Способ поверхностной модификации титановых сплавов

 

Способ поверхностной модификации титановых сплавов включает удаление электрохимическим травлением поверхностного слоя на глубину структурных нарушений, образовавшихся при механической подготовке, удаление путем диффузионного вакуумного отжига растворенного в приповерхностном слое сплава газа с толщины, большей расчетной глубины проплавления под действием мощного импульсного пучка, и облучение поверхности мощным ионным пучком наносекундной длительности. Поверхностный слой удаляют на толщину 4-7 мкм, отжиг проводят в течение 2-2,5 ч при температуре 550-600°С и давлении 5·10^-4 - 1·10^-5 мм рт. ст., облучение подготовленной поверхности осуществляют мощным ионным пучком состава 30% С⁺ и 70% Н⁺ с энергией 200-400 КэВ, плотностью тока 50-150 А/см², 1-3 импульсами длительностью 30-50 нс. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области радиационно-пучковых технологий модифицирования материалов и может быть использовано при получении конструкционных материалов, обладающих уникальными свойствами, для применения в двигателестроении, в авиационной и химической промышленности.

Известен способ обработки инструмента (А.С. СССР N 1441792, МПК 5 C 21 D 1/09, БИ N 18, 1986 г.), включающий облучение по всей рабочей поверхности ионным пучком наносекундной длительности, отличающийся тем, что с целью повышения эксплуатационной стойкости инструмента облучение осуществляют потоком энергии 1-3 Дж/см², дозой 2,5·10¹³-10¹⁴ см^-2 в импульсе.

Недостатком данного способа является формирование микрократеров на облучаемой поверхности (см. Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Ночовная Н.А. и др. Явление кратерообразования при взаимодействии мощных ионных пучков с поверхностью металлов и сплавов: влияние предварительной подготовки поверхности// Поверхность. Физика, химия, механика.- 1995. N 11. С. 24-35). Образующиеся на поверхности деталей из металлов и сплавов кратеры могут приводить к снижению уровня эксплуатационных свойств изделий, прежде всего уменьшению усталостной прочности и коррозионной стойкости (см. Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Ночовная Н. А. и др. Явление кратерообразования при взаимодействии мощных ионных пучков с поверхностью металлов и сплавов //Поверхность. Физика, химия, механика. -1994. N. 7. С.117-128).

Известен способ ионно-лучевой обработки инструмента (Патент РФ N 2111264, МПК 6 C 21 D 1/09, БИ N 14, 1998 г.), включающий обработку инструмента мощным ионным пучком наносекундной длительности, отличающийся тем, что инструмент облучают пучком со средней кинетической энергией ионов 10⁴-10⁶ эВ, длительностью 5-1000 нс и с плотностью потока энергии в пучке 0,1-3,0 Дж/см².

Недостатком данного способа также является формирование микрократеров на поверхности инструмента во время облучения, что может приводить к снижению уровня эксплуатационных свойств обработанных по такому способу изделий (например, возможно инициирование разрушения из кратеров).

Известен способ восстановления эксплуатационных свойств деталей из жаропрочных сплавов (Патент РФ N 2094521, МПК 6 C 22 F 3/00, БИ N 30, 1997 г.), включающий удаление поврежденных при эксплуатации покрытий и очистку поверхности путем ее обработки концентрированным потоком энергии (в диапазоне 0,1-30 Дж/см²) заряженных частиц наносекундной длительности с последующей финишной термообработкой при температуре эксплуатации изделия.

Недостатком данного способа является формирование при указанных плотностях энергии микрократеров на поверхности изделий из жаропрочных сплавов во время облучения, что может приводить к снижению уровня эксплуатационных свойств (особенно при циклических нагрузках) восстановленных по такому способу изделий (см. Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Ночовная Н.А. и др. Физико-химические процессы, протекающие в поверхностных слоях титановых сплавов при ионно-лучевой обработке с использованием импульсных пучков. //Поверхность. Физика, химия, механика. -1993. N. 5. С. 127-140).

Наиболее близким к заявляемому является способ повышения коррозионной стойкости металлов и сплавов (А.С. СССР N 1486538, МПК 4 C 22 F 3/00, БИ N 22, 1989 г.), заключающийся в облучении ускоренными ионами рабочей поверхности импульсным пучком наносекундной длительности. В этом способе образец помещают в специальный бокс ускорителя при техническом вакууме 10^-4 мм рт. ст. , облучают мощным импульсным пучком углерода, водорода или азота с энергией 200 - 500 КэВ, плотностью тока 120-200 А/см² не менее чем 5 импульсами длительностью 50-100 нс. Недостатком способа, как и в предыдущих случаях, является формирование микрократеров на поверхности облучения, что может привести как к уменьшению усталостной прочности, так и к коррозионному растрескиванию в зоне микрократеров. Поскольку наиболее слабой областью у микрократера является его дно, то наиболее вероятно начало коррозионного растрескивания именно со дна.

Задачей настоящего изобретения является создание способа модификации титановых сплавов, обеспечивающего уменьшение размеров и плотности кратеров на облученной поверхности и приводящего вследствие этого к повышению эффективности модификации титановых сплавов.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе модификации титановых сплавов, включающем облучение мощным ионном пучком наносекундной длительности, перед облучением электрохимическим травлением удаляют поверхностный слой на глубину структурных нарушений, образовавшихся при механической подготовке, а затем путем диффузионного вакуумного отжига удаляют растворенный в приповерхностном слое сплава газ с толщины, большей расчетной глубины проплавления под действием мощного импульсного пучка.

В частном случае удаляют поверхностный слой толщиной 4-7 мкм, диффузионный вакуумный отжиг проводят в течение 2-2,5 часов при температуре 550 - 600^oC и давлении 5·10^-4 - 1·10^-5 мм рт.ст., облучение подготовленной поверхности осуществляют мощным ионным пучком состава 30%^o C⁺ и 70% H⁺ с энергией 200-400 КэВ, плотностью тока 50-150 А/см², 1-3 импульсами длительностью 30-50 нс.

В результате предварительной подготовки металлов и сплавов, включающей электрохимическое удаление слоя титанового сплава толщиной 4-7 мкм, происходит снятие наклепанного слоя, образовавшегося при механической обработке материала, а также инородных поверхностных включений. Последующий вакуумный отжиг титановых сплавов при температуре -550 - 600^oC и давлении 5·10^-4 - 1·10^-5 мм рт. ст. приводит к удалению растворенных в приповерхностном слое материала газов, прежде всего водорода. Предварительная подготовка, описанная выше, приводит к существенному (до 50 раз) уменьшению плотности образующихся на облучаемой поверхности кратеров, что обеспечивает улучшение эксплутационных свойств титановых сплавов (усталостная прочность, коррозионная стойкость и т.д.).

Указанный технический результат достигается за счет комплексной модификации, включающей предварительное электрохимическое травление, диффузионный вакуумный отжиг и последующую обработку мощным ионным пучком. При этом посредством предварительного электрохимического травления осуществляется удаление слоя материала, имеющего повышенную дефектность, а вакуумный отжиг при температуре 550 - 600^oC и давлении 5·10^-4 - 1·10^-5 мм рт. ст. в течение 2-2,5 часов обеспечивает удаление из приповерхностного слоя растворенных газов. Именно локальные скопления растворенных в титане газов, прежде всего водорода, из-за его высокой подвижности приводят при его выходе на свободную расплавленную мощным импульсным пучком поверхность к образованию кратеров.

Уменьшение плотности кратеров достигается за счет снижения концентрации газов, находящихся в приповерхностных слоях облучаемых металлов и сплавов, а также удаления нарушенного слоя, который возникает при механической подготовке материалов.

Для реализации заявляемого способа модификации особое значение имеют.

- выбор толщины удаляемого слоя, что обусловлено размерами структурных нарушений приповерхностных слоев при механической подготовке материалов; - температура и время вакуумного диффузионного отжига, поскольку удаление растворенных газов должно быть обеспечено на глубинах, превышающих глубину проплавления материала под действием мощного ионного пучка указанной плотности тока и длительности. Наиболее эффективным оказалось удаление слоя толщиной 4-7 мкм и вакуумный отжиг при температуре 550-600^oC в течение 2-2,5 часов.

Способ модификации металлов и сплавов осуществлялся следующим образом.

Пример 1. Образцы из титанового сплава ВТ-6 (или ВТ-8) подвергали электрохимическому травлению для снятия наклепанного слоя толщиной 4-7 мкм. После чего их помещали в вакуумную термическую печь для проведения термического отжига при температуре 600^oC в течение 2 часов при давлении 5·10^-4 - 1·10^-5 мм рт.ст. После отжига образцы устанавливали в приспособление, находящееся в вакуумной камере технологического ускорителя "Темп", и облучали мощным импульсным ионным пучком, состоящим из 30% H⁺ и 70% C⁺, с энергией 300 кэВ, плотностью тока 50-150 А/см², длительностью 50 нс. Образцы модифицированных титановых сплавов исследовали методами оптической и электронной микроскопия для определения плотности кратеров. Описанный способ модификации обеспечивает уменьшение плотности кратеров на облученной поверхности до 50 раз по сравнению с облучением без предварительной подготовки поверхности.

Формула изобретения

1. Способ поверхностной модификации титановых сплавов, включающий облучение поверхности мощным ионным пучком наносекундной длительности, отличающийся тем, что перед облучением электрохимическим травлением удаляют поверхностный слой на глубину структурных нарушений, образовавшихся при механической подготовке, а затем путем диффузионного вакуумного отжига удаляют растворенный в приповерхностном слое сплава газ с толщины, большей расчетной глубины проплавления, под действием мощного импульсного пучка.

2. Способ поверхностной модификации по п.1, отличающийся тем, что удаляют поверхностный слой толщиной 4-7 мкм.

3. Способ поверхностной модификации по п.1, отличающийся тем, что диффузионный вакуумный отжиг проводят в течение 2-2,5 ч при температуре 550-600^oC и давлении 5·10^-4-1·10^-5 мм рт.ст.

4. Способ поверхностной модификации по п.1, отличающийся тем, что облучение подготовленной поверхности осуществляют мощным ионным пучком состава 30%C⁺ и 70%H⁺ с энергией 200-400 КэВ, плотностью тока 50-150 А/см², 1-3 импульсами длительностью 30-50 нс.