Упрочнение титанового сплава ВТ20 методом ионно-вакуумного азотирования

Ссылка на пдф версию статьи "Скачать PDF-файл статьи"

УПРОЧНЕНИЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ20 МЕТОДОМ ИОННО-ВАКУУМНОГО АЗОТИРОВАНИЯ 

Аннотация. Рассмотрены сферы применения и перспективность использования титановых сплавов, а также определение недостатков данных материалов и методы их устранения. Представлены исследования микроструктуры и поверхностной твердости образца из титанового сплава ВТ20 после химико-термической обработки методом ионно-вакуумного азотирования.

Ключевые слова: титановый сплав, поверхностное упрочнение, ионно-вакуумное азотирование, химико-термическая обработка, свойства.

Одним из перспективных направлений использования материалов в области ракетостроения (элементы двигателей, корпус ракеты), судостроения (гребные валы), турбостроения (лопатки турбины), авиации (обшивка самолета, детали двигателя) и медицины (медицинские имплантаты) является применение титановых сплавов [1–3]. Титан известен такими полезными для перечисленных отраслей свойствами, как высокая коррозионная стойкость, жаропрочность, малый удельный вес. Также у данного материала есть и ряд недостатков, которые препятствуют активному внедрению в сферы промышленности: сравнительно низкие показатели износостойкости и прочности, высокая склонность к налипанию, большой коэффициент трения в паре практически со всеми материалами. Для устранения этих недостатков прибегают к использованию методов поверхностного упрочнения. Среди них имеются методы термической, химико-термической и электромагнитной обработки [4].

Одним из прогрессивных методов поверхностного упрочнения является ионно-вакуумное азотирование (ИВА). Благодаря образованию на поверхностных и приповерхностных слоях металланитридов образуется слой с высокими показателями твердости и износостойкости, при этом данный метод практически не влияет на геометрию изделия и отличается высокой чистотой процесса.

В данной работе рассмотрен сплав ВТ20, он широко применяется как конструкционный материал для изготовления практически всех видов деталей и конструкций, работающих при температурах от –70 до 500 °С (3000 ч) [5].

Режим упрочнения проводили на производственной установке ИОН-50И при температуре 850 °С, изотермической выдержке 8 ч, газовой смеси H2/N2 70/30 и давлении 4 мбар. Исследованы микроструктура и поверхностная твердость титанового сплава после химико-термической обработки методом ионно-вакуумного азотирования.

В таблице представлены результаты измерения твердости основы и поверхностной твердости образца после ИВА при нагрузках HV1, HV0.3 и HV0.1. Для более точного измерения глубины упрочненного слоя была выбрана нагрузка HV0.05, шаг 15–20 мкм от поверхности образца до его основы. Хрупкость определяли по виду отпечатка по шкале ВИАМ.

Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на сплаве титана ВТ20

Твердость поверхности сплава ВТ20 увеличилась в 2,5 раза с 320 до 840 HV0.1 за счет изменения поверхностного слоя структуры (рис. 1).

Рисунок 1. Микроструктура образца из сплава титана ВТ20 упрочненного методом ионного азотирования: а - при увеличении в 50 крат, б - при увеличении в 100 крат

Структура основы рассматриваемого сплава имеет дуплексное строение. При увеличении ×50 на поверхности образца наблюдается тонкая нитридная зона 2–3 мкм (см. рис. 1, а). На рис. 1, б виден структурно модифицированный поверхностный слой, за счет которого изменяются механические свойства сплава.

Рисунок 2. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя на титановом сплаве ВТ20

Во время процесса ионного азотирования (в импульсной плазме тлеющего разряда) ионы азота, ускоряясь электрическим полем, бомбардировали поверхность образца, таким образом, создавали условия для активной диффузии атомарного азота в кристаллическую решетку сплава, поэтому сформировался азотированный слой с повышенной твердостью. Глубина проникновения азота вглубь образца составила 45 мкм (рис. 2).

Обработка методом ИВА повышает контактную прочность, что в целом приводит к увеличению эксплуатационной надежности.

Выводы

В ходе исследования микроструктуры и поверхностной твердости образцов из титанового сплава марки ВТ20 после режима ионного азотирования выяснили, что твердость поверхности увеличилась в 2,5 раза при глубине слоя по микротвердости 45 мкм. Изменяется микроструктура приповерхностных слоев ввиду образования нитридов и их диффузии вглубь материала. Также на снимках микроструктуры видна наиболее твердая и износостойкая нитридная зона толщиной 2–3 мкм.

В исследовании показано, что при ионно-вакуумном азотировании сплава ВТ20 улучшаются механические свойства материала, что делает сплав более универсальным и применимым для использования в промышленных условиях.

Список литературы

1. Белоус В.А., Носов Г.И., Клименко И.О. Упрочнение титановых сплавов ионно-плазменным азотированием // Вопросы атомной науки и техники. – 2017. – № 5 (111). – С. 75–82.
2. Вершинин Д.С., Смолякова М.Ю. Низкотемпературное азотирование титана в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления // Физика и химия обработки материалов. – 2011. – № 5. – С. 15–20.
3. Панов Д.О., Смирнов А.И. Особенности образования аустенита в низкоуглеродистой стали при нагреве в межкритическом интервале температур // ФММ. 2017. Т. 118, Вып. 11. С. 1138–1145.
4. Кобзарева Т.Ю. Поверхностное упрочнение титанового сплава ВТ6 комплексным электровзрывным легированием и последующей электронно-пучковой обработкой: дис. … канд. техн. наук / Сиб. гос. индустр. ун-т. – Новокузнецк, 2016. – 158 с.
5. Миронова Е.В. Выбор оптимального режима термообработки титанового сплава ВТ20 с применением количественной металлографии и анализа химического состава фаз // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. – 2013. – № 4-1(183). – С. 226–230.
6. Промышленные титановые сплавы [Электронный ресурс]. – URL: http://www.ticom-m.ru/O-titane-i-titanovyh-splavah/Promyshlennye-titanovye-splavy (дата обращения: 18.02.2021).

Информация об авторах

Соколова Ирина Сергеевна – аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций», Пермский национальный исследовательский политехнический университет; инженер-исследователь, ООО «Ионные технологии», e-mail:sokolova@procion.ru.

Князев Андрей Александрович – аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций», Пермский национальный исследовательский политехнический университет; инженер-исследователь, ООО «Ионные технологии», e-mail: andrey_knyazev_95@mail.ru.

I.S. Sokolova, A.A. Knyazev

STRENGTHENING OF TITANIUM ALLOY VT20 BY THE METHOD OF ION-VACUUM NITROGEN

Abstract. The article discusses the possibilities and prospects of using titanium alloys, as well as identifies the disadvantages of these materials and ways to eliminate them. Investigations of the microstructure and surface strength of titanium alloy samples after chemical-thermal treatment by the method of ion-vacuum nitriding are presented.

•  ЗАКАЗАТЬ АЗОТИРОВАНИЕ
  ×

  Заказать ионное азотирование
  * Узнать можно ли упрочнить вашу деталь?