поверхности зоны легирования. Во всех режимах ЭПО зоны ЭВЛ микротвердость как на поверхности, так и ее средний уровень по объему зоны упрочнения уменьшается, а глубина зоны упрочнения увеличивается.

5. Распределение микротвердости по глубине зоны упрочнения после ЭПО имеет немонотонный характер - вблизи границ верхнего и нижнего слоя формируются максимумы микротвердости.

6. С ростом плотности энергии электронного пучка содержание а-Т1 в зоне упрочнения увеличивается, а упрочняющих фаз уменьшается. Во всех случаях основной упрочняющей фазой является карбид титана. Частицы упрочняющих фаз, а также титановые прослойки, разделяющие их, имеют в основном субмикро- и наноразмерный характер. Взаимодействие с расплавом частиц порошков, использованных для легирования, приводит к образованию новых наноразмерных упрочняющих фаз.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты работы расширяют модельные представления о процессах формирования структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов при ЭВЛ и ЭПО. Они используются аспирантами, обучающимися по специальностям «Физика конденсированного состояния», апробированы на предприятиях промышленности и рекомендованы к внедрению.

Тема диссертации соответствует критической технологии РФ «Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов» и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем».

Исследования выполнялись по тематическому плану НИР СибГИУ, проводимых по заданию Минобрнауки, в соответствии с грантами РФФИ (проекты №№ 11-02-91150-ГФЕН и 11-02-12091 офи-м-2011) и Федеральной целевой

программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813).

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования является положение, согласно которому свойства поверхностных слоев материалов определяются их составом и структурой, которая зависит от режимов обработки. Исследование структуры и фазового состава модифицированных слоев проводили с использованием высокоинформативных методов металлографического анализа. Повышение физико-механических свойств оценивали, измеряя микротвердость, износостойкость и коэффициент трения.

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).

Положения, выносимые на защиту:

1) комбинированная обработка поверхностных слоев сплава ВТ 1-0, сочетающая электровзрывное науглероживание с порошковыми навесками диборида титана, карбида кремния и оксида циркония и последующую электронно-пучковую обработку, приводит к кратному повышению микротвердости. В случае использования порошка диборида титана она увеличивается на поверхности в 14 раз и монотонно падает с глубиной зоны упрочнения. После ЭПО средний уровень микротвердости в 10 раз выше, чем в основе материала. При этом изменение микротвердости по глубине становится немонотонным, а глубина зоны упрочения увеличивается в 1,5 раза. Износостойкость поверхности также многократно увеличивается (при использовании порошковой навески диборида титана - в 8,2 раза);

2) после ЭВЛ на поверхности зоны легирования формируется неоднородное по толщине тонкое покрытие, образованное конденсированными частицами продуктов взрыва углеродных волокон и порошковых навесок, а последующая ЭПО приводит к объединению покрытия с зоной легирования и формированию двухслойного строения зоны упрочнения, имеющей дендритный характер, выглаживанию рельефа поверхности, залечиванию микротрещин и микропор;

3) сформированные при комбинированной обработке поверхностные слои отличаются друг от друга степенью дисперсности, имеют структуру дендритного и глобулярного типа субмикро- и наноразмерного диапазона, основной упрочняющей фазой которой является карбид титана.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием высокоинформативных методов металлографического анализа, определения микротвердости и износостойкости, соответствием полученных экспериментальных данных и результатов результатам других авторов.

Результаты диссертации представлялись на International Conference World Academy of Science, Engineering and Technology (WASET 2011), Venice, Italy, 2011; XII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2011; XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012; V Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур (ПРОСТ 2012), Москва, 2012; XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2012; III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Москва, 2012; 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2012; International Conference Nanomaterials and Properties, 2012, Alushta, the Crimea, Ukraine, 2012; Международной конференции «Электрон-фононные и спиновые взаимодействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, элек-

тромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах», Ольгинка, 2012, 2013; Научных чтениях им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012; 53 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2012; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2012; Четвертой ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, Москва, 2012; 11-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск, 2013.

Исследования были выполнены на кафедре физики СибГИУ. Автор благодарна научному руководителю зав. каф. физики СибГИУ проф. В.Е. Громову и соавторам публикаций по теме диссертации.

1 ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ СЛОЕВ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ, ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

1.1 Разработка новых методов повышения физико-механических свойств поверхности титановых сплавов с улучшенными характеристиками

Титан и его сплавы находят все более широкое применение в качестве конструкционных материалов во многих отраслях промышленности [2]. Основной стимул их применения - высокая удельная прочность в широком диапазоне рабочих температур и коррозионная устойчивость в агрессивных средах. Это делает их одними из наиболее привлекательных конструкционных материалов, в особенности для компонентов двигателей, реактивных сопел, теплозащитных систем космических аппаратов, выпускных клапанов и деталей турбокомпрессоров двигателей автомобилей, работающих при температурах 600-900 °С, а также для химической промышленности и медицины.

В настоящее время наблюдается устойчивая мировая тенденция увеличения доли титановых сплавов и композиционных материалов на титановой основе в конструкциях авиационной техники всех типов и назначений. В современном авиационном двигателестроении доля титановых сплавов и материалов составляет более 30-35 % (при доле титановых материалов в компрессоре до 90 %), что определяет важность этих материалов и необходимость интенсивного развития материаловедения и технологий производства широкой номенклатуры титановых материалов [26].

Некоторыми недостатками титана и его сплавов являются недостаточная жаропрочность и относительно невысокий модуль упругости. Это обстоятельство, равно как и относительно высокая стоимость титана и его сплавов, ограничивает области их применения и, соответственно, потребление и производство. Температурный интервал эксплуатации лучших жаропрочных титановых сплавов с твер-дорастворным упрочнением ограничен температурой 600 °С. Одно из направлений исследований в области конструкционных материалов на основе титана свя-

зано с разработкой технологий и оборудования для получения деталей, струк