автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой

На правах рукописи

005019276

КРУКОВСКИЙ Константин Витальевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТИТАНА ВТ1-0 И СПЛАВОВ ПТ-ЗВ И ВТ6 С КРУПНОЗЕРНИСТОЙ И УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов 01.04.07 Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 в дпр 2072

Томск-2012

005019276

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждение науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Кашин Олег Александрович

Научный консультант доктор технических наук, доцент

Гриценко Борис Петрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, доцент, заведующий

лабораторией физикохимии порошковых материалов, ИФПМ СО РАН Прибытков Геннадий Андреевич

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией металлографии, ОСП СФТИ ТГУ

Табаченко Анатолий Никитович

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Защита состоится «11» мая 2012 г. в 14— ч. на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр-кт Академический, 2/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН. Автореферат разослан « 5» апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор технических наук / / О.В. Сизова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Титан и его сплавы на сегодняшний день являются одними из перспективных металлических материалов для современной техники и медицины. Однако низкое сопротивление изнашиванию титана и его сплавов значительно ограничивает сферу их применения. Тем не менее, титан и его сплавы используют в трибосопряжениях, где по условиям эксплуатации требуются высокая коррозионная стойкость в сочетании с низким весом, но при этом предполагается кратковременная работа узла, либо для повышения износостойкости используют различные методы модификации^ поверхности изделий или нанесение покрытий.

В настоящее время использование методов интенсивной пластической деформации для формирования ультрамелкозернистой структуры в титане и титановых сплавах позволило повысить их прочностные свойства, что открыло новые перспективы их применения. В литературе имеется сравнительно небольшое количество сведений о трении и изнашивании титана и его сплавов с ультрамелкозернистой структурой, а сделанные в этих работах выводы противоречивы. По-видимому, это обусловлено неполным учетом особенностей ультрамелкозернистой структуры, характеризующейся не только малым размером зерен, но и высокой неравновесностыо. Таким образом, актуальным является выяснение факторов, определяющих закономерности трибологического поведения ультрамелкозернистых титана и его сплавов.

Разработаны достаточно эффективные способы повышения износостойкости титана и титановых сплавов путем модификации поверхности либо нанесения покрытий. Однако для материалов с ультрамелкозернистой структурой эти способы не всегда пригодны, поскольку большинство из них предполагает высокое и продолжительное термическое воздействие. Поэтому исследование возможности повышения износостойкости титана и его сплавов с ультрамелкозернистой структурой также является актуальной задачей.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является изучение закономерностей изнашивания титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой при трении с граничной смазкой, а также исследование возможности повышения износостойкости этих материалов методами высокодозной ионной имплантации и электроискрового легирования.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:

1. Провести аттестацию структуры титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 в исходном состоянии и после формирования ультрамелкозернистой структуры по различным технологическим схемам.

2. Исследовать закономерности изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой в условиях трения с граничной смазкой.

3. Выявить наиболее значимые параметры структуры ультрамелкозернистых материалов (размер зёрен, фазовый состав, степень неравновесности струк-

туры), оказывающие определяющее влияние на закономерности их изнашивания.

4. Определить параметры высокодозной ионной имплантации и электроискрового легирования, обеспечивающие наибольшую износостойкость исследуемых материалов.

Научная новизна. Установлено, что в исследованных условиях интенсивность изнашивания сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 выше, чем у титана технической чистоты ВТ1-0, и ее величина максимальна для сплава ВТ6, имеющего наибольшие концентрации легирующих элементов.

Разработана методика оценки неравновесности структуры с использованием метода дифракции обратно рассеянных электронов.

На основе проведенных экспериментальных исследований сформулированы общие закономерности и различия элементарных механизмов изнашивания нелегированного титана технической чистоты ВТ 1-0 и титановых сплавов ПТ-ЗВ, ВТ6.

Показано, что при испытаниях в исследованных условиях определяющим параметром для всех исследованных материалов является степень неравновесности структуры: чем выше степень неравновесности структуры, тем выше интенсивность изнашивания.

Практическая значимость. Установленная в работе более высокая интенсивность изнашивания сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 по сравнению с титаном технической чистоты ВТ1-0 как в крупнозернистом, так и в ультрамелкозернистом состоянии позволяет рекомендовать для применения в трибосопряжениях нелегированный ультрамелкозернистый титан.

Выявленная в работе корреляция интенсивности изнашивания со степенью неравновесности ультрамелкозернистой структуры может быть использована для выработки рекомендаций по корректировке технологических режимов получения ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ1-0 и сплавах ПТ-ЗВ и ВТ6, чтобы обеспечить, наряду с повышением прочностных характеристик, и повышение сопротивления изнашиванию.

Результаты по влиянию сорта имплантируемых элементов при высокодозной имплантации и материалов электрода при электроискровом легировании на закономерности изнашивания могут использоваться для повышения износостойкости титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 как с крупнозернистой, так и с ультрамелкозернистой структурой.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика оценки относительной степени неравновесности структуры ультрамелкозернистых металлов и сплавов по параметру, рассчитанному на основании данных компьютерной обработки картин дифракции обратнорассеянных электронов.

2. Экспериментально установленное образование на поверхности трения образцов крупнозернистого титана и ультрамелкозернистого титана с равновесной структурой износостойких вторичных структур в виде островков, предположительно содержащих мелкодисперсный диоксид титана, которые предотвращают адгезионный механизм изнашивания.

3. Определяющее влияние степени неравновесности ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ1-0 и сплавах ПТ-ЗВ и ВТ6 на интенсивность их изнашивания: чем больше степень неравновесности структуры, тем выше интенсивность изнашивания.

4. Повышение износостойкости титана ВТ1-0 с крупнозернистой структурой путем высокодозной имплантации ионов алюминия, обеспечивающей формирование в поверхностном слое титана износостойких ультрадисперсных интер-металлидных частиц Ti3Al.

Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается использованием современных апробированных методик исследования, анализом литературных данных, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных, статистической обработкой результатов эксперимента.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006 г.), III Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 16-19 апреля 2006 г.), VI Всероссийской школе-семинаре «Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2006» (Томск, 13-16 июня 2006 г.), XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 26 - 29 июня 2006 г.), IV Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 15-18 мая 2007 г.), VII Всероссийской школе-семинаре «Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2007» (Томск, 13-15 июня 2007 г.), VIII Международной конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 2008 г.), 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (September 21 - 26, Tomsk, Russia, 2008), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 16-20 ноября 2009 г.), I Международная научно-практическая конференция «Технология, материалы, транспорт и логистика: ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» TMTL'10 (20-24 сентября 2010 г., Ялта, Украина), Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и нано-структурные материалы — 2010» (Уфа, 11-15 октября 2010), Научно - технической конференции с участием иностранных специалистов «Трибология — машиностроению, посвященная 120 — летаю со дня рождения проф. М.М. Хрущова» (Москва, 7-9 декабря 2010 г.), V Международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (Минск, 15-17 сентября 2010 г.), XII Международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов ДСМСМС-2011» (Екатеринбург, 13-16 июня 2011 г.), Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (Томск, 5-9 сентября 2011 г.), XI Международной

конференции «Трибология и надёжность» (27-29 октября 2011 г. Санкт-Петербург).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, из них 5 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 18 докладов и 10 тезисов - в материалах научных конференций различного уровня.

Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задачи диссертации, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 91 наименование. Всего 171 страница машинописного текста, в том числе 75 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

Первый раздел посвящен обзору литературных данных о теоретических основах трибологии и основных терминах и определениях, используемых в настоящее время в литературе при описании экспериментальных данных по изучению закономерностей изнашивания материалов. Проведён анализ литературных данных о закономерностях изнашивания титана и его сплавов в различных условиях: со смазкой и без смазки; при различной нагрузке и скорости, на воздухе, в атмосфере различных газов и в вакууме; в паре с различными материалами. Рассмотрены различные методы повышения износостойкости титана и его сплавов, описаны их достоинства и недостатки.

Второй раздел посвящен постановке задачи исследования и содержит описание используемых в работе материалов и методики экспериментальных исследований. В работе исследованы технически чистый титан ВТ1-0, сплавы ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой (КЗ) и ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, химический состав которых приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав (вес. %) исследуемых материалов.

А1 V Ъх 8І Рс С 02 N2 н2

ВТ1-0 а 0,5 0,09 0,18 0,07 0,12 0,04 0,01

ПТ-ЗВ а + Р 4,66 1,92 0,02 0,013 0,006 0,004 0,096 0,006 0,006

ВТ6 а + р 6,2 4,0 0,02 0,038 0,13 0,006 0,168 0,010 0,002

УМЗ структура в титане ВТ1-0 и сплавах ПТ-ЗВ и ВТ6 была сформирована по различным схемам термомеханических обработок с использованием метода всестороннего изотермического прессования {авс-прессования) с дополнительной прокаткой при разных температурах. Формирование ультрамелкозернистой структуры с заданными параметрами проводили в рамках Госконтракта №02.447.11.2002 в Учреждениях Российской академии наук Институте проблем сверхпластичности металлов РАН (г. Уфа) и Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (г. Томск).

Рентгеновский структурно-фазовый анализ проводили на дифрактометре ДРОН-7 с излучением СоКа. Помимо съемки с геометрией по Брэггу-Брентано, использовали асимметричную схему скользящего луча. Морфологию поверхностей трения исследовали на оптическом микроскопе AXIOVERT-200 М и на растровом электронном микроскопе EVO 50 фирмы Карл Цейс (Германия). Химический состав поверхности определяли методом микрорентгеноспек-тралыюго анализа с использованием приставки энергодисперсионного анализа INCA Oxford Instruments. Исследование структуры методом дифракции обратно рассеянных электронов (ДОЭ) также проводили на микроскопе EVO 50 с использованием приставки NORDLYS Oxford Instruments HKL Technology. Получение и обработка результатов по методу ДОЭ производились с помощью программного обеспечения CHANNEL 5. Аттестацию структурно-фазового состояния исследуемых образцов проводили методом просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе ЭМ-125К.

Для оценки степени неравновесности микроструктуры в работе была разработана методика, основанная на методе автоматического анализа картин дифракции обратнорассеянных электронов. Для всех исследуемых материалов с помощью данного метода были получены карты качества картин дифракции. Построение карты осуществляется пошаговым сканированием поверхности образца от точки к точке, в каждой точке происходит оценка и детектирование дифракционной картины (Кикучи-линий). Высокая плотность дефектов, таких как дислокации, внутренние границы раздела, точечные дефекты, а также вызванные данными дефектами искажения кристаллической решётки (присущие материалам, полученным интенсивной пластической деформацией) приводят к искажению Кикучи-лииий, к их размытию и снижению интенсивности. При достаточно высокой плотности дефектов дифракционная картина не может быть проанализирована программным обеспечением, и точка обозначается на карте как не детектированная. Чем выше плотность дефектов в объеме материала, то есть чем более неравновесна структура, тем меньше количество детектированных точек. Процентное отношение детектированных точек к общему количеству точек на заданной площади мы обозначили как коэффициент детектирования Kjn,. По величине этого параметра можно оценить относительную степень неравновесности структуры материала, полученного по различным режимам: чем меньше значение коэффициента детектирования, тем выше неравновесность структуры. При исследовании по методу ДОЭ ускоряющее напряжение на микроскопе составляло 20 кэВ, ток пучка - 10 нА, шаг сканирования для крупнозернистых материалов - 5 мкм, для ультрамелкозернистых - 0,2 мкм. При анализе величины коэффициента детектирования необходимо также учитывать изменение протяженности границ зерен. По нашим оценкам, при изменении размера зерен на 3 порядка коэффициент детектирования может уменьшиться на 30%.

Триботехнические испытания проводились по схеме «диск-палец» на машине трения, аналогичной УМТ-1. Образцы имели форму параллелепипеда с размерами 5x5x40 мм. Одновременно устанавливали по 3 образца для обеспечения устойчивой плоскости трения. Образцы перед установкой подвергали

механической шлифовке и электролитической полировке для снятия наклёпанного слоя. Контртелом служил диск диаметром 200 мм из закаленной стали ШХ 15 (Н11С = 62-65). Нагрузка при испытаниях титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 составляла 25 Н. Скорость при испытании всех образцов составляла 3 м/с. В качестве граничной смазки применяли индустриальное масло И-20.

Ионную имплантацию образцов проводили на технологическом ускорителе ионов «ДИАНА-2». При модификации поверхности методом высокодоз-ной ионной имплантации использовали ионы С, А1, М), Мо. Ускоряющее напряжение при имплантации составляло 60 кВ, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность - 200 мкс. При имплантации титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 ионами С и флюенс составлял 1017 ион/см2, при имплантации ионами Мо, А1, № - 5х1017 ион/см2. Образцы перед ионной имплантацией подвергали шлифовке и электролитической полировке.

Поверхностную модификацию методом электроискрового легирования (ЭИЛ) проводили на установке «ЭЕ—5.01», разработанной в ИФПМ СО РАН. Использовали электроды из меди М1, графита ГЭ и титана ВТ1-0. Выходное напряжение и ёмкость конденсатора подбирали таким образом, чтобы получаемое покрытие получалось сплошным и имело наименьшую шероховатость. Напряжение при обработке медью составляло У=59 В, ёмкость конденсатора С=85 мкФ (1 режим), У=70 В и С=130 мкФ (2 режим), при обработке углеродом У=70 В и С=315 мкФ, при обработке титаном У=57 В, С=40 мкФ.

Третий раздел посвящен описанию технологии получения, аттестации структуры и закономерностей изнашивания титана ВТ1 -0 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой. В таблице 2 приведены принятые в работе обозначения, параметры структуры и механические свойства материалов в зависимости от технологии их получения.

Таблица 2. Технологические схемы получения, параметры структуры

и механические свойства титана ВТ1-0.

КЗ ВТ 1-0 УМЗ ВТ 1-0 I УМЗ ВТ1-0 II УМЗ ВТ1-0 III

Схема Заводская поставка аЬс-прессование (1123-773К, е»7,3) аЬс-прессование (П23-773К, е«7,3) + многопроходная прокатка (293 К, е«0,45) аЬс-прессование (1123-773К, е»7,3) + многопроходная прокатка (573 К, е«1,8)

с/сг, мкм 400 0,8 0,8 0,5

р, 109см"2 3 3 50 2

Кои,, % 98 39 27 62

ов, МПа 420 576 635 730

Со 2, МПа 275 557 460 470

5,% 21,6 16 12 15

МПа 1900 2100 2800 2700

(1ч, — средний размер зерен, р — скалярная плотность дислокаций, Кое, - коэффициент детектирования, С» - предел прочности, Со.2 - условный предел текучести, 8 - деформация при разрушении, Я„ - твердость.

Из таблицы 2 можно видеть, что наибольшую дефектность и неравновесность структуры имеет материал УМЗ ВТ1-0 II (рис. 1 б), о чем свидетельствуют высокая скалярная плотность дислокаций и низкий коэффициент детектиро-

Рис. 1 - Электронно-микроскопические изображения микроструктуры титана УМЗ ВТ 1-0 I (а), УМЗ ВТ 1-0 II (б), УМЗ ВТ1-0 III (в).

вания. Наиболее равновесную структуру (^,,=98%) имеет крупнозернистый титан.

График зависимости потери веса образцов титана ВТ 1-0 с крупнозернистой структурой от пути трения показан на рисунке 2. На приведенной зависимости имеются стадии с высокой скоростью изнашивания (1, 3, 5), характерные для адгезионного или абразивного механизма изнашивания, и стадии 2, 4, 6 с установившейся низкой скоростью изнашивания, характерные для нормального изнашиваиия.

На начальной стадии 1 наблюдается перенос материала образцов на контртело, и на контртеле происходит формирование слоя из перенесенного материала (рис. 3 а). При переходе к стадии 2 с низкой скоростью изнашивания дорожка на контртеле практиче-

др, мг 10 8 б 4 2 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 и км Рис. 2 - Зависимости потери массы от пути трения образцов крупнозернистого титана КЗ ВТ1-0. Стадии с высокой скоростью изнашивания - 1, 3, 5; стадии с установившейся низкой скоростью изнашивания — 2,4, 6.

ски полностью исчезает (рис. 3 б), а на поверхности трения образцов происходит формирование вторичных структур в виде островков (рис. 3 в). Данные структуры присутствуют на всей стадии с низкой скоростью изнашивания и имеют практически равную высоту (~ 10 мкм) по отношению к остальной поверхности трения, а также выраженную плоскую поверхность. Площадь островков составляет 5-4 0% от поверхности трения. Микрорентгеноспектральный анализ этих островков показывает наличие в них наряду с титаном до 60 ат. % кислорода, углерода и железа (до 3 ат. %), в то время как на основной поверхности трения эти элементы не обнару-

2.5 мм I ' 2.5 мм

Рис. 3. Поверхность трения контртела на стадии с высокой скоростью изнашивания (а); на стадии с низкой скоростью изнашивания (б); поверхность трения образца (в).

жены. Присутствие углерода может быть обусловлено взаимодействием как со смазкой, вследствие её термомеханической деструкции, так и с контртелом. Источником железа является контртело. Кислород - результат взаимодействия с воздухом. Соотношение концентрации кислорода и концентрации титана говорит о возможности присутствия в островках диоксида титана ТЮ2. На остальной поверхности трения кислород не обнаруживается ввиду очень малой толщины оксидной плёнки титана. Известно, что её толщина несколько нанометров. Основываясь на данных по морфологии островковых структур и их химическому составу, можно предположить, что такой состав материала островков способствует повышению их твердости при сохранении пластичности и предотвращает интенсивное адгезионное взаимодействие островков с контртелом.

При трении образцов титана с ультрамелкозернистой структурой, полученных по режимам I и II, потеря веса от пути трения имеет практически линейную зависимость и наблюдается высокая скорость изнашивания, что свидетельствует об интенсивном адгезионном взаимодействии (рис. 4). Для титана УМЗ III, с наиболее равновесной структурой из исследованных ультрамелкозернистых материалов, наблюдается стадия с установившейся низкой скоростью изнашивания. Морфология поверхности трения образцов УМЗ ВТ1-0 I и УМЗ ВТ1-0 II характерна для адгезионного изнашивания (рис. 5 а, б). В случае УМЗ ВТ 1-0 III на поверхности трения образуются островковые структуры, аналогичные структурам, образующимся на поверхностях трения крупнозернистого титана ВТ 1-0 (рис. 5 в). Островки также имеют плоскую гладкую поверхность, а результаты мик-рорентгеноспектрального анализа показывают присутствие в них углерода, железа и кислорода, тогда как на остальной поверхности трения данных элементов нет. На всей поверхности трения образцов УМЗ ВТ1-0 I и УМЗ ВТ1-0 II присутствует значительное количество углерода (до 18 ат. %), которое, очевидно, обусловлено деструкцией смазки при трении. В местах наиболее интенсивного адгезионного взаимодействия присутствует небольшое количество железа

ДР, мг

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ц км Рис. 4 — Зависимости потери веса от пути трения образцов титана ВТ 1-0 с крупнозернистой и ультрамслкозернистой структурой, полученной по разным технологическим схемам.

Рис. 5. Поверхность трения образцов УМЗ ВТ1-0 I (а), УМЗ ВТ1-0 II (б), УМЗ ВТ1-0 III (в).

(до 1 ат. %). Кислород на поверхности трения образцов не обнаружен. Увеличение адгезионного взаимодействия при трении УМЗ ВТ1-0 I и УМЗ ВТ1-0 II также отражается в интенсивном переносе материала образцов на контртело, в результате чего на контртеле образуется слой, по площади равный поверхности трения образцов, который присутствует на протяжении всего эксперимента. При испытании образцов УМЗ ВТ1-0 III первоначально образовавшийся слой исчез, как и в случае испытания крупнозернистого титана.

Если сопоставить результаты испытаний на трение с результатами структурных исследований (таблица 2), то можно видеть, что нет явно выраженной взаимосвязи сопротивления изнашиванию исследованных материалов как со средним размером зерен, так и с их механическими свойствами. В то же время для исследованных материалов с ультрамелкозернисой структурой прослеживается четкая корреляция интенсивности изнашивания с величиной коэффициента детектирования характеризующего неравновесность структуры: чем больше неравновесность структуры, тем выше интенсивность изнашивания материала (рис. 6).

Таким образом, основным фактором, определяющим сопротивление изнашиванию титана при формировании в нем УМЗ структуры с использованием методов интенсивной пластической деформации, является неравновесность структуры: чем выше неравновесность структуры материала, тем ниже его износостойкость. По-видимому, высоконеравновесная структура во всем объеме материала существенно повышает реакционную способность ювенильных поверхностей, образующихся в процессе трения, что увеличивает адгезионное взаимодействие образцов с контртелом.

Проведенные контрольные исследования на примере АРМКО-железа, которое в крупнозернистом состоянии при трении не проявляет признаков адгезионного изнашивания, показали, что формирование высоконеравновесной ультрамелкозернистой структуры в АРМКО-железе, как и в случае титана ВТ 1-0 с неравновесной структурой, активизирует адгезионное взаимодействие АРМКО-железа с контртелом при трении, что приводит к смене механизма изнашивания на адгезионный.

Четвёртый раздел посвящен описанию технологии получения, исследованию структуры и закономерностей изнашивания титановых сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой. В таблице 3 приведены обозначения, параметры структуры и механические свойства материалов в зависимости от технологии их получения.

1x10"

к,.., %

3020100-

■ 60 - 40 ■ 20 ■ 0

ВТ 1 -О BT1-0 BT1-0 ВТ1-0 УМЗ III УМЗ I УМЗ 11 Рис. 6 - Диаграммы величины коэффициента детектирования Kj,., (сплошные линии) и интенсивности изнашивания I (пунктир).

Таблица 3. Технологические схемы получения, параметры структуры и механические свойства сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6.

КЗ ПТ-ЗВ УМЗ ПТ-ЗВ I КЗ ВТ6 УМЗ ВТ6 I УМЗ ВТ6 II

Схема Заводская аЬс- Заводская аЬс-прсссованис аЬс-прессование

поставка прессование поставка (1173-873К, е«7,3) (1173-873К,

(1173-773 К, + протяжка е=з7,3) + раскатка

е*7,4) (873 К, е*0,4) (773 К, е» 1,2)

<1ср, мкм 600 0,43 600 0,5 0,5

р, 109см"2 1хЮ9 1хЮ10 1x10" 1x10' 2x10'"

Кл,, % 98 23 97 51 29

ав, МПа 760 1120 985 1145 1220

ао2, МПа 640 1060 890 1070 1200

5,% 12 13 10 22 10

#„, МПа 2920 3970 3350 4020 5200

ДР, мг, 80-

■ 1 1

60-

40- 1 о2

20- 1/

7°

°1 ¿Эа-а-п

—/л—

Графики зависимостей потери веса образцов сплавов КЗ ПТ-ЗВ и КЗ ВТ6 от пути трения имеют линейную зависимость, что характерно для адгезионного механизма изнашивания (рис. 7). По сравнению с титаном ВТ1-0 интенсивность изнашивания сплавов намного выше, причем с увеличением концентрации легирующих добавок (алюминия и ванадия) в сплавах интенсивность изнашивания увеличивается. При трении сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6, как и в случае титана ВТ 1-0, происходит перенос материала образцов на поверхность контртела, причем чем выше интенсивность изнашивания сплава, тем больше слой на контртеле, образующийся из перенесённого материала. При этом обратного переноса с контртела на образцы не происходит (рис. 8 а, б). Микрорентгеноспектральным анализом на поверхности трения образцов ПТ-ЗВ и ВТ6 обнаружены углерод и железо в областях схватывания, что также говорит об адгезионном взаимодействии с контртелом. В отличие от титана ВТ1-0, в случае сплавов происходит образование большого количества частиц изнашивания. Частицы изнашивания имеют

■и

0 10 20 60 80 100 Ь, км Рис. 7 — Зависимости потери веса образцов титановых сплавов с крупнозернистой структурой от пути трения: ЗВ; 3 - ВТ1-0.

1 - ВТ6: 2 - ПТ-

Рис. 8 - Поверхность трения образцов после испытаний на трение сплава КЗ П.Т-ЗВ (а), КЗ ВТ6 (б). Частицы изнашивания, образующиеся при трении сплавов (в).

плоскую, чешуйчатую форму, примерно одинаковую толщину (20 мкм) и острые края, характерные для хрупкого разрушения (рис. 8 в).

При формировании ультрамелкозернистой структуры в сплавах характер изнашивания не изменился. Однако изменилась интенсивность изнашивания. В остальном, для сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой не выявлено различий в закономерностях изнашивания. Как и для титана ВТ1-0 для сплавов выявляется корреляция интенсивности изнашивания со степенью неравновесности структуры (рис. 9). Образцы УМЗ ПТ-ЗВ и

X 10'8 а 1 К , % 1x10"", б К,%

35 ---- 80

30- 80 60- -- I- -

25 60 40- — 60

20

15 40 40

10 — 20 20- — 20

5-

п Г\ 0- —^ 0

_.__о о' . ■ " I ■ ■■ . 'о

пт-зв ПТ-ЗВ ВТ6 ВТ6 ВТ6

КЗ УМЗ 1 КЗ УМЗ I УМЗ II

Рис. 9 - Диаграммы величины коэффициента детектирования К^, (сплошные линии) и интенсивности изнашивания I (пунктир).

УМЗ ВТ6, полученные по режиму II, имеющие низкий коэффициент детектирования, то есть наиболее неравновесную структуру, изнашиваются более интенсивно.

Пятый раздел посвящен изучению влияния ионной имплантации на закономерности изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов Г1Т-ЗВ и ВТ6. Имплантацию титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 проводили ионами С, 81, А1, №, №>, Мо. График зависимостей потери веса образцов от пути трения титана ВТ1-0 с крупнозернистой структурой, имплантированного различными ионами, приведён на рисунке 10. Видно, что наибольшую износостойкость имеет титан ВТ1-0, имплантированный ионами алюминия. При использованном оборудовании вообще не удалось зафиксировать износ на пути трения более трёхсот километров. Исследования морфологии поверхности данных образцов показали, что в процессе испытания всё-таки происходит разрушение модифицированного слоя.

На поверхности трения в месте разрушения модифицированного слоя образуются островки с характерной ровной поверхностью (островки фактического контакта), как и в случае крупнозернистого неимплантированного титана ВТ1-0 и УМЗ ВТ1-0 III. Детальные исследования поверхности островков

ДР, мг 20 10

5

о

I

ВТ1-0 Имп 81 } ВТ1-0 п ■

I 1 ВТ1-0Имп№ Лр=й:8=0° ВТ! -0 Имп Мо о# / д,д--л

¡Ех^йй—й-д—л—/ ВТ 1-0 Имп А1

уй4—А-А-ААА-А-А-А- —А

-НН

0 30 60 90 120 150 320 Ь, км Рис. 10 - Зависимости потери веса от пути трения образцов ВТ 1-0 в исходном состоянии и после имплантации различными ионами.

Рис. 11 - Поверхность трения образцов ВТ 1-0 имплантированных ионами алюминия.

при большом увеличении показали присутствие микровключений в виде сферических частиц, вдавленных в поверхность (рис. 11). Данные частицы по результатам рент-геноструктурного анализа являются фазой Т13А1. В литературе имеются сведения об образовании в результате имплантации частиц интерметаллидной фазы Т13А1, повышающих износостойкость, когда имплантацию проводили при температурах выше 800°С, в нашем случае образцы нагреваются не выше 100°С.

Микрорентгеноспектральный анализ не показал присутствие на островках кислорода, как в случае титана ВТ1-0 и УМЗ ВТ1-0 III. Отметим, что на поверхности трения контртела не наблюдали формирования слоя из перенесенного материала, что свидетельствует о предотвращении адгезионного взаимодействия. По-видимому, формирование островков происходило только в результате изменения морфологии поверхности образцов: модифицированные поверхностные слои материала в результате контактного взаимодействия деформируются и собираются в островки, которые представляют собой композиционный дисперсноупрочненный материал.

Для выяснения возможности повышения износостойкости нелегированного титана с неравновесной ультрамелкозернистой структурой были выбраны образцы с ультрамелкозернистой структурой, полученной по первому режиму, указанному в таблице 2. Однако для титана с неравновесной структурой ионная имплантация оказалась не эффективной. По-видимому, в начальный момент на неровностях поверхности имплантированный слой разрушается, что приводит к интенсивному адгезионному взаимодействию основного материала с контртелом и дальнейшему интенсивному разрушению имплантированного слоя.

Для крупнозернистого ПТ-ЗВ имплантация ионами алюминия и никеля привела к увеличению интенсивности изнашивания (рис. 12). Положительный эффект наблюдался только при имплантации ионами молибдена. При имплан-

ПТ-ЗВ Имп N1

/^ПТ-ЗВ Имп А1 д ГТТ-ЗВ Имп Мо

40 50 Ь, км

ДР, мг 100 80 60 40 20 0

ВТ6 Кмп С оВТб Имп № ,ВТ6

•°ВТ6 Имп А1 .уВТбИмп 5!

6 Ь, км

Рис. 12 - Зависимости потери веса от пути трения образцов КЗ ПТ-ЗВ и КЗ ВТ6 в исходном состоянии и после имплантации различными ионами.

тации ВТ6 ионами алюминия, никеля и кремния на пути 1,5 - 3 км скорость изнашивания сохраняется на низком уровне, однако после разрушения имплантированного слоя становится такой же, как и в исходном состоянии. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что, по-видимому, наиболее эффективным для повышения износостойкости титана и его сплавов является имплантация ионами, которые образуют с титаном интерметаллические соединения. Имплантация металлами, не образующими с титаном интерметаллидных соединений, может играть роль твёрдой смазки.

Шестой раздел посвящен выяснению возможности повышения износостойкости исследуемых материалов методом электроискрового легирования. При ЭИЛ медным электродом на поверхности модифицированного слоя содержание меди составляет около 70 ат. %. Содержание меди в модифицированном слое, судя по равновесной диаграмме состояния, достаточно для образования интерметаллидов типа ТЪСи, ИСи и других. При испытаниях износ практически не наблюдается даже после увеличения нагрузки до 250 Н. Исследования морфологии поверхности трения образцов УМЗ ВТ1-0 II показали, что, несмотря на присутствие трещин на поверхности исходного модифицированного слоя, при трении не происходит его хрупкого разрушения, откалывания или выкрашивания. По-видимому, высокая износостойкость модифицированного медыо поверхностного слоя обусловлена образованием интерметаллидов на основе меди и титана, которые, по литературным данным, имеют высокую износостойкость. Разумеется, нельзя исключать, что и присутствие меди способствует высокому сопротивлению изнашиванию.

Поскольку температура при электроискровом разряде достигает 3000 К, было предположено, что, используя для электроискрового легирования углерод, возможно получить в поверхностном слое карбид титана, который обладает высокой твёрдостью и износостойкостью. Толщина модифицированного слоя в случае ЭИЛ углеродом составляет ~10 мкм, однако углерод обнаружен только вблизи поверхности модифицированного слоя. Соотношение титана и углерода в этой области вполне достаточно для образования карбида титана. Наличие карбида титана подтверждает тот факт, что модифицированный слой оставляет царапины на стекле. Зависимости потери веса от пути трения для этих образцов показаны на рисунке 13. Видно, что после короткой стадии приработки идет нормальное изнашивание с очень низкой интенсивностью.

При постановке исследований влияния электроискрового легирования титаном, когда в качестве электрода применяли материал самих образцов, на износостойкость титана УМЗ ВТ 1-0 II исходили из того, что в некоторых случаях при модификации поверхности нежелательно наличие других элементов в составе материала, как, например,

ДР, мг 10

0-

КЗ ВТ 1-0

УМЗ ВТ1-0 II ЭИЛ п

-о-—о-о—-о-о

-□-□-о

УМЗ ВТ1-0 II ЭИЛ с

О 20 40 60 80 100 Ь, км Рис. 13 - Зависимости потери веса от пути трения образцов УМЗ ВТ1-0 II после модифицирования поверхности методом ЭИЛ углеродом и титаном.

в медицине. После модифицирования поверхности титаном толщина слоя составила ~ 18 мкм. Микрорентгеноспектральный анализ не показал присутствия элементов, не принадлежащих материалу основы, в том числе и какого-либо 'заметного количества кислорода. Из рисунка 13 видно, что при испытаниях в данных условиях наблюдается незначительный износ на стадии приработки и переход на стадию с установившейся низкой интенсивностью изнашивания. Исследования поверхности трения модифицированных титаном образцов показали, что на ней наблюдаются островки, по морфологии и химическому составу аналогичные наблюдавшимся при трении крупнозернистого титана.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика оценки степени неравновесности структуры металлов и сплавов, позволившая количественно характеризовать относительную степень неравновесности структуры, сформированной в титане ВТ1-0 и сплавах ПТ-ЗВ и ВТ6 по различным режимам интенсивной пластической деформации.

2. Установлено, что при исследованных условиях интенсивность изнашивания крупнозернистых титановых сплавов ПТ-ЗВ и ВТб на порядок выше, чем у нелегированного крупнозернистого титана ВТ1-0, и увеличивается с увеличением концентрации легирующих элементов (AI, V).

3. Показано, что увеличение степени неравновесности структуры в результате формирования ультрамелкозернистой структуры методами интенсивной пластической деформации приводит к увеличению интенсивности изнашивания при трении как титана ВТ1-0, так и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6, что, по-видимому, обусловлено повышением поверхностной энергии.

4. Экспериментально изучены особенности элементарных механизмов изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой. Показано, что для образцов крупнозернистого титана и ультрамелкозернистого титана с равновесной структурой наблюдается образование на поверхности трения износостойких вторичных структур в виде островков, содержащих, предположительно, мелкодисперсный диоксид титана; для сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 характерно образование хрупких частиц изнашивания.

5. Показано, что для повышения износостойкости титана ВТ 1-0 с крупнозернистой структурой эффективной является высокодозная имплантация ионами алюминия, что связано с образованием на поверхности трения вторичных структур в виде островков, содержащих в качестве износостойкой фазы мелкодисперсный интерметаллид T13AI.

6. Установлено, что модификация поверхности титана ВТ1-0 с неравновесной ультрамелкозернистой структурой методом электроискрового легирования с использованием электродов из меди, графита, титана приводит к значительному повышению износостойкости.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Гриценко Б.П., Круковский К.В., Кашин O.A. Деформационное поведение ионно-имплантированных а-железа и стали 45 при трении и износе в условиях

подавления акустических колебаний. Физическая мезомеханика. Т.7. Спец. выпуск. Часть 1, август 2004 г. С. 415-418.

2. Б.П. Гриценко, К. В. Круковский, Н. В. Гирсова, О. А. Кашин "Влияние высокодозной ионной имплантации и акустических колебаний, генерируемых при трении, на износостойкость армко-железа и стали 45". Трение и износ №6 2005. С. 622-627.

3. Шаркеев Ю.П., Курзина И.А., Кашин O.A., Гриценко Б. П., Божко И.А., Калашников М.П., Ерошенко А.Ю., Круковский К. В., Баянкин В.Я. Модификация структуры и механических свойств титана при воздействии ионных пучков. // Журнал функциональных материалов. 2008. №6. С. 224-233.

4. Гриценко Б.П., Круковский К.В., Гирсова Н.В. Влияние акустических колебаний, генерируемых при трении, на изнашивание титановых сплавов // Известия ТПУ. - 2011. - № 2 - С.57-61.

5. Гриценко Б.П., Коваль H.H., Иванов Ю.Ф., Круковский К.В., Гирсова Н.В., Тересов А.Д. Повышение износостойкости технически чистого титана ВТ1 -0 и сплава ВТ6 // Известия Самарского научного центра РАН - 2011 - №4 -С.1009-1013.

6. O.A. Кашин, К.В. Круковский, Б.П. Гриценко, Н.В. Гирсова, А.И. Лотков. Закономерности и механизмы изнашивания титана вт1-0 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурами // Деформация и разрушение материалов -2012. - №1 - С.25-32.

7. В.Р. Gritsenko, K.V. Krukovskii and O.A. Kashin The Influence of the Type of Implanted Ions on the Wear Kinetics a-Iron and Steel 45. Proceedings of 7th International Conference on Modifications of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Ed. by: S.D. Korovin, A.I. Ryabchicov. Tomsk, Publishing house of the IAO SB RAS, 2004, p.309-311.

8. Круковский K.B. Формирование субмикрокристаллической структуры в армко - железе методом всестороннего прессования. Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов I Всероссийской конференции молодых ученых (26-29 апреля 2005 г., Томск). - Томск: Томский государственный университет, 2005. С. 105-107.

9. К.В. Круковский, Б.П. Гриценко, O.A. Кашин. Изучение влияния поверхностной и объёмной модификации на антифрикционные свойства титана ВТ1-0 и сплава ВТ6. Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2006. Труды VI Всероссийской школы-семинара (13-16 июня 2006 г.).-Томск: Издательство ТПУ, 2006. С. 155-159

10. К.В. Круковский, Б.П. Гриценко, O.A. Кашин. Влияние различных режимов поверхностной и объёмной модификации на триботехнические свойства титана ВТ1-0 и сплава ВТ6. IV Всероссийская конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». Томск. 15-18 мая 2007 г. - с. 53-55.

11. A.C. Кравченко, К.В. Круковский. Влияние поверхностной модификации методом электроискрового легирования на износостойкость титана ВТ1-0 // Новые материалы. Создание, структура, свойства-2009: всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи, Томск, 8-11 сентября 2009

г.: труды / Томский политехнический университет (ТПУ). - Томск, 2009. - С. 132-136.

12. Гриценко Б.П., Круковский К. В., Гирсова Н.В., Кашин О.А., Миронов Ю.П. Влияние ионной имплантации на закономерности изнашивания крупнозернистых и ультрамелкозернистых титановых сплавов. Сборник научных трудов VIII Международной конференции. Трибология и надежность. Санкт-Петербург, 2008, с. 135-143.

13. Gritsenko В.Р., Krukovskiy K.V., Girsova N.V., Kashin O.A, Mironov Yu.P. The influence of ion implantation on wear kinetics of coarse-grained and ultrafine-grained titanium alloys. 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. September 21 - 16, Tomsk, Russia 2008, p. 265-267.

14. Кашин O.A., Гриценко Б.П., Круковский K.B., Гирсова Н.В. Закономерности изнашивания ультрамелкозернистых титановых сплавов // "Вестник Во-сточноукраинского национального-университета имени Владимира Даля". -2010. -№10 (152), часть 1.-С. 89-93.

15. Б.П. Гриценко, Н.Н. Коваль, Ю.Ф. Иванов, К.В. Круковский, Н.В. Гирсова, А.Д. Тересов. Повышение износостойкости технически чистого титана ВТ1-0 // Трибология и надёжность: сборник научных трудов XI Международной конференции, 27-29 октября 2011 г. Санкт-Петербург / ред. проф. К.Н. Войнов. -СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. -с.100-109.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 12.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1. Тел. 49-10-93.

61 12-5/3509

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПРОЧНОСТИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Сибирского отделения РАН

на правах рукописи

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТИТАНА ВТ1-0 И СПЛАВОВ ПТ-ЗВ И ВТ6 С КРУПНОЗЕРНИСТОЙ И УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов 01.04.07 Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Кашин O.A. Научный консультант: доктор технических наук Гриценко Б.П.

Томск

-2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ (литературный обзор)....................................................................13

1.1 Основные закономерности трения и изнашивания металлических материалов..............................................................................13

1.1.1 Молекулярно-механическая теория трения и элементарные виды разрушения поверхностей при трении.........................................13

1.1.2 Стадии изнашивания и особенности контактирования поверхностей тел в паре трения.................................................17

1.1.3 Основные виды изнашивания............................................20

1.2 Трибологические свойства титана и его сплавов и методы повышения их износостойкости.................................................26

1.2.1 Особенности трибологических свойств титана и его сплавов...............................................................................26

1.2.2 Методы повышения износостойкости титана и его сплавов...............................................................................36

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................................51

2.1 Постановка задачи..............................................................51

2.2 Материалы исследования....................................................57

2.3 Методики исследования......................................................58

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТИТАНА ВТ1-0 С КРУПНОЗЕРНИСТОЙ И УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ............................................................................66

3.1 Технология получения, структура и свойства титана ВТ1-0 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой......................66

3.2 Закономерности изнашивания титана ВТ1-0 с крупнозернистой структурой.................................................................................77

3.3 Закономерности изнашивания титана ВТ1-0 с ультрамелкозернистой структурой..................................................84

4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПТ-ЗВ И ВТ6 С КРУПНОЗЕРНИСТОЙ И

УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ...............................100

4.1 Технология получения, структура и свойства титановых сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой................................................................................100

4.2 Закономерности изнашивания титановых сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой структурой.........................................................114

4.3 Закономерности изнашивания титановых сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой.................................................124

5. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОДОЗНОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТИТАНА ВТ1-0 И СПЛАВОВ ПТ-ЗВ И ВТ6..............................................................................131

5.1 Влияние высокодозной ионной имплантации на закономерности изнашивания титана ВТ1-0 с крупнозернистой структурой...............132

5.2 Влияние высокодозной ионной имплантации на закономерности изнашивания титана ВТ1-0 с ультрамелкозернистой структурой........141

5.3 Влияние высокодозной ионной имплантации на закономерности изнашивания сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой структурой.... 142

6. ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ В ПОВЫШЕНИИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТИТАНА ВТ1-0 С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ...................147

6.1 Электроискровое легирование медью..................................148

6.2 Электроискровое легирование углеродом.............................153

6.3 Электроискровое легирование титаном...............................156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................160

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................162

ВВЕДЕНИЕ

Титан и его сплавы на сегодняшний день являются одними из перспективных конструкционных материалов для применения во многих областях современной техники и медицины. Они обладают уникальным набором ценных свойств, к которым относятся высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, жаропрочность, низкая хладноломкость. Такие свойства титана и его сплавов во многих случаях компенсируют их высокую стоимость, а в некоторых случаях они являются безальтернативными материалами, способным работать в данных конкретных условиях. Благодаря высокой удельной прочности и жаропрочности титан и его сплавы находят широкое применение в авиации, ракетостроении и космонавтике. Высокая коррозионная стойкость во многих химически активных средах обусловила применение титана и его сплавов в химической промышленности. Одним из ценных свойств титана и его сплавов является биологическая совместимость с живой тканью, что делает их идеальным материалом для изготовления эндопротезов в имплантационной медицине. Титан применяется в судостроении, машиностроении, спортивном автомобилестроении, для изготовления спортивного инвентаря, в строительстве, в ювелирном деле. Важное значение имеет также большая распространенность титана в природе. В земной коре содержится около 0,60% титана. Среди конструкционных металлов титан по распространенности занимает четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию [1-5]. Но титан и его сплавы имеют низкое сопротивление изнашиванию, что обусловлено их высокой химической активностью. Оксидная пассивирующая плёнка, которая придаёт титановым сплавам уникальную коррозионную стойкость, имеет очень малую толщину - около 5 нм, и при трении практически сразу разрушается. Образующиеся при этом ювенильные поверхности интенсивно взаимодействуют с контактирующим материалом с образованием мостиков схватывания (холодная сварка), что, в свою очередь, приводит к

задирообразованию и заклиниванию всего узла трения [1, 5]. Это значительно усложняет использование титана и его сплавов в трибосопряжениях и, как следствие, значительно ограничивает сферу их применения. Однако высокие коррозионная стойкость и удельная прочность определили использование титана и его сплавов в трибосопряжениях, так как трибосопряжения присутствуют в большинстве конструкций, и даже в номинально неподвижных соединениях имеет место такой вид изнашивания как фреттинг [6]. Это тем более оправдано, когда титан и его сплавы являются единственными материалами, отвечающими требованиям, предъявляемым к элементам данной конструкции. Трибосопряжения и детали узлов трения из титана и его сплавов применяются практически во всех отраслях современной техники. В космонавтике и ракетостроении - это подвижные сопла двигателей; в авиации - механизация крыла, детали крепления, гидроцилиндры, диски и лопатки турбин; в химической промышленности - запорная арматура трубопроводов, насосы; в автомобилестроении - впускные и выпускные клапаны, коромысла клапанов, втулки, торсионные рычаги, детали подвески; в медицине - эндопротезы суставов; резьбовые разборные соединения применяются во всех отраслях [7, 8]. При этом в большинстве случаев для повышения износостойкости используют различные методы модификации поверхности изделий из титана и его сплавов или нанесение покрытий [4]. Однако модифицированный слой или покрытие, как правило, имеют небольшую толщину, поэтому время службы таких изделий ограничено, поскольку определяется скоростью изнашивания покрытий.

Наиболее распространенными конструкционными титановыми сплавами являются (а + (З)-сплавы системы ТьА1-У ВТ6 и ПТ-ЗВ. По данным [9], около 50% используемого в авиакосмической промышленности титана приходится на сплав ТьбАМУ (ВТ6). Кроме того, сплав ВТ6 широко применяется и в имплантационной медицине. Сплав ПТ-ЗВ главным образом

используют в судостроении, из него изготавливают обшивку судов, гребные винты, теплообменники и другую судовую аппаратуру.

Последние исследования свидетельствуют о том, что чистый титан обладает рядом преимуществ перед титановыми сплавами. Основной легирующий элемент титановых сплавов - алюминий - снижает коррозионную стойкость титана, а также уменьшает технологическую пластичность [3]. Более высокая коррозионная стойкость титана в некоторых агрессивных средах по сравнению с титановыми сплавами обусловила его применение в химической промышленности. Также чистый титан является более благоприятным для применения в качестве имплантатов в медицине, так как не имеет вредных для живого организма легирующих добавок [3]. Поэтому в ряде случаев предпочтительнее использовать нелегированный титан. Однако нелегированный титан имеет более низкую прочность по сравнению с его сплавами и поэтому до последнего времени использовался в сравнительно небольших объемах.

В настоящее время потребность в миниатюризации и необходимость снижения материалоёмкости изделий в технике привели к развитию методов получения объемных металлов и сплавов с ультрамелкозернистой структурой в субмикрокристаллическом (размер зерен с1 ~ 100-1000 нм) или нанокристаллическом (с1 < 100 нм) диапазонах [10]. Ультрамелкозернистые материалы имеют повышенные механические свойства, такие как прочность, пластичность, выносливость, и рассматриваются как перспективные конструкционные материалы нового поколения. К настоящему времени используют различные пути получения ультрамелкозернистых материалов, основными из которых являются: компактирование порошков, кристаллизация аморфных сплавов, интенсивная пластическая деформация (ИПД). Наиболее широкое распространение нашли методы ИПД, которые позволяет получать ультрамелкозернистую структуру в объёмных заготовках, пригодных для практического применения в изделиях: равноканальное угловое прессование (РКУП), всесторонняя ковка (аЪс-

прессование), а также комбинированные методы, включающие ИПД и традиционные термомеханические обработки (прокатка, экструзия, отжиги) [10-12].

Использование методов интенсивной пластической деформации для формирования ультрамелкозернистой структуры в титане и титановых сплавах позволило повысить их прочностные свойства [13-16], что открыло новые перспективы их применения. С одной стороны, высокие механические свойства, а, с другой стороны, специфическая микроструктура ультрамелкозернистых материалов (малый размер зерна, высокая неравновесность границ зерен, высокая концентрация зернограничных дефектов, наличие значительных дальнодействующих напряжений) [10-13] могут оказать существенное влияние на закономерности и механизмы фрикционного взаимодействия титана и титановых сплавов с контактирующим материалом. Нужно также отметить, что особенности структуры УМЗ материала и его свойства зависят как от метода получения ультрамелкозернистой структуры, так и от технологических параметров данного метода (температура деформации, степень деформации, количество проходов, и т.д.). К настоящему времени в литературе имеются сравнительно небольшое количество сведений о трении и изнашивании титана и его сплавов с ультрамелкозернистой структурой [17-25], а сделанные в этих работах выводы не всегда согласуются между собой. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на изучение общих закономерностей и особенностей изнашивания титана и его сплавов с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой.

Как отмечалось выше, при применении титана и его сплавов в трибосопряжениях для повышения износостойкости используются методы поверхностной модификации, однако многие из них не приемлемы для ультрамелкозернистых материалов, поскольку проводятся при длительном воздействии высоких температур, что приводит к деградации ультрамелкозернистой структуры [4, 5, 26]. Поэтому актуальной является

задача выяснения возможности использования известных методов для повышения износостойкости ультрамелкозернистых титана и его сплавов. Существует ряд методов модификации поверхности, для которых известна высокая эффективность их применения для повышения износостойкости различных материалов [26, 27], и которые оказывают минимальное термическое воздействие. К таким методам относятся высокодозная ионная имплантация и электроискровое легирование. Малое термическое воздействие этих методов объясняется импульсным воздействием на поверхность обрабатываемого материала, вследствие чего не происходит перегрева основы.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является изучение закономерностей изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой при трении с граничной смазкой, а также исследование возможности повышения износостойкости этих материалов методами высокодозной ионной имплантации и электроискрового легирования.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:

1. Провести аттестацию структуры титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 в исходном состоянии и после формирования ультрамелкозернистой структуры по различным технологическим схемам.

2. Исследовать закономерности изнашивания титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой в условиях трения с граничной смазкой.

3. Выявить наиболее значимые параметры структуры ультрамелкозернистых материалов (размер зёрен, фазовый состав, степень неравновесности структуры), оказывающие определяющее влияние на закономерности их изнашивания.

4. Определить параметры высокодозной ионной имплантации и электроискрового легирования, обеспечивающие наибольшую износостойкость исследуемых материалов.

Научная новизна. Установлено, что в исследованных условиях интенсивность изнашивания сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 выше, чем у титана технической чистоты ВТ 1-0, и ее величина максимальна для сплава ВТ6, имеющего наибольшие концентрации легирующих элементов.

Разработана методика оценки неравновесности структуры с использованием метода дифракции обратнорассеянных электронов.

На основе проведенных экспериментальных исследований сформулированы общие закономерности и различия элементарных механизмов изнашивания нелегированного титана технической чистоты ВТ1-0 и титановых сплавов ПТ-ЗВ, ВТ6.

Показано, что при испытаниях в исследованных условиях определяющим параметром для всех исследованных материалов является степень неравновесности структуры: чем выше степень неравновесности структуры, тем выше интенсивность изнашивания.

Практическая значимость. Установленная в работе более высокая интенсивность изнашивания сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 по сравнению с титаном технической чистоты ВТ 1-0 как в крупнозернистом, так и в ультрамелкозернистом состояниях, позволяет рекомендовать для применения в трибосопряжениях нелегированный ультрамелкозернистый титан.

Выявленная в работе корреляция интенсивности изнашивания со степенью неравновесности ультрамелкозернистой структуры может быть использована для выработки рекомендаций по корректировке технологических режимов получения ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ 1-0 и сплавах ПТ-ЗВ и ВТ6, чтобы обеспечить наряду с повышением прочностных характеристик и повышение сопротивления изнашиванию.

Результаты по влиянию сорта имплантируемых элементов при высокодозной имплантации и материалов электрода при электроискровом легировании на закономерности изнашивания могут использоваться для

повышения износостойкости титана ВТ 1-0 и сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 как с крупнозернистой, так и с ультрамелкозернистой структурой.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика оценки относительной степени неравновесности структуры ультрамелкозернистых металлов и сплавов по параметру, рассчитанному на основании данных компьютерной обработки картин дифракции обратнорассеянных электронов.

2. Экспериментально установленное образование на поверхности трения образцов крупнозернистого титана и ультрамелкозернистого титана с равновесной структурой износостойких вторичных структур в виде островков, предположительно содержащих мелкодисперсный диоксид титана, которые предотвращают адгезионный механизм изнашивания.

3. Определяющее влияние степени неравновесности ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ 1-0 и сплавах ПТ-ЗВ и ВТ6 на интенсивность их изнашивания: чем больше степень неравновесности структуры, тем выше интенсивность изнашивания.

4. Повышение износостойкости титана ВТ 1-0 с крупнозернистой структурой путем высокодозной имплантации ионов алюминия, обеспечивающей формирование в поверхностном слое титана износостойких ультрадисперсных интерметаллидных частиц Ti3Al.

Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается использованием современных апробированных методик исследования, анализо�