автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Физико-химия процессов, протекающих в контакте титановых изделий со стальной оснасткой в условиях термомеханической обработки

РГЗ ОД

На правах рукописи

Ч И К А Н О В ВЛАДИСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ

ФИЗИКО-ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ. ПРОТЕКАЮЩИХ В КОНТАКТЕ ТИТАНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ СО СТАЛЬНОЙ ОСНАСТКОЙ В УСЛОВИЯХ > ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

В0Р0НЕЖ-19Э5

\

Работа выполнена на кафедре • "Оборудование и технология сварочного производства" Воронежского государственного технического университета *

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пешков В.В.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Дорофеев Э.Б.

,,ициальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Цеханов Ю.А...

кандидат технических наук, доцент Шалимов Ю.Н.

В~-ущая организация:

Научно-исследовательскш: институт автоматизации средств производства и контроля (НИИ АСШК), г.. Вороне»

Защита состоятся

20

декабри

1995 г.

в

14_ часов на заседании диссертационного совета К 053.81.09 р

Воронежском государственной техническом университете по адреоу: 394026 г. Воронеж, Мясковский проспект 14, ВГТУ, конфзренц-вад.

С диссертацией шяшо ознакомиться в. научной библиотеке университета.

Автореферат разослан

1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С /

Тякс.'-.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. 3 настоящее время в промышленности широкое применение при изготовлении титановых конструкций находят такие технологические процессы, как горячая прокатка, прессовка, штамповка, диффузионная сварка, спекание и т. п. предполагающие нагрев, приложение сжимающих давлений и изотермическую выдержку. При этом.в качестве инструмента, передающего давление на деталь служит оснастка, изготовляемая, как правило, из стали. В этих условиях между титановыми изделиями и стальным инструментом-оснасткой развивается целый ряд "ложных физико-химических проце> зв. приводящих к изменению давления газа в контактном зазоре, восстановлению оксидов на поверхностях металлов, развитию схватывания, образованию новых фаз и химических соединений и т. д. Все эти процессы ведут к изменению физико-химического состояния поверхности титановых изделий и технологической оснастки, что негативно сказывается на служебных характеристиках инструмента и, что особенно важно, изготавливаемых деталей. 1ак, при изготовлении тонкостенных слоистых конструкций из титана способом диффузионной сварки при температуре 1173 К и сжимающем давлении 2 МПа с использованием оснастки из аустенитной стали Х18Н10Т между изделием и технологическими листами развивается схватывание, из-за которого при отделении их друг от друга происходит недопустимая деформация конструкций и образование поверхностных дефектов, снижающих коррозионную стойкость и усталостную прочность изделий. В связи с этим повышение служебных характеристик изделий из титана, подвергаемых термомеханической обработке, является актуальной задачей, решение которой связано с изучением процессов, протекающих в контакте стальной.оснастки с титаном.

Целью работы является повышение служебных характеристик титановых изделий, получаемых термомеханической обработкой за счет снижения реакционной способности инструмента к взаимодействию с титаном.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том. что установлены кинетические закономерности и механизм взаимодействия титана с железом и сталью в условиях термомеханической обработкг в вакууме; выявлено влияние технологических параметров процесса на физико-химическое состояние поверхности изделий.

Обоснована возможность развития процесса понижения давления газа в контактном зазоре между стальной оснасткой и титаном до значений. лри которых происходит диссоциация оксидов железа, находящихся на поверхности стали. -Предложена физическая модель и получено уравнение, списывающее процесс изменения давления газа в контактном зазоре между титаном и сталью в условиях термомеханической обработки и учитывающее влияние темпер.../уры, 'давления газа в вакуумной камере, времени.реализации процесса, исходного состояния поверхности. Обоснованы способы и режимы обработки технологической оснастки, используемой в качестве инструмента при проведении диффузионной сварки, способствующие повышению срока службы с истки и улучшению коррозионной стойкости титановых изделий в агрессивных средах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Кинетические закономерности и механизм контактного и дистанционного восстановления оксидов на железе и стали Х18Н10Т в усовиях термомеханической обработки.

2. Модель изменения давления газа в контактном зазоре между титановыми изделиями и инструментом-оснасткой при термомеханической обработке.

3. Закономерности формирования диффузионных и охрупчепнных сдоев на титане при термомеханической обработке с использованием стальной оснастки.

Способы и режимы химико-термичеи;.. й обработки технологической оснастки (инструмента), применяемой при термомеханической обработки титановых изделий.

Апробация работы. Основные результаты докле, зались на научных семинарах кафедры оборудования и технологии сварочного производства ВГТУ, семинарах ИЗС им. Е.О. Патона, регионального межвузовского семинара: Процессы теплообмена в энергомашиностроении (г. Воронеж. 1995).

Публикации. 'По результатам работы опубликованы четыре статьи в журналах "Физико-х. мическая механика материалов". - 1993.- N3.-С.23-27; "Автоматическая сварка".- 1993,- N2,- С, 19-23; "Журнал физической химии".- 1993,- т.67, N7,- С. 1369-1372; "Защита металлов".- 19:- - Т. 30, N8.- С. 486-489.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, вклю .ающих обзор литературы, методику выполнения работы, теоретическую и эксперк; стальную часть, рекомендации по ;;с-пол>зованию исследованных материалов, общие выводы, список литературы, состоящий из 99 библиографических источников и приложения. Объем диссертации - 148 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 9 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован? актуальность темы диссертации, ■ ре-делены цель и задачи исследования, показаны ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проводится анализ экспериментальных и теоретических данных, имеющихся в литературе. Обзор литературных источников показал, что служебные характеристики титановых изделий, подвергаемых термомеханической обработке, связаны с физико-химическим состояние обрабатываемых поверхнистей. Большое влияние на сосотяние поверхности оказывают процессы, связанные с взаимодействием металлов с окружающей средой, и г первую очередь, с кислородом воздуха, присутствующего в вак>„..ном пространстве при нагреве. При этом, в зависимости от условий термомеханической обработки, поверхности металлов могут окисляться или, наоборот, имеющаяся на них оксидная пленка мохет восстанавливаться. Хотя поведению оксидов в условиях вакуумного нагрева посвящен целый ряд исследований, выполненных Кофстад П., Цвиккер У., Гельман A.c., Большаков М.В. и др.; но вопрос о кинетике и механизме этого процесса носит дискуссионный характер.

В большинстве исследований выводы о поведении оксидных пленок сделаны на основании термодинамического анализа или косвенных экспериментальных данных. Имеют место расхождения между теоретическим расчетом и экспериментальными данными о поведении оксидных пленок в вакууме. Теоретические расчеты показывают, что восстановление оксидной пленки с поверхности железа и стали должно подчиняться линейному закону, но в проведенных экспериментах эта зависимость носит затухающий во времени характер. В связи с этим остается открытым вопрос о механизме восстановления оксидных пленок на железе и стали в условиях вакуумного нагрева.

Ана' 13 литературных данных показывает, что химико-термическая обработка титановых изделий способствует улучшению механичес-

ких и коррозионных характеристик. Но в литературе отсутствуют данные о химико-термической обработке титановых изделий из твердой фазы. Поэтому целью работы явилось повышение служебных характеристик титановых изделий, получаемых термомеханической обработкой за счет снижения реакционной способности инструмента к взаимодействию с титаном.

Разработка путей повышения служебных характеристик изделий, подвергаемых термомеханической обработке за счет снижения реакционной способности титана к взаимодействию со стальной оснасткой связана с решением следующих задач:

1. Исследованием кинетики и механизма взаимодействия тита-г с армко-железом и сталью в условиях вакуумного нагрева;

2. Построением математической модели процесса изменения давления газа в контактном зазоре сталь - титан;

3. Выявлением технологических параметров и характера их влияния на физико-химическое состояние поверхности титана и стальной оснастки при термомеханической обработке;

4. разработкой способов улучшения служебных характеристик титановых изделий, в частности, повышения их коррозионной стойкости в агрессивных средах и срока службы инструмента-оснастки, используемой при термомеханической обработке.

Вторая глава посвящена описанию материалов и методик постановки экспериментов. Исследование в работе проводили на титане марки ВТ1-0, армко-келезе и стали Х18Н10Т. Образцы изготавливали из пруткового и листового материала в виме шайб диаметром 16 мм и толщиной 2 мм. При необходимости образцы шлифовали и полировали до нужного класса чистоты, обезжиривали и обезволивали в ацетоне и спирте. В ходе работы применялись комплексные методы исследования процессов, протекающих при термомеханическо обработке титана со сталью и их влияния на коррозионную стойкость изделий. Для решения поставленных задач были привлечены рентгеноструктурный фазовый и спектральный анализы, эллипсометрия. световая и растровая электронная микроскопия, гравиметрический метод, проведены коррозионные испытания.. Микроструктуру и топографию поверхности оораз-цов изучали с применением оптической и растровой электронной микроскопии. Фазы и их состав определяли с помощью рентгеноструктур-ного и спектрального анализа, свойства соединений и материалов -механическими и коррозионными испытаниями.

Дост \ ерность результатов исследований подтверждена метод.?ми математической статистики и планирования экспериментов при их

постановке и обработке результатов; качественным совпадением теоретических расчс гов с экспериментальными данными, применением независимых методов для изучение одного и того же параметра.

Третья глава посвящена рассмотрению процессов, протекающих при 1'ермомеханической обработке титановых изделий в вакууме с использованием стальной оснастки. При контактном взаимодействии титана со стальной оснасткой развиваются процессы, в результате которых происходит восстановление оксидов с поверхности стали. При этом, имеющаяся на титане собственная оксидная пленка, препятствует этому процессу. Из сопоставления энергий активаций, полуденных экспериментально, с литературными данными следует, что восстановление оксидов контролируется диффузией кислорода в титане.

На кинетических кривых восстановления оксидов на железе и стали имеются две области: первая, характеризуется временем, в течение которого толщина оксидной пленки на стали остается постоянной, так называемый инкубационный период тинк. Инкубационный период обусловлен наличием на поверхности титан оксидной пленки, а' его длительность определяется временем, необходимым для понижения концентрации кислорода на поверхности титана до величины, при которой титан начнет взаимодействовать с оксидами железа. Вторая область характеризуется уменьшением толщины оксидной пленки на стали за счет восстановления оксидов железа титаном.

При бесконтактном взаимодействии титана с железом и сталью наблюдаетбя более сложная картина. Уменьшение толщины оксидных пленок на железе при взаимодействии с титаном не может быть объяснено их возгонкой или восстановлением растворенными в металле примесями. Во-первых, давление насыщенного пара оксидов железа и титана в зазоре"мало; во-вторых, замена титановых образцов на железные не приводит к изменению толщины оксидных пленок; в-третьих, по данным рентгеноспектрального анализа после отжига титана с железом, железа и его соединений на поверхности титана не обнаруживается.

Учитывая, что титан обладает значительной способностью к растворению кислорода и большим сродством к нему, чем железо, механизм бесконтактного титанотермического восстановления оксидных пленок может быть объяснен следующим образом: при нагреве титан адсорбирует газы, содержащие в замкнутом пространстве между титаном и железом. Это приводит к уменьшению парциального давления кислорода и созданию условий для диссоциации, оксидов, которая

е

происходит в несколько этапов:

2Ме0т1Г--20г-ад + 4еч-0гаТ-0гг О 2г + Т1т— ТЮ2тв 2Не2*тв + 4е-*2Мет-в

20г"ад + 2Мег*1В + TllT~T10iIB + 2Метв С этих позиций наличие инкубационного п \ иода 'на кинетических кривых обусловлено процессом адсорбции кислорода титаном,' то есть развитием процесса автовакуумирования, а его длительность -временем, необходимым для поглощения кислорода титаном из пространства между образцами. При этом происходит снижение давления .за в замкнутой области, что приводит к созданию условий для диссоциации оксидов железа.

При рассмотрении процесса бесконтактного титанотермического восстановления оксидных пленок на стали наблюдается иная картина, что, по-видимому, молено объяснить наличием в стали железохромистой и^инельной ^азы: FeCr204. энергия связи ионов в которой превышает с-'ергию свя^и в оксидах железа, поэтому полного восстановления оксидной пленки на сталь не происходит. Более того с увеличением температуры происходит замедление ее уменьшения, а при температуре порядка 1273 К значительного изменения в ее толщине не происходит. Это можно объяснить тем, что увеличение температуры ускоряет растворение оксидной пленки на титане до полного ее исчезновения. в результате чего возможным становится возгонка титана и его конденсация на поверхности стальное образца. Титан, взаимодействуя с оксидами металлов на стали, образует собственную пленку, что тормозит уменьшение толщины оксидной пленки на поверхности стали. Механизм бесконтактного титанотермического восстановления в этом случае может быть описан схемой: Т1ТБ Boarom<at адсорбция^

Tlte + 2МеОтГ—'Т102тв Ч 2MetB .

2МеОтв + Т1т^-»-2Ме1В + Т102тв

В э.ом варианте протекания процесса происходит не умены^ние толщины оксидной пленки на стали, а в основном изменение ее химического состава: сь-шый оксид системы Ре - Сг - О постепенно уступает место более простому оксиду: Т102, при этом восстановленные катионы металла , переходят в металлическую основу.

Итак; бесконтактное титанотермическое восстановление окопов протекает в несколько этапов. На первом этапе происходят юаимо-

действие титана с газами, находящимися в замкнутой полости, при этом происходи-, понижение концентрации (давления) газа. На втором этапе, когда концентрация -чза в замкнутом зазоре понизиться до величины, соизмеримой с давлением насыщенных паров над оксидами железа, происходит их диссоциация с последующей адсорбцией кислорода на поверхности более активного металла (титана) или же, если энергия связи в оксиде превышает энергию возгонки металла (например, как, в стали). то происходит возгонка титана с последующей конденсацией на поверхности стали.

Для объяснения, полученных экспериментальных данных была разработана математическая модель процесса изменения давленк газа в контактном зазоре, в основу которой положена взаимосвязь концентрации кислорода в элементарном объеме, выделенном в зоне контакта, с процессами диффузионного проникновения газа из вакуумной камеры в этот зазор и взаимодействием газа с контактными поверхностями.

Плотность потока, направленного в зазор между титановым и железным образцами, обозначим как Л(г). плотность потока в стороны, перпендикулярные потоку Л(г), обозначим как Л0 и причем потоком ', направленным в сторону железа, можно пренебречь. Тогда поток, втекающий в элементный объем АV, равен вытекающий из АУ, равен (г+аг) • Кг+сЗг). поглощенный стенками -ж- [(г+йг)г-г2], где Л - величина зазора между образцами (определяется чистотой обработки поверхности)-, а г -размер' образцов. Учитывая уравнение материального баланса и уравнение переноса:а = -В-(5п/5т). где Б - коэффициент диффузии газа, бп/5г - изменение концентрации газа в контактном зазоре, и выразив концентрацию газа п через давление Р = п-к-Т, получим расширенное уравнение диффузии:

5Р 5т

Н 5Р 5гР

Л-к-Т

г 5г 5г2

— +

>

Л

где Н - коэффициент, равный 2, с начальным условием:

Р(г, 0) = Р,

о

и граничным условием второго рода:

6Р

— (I*. х) = -Н-Р(й, т) бг

о

Реиение этого уравнения было получено в следующем виде:

ЕС2/Г-з1п(Хк{,)с14] ■ з1п(Х.к£) • ехр(-Хк2т) -к-Т

Р(г. т) --+

г

К/ехр[-(яп)2 • (] •[-2/Т-з1п(зтийийх}-з1п(ГО1г)-1с-Т + --- »

г

где Хк - собственное значение функций ряда Фурье, 4 и ^ - изменяющиеся параметры по радиусу и времени.

Из анализа полученных результатов следует, что на изменение давления кислорода в контактном зазоре между титановыми изделиями технологической оснасткой при нагреве в вакууме оказывают влияние температура и время проведения процесса, исходная чистота обработки и поверхности, размер изделия, а также условия проведения термомеханической обработки: глубина вакуума в вакуумной камере. При определенных условиях проведения термомеханической обработки т тановых и.'челий между ними и стальной оснасткой могут созда-[ гься такие условия, копда дополнительные порции газа из вакуумной камеры не будут проникать в контактный зазор. В этом случае будет происходить развитие процесса автовакуумирования, приводящего к снижению давления между образцами до значений, при которых возможна диссоциация оксидов.

В четвертой главе рассматривается кинетика схватывания и формирования диффузионных и охрупченных -лоев на титане при его контакте со стальной оснасткой в условиях термомеханической обработки.

При взаимодействии титана с железом и сталью возможна диффузия железа, никеля, хрома в титановые изделия. Это может оказать существенное влияние на свойства изделий. . Поьь; .лше содержания легирующих элементов в поверхностном слое может привести к снижению пластичности металла, а при образовании интерметаллидных фаз поверхность титана охрупчнвается и может терять свои механические и служебг'е свойства.

Диффузионные- слои, образующиеся за счет диффузии в титан других металлов,'с "">торыми он контактирует в процессе термомеханической обработки, характеризуются понижением концентрации этих металлов от поверхности титана в^-глубь: Та часть поверг-остного слоя, где концентрация легирующих элементов больше критического значения ,Я.лжна быть охрупченной и иметь свойства,-резко отличав-

щиеся от основного материала. Очевидно, присутствие именно этого охрупчекного слоя на поверхности металла отрицательно влияет на служебные характеристики ма: риала.

Полученные экспериментальные данные дают основание считать, что процесс роста диффузионных и охрупченных слоев подчиняется степенному закону: hn = КДИ|5-г, где КДИ1} - константа роста диффузионных слоев, являющаяся экспоненциальной функцией температуры; т - время термомеханической обработки; п - показатель степени, близкий к 2, h - толщинг диффузионного слоя.

Исследование поверхности титановых образцов рентгеноспект-ральным методом показало, что в зоне контакта образуются интерме-таллидные фазы, Наибольшую глубину интерметаллидные фазы имеют при взаимодействии титана с хромом и никелем: для железа и стали интерметаллидные фазы сопоставимы по глубине и существенно меньше. чем для хрома и никеля. Следует отметить тот факт, что только при взаимодействии титана с никелем диффузионная зона прак' чески полностью состоит из интерметаллида стехкометрического состава ТШ (54. 3% мае. Г1 и 45.1% мае. III). При взаимодействии титана со сталью участков со стехиометрическим составом интерметаллидных фаз обнаружено не было, ^десь наблюдаются'лишь участки твердого раствора железа (около мае.) и никеля в титане. Причем с увеличением температуры глубина диффузионных зон увеличивается, а концентрация железа и никеля меняется незначительно.

Поверхностные слои как инструмента, так и ""тановых заготовок представляют собой сложные системы, в общем случае состоящие из оксидных слоев, адсорбированных газов, органических соединений. влаги н т. д. Оксиды, как наиболее прочные и устой шые соединения, имеют решающе значение при схватывании. Этот процесс реализуется при взаимодействии активированных поверхностей контактирующих металлов, а это возможно при разрыве насыщенных связей поверхностных атомов оксидов с последующим образованием между контактными поверхностями химических связей. Так как титан характеризуется достаточно высокой скоростью растворения кислорода, то при его термомеха!.лческой обработке может оказаться, что процесс растворения оксидов в металле реализуется быстрее, чем активация поверхности ^..„rmcraix соединений титана с кислородом. В этом случае яхтнрегая .гаклячается в образовании поверхностей с ненасы-Г'1>н:;:< •• •чг-»';| и может реалпзовываться в процессе растворения м: ',"!.■)!::, ¡::з и'-ссплнмх слоев в титан.

Н • .nvT;me:c:i> ¡фивых прочности ехготнвания б - f (t) обна-

руживаются две области. Первая характеризуется отсутствием схватывания между контактными поверхностями (6=0), несмотря на имеющее место развитие физического контакта и макродеформацию титана. Вторая область характеризуется нарастанием прочности схватывания.

При тёрмомеханической обработке титановых изделий при низких температурах (< 873 К) результаты исследований показали, что лишь после приложения значительного сжимающего давления на образцы и увеличения времени воздействия до нескольких часов, обеспечивающее деформацию титана на 20 - 30% .возможно появление очагов схват тывания. В этом случае химические связи образуются через оксиды, находящиеся на поверхности металлов и до конца не растворяются в данных условиях эксперимента. В области высоких температур (>873 К) реализуется механизм раствореню: оксидов в rafaHe. При этом время растворения оксидов tp составляет:

тр = Ааг -exp(-Q/R-T), где А •= 1/4 - л- C0Z • D0. ■

Порченное значение эффективной энергии активации этого процесса составляет 258 кДж/моль, что близко к энергии активации растворения оксидной пленки в титане.

Таким образом, полученные результаты дают основание считать, что активация поверхностей титана, заключающаяся в пбразовании поверхностей с высокой реакционной способностью к процессу схватывания. реализуется в результате-как растзорения оксидов в металле, так и в результате деформации контактных поверхностей. Для того чтобы понизить развитие схватывания титановых изделий со стальной оснасткой, -негативно влияющего на служебные характеристики как титановых конструкций, так и инструмента,- передающего ' давление.• необходимо пассивировать контактные поверхности металлов в ходе их .работки или снизить сжимающее усилие, способствующее возникновению деформаций изделия.

Пятая глава посвящена изучению влияния технологических параметров на коррозионную стойкость титановых изделий и поиском путей повышения стойкости стальной оснастки. Экспериментально установлено, что на коррозионную стойкость титановых изделий влияэт температура и длительность термомеханической обработки, а такке глубина вакуума в рабочей каморе. При проведении процесса в условиях автовакууиирования реализуется условия, когда скорость обра-

зования оксида меньше скорости его растворения: толщина оксидного слоя уменьшается, в нем появляют дефекты, снижающие коррозионные характеристики титана. нижение вакуума в рабочей камере до 100 Па приводит к тому, что скорость образования оксида становится больше скорости его растворения, при этом толщина оксидной пленки увеличивается и повышается коррозионная стойкость изделия. Ка коррозионных кривых титана, отожженных в вакууме, обнаруживаются две области: первая характеризуется изменением константы коррозии. вторая - ее постг нством: Значение константы коррозии связано с изменением физико-химического состояния поверхности изделий.

При термомеханической обработке в вакууме с использованием в качестве инструмента, передающего давление, стальной оснастки на поверхности титана образуются диффузионные, охр^.ченные. газона-сыщеннке слои и интерметаллидные фазы, снижающие коррозионные характеристики изделий. На коррозионных кривых существует , з характерные области: первая связана с наличием интерметаллидных фаз. образующихся . титане, вторая характеризует коррозию самого металла. Начальный участок на коррозионных кривых зависит от времени контакта титановых ..зделий со стальной оснасткой, которое • можно-рассматривать в качестве параметра, влияющего на коррозионную стойкость титана.

Повышение температуры и времени термомеханической обработки способствует развитию процесса схватывания, в результате чего на поверхности титана образуются дефекты, отрицательно влияющие на коррозионные характеристики изделий. В этом случае коррозия начинается не по всей поверхности, а в местах образования д> ектов, и ее скорость на начал! :ом этапе сопоставима со скоростью коррозии стальных образцов и уменьшается но мере стравливания верхних слоев.

С целью избежать нежелательного взаимодействия титана ей стальной оснасткой и затормозить процессы схватывания, были приведены испытания, где в качестве инструмента, передающего давление, применяли актированную ^таль. Азотирование стали марки Х18НЮТ вели из газовой фазы. Как показал рентгеиоструктурный фаговый анализ, а. тированный слой состоит из непосредственно нитридов и азота, продн^ундировавкего в нетаял. Иитрияяый слой, при 'падении протравленного влифа. выглядят светлы» и почти бесс-тругяураым по сравнении с. диффузионным слое;?. Максимальная глуби-яя. йзеторовянцрго слс7. пп пчлученчнч ■»ксп=римеятальннм даннкм.

не превышает 1 мм. Толщина зоны-нитридов может достигать 0.2 -0.25 мм.

Результаты циклических испытаний по схватыванию стали с титаном при их термомеханической обработке показали, что наилучшими характеристиками обладает азотированная и карбонитрированная стали, которые' в несколько раз превышают необработанную сталь.

1- I- --------------- 1 I Предварительная IКоличество циклов!

I обработка стали I 1 | до схватывания |

1 1 (Необработанная I 3-5 |

IНауглероженная I 12 I

1 Азотированная 1 28-30 I

1Карбонитрированная| | 1 ДО 35 | 1 1

О степени взаимодействия титана с азотированной сталью можно судить по изменению структуры диффузионных и охрупченных слоев, образующихся на изделиях в результате термомеханической обработки. На изломе титановых образцов просматривалось несколько зон: поьерхностный слой; охрупченный слой (зона хрупкого разрушения); основной металл и та часть диффузионного слоя, где концентрация легирующих элементов недостаточна для придания ему хрупкости (зона квазивязкого разрушения).

Проведенный фазовый анализ позволяет сделать выв д о том, что наблюдаемая на поверхности титана пленка является нитридной. Повышение температуры термомеханической обработки приводит к увеличению толщины диффузионных слоев, в то время как нитридная пленка начинает растворяться в металле.

Оценка эффективной энергии активации процесса роста нитрид- ■ ного слоя на титане при взаимодействии с азотированной сталью дает значение 158 8 кДж/моль, что значительно ниже величин энергии активации диффузии азота как в нитриде титана, так и в самом металле .

Полученные результаты можно объяснить тем, что подвод азота к поверхности -гитана осуществляется из ограниченного объема, определяемого количеством азота, растворенного в стали, в то время как толщина нитридного слоя на титане зависит от двух одновременно протекающих процессов: роста нитридного слоя за счет взаимодействия титана с азотированной сталью и уменьшением его толщины за счет растворения в металле.

Коррозионные испытания титановых образцов после термомеханической обработки в контакте с азо",:рованной сталью показали их устойчивость ~ агрессивных редах. Причем коррозионные свойства исследованных образцов по сравнению с исходными возрастают ь несколько раз. Проведенные испытания в 23% соляной кислоте показали, что после термомеханической обработки титановых изделий в контакте с азотированной сталью в течение 30 мин и температуре 973 К они остаются устойчивы до 20 суток. Увеличение температуры термо-кеханической обработки цо 1073 К и времени до 40. мин повышает коррозионную стойкость изделий до 1 месяца. Дальнейшее увеличение температуры до 1198 К на коррозионные свойства существенно не влияет, однако, повышение температуры термомеханнческой обработки титана до 1273 К и времени до 30 лил значительно сникает коррозионные характеристики изделий. Это связано с расширением нитрид-ной пленки на поверхности титана и потерей им защитных свойств.

Необходимо отметить тот факт, что термомеханическая о( 1бот-:са титана с азотированной сталью при температурах шике 973 К также снижает коррозис.шуп стойкость изделий. Это мокно объяснить тем, что при этих температурах титан с азотом не взаимодействует. По данным рентгеноструктуриого анализа после термомеханической • обработки титана с азотированной сталью при температуре 873 К нлтридного слоя на поверхности титана не обнаруживалось.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕД0Р'Ч!1Я

1. Сформулирован принцип повышения коррозионной стойкости титановых изделий в агрессивных средах за счет насыщен»?' технологической оснастки хим' -еекгош элементами, которые в процессе термомеханнческой обработки снижают реакционную способность поверхности оснастка к схватыванию и взаимодействию с обрабатываемым титаном.

2. Установлены кинетические' закономерности восстановления оксидов на арчк^-келезе и стали Х18Н10Т в условиях терномехшш-ческой обработки; возможны два ..ути развития этого процесса: контактное и бесконтактное восстановление.

При иплп'щг . -¡¡такта между тнтансм и стальной оснасткой в ,.,-,,-^р . -врГг.:.р.. гуо 74д - д7з ;{ восстановление оксидов идет по

.5—^2МеОтв + Т10гпм 5— Т1пл

Процессом, контролирующим восстановление оксидов является диффузия кислорода в титане.

3. В замкнутых полостях в интервале температур 923 - 998 К развивается процесс бесконтактного восстановления оксидов на железе и стали титаном, который идет в несколько этапов по схеме: .

XI в о з гонк аг ^ адсорбцияг Т1тв

Т1тв + 2МеОт=—- Т102тв + 2Метв

2МеОтв + Т1тв-"2Метв + Т102тв

На первом этапе происходит взаимодействие металлов с газами, находящимися в зазоре, в результате чего реализуется процесс понижения давления газа. На втором этапе происходит диссоциация оксидов с последующей адсорбцией на поверхности титана. Экспериментально полученные.значения эффективно, энергии активации процесса восстановления оксидов свидетельствуют о том. что лимитирующей стадией является диффузия кислорода в титане.

4. Получена математическая модель изменения давления газа в контактном зазоре между титановыми изделиями и стальной оснасткой в основу которой положена взаимосвязь давления газа в зоне контакта с процессами диффузионного проникновения газа из вакуумной камеры в этот зазор и взаимодействия с контактными поверхностями.

Анализ изменения давления газа в контактном зазоре между стальной оснасткой и титановыми изделиями показал, что лри термомеханической обработке титана в интервале температур 973 - 1273 К в зазоре возможно понижение парциального давления кислорода за счет его растворения в титане, до величин, при которых будет развиваться диссоциация оксидов на поверхности стали.

5. В процессе термомеханической обработки титановых изделий со скоростью деформации 10"6 -• Ю"4 с"1 в вакууме и интервале температур 107' - 1273 К в результате растворения кислорода в титане п взаимодействия со стальной оснасткой на поверхности титановых конструкций образуются диффузионные слои и интерметаллидные фазы переменного состава, состоящие преимущественно из железа, хрома и никеля, охрупчивающие поверхность титана и сникающие его коррозионную стойкость. Глубина интеркеталлчдннх фаз мо;;;ет достигать 70% от глубины охрупченних слоев.

6. Показано, что коррозия титановых конструкций, подвергавшихся термомеханической обработке,начинается на участках схватывания технологической оснастки с изделием. С покаеяием площади.

участков схватывания интенсивность коррозии значительно возрастает и становится сопоставимой с ко:. озией стальных образцов.

7. Устан-^лено. что предварительная химико-термическая обработка стальной оснастки (азотирование или карбонитрирование) положительно влияет на служебные характеристики титановых конструкций. повышая их коррозионные свойства, а также продляет срок службы технологической оснастки. Так карбонитрирование в 10 раз увеличивает количество циклов, при которых сталь не схватывается с титаном, азотирование в 8 раз.

8. Полученные результаты были использованы при изготовлении титановых тонкостенных слоистых конструкций способом диффузионной сварки.

1. Восстановление оксидов на поверхности железа и "тали Х18Н10Т титаном при диффузионной сварке /•- .-лреев Л.С.. Замков В.Н., Новиков Ю. К.. Холодов В. П.. Пешков В. В., Чиканов В. Н ^Автоматическая сварка,- 1993,- N2,- С. 19-23.

2. Титанотермическое осстановление оксидов на железе и стали / Киреев Л.С., Холодов В.П.. Чиканов В.Н., Пешков В. В//Журнал физической химки, - 1993,- т. 67, N7,- С. 1369-1372.

3. Титанотермическое восстановление оксидов на железе и стали в условиях автовакуумирования / Киреев Л.С., Чиканов В.К., Пешков В.В., Холодов В.П. Физико-химическая механика материалов.-1993,- ИЗ, - С.23-27;

4. Влияние вакуумного отжига на коррозионную стойка ;ть титана / Чиканов В.Н., "••аковВ. В., Киреев Л. С., Селиваноз В.Ф., Сзнникова Г. А.//Защита металлов,- 1994,- т.30, N5,- С.486-489.

4. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ.

JÍP '020419 от Г 02.92. Подписано з печать 13.II.95 У'сл.поч.л. 1,0. Т-лрая 100 экз. Заказ 3HZf .

го... зарс^йвнный технически;1! униророитот

'."осяогсхай просп., 14 ..;:rnoí\ полиграфии KTJ