Поверхностное упрочнение сплава ВТ1-0 с использованием технологии вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых смесей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. В современном машиностроении для реализации многих задач, связанных с модификацией структуры поверхностных слоёв металлических материалов, все чаще применяют высокотемпературные источники нагрева. Структурные преобразования, происходящие при их использовании, позволяют повысить прочностные, коррозионные и триботехнические свойства металлов. Титан и сплавы на его основе нашли широкое применение в современной промышленности, однако более широкое их распространение ограничено высоким коэффициентом трения и низкой стойкостью к изнашиванию. Проблеме упрочнения титана и его сплавов при использовании высокотемпературных источников нагрева уделяется недостаточное внимание. Анализ работ, связанных с высокоскоростным нагревом сплавов на основе титана, показал, что в качестве инструмента для поверхностного нагрева чаще всего используется лазерный луч. Функцию основного материала преимущественно выполняет титановый сплав Ti-6Al-4V.  Высокой твердостью и износостойкостью обладают образцы, полученные при наплавке порошковых смесей, содержащих диборид титана (TiB2) и карбид бора (B4C). Однако толщина сформированных таким образом покрытий не превышает 1 мм. При необходимости получения модифицированных слоев повышенной толщины рационально использовать метод электронно-лучевой обработки материалов в воздушной среде. Целью работы являлось изучение возможности наплавки порошковой смеси, содержащей карбид бора, для модифицирования поверхностных слоев технически чистого титана методом вневакуумной электронно-лучевой обработки. Методы. В качестве материала основы использовали титановый сплав ВТ1-0, пластины которого обрабатывали высококонцентрированным электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу. Для формирования частиц высокопрочной фазы в поверхностных слоях использовали порошковые смеси с различным содержанием порошка карбида бора (10, 20 и 30 вес. %). Модифицированные материалы анализировали методами оптической и растровой электронной микроскопии. Исследования износостойкости проводили в условиях трения о закрепленные и нежестко закрепленные частицы абразива. Результаты и обсуждение. Механические и триботехнические свойства модифицированных слоев титана в значительной мере определяются структурными преобразованиями, происходящими в поверхностных слоях материала. Обработка титанового сплава высококонцентрированным электронным лучом в воздушной среде позволяет получать модифицированные слои толщиной более 1 мм. Наплавка порошковой смеси, содержащей карбид бора, приводит к формированию в поверхностно-легированных слоях высокопрочных частиц, оказывающих существенное влияние на свойства основного материала. Введение в наплавочную смесь 10 вес. % порошка карбида бора позволяет получить качественные слои, содержащие мелкодисперсные частицы моноборида и карбида титана. Объемная доля высокопрочной фазы в этих слоях составляет ~ 20 %. Повышение концентрации карбида бора в исходной порошковой смеси до 30 вес. % приводит к образованию в структуре модифицированных слоев крупных первичных кристаллов борида титана и карбида титана дендритной морфологии. Увеличение концентрации B4C приводит также к росту объемной доли упрочняющей фазы до 40…44 %. Характерной особенностью этих образцов является присутствие конгломератов мелкодисперсных частиц в нижней зоне покрытия. Средний уровень микротвердости упрочненных слоев достигает 4250…6400 МПа. В условиях трения о закрепленные частицы абразива максимальная износостойкость, превышающая в 2,4 раза аналогичный показатель эталонного образца, зафиксирована в процессе испытания сплава, полученного при наплавке смеси с 30 вес. % B4C.  Эти же образцы показали восьмикратный рост значений износостойкости при воздействии на материал нежестко закрепленных частиц абразива.

Об авторах

О. Г. Ленивцева

Email: lenivtseva_olga@mail.ru
кандидат технических наук, Новосибирский государственный технический университет, lenivtseva_olga@mail.ru

А. О. Токарев

Email: aot51@ngs.ru
доктор технических наук, доцент, Сибирский государственный университет водного транспорта, aot51@ngs.ru

И. К. Чакин

Email: chak_in2003@bk.ru
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, chak_in2003@bk.ru

С. В. Буров

Email: burchitai@mail.ru
кандидат технических наук, Институт машиноведения УрО РАН, burchitai@mail.ru

Ю. В. Худорожкова

Email: khjv@mail.ru
кандидат технических наук, доцент, Институт машиноведения УрО РАН, khjv@mail.ru

Список литературы

  1. Microstructure and wear resistance of c-BN/Ni–Cr–Ti composites prepared by spark plasma sintering / Y. Wang, K. Lei, Y. Ruan, W. Dong // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2016. – Vol. 54. – P. 98–103. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2015.07.010.
  2. Shigeta M., Watanabe T. Multicomponent co-condensation model of Ti-based boride/silicide nanoparticle growth in induction thermal plasmas // Thin Solid Films. – 2007. – Vol. 515, iss. 9. – P. 4217–4227. – doi: 10.1016/j.tsf.2006.02.042.
  3. Microstructure and tribological property of TiC-Mo composite coating prepared by vacuum plasma spraying / X. Guo, Y. Niu, L. Huang, H. Ji, X. Zheng // Journal of Thermal Spray Technology. – 2012. – Vol. 21, iss. 5. – P. 1083–1090. – doi: 10.1007/s11666-012-9797-3.
  4. Microstructure and sliding wear behavior of pure titanium surface modified by double-glow plasma surface alloying with Nb / Q. Wang, P.-Z. Zhang, D.-B. Wei, X.-H. Chen, R.-N. Wang, H.-Y. Wang, K.-T. Feng // Materials and Design. – 2012. – Vol. 52. – P. 265–273. – doi: 10.1016/j.matdes.2013.05.061.
  5. Formation of equiaxed alpha and titanium nitride precipitates in spark plasma sintered TiB/Ti–6Al–4V composites / P. Nandwana, J.Y. Hwang, M.Y. Koo, J. Tiley, S.H. Hong, R. Banerjee // Materials Letters. – 2012. – Vol. 83. – P. 202–205. – doi: 10.1016/j.matlet.2012.05.132.
  6. Патент 2427666 Российская Федерация. Способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов / А.Е. Михеев, А.В. Гирн, С.С. Ивасев, Е.В. Вахтеев. – № 2009147581/02; заявл. 21.12.2009; опубл. 27.08.2011, Бюл. № 24. – 6 с.
  7. Патент 2464355 Российская Федерация. Cпособ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов / В.В. Углов, Н.Н. Черенда, В.И. Шиманский, Г.З. Подсобей, В.М. Асташинский. – № 2011115506/02; заявл. 19.04.2011; опубл. 20.10.2012, Бюл. № 29. – 11 с.
  8. Zhang H.X., Yu H.J., Chen C.Z. In-situ forming composite coating by laser cladding C/B4C // Materials and Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 30, iss. 6. – P. 743–747. – doi: 10.1080/10426914.2014.994772.
  9. Zhang Yo., Sun Ji., Vilar R. Characterization of (TiB + TiC)/TC4 in situ titanium matrix composites prepared by laser direct deposition // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. – Vol. 211, iss. 4. – P. 597–601. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2010.11.009.
  10. Zeng X., Yamaguchi T., Nishio K. Characteristics of Ti (C,N)/TiB composite layer on Ti–6Al–4V alloy produced by laser surface melting // Optics and Laser Technology. – 2016. – Vol. 80. – P. 84–91. – doi: 10.1016/j.optlastec.2016.01.004.
  11. White R.M., Dickey E.C. Mechanical properties and deformation mechanisms of B4C–TiB2 eutectic composites // Journal of the European Ceramic Society. – 2013. – Vol. 34, iss. 9. – P. 2043–2050. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.08.012.
  12. Effect of yttrium on microstructure and mechanical properties of laser clad coatings reinforced by in situ synthesized TiB and TiC / J. Li, H. Wang, M. Li, Zh. Yu // Journal of Rare Earths. – 2011. – Vol. 29, iss. 5. – P. 477–483. – doi: 10.1016/S1002-0721(10)60483-8.
  13. Xin H., Watson L.M., Baker T.N. Surface analytical studies of a laser nitrided Ti-6Al-4V alloy: a comparison of spinning and stationary laser beam modes // Acta Materialia. – 1998. – Vol. 46, iss. 6. – P. 1949–1961. – doi: 10.1016/S1359-6454(97)00438-2.
  14. Pulsed laser deposited hard TiC, ZrC, HfC and TaC films on titanium: hardness and an energy-dispersive X-ray diffraction study / D. Ferro, J.V. Rau, V. Rossi Albertini, A. Generosi, R. Teghil, S.M. Barinov // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 202, iss. 8. – P. 1455–1461. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2007.06.060.
  15. Морфология боридов железа в поверхностном слое, наплавленном электронным лучом / И.А. Батаев, Н.В. Курлаев, О.А. Бутыленкова, О.Г. Ленивцева, А.А. Лосинская // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2012. – № 1 (54). – C. 85–89.
  16. Surface hardening of steels with carbon by non-vacuum electron-beam processing / I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A. Bataev, A. Losinskaya, R. Dostovalov, A. Popelyukh, E. Drobyaz // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 242. – P. 164–169. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.038.
  17. Батаев В.А., Буров В.Г., Дробяз Е.А. Особенности разрушения поверхностного слоя стали, перегретого электронным лучом // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2006. – № 12 – С. 60–63.
  18. Euh K., Lee Jo., Lee S. Microstructural modification and property improvement of Boride/Ti-6Al-4V surface-alloyed materials fabricated by high-energy electron-beam irradiation // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2001. – Vol. 32, iss. 10. – P. 2499–2508. – doi: 10.1007/s11661-001-0039-4.
  19. Lee Ch.S., Oh J.Ch., Lee S. Improvement of hardness and wear resistance of (TiC, TiB)/Ti-6Al-4V surface-alloyed materials fabricated by high-energy electron-beam irradiation // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2003. – Vol. 34, iss. 7. – P. 1461–1471. – doi: 10.1007/s11661-003-0258-y.
  20. Microstructural modification and hardness improvement in boride/Ti-6Al-4V surface-alloyed materials fabricated by high-energy electron beam irradiation / K. Euh, J. Lee, S. Lee, Y. Koo, N.J. Kim // Scripta Materiallia. – 2001. – Vol. 45. – P. 1–6. – doi: 10.1016/S1359-6462(01)00981-2.
  21. Yun E., Lee K., Lee S. Improvement of high-temperature hardness of (TiC, TiB)/Ti–6Al–4V surface composites fabricated by high-energy electron-beam irradiation // Surface and Coatings Technology. – 2004. – Vol. 184, iss. 1. – P. 74–83. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2003.10.017.
  22. Салимов Р.А. Мощные ускорители электронов для промышленного применения // Успехи физических наук. – 2000. – Т. 170, № 2. – C. 197–201. – doi: 10.3367/UFNr.0170.200002h.0197.
  23. Борискин В.Н., Татанов В.И. Контроль положения пучка электронов в атмосфере // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования. – 2008. – № 3. – P. 75–77.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).