автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Повышение износостойкости деталей из титанового сплава ВТ6 совместной имплантацией ионов меди и кобальта

На правах рукописи

СЕМЕНДЕЕВА ОЛЬГА ВАЛЕРЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 СОВМЕСТНОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНОВ МЕДИ И КОБАЛЬТА

Специальность 05.16.09 — Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г I МАЙ 2014

Москва - 2014

005548780

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» (ФГЪОУ ВПО «МГИУ»).

Научный руководитель: Овчинников Виктор Васильевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Крит Борис Львович

доктор технических наук, профессор, Российский государственный технологический университет «МАТИ» имени К.Э. Циолковского, профессор

Шиганов Игорь Николаевич

доктор технических наук, профессор, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, директор НИИ «Материаловедение»

Ведущая организация:

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской Академии наук СО РАН

Защита состоится «26» июня 2014 года в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д. 212.129.01 при ФГБОУ ВПО «МГИУ» по адресу: 115280, Москва, ул. Автозаводская, 16, ауд. 1804.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГИУ» и на сайте www.msiu.ru.

Автореферат разослан «¿^ » и^аЛ— 2014 года и размещен на сайте www.msiu.ru.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д. 212.129.01 н.С. Вольская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современная химическая, энергетическая, судостроительная и авиационная отрасли промышленности предъявляют высокие требования к надежности эксплуатируемых конструкций и оборудования и, как следствие, к применяемым материалам, особенно работающих в коррозионно-агрессивных средах, при повышенных температурах и на изнашивание. При этом финишные методы обработки, формирующие физико-химическое состояние поверхностного слоя деталей, играют в большинстве случаев решающую роль.

Ограниченное применение титана и его сплавов в качестве конструкционного материала для изготовления подвижных деталей машин и механизмов связано с высокой склонностью к схватыванию и задиранию при работе на трение скольжения даже в условиях подачи обильной смазки, что обусловлено сравнительно высоким коэффициентом трения по титану (0,5).

Анализ исследований в области разработки методов повышения ресурса высоконагруженных деталей машин показал, что применение вакуумных ионно-плазменных технологий высоких энергий позволяет существенно изменять структуру поверхностного слоя и его физико-механические и химические свойства.

В этой связи, весьма актуальными являются исследование влияния ионной имплантации одновременно двух сортов ионов на свойства поверхностного слоя титанового сплава ВТб и его сварных соединений, а также разработка технологии для повышения эксплуатационных свойств нагруженных шарнирных соединений в конструкциях летательных аппаратов.

Научные исследования по данной теме проводились в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (тема №16.740.11.0558 от 23.05.2011 г.).

Цель работы: Установить влияние ионной имплантации с катодом из сплава Со-Си на износостойкость и эксплуатационные свойства двухфазного (а+Р)-сплава Ть-А1-У (ВТ6) и его сварных соединений.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Обоснование выбора состава материала катода имплантера.

2. Исследование распределения ионов в поверхностном слое титанового сплава ВТ6, получаемого путем имплантации с применением двухкомпонентных катодов на основе медь-кобальт.

3. Экспериментальные исследования влияния ионной имплантации на износостойкость сплава ВТ6 и его сварных соединений, полученных сваркой плавлением.

4. Определение влияния параметров режима имплантирования на изменение эксплуатационных свойств сплава ВТ6.

5. Экспериментальное исследование изменения структуры поверхностного слоя сплава ВТб и его сварных соединений под влиянием имплантации ионами сплава Со-Си.

6. Проведение промышленной апробации результатов исследований и разработка технологических рекомендаций по имплантации деталей летательных аппаратов из сплава ВТб.

Объект исследования. Объектом исследований является поверхностный слой деталей из сплава ВТб и его сварных соединений, работающих в условиях трения.

Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности изменения свойств и структуры имплантированного слоя деталей из титанового сплава ВТб под действием пучка ионов меди и кобальта.

Положения, выносимые на защиту:

1. Наличие кобальта в материале катода имплантера в количестве до 60% приводит к повышению износостойкости имплантированного титанового сплава ВТб в 3,0...3,6 раза.

2. С увеличением содержания кобальта в материале катода до 50% наблюдается рост показателя относительной усталости до 2,11. Дальнейшее увеличение содержания кобальта в материале катода имплантера вызывает снижение показателя относительной усталости по отношению к необлученному образцу до 1,6.

3. Снижение усталости образцов, облученных ионами из катода из сплава 40%Си-60%Со, происходит по причине образования в имплантированном слое интерметаллидного соединения Т1Со2.

Научная новизна:

1. Впервые применены двухкомпонентные композиционные сплавы на основе Cu-Co в качестве источника ионов для синтеза антифрикционных имплантированных слоев в поверхностных областях деталей из титанового сплава ВТ6, подвергающихся износу при трении.

2. Впервые имплантации подвергнуто сварное соединение сплава ВТ6, выполненное сваркой плавлением, и установлен факт повышения его износостойкости.

3. Установлен факт увеличения глубины проникновения ионов в имплантированном слое сварного шва по сравнению с основным металлом сплава ВТ6 вследствие наличия литой структуры и растягивающих напряжений в шве.

Практическая значимость результатов работы:

1. Разработан технологический процесс ионной имплантации поверхности деталей из титанового сплава ВТ6 с применением в качестве источника ионов композиционного сплава Cu-Co.

2. Полученные результаты могут использоваться для изготовления деталей высоконагруженных шарнирных соединений из титанового сплава ВТб и его сварных соединений.

Методы исследования. Эксперименты проводились в лабораториях Московского государственного индустриального университета (ФГБОУ ВПО «МГИУ»), Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») и Исследовательского Центра «Сколково» на следующем оборудовании: стенд «ИНС-ТРОН TT—ДМ»; испытательная машина «TIRATE ST—2300»; машина трения Triboraeter, CSM Instruments (Швейцария); оптический микроскоп «Karl Zeiss»; электронный сканирующий микроскоп «Carl Zeiss» EVO 50; электронные микроскопы ЭМ-125К и Tesla RS-540 (ПЭМ); оже-спектрометр PHI 700 AES, «Physical Electronics»; установка PHI-6600 SIMS System, «Physical Electronics» (ВИМС); дифрактометры ДРОН-3 и D8 Discover (Bruker-AXS, Германия); микротвердомер ПМТ-3; оптический профилометр Veeco WYKO NT1 100 (США).

Достоверность результатов. Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается применением современных методов исследований, исследовательской

з

и контрольно-измерительной техники, объемом проведенных экспериментов, согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на 7-й Российской ежегодной конференция молодых научных сотрудников и аспирантов (ИМЕТ, Москва, 2010); «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы -2010» (г. Уфа, 2010); VI.Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (г. Черноголовка, 2010); VI Международной научно-технической конференции (г. Томск, 2011);

Публикации. Основные результаты диссертационной работы в 9 печатных работах, в том числе 4 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, общие выводы, список использованной литературы (115 наименований) и приложения, изложена на 159 страницах текста, в том числе 93 рисунках и 15 таблицах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены направления исследований, сформулированы основные цели и задачи работы.

В первой главе проведен анализ условий эксплуатации деталей летательных аппаратов из титановых сплавов, работающих в нагруженных парах трения. Представлен обзор литературных данных по влиянию ионной имплантации на структурно-фазовые превращения, а также механические и эксплуатационные свойства титановых сплавов.

Особое внимание уделено вопросам повышения износостойкости титановых сплавов при внедрении в поверхностный слой комплекса ионов различных элементов. При этом отмечено, что наибольшее изменение механических свойств имплантированных титановых сплавов наблюдается при одновременном воздействии на мишень ионами нескольких сортов.

Рассмотрены методы получения многокомпонентных катодов имплантера для реализации процесса ионного легирования.

На основе анализа состояния проблемы повышения износостойкости деталей летательных аппаратов из титановых сплавов, работающих в нагруженных парах трения, были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приводится описание оборудования и методик исследований, применяемых в данной работе. В качестве материалов катода использовались сплавы системы несмешивающихся компонентов Си-Со с содержанием кобальта 40-60%.

Имплантация образцов из титанового сплава ВТб и его сварных соединений проводилась с помощью импульсного вакуумно-дугового ионного источника ИГМИ-50, формирующего полиэнергетический пучок ионов. При этом ускоряющее напряжение составляло 30 кВ, амплитуда тока ионного пучка - 0,1... 1 А, частота импульсов - 50 Гц при длительности 300 мкс. Остаточное давление в вакуумной камере составляло БхЮ"4 Па. Температура нагрева образцов в процессе имплантации не превышала 80 °С.

В третьей главе исследована микроструктура сплавов системы Си-Со с содержанием кобальта 40, 50 и 60%, используемых в качестве материала катода имплантера.

Определены механические и трибологические характеристики образцов сплава ВТ6 и его сварных соединений, полученных аргонодуговой сваркой, в различных структурных состояниях (табл.1, рис. 1).

Таблица 1

Значения мпкротвердости НУ (МПа) основного металла и различных зон сварного соединепвя сплава ВТ6

Вид термообработки после сварки Основной металл Сварное соединение

шов зона термического влияния

Отжиг 4320...4350 4130...4190 4500...4600

Закалка + искусственное старение 4820...4900 4450...4590 4720...4840

Эксперименты показали, что предел выносливости стыковых соединений титанового сплава ВТ6 при изгибе составляет 70-77 % от усталостной прочности основного металла, причем снижение

предела выносливости идет в основном за счет внутренних структурных составляющих металла сварного шва. Излом имеет пластичный характер с ярко выраженными бороздками и ямками в зоне доразрушения.

Исследования коэффициента трения сплава ВТ6 в зависимости от пути трения показали, что коэффициент трения первоначально является низким, но затем быстро повышается и достигает 0,9 при пути трения более 20 м. При этом различия между отожженным и состаренным состояниями сплава ВТ6 не существенны.

Испытания показали также, что коэффициент трения различных структурных зон сварных соединений также отличаются друг от друга. Наибольшие значения коэффициента трения при испытании на пуги трения 16 м проявляются у металла шва сварного соединения, выполненного аргонодуговой сваркой (0,58). При этом различия между отожженным и искусственно состаренным состоянием не превышают 12... 15%.

Рис. 1. Предел выносливости гладких образцов сплава ВТ6 и его сварных соединений при изгибе в отожженном (О) состоянии и после закалки и старения (Зак. + Ст.): ОМ— основной металла;

СС — сварное соединение

Результаты исследований распределения имплантированных ионов в поверхностном слое титанового сплава ВТ6 и его сварного соединения при использовании в качестве катода сплава 50%Си-50%Со приведены на рис. 2.

При имплантации сплава ВТ6 с использованием катода из сплава 60%Си-40%Со глубина проникновения ионов меди и кобальта примерно одинакова и составляет 0,22.. .0,25 мкм.

Сравнение профилей распределения имплантированных ионов при облучении сварных соединений показало, что в случае использования в качестве материала катода сплава 60%Си-40%Со они идентичны профилю распределения имплантированных ионов в основном материале. Глубина проникновения ионов составляет для меди 0,20.. .0,25 мкм, а для ионов кобальта - 0,40.. .0,45 мкм.

При использовании в качестве материала катода сплава 50%Си-50%Со глубина проникновения ионов меди в сплав ВТ6 не изменяется и составляет 0,22...0,25 мкм, а ионов кобальта - повышается до 0,35...0,40 мкм. В случае имплантирования сплавом 50%Си-50%Со сварного соединения наблюдается рост глубины проникновения ионов меди до 0,40...0,45 мкм, а ионов кобальта до 0,55...0,00 мкм. _

1.00Е+06

§ X

1.00Е+05

о со

0 1.00Е+04

2 &

1 1.00Е+03 х

6

р 1.00Е+02

1.00Е+01

1,00Е-Ю0

0,0« 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 мкм

а

1.00Е+05

О О

а 1.00Е-КМ

ш

о

с

I 1.00Е+02 О

" 1,ооё+о1 т

¡.00Е+00

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0.4« 0,45 МКМ

б

Рис. 2. Распределение ионов меди и кобальта в титановом сплаве ВТ6 (а) и сварном соединении (б) при имплантации сплавом 50%Си-50%Со

Имплантация сплавом 40%Си-60%Со сплава ВТ6 сопровождается снижением глубины проникновения ионов меди до ОД2...0,15 мкм при одновременном уменьшении глубины проникновения ионов кобальта до 0,25...0,30 мкм. В тоже самое время использование в качестве материала катода имплантера сплава 40%Си-60%Со способствует уменьшению глубины проникновения ионов в литую структуру металла шва: для ионов меди до 0,15...0,18 мкм, и для ионов кобальта-0,25...0,30 мкм.

Результаты усталостных испытаний облученных и необлу-ченных образцов основного металла сплава ВТ6 в зависимости от материала катода имплантера показали, что облученные образцы выдерживают большее количество циклов до разрушения по сравнению с исходными образцами. С увеличением содержания кобальта в материале катода до 50% наблюдается рост показателя относительной усталости до 2,11. Дальнейшее увеличение содержания кобальта в материале катода имплантера вызывает снижение показателя усталости по отношению к необлученному образцу до 1,6.

Облучение сварных соединений сплава ВТ6, выполненных сваркой плавлением (аргонодуговая сварка), таюке сопровождается повышением усталостной прочности образцов при испытаниях на изгиб. С повышением содержания кобальта в материале катода имплантера наблюдается тенденция к выравниванию усталостной прочности основного металла и сварного соединения сплава ВТ6. В тоже время абсолютные значения усталостной прочности при использовании катода из сплава 40%Си+60%Со снижаются как для основного металла, так и для сварного соединения.

При использовании в качестве материала катода имплантера сплава 40%Си-60%Со Оже-спектрометр регистрирует наличие локальных пиков в концентрации кобальта в имплантированном слое.

Исследование отмеченных областей с помощью электронного микроскопа, выявили наличие ин-терметаллидных соединений в имплантированном слое при использовании в качестве катода им-плантера сплава 40%Си-60%Со (рис. 3). Была проведена съемка области расположения интерметалл идного соединения на медь, кобальт и титан с целью определения его приблизительного химического состава с помощью программы пересчета интенсивности в содержании элементов.

Результаты оценки химического состава интерметалл идного соединения показывают, что оно основано на кобальте и имеет состав ТЮо2. В зоне его формирования в пределах имплантированного слоя наблюдается незначительное присутствие меди.

На рис. 4 показано изменение глубины канавки от числа циклов для испытаний сплава ВТб без имплантации и имплантированных сплавом Си-Со с различным содержанием кобальта.

Рис. 3. Область интерметал-лидного соединения в имплантированном слое сплава ВТ6

2 4 6 8 10 12 14 16 Количество циклов, кц

Рис. 4. Зависимость глубины канавки от числа циклов испытаний: К- контрольный образец (неимплантированный); 1 - имплантация сплавом 60%Си-40%Со; 2 - имплантация сплавом 50%Си-50%Со; 3 - имплантация сплавом 40%Си~60%Со

Анализ полученных результатов показывает, что имплантация сплавом Си-Со при исследованных концентрациях кобальта (4060%) способствует повышению износостойкости сплава ВТ6 (снижению глубины канавки).

Наибольшее повышение износостойкости для имплантированного сплава ВТ6 наблюдается при использовании для имплантации сплава 40%Си-б0%Со и составляет 3,0...3,6 раза. Применение для имплантации сплавов 60%Си-40%Со и 50%Си-50%Со позволяет повысить износостойкость только в 1,3-1,7 раза.

Результаты испытаний показали, что имплантирование сварного соединения сплава ВТ6 также позволяет повысить его износостойкость. При этом наиболее существенное повышение износостойкости наблюдается при имплантировании сплавом 40%Си-60%Со. Износостойкость сварного шва составляет 0,75...0,88 от износостойкости основного металла.

В результате имплантации ионов кобальта в металл сварного шва сплава ВТ6 формируется поверхностный слой с высокими эксплуатационными характеристиками,

Анализ параметра шероховатости Иа образцов, облученных ионами меди и кобальта, свидетельствует о немонотонном изменении дефектности поверхности с увеличением содержания кобальта в сплаве. После облучения дозой 1017 ион/см2 параметр увеличивается для образцов имплантированных катодами с содержанием кобальта на уровне 40 и 60%.

В четвертой главе приведены результаты исследований влияния дозы имплантации (флюенса) на механические и триболо-гические свойства титанового сплава ВТ6 и его сварных соединений.

При росте значения дозы облучения (флюенса) из-за эффекта распыления наблюдается смещение профиля распределения внедренных ионов кобальта к поверхности мишени.

Из полученных результатов следует, что для всех используемых материалов катода имплантера возрастание значения параметра шероховатости Ка отмечается для дозы облучения 1017 ион/см . Увеличение дозы облучения сварных образцов приводит к снижению значения параметра шероховатости сварного шва до 5-7 нм, что примерно в 1,3-1,7 раза меньше, чем у контрольных (необ-лученных) образцов.

Значение микротвердости по длине исходных образцов примерно равное и лежит в пределах 4200...4350 МПа. Микротвердость образцов, облученных ионами меди и кобальта, увеличивается на 12...37 % по сравнению с исходным значением. Максимальное увеличение микротвердости достигается при облучении с дозой 5*1017 ион/см2, для всех трех вариантов катода имплантера. Глубина отпечатка индентора составляла 5-6 мкм, что значительно превышает толщину модифицированного слоя.

Результаты усталостных испытаний облученных и необлучен-ных образцов показали, что наибольшее увеличение усталостной прочности происходит при дозе облучения ионами 5*10 ион/см , что соответствует максимальному увеличению микротвердости и содержанию легирующих элементов в поверхностных слоях. ^

Необходимо отметить, что при начальной дозе облучения 10 ион/см2 наблюдается более раннее разрушение образцов по сравнению с исходными. Снижение предела выносливости образцов можно объяснить разупрочнением материала из-за формирования фаз Лавеса.

Результаты рентгеноструктурного анализа не выявили изменения структурно-фазового состояния в объеме образцов, облученных ионами меди и кобальта, по сравнению с исходными образцами. Увеличение усталостной прочности облученных образцов обусловлено изменениями структуры и состава поверхностных слоев, а так же сглаживанием поверхности и залечиванием поверхностных микротрещин.

Для повышения микротвердости сварного шва сплава ВТ6 целесообразно использовать в качестве катода сплав 40%Си-б0%Со с дозой имплантации 5*1017 ион/см2. Увеличение дозы имплантации не приводит к существенному изменению микротвердости, в тоже время значительно увеличивает длительность обработки.

Рекомендуемым диапазоном значений флюенса сплава ВТ6 при имплантации сплавом 50%Си-50%Со является диапазон (2,5...7,5>1017 ион/см2. Применение больших значений флюенса неоправданно с точки зрения увеличения, как продолжительности обработки, так и величины износа облученного сплава.

Стабилизация значений объемного износа сварного шва наблюдается при дозе имплантации более 5*1017 ион/см . При этом значение износа сварного шва приближается к значению износа основного металла при флюенсе (10... 12) • 10 ион/см .

Результаты рентгенограмм, снятых с исходного образца и образцов после имплантации не выявили каких-либо качественных изменений фазового состава материала. Однако, под действием ионной имплантации происходит изменение параметров кристаллической решетки. Характер и степень изменения определяются наличием легирующих элементов в материале катода. В тоже время ионная имплантация способствует измельчению структуры и повышению внутренних микронапряжений в кристаллической решетке.

Было выполнено сканирование по линии в поперечном направлении к имплантированному слою (рис. 5). Для исследования тонкой структуры имплантированного слоя сплава ВТ6 применялась методика прямого разрешения кристаллической решетки.

С помощью этой методики удается выявить кластерное строение вещества, которое получается в результате фазового превращения аморфного состояния в кристаллическое. Если аморфное состояние представляется полностью разупорядоченным расположением атомов различных сортов, то кластер -это первый кристалл, насчитывающий в себе до « 1000 атомов. В нашем эксперименте встречается аморфная структура. Это - структура платинового покрытия.

Дифракция электронов от кристаллов дает точечную картину, например, дифракция от области, диаметром 1 мкм с участка сплава ВТ6, выбранного в имплантированном слое, показана на рис. 6, а. На нем видна точечная картина рефлексов, которые образуют кольцевые структуры. Размытие отдельных отражений в азимутальном направлении свидетельствует о наличии субструктуры с небольшими углами разориентировки между субзернами, а появле-

ние. 5. Максимальная толщина области проникания меди и кобальта в сплаве ВТб (около 1 мкм)

ние на кольце упорядоченных сечений обратной кристаллической решетки и их повороты, говорит о наличии высокоугловых границ. В отличие от поликристаллической картины аморфное состояние не дает точечных рефлексов, а даег картину рассеяния электронов в форме гало (рис. 6, б).

Имплантация Си и Со в решетки р и а вносит искажения (дис-торсии) с образование полей упругих напряжений, которые поворачивают локальные области кристаллов, образуя вихревые структуры. Причиной возникновения кластеров являются локальные повороты кристаллической решетки в объеме вихря. Поскольку имплантация проходит во времени то образование первоначального локального поворота элементарного объема решетки вызовет в силу действия закона Фарадея-Ленца индуцированный поворот решетки матрицы. Таким образом, вокруг первоначального вихря образуется вихревая кольцевая структура.

Рис. 6. Дифракционные картины: а —с поперечного сечения имплантированного слоя обогащенного Си и Со; б-с аморфной структуры платинового покрытия

Вихри (локальные повороты элементарных объемов кристаллической решетки) играют основную роль в образовании нано двойников и головы мартенситной иглы. Такую картину мы наблюдаем на рис. 7, когда образуются области с нанод-войниковой структурой. По-видимому, фазовые превращения р~>а, а-»а' происходят по предложенному в работе механизму.

структуры в сплаве ВТ6

Пятая глава посвящена разработке технологических рекомендаций для ионной имплантации поверхности деталей летательных аппаратов из титанового сплава ВТ6, в основу которой положены результаты, полученные в процессе исследований.

На установке для ионной имплантации были обработаны тяги управления створками двигателя и болты крепления верхнего тормозного щитка. Имплантация проводилась для деталей, работающих вне коррозионной среды, ионами сплава 50%Си-50%Со. Установлено, что при температуре 250 °С износ тяг из сплава ВТ6 в исходном состоянии превосходит износ тяг после имплантации в 1,61,8 раза.

Результаты, полученные в процессе стендовых испытаний натурных деталей летательных аппаратов из титанового сплава ВТ6, показали, что ионная имплантация позволяет повысить износостойкость деталей и снизить коэффициент трения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан технологический процесс ионного легирования образцов из титанового сплава ВТб и его сварных соединений с применением в качестве материала катода имплантера сплава СоСи с содержанием кобальта 40, 50 и 60 %.

Рис. 7. Образование двойниковой

2. Показано, что увеличение содержания кобальта в материале катода с 40 до 50% способствует росту глубины проникновения ионов кобальта в сплав ВТ6. При этом глубина проникновения ионов в сварной шов превосходит глубину их проникновения в деформированный металл. С помощью электронной микроскопии подтверждено, что максимальная толщина области проникания меди и кобальта в сплаве ВТ6 составляет около 1 мкм, при этом толщина поверхностного ионно-легированного слоя составляет 10-25 нм.

2. Установлено, что облученные образцы сплава ВТ6 при усталостных испытаниях выдерживают большее количество циклов до разрушения по сравнению с исходными образцами. С увеличением содержания кобальта в материале катода до 50% наблюдается рост показателя относительной усталости до 2,11. Максимальный предел выносливости имплантированных образцов составил 798 МПа для основного металла и 695 МПа для сварного соединения.

4. Установлено, что ионная имплантация с применением в качестве материала катода сплава 40%Си-60%Со позволяет повысить износостойкость сплава ВТ6 в 3,0...3,6 раза. При этом износостойкость сварного шва составляет 0,75-0,88 от износостойкости основного металла (база испытаний 16 кц).

6. Определен оптимальный диапазон значений флюенса для сплава ВТ6, который составляет (2,5...7,5> 1017 ион/см2. При дозе имплантации более 5*1017 ион/см2 наблюдается стабилизация значений объемного износа сварного шва. С увеличением дозы имплантации до (10...12)'1017 ион/см2 значение износа сварного шва приближается к значению износа основного металла.

7. Стендовые испытания подтвердили повышение износостойкости и снижение коэффициента трения, что позволит повысить эксплуатационный ресурс деталей типа тяг. Причем при температуре 250 °С износ тяг из титанового сплава ВТ6 превосходит износ тяг после имплантации в 1,6-1,8 раза.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Всего по теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Семендеева О.В. Металлургические и технологические особенности имплантации титановых сапавов / Н.В. Учеваткина, О.В. Семендеева, В.В. Овчинников // Машиностроение и инженерное образование. - 2011. - №2. - С. 17-28.

2. Семендеева О.В. Современное состояние метода имплантации деталей из титановых сплавов / Н.В. Учеваткина, О.В. Семендеева, В.В. Овчинников // Заготовительное производство в машиностроении. - 2011. -№10. - С. 38-41.

3. Семендеева О.В. Упрочнение поверхностного слоя деталей из титанового сплава ВТб лазерной поверхностной обработкой / Н.В. Учеваткина, О.В. Семендеева, В.В. Овчинников II Материаловедение. -2013-№2.-С. 25-30.

4. Семендеева О.В. Упрочнение поверхностного слоя деталей из титанового сплава ВТ6 лазерной поверхностной обработкой / Н.В. Учеваткина, О.В. Семендеева, В.В. Овчинников // Технология металлов,- 2013. -№ 1.-С. 30-35.

Патенты на изобретения

5. Патент № 2479366 РФ, МГПС В 22 С 14/28. Способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов / Семендеева О.В., Учеваткина Н.В. Овчинников В.В. и др. - заявл. 26.11. 2010; опубл. 20.12.2012. Бюл. 38.

Семендеева Ольга Валерьевна

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 СОВМЕСТНОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНОВ МЕДИ И КОБАЛЬТА

Автореферат

Подписано в печать 29.04.14 Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100. Заказ № 95

Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 276-33-67

Отпечатано в типографии издательства МГИУ

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

На правах рукописи

04201458481

СЕМЕНДЕЕВА ОЛЬГА ВАЛЕРЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОИКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 СОВМЕСТНОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНОВ МЕДИ И КОБАЛЬТА

Специальность

05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Овчинников В.В.

Москва-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................... 10

1.1. Конструктивные особенности и условия эксплуатации подвижных деталей летательных аппаратов из титановых сплавов........................................................................................ 10

1.2. Особенности процесса ионной имплантации............................... 16

1.3. Технологические варианты ионной имплантации металлов........................................................................................ 25

1.4. Металлургические и технологические особенности имплантации титановых сплавов.................................................................... 29

1.5. Цель и задачи исследования................................................... 44

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................. 46

2.1. Химический состав и свойства титанового сплава ВТ6....................................................................................... 46

2.2. Оборудование и режимы сварки образцов сплава ВТ6....................................................................................... 48

2.3. Режимы и особенности ионной имплантации............................. 52

2.4. Методы механических испытаний образцов............................... 55

2.4.1. Испытание образцов на растяжение....................................... 55

2.4.2. Испытания образцов на усталость......................................... 55

2.5. Образцы и оборудование для испытаний на износ....................... 56

2.6. Методы исследования структуры имплантированного слоя....................................................................................... 58

2.6.1. Металлографический анализ................................................ 58

2.6.2. Электронная микроскопия................................................... 59

2.7. ОЖЕ-электронная спектроскопия........................................... 61

2.8. Исследование профилей распределения имплантированных ионов

методом вторичной ионной масс-спектрометрии.............................. 61

2.9. Рентгеноструктурный анализ................................................ 63

2.10.Измерение микротвердости поверхностных слоев...................... 63

2.11. Исследование шероховатости поверхности образцов до и после имплантации............................................................................ 64

2.12. Математическая обработка результатов экспериментов............... 66

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ МЕДИ И КОБАЛЬТА НА СВОЙСТВА СТРУКТУРУ СПЛАВА ВТ6 И ЕГО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ...................................................... 67

3.1. Состав и структура сплава меди и кобальта для изготовления катодов имплантера......................................................................... 67

3.2. Механические свойства сплава ВТ6 и его сварных соединений....................................................................................... 68

3.3. Исследование распределения ионов меди и кобальта методом ВИМС в имплантированном слое при облучении сплава ВТ6 и его сварных соединений........................................................................ 74

3.4. Результаты усталостных испытаний облученных и необлученных образцов сплава ВТ6.................................................................. 79

3.5. Оценка причины снижения усталостной прочности образцов сплава ВТ6 при имплантировании катодом 40%Си-60%Со............................... 83

3.6. Влияние имплантации на износостойкость сплава ВТ6 и его сварных соединений........................................................................ 87

3.7. Влияние имплантации на морфологию поверхности образцов сплава ВТ6.................................................................................... 90

Выводы к главе 3...................................................................... 93

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ МЕДИ И КОБАЛЬТА НА ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ, ТОПОГРАФИЮ ПОВЕРХНОСТИ И СВОЙСТВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6..................................................................... 95

4.1. Изменение состава поверхностных слоев.................................. 95

4.2. Изменение шероховатости поверхности под действием ионной имплантации............................................................................... 99

4.3. Изменение механических свойств имплантированных образцов...... 101

4.4. Влияние дозы имплантации на трибологические характеристики сплава ВТ6 и его сварных соединений............................................ 107

4.5. Результаты рентгенографических исследований.......................... 109

4.6. Электронно-микроскопическое исследование поверхностного слоя

после имплантации на титановом сплаве ВТ6.................................. 115

Выводы к главе 4...................................................................... 121

Глава 5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ОПЫТНОЙ ПАРТИИ ТЯГ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА.......................................................... 130

5.1. Объекты промышленного использования результатов исследований......................................................................................... 123

5.2. Рекомендуемые технологические параметры ионной обработки..... 132

5.3. Технологические пути повышения эффективности влияния ионной имплантации на износостойкость авиационных деталей из титанового

сплава ВТ6.............................................................................. 133

Выводы к главе 5...................................................................... 143

Общие выводы и результаты работы.............................................. 144

Список литературы................................................................... 146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Современная химическая, энергетическая, судостроительная и авиационная отрасли промышленности предъявляют высокие требования к надежности эксплуатируемых конструкций и оборудования и, как следствие, к применяемым материалам. При этом методы создания функциональных покрытий и пленок на материалах расширяют возможности из использования при работе в коррозионно-агрессивных средах, при повышенных температурах и на изнашивание.

Лидирующее положение титана и его сплавов как коррзионностойкого материала неоспоримо. Однако, несмотря на высокие механические свойства в сочетании с небольшой плотностью и хорошей коррозионной стойкостью, широкому применению титана и его сплавов в качестве конструкционного материала для подвижных деталей машин и механизмов препятствует исключительно высокая склонность к схватыванию и задиранию при работе на трение скольжения даже в условиях подачи обильной смазки. Это обуславливается в первую очередь сравнительно высоким коэффициентом трения по титану (0,5). При скольжении титана по поверхности других, более твердых материалов, коэффициент трения первоначально является низким, но затем быстро повышается и достигает 0,9 вследствие того, что титан налипает на поверхность этих металлов.

Ионная имплантация как метод управления поверхностно-чувствительными свойствами материалов интенсивно развивается в последние несколько десятилетий и в настоящее время достаточно широко используется в промышленном производстве.

Анализ последних достижений в области модификации свойств материалов показывает, что наиболее перспективными методами повышения долговечности и надежности оборудования, работающего в условиях трения при повышенных температурах, являются вакуумные ионно-плазменные технологии. Они позволяют получать на поверхности обрабатываемого изделия ионно-

модифицированных слой толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрометров.

Ионная имплантация имеет ряд преимуществ, по сравнению с другими способами обработки поверхности: поверхностные свойства материалов можно изменять независимо от его объемных свойств; процесс не имеет термодинамических ограничений; имеется возможность создания твердых растворов с содержанием легирующих элементов, значительно превышающих пределы растворимости; составы сплавов не ограничены рамками равновесных диаграмм состояния, поэтому могут быть получены новые метастабиль-ные составы; ионная имплантация модифицирует существующие внешние поверхности и внутренние границы раздела; первоначальные размеры изделия не изменяются в процессе ионной обработки и др.

Список монографий и обзоров, вышедший в последние годы, достаточно обширен. Однако данные работы не дают полной комплексной оценки эксплуатационных свойств деталей, работающих в условиях трения, циклических нагрузок и коррозионной среды, при направленной модификации их поверхности несколькими сортами ионов различных металлов.

На основании изложенного, представляется целесообразным исследование влияния двухкомпонентной ионной имплантации на эксплуатационные свойства поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 и его сварных соединений при разработке технологии повышения эксплуатационных свойств подвижных соединений деталей в конструкциях авиационной техники.

Цель работы. Установить влияние ионной имплантации с катодом из сплава Со-Си на износостойкость и эксплуатационные свойства двухфазного (а+(3)-сплава Т1-А1-У (ВТ6) и его сварных соединений.

Для реализации указанной цели необходимо последовательно решить следующие задачи:

1. Обоснование выбора состава материала катода имплантера.

2. Исследование распределения ионов в поверхностном слое титанового сплава ВТ6, получаемого путем имплантации с применением двухкомпо-нентных катодов на основе медь-кобальт.

3. Экспериментальные исследования влияния ионной имплантации на износостойкость сплава ВТ6 и его сварных соединений, полученных сваркой плавлением.

4. Определение влияния параметров режима имплантирования на изменение износостойкости и эксплуатационных свойств сплава ВТ6.

5. Экспериментальное исследование изменения структуры поверхностного слоя сплава ВТ6 и его сварных соединений под влиянием имплантации ионами сплава Co-Cu.

6. Проведение промышленной апробации результатов диссертационных исследований и разработка технологических рекомендаций по имплантации деталей летательных аппаратов из сплава ВТ6.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Впервые применены двухкомпонентные сплавы на основе несмеши-вающихся компонентов Cu-Co в качестве источника ионов для синтеза антифрикционных имплантированных слоев в поверхностных областях деталей из титанового сплава ВТ6, подвергающихся износу при трении.

2. Впервые имплантации подвергнуто сварное соединение сплава ВТ6, выполненное сваркой плавлением, и установлен факт повышения его износостойкости.

3. Установлен факт увеличения глубины проникновения ионов в имплантированном слое сварного шва по сравнению с основным металлом сплава ВТ6 вследствие наличия литой структуры и растягивающих напряжений в шве.

Методика исследования. Для проведения исследований применялось следующее современное оборудование. Топография поверхности титанового сплава ВТ6 исследовалась с помощью оптического («Carl Zeiss») и электронного сканирующего («EVO-50») микроскопов. Структура и фазовый состав

имплантированного слоя изучались методами рентгенографии с использованием дифрактометра D8 Discover (Bruker-AXS, Германия), на микроскопах ЭМ-125К и Tesla RS-540, вторичной ионной масс-спектрометрии на приборе PHI-6600 SIMS System фирмы «Physical Electronics». Для исследования имплантированного слоя также применялся Оже-спектрометр PHI 700 AES фирмы «Physical Electronics». Измерение микротвердости проводилось на микротвердомере ПМТ-3.

Определение усталостной прочности образцов проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 25502-81 на машине «TIRATE ST-2300».

Практическая ценность результатов работы

В работе исследовалась возможность улучшения механических и три-бологических свойств титанового сплава ВТ6 и его сварных соединений при совместной имплантацией ионами кобальта и меди. Достигнуто повышение усталостной прочности исследуемого титанового сплава и его сварных соединений при снижении коэффициента трения и массового износа.

Сформулированы рекомендации для технологических процессов:

1. Разработан технологический процесс ионной имплантации поверхности деталей из титанового сплава ВТ6 с применением ионов сплава Си-Со на основе несмешивающихся компонентов.

2. Проведена имплантация опытной партии деталей типа тяг, которая успешно прошла стендовые испытания.

Полученные результаты могут использоваться специалистами в области поверхностного упрочнения, как для создания новых технологий обработки поверхности деталей из титановых сплавов мартенситного класса, так и для разработки технологии получения новых материалов.

Разработанные технологические режимы для ионной модификации поверхности высоконагруженных шарнирных соединений из титанового сплава ВТ6 внедрены на ОАО «Российская самолетостроительная корпорация «МиГ».

Достоверность результатов

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается применением современных методов исследований, исследовательской и контрольно-измерительной техники, объемом проведенных экспериментов, согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.

Личный вклад автора состоит:

- в проведении усталостных испытаний;

- в проведении исследований микроструктуры ионно-легированного слоя, полученного в сплаве ВТ6 и его сварных соединениях после имплантации;

- в проведении исследований износостойкости сплава ВТ6 и его сварных соединений;

- в анализе полученных результатов, их обсуждении и формулировке выводов.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Конструктивные особенности и условия эксплуатации подвижных соединений деталей летательных аппаратов из титановых сплавов

Современная химическая, энергетическая, судостроительная и авиационная отрасли промышленности предъявляют высокие требования к надежности эксплуатируемых конструкций и оборудования и, как следствие, к применяемым материалам, особенно работающих в коррозионно-агрессивных средах, при повышенных температурах и на изнашивание.

Ограниченное применение титана и его сплавов в качестве конструкционного материала для изготовления подвижных деталей машин и механизмов связано с высокой склонностью к схватыванию и задиранию при работе на трение скольжения даже в условиях подачи обильной смазки, что обусловлено сравнительно высоким коэффициентом трения по титану (0,5). При скольжении титана по поверхности других, более твердых материалов, коэффициент трения первоначально является низким, но затем быстро повышается и достигает значения 0,9 вследствие того, что титан налипает на поверхность этих материалов.

Кроме того, титан и его сплавы значительно хуже адсорбируют смазки, чем конструкционные среднелегированные стали. Вследствие этого, совершенно исключается использование титана и его сплавов для изготовления подвижных трущихся деталей без специальной обработки поверхности трения, даже при применении наиболее активных сульфированных смазок.

Для увеличения стойкости деталей против разрушения при работе в условиях трения путем повышения твердости и сопротивляемости износу рабочего поверхностного слоя применяют антифрикционные покрытия. Применяемые материалы покрытий должны быть высокотвердыми, износостойкими и во многих случаях теплостойкими. Эти общие требования необходимы

для обеспечения стойкости против изнашивания большого числа конструкций, работающих в разнообразных условиях трения: при контакте с трущимися деталями, воздействии потока жидкости или газа, приводящем к эрозионному износу, воздействии на изнашивающуюся поверхность многократно повторяющихся знакопеременных или динамических нагружений и др.

На беспилотных ударных летательных аппаратах типа «СКАТ», сконструированном на базе ОАО «РСК «МИГ», подвижная часть конуса управления сопловым аппаратом перемещается по титановой трубе на скользящих подшипниках из ферритного чугуна (рис. 1.1). Поэтому на трубе в зоне подшипников наблюдается износ в виде кольцеобразных канавок, расположение которых соответствует положениям конуса, задаваемым трехпозиционным гидроцилиндром конуса.

г з *

б

Рис. 1.1. Беспилотный летательный аппарат «СКАТ» (а) и подвижная

часть конуса соплового аппарата (б): 1 - конус; 2 - фланец; 3 - направляющая труба; 4 - подвижный цилиндр;

5 — диск; 6 — гидроцилиндр

Тяги из титановых сплавов применяются также в узлах навески створок тормозного парашюта (рис. 1.2). Значительное увеличение технологичности изготовления конструкции может быть достигнуто за счет применения сварного варианта изготовления тяг.

Основными способами повышения износостойкости узлов трения из титановых сплавов являются методы нанесения покрытий [1,2]: гальваниче-

ские (хромирование, анодирование и др.), химическое никелирование, химико-термические (азотирование, оксидирование - альфирование), напыление тугоплавких частиц с помощью детонационного, плазменного и электроискрового методов.

Рис. 1.2. Узлы нав�