Создание наноструктурных состояний в поверхностных слоях комбинированным методом ионной имплантации магнетронного распыления ультразвуковой обработки

Создание наноструктурных состояний в поверхностных слоях комбинированным методом ионной имплантации - магнетронного распыления - ультразвуковой обработки

В.Е. Панин, В.П. Сергеев, Ю.И. Почнвалов, С.В. Панин, А.В. Воронов

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

В работе проведена первая серия систематических экспериментов по наноструктурированию поверхностных слоев ряда авиационных материалов и их сварнык соединений с целью повышения прочностнык характеристик обработанных материалов. В основе предложенного подхода лежит концепция клеточного распределения напряжений и деформаций на интерфейсе «нанострук-турированный поверхностный слой - подложка» в виде «шахматной доски».

Formation of nanostructured states in surface layers by a combined method of ion implantation, magnetron sputtering and ultrasonic treatment

V.E. Panin, V.P. Sergeev, Yu.I. Pochivalov, S.V. Panin, and A.V. Voronov

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 634021, Tomsk, Russia

In the paper we have performed a series of systematic experiments on nanostructuring of surface layers of some aviation materials and their welded joints in order to increase strength characteristics of the treated materials. The proposed approach is based on the concept of a chessboard-like distribution of stresses and strains on the nanostructured surface layer - substrate interface.

1. Введение

Результаты предыдущих исследований показали, что в деформируемом твердом теле возникают поверхностные волны, если в нем искусственно создать поверхностный слой конечной толщины с пониженной сдвиговой устойчивостью [1]. На интерфейсе такого поверхностного слоя и подложки возникает клеточная структура распределения нормальных напряжений разных знаков. Клетки с растягивающими нормальными напряжениями окружены клетками со сжимающими нормальными напряжениями и наоборот [2]. В таком поверхностном слое растягивающие и сжимающие нормальные напряжения компенсируют друг друга, и создание складок с сильно выраженной кривизной затрудняется. В результате повышаются все механические характеристики деформируемого твердого тела. Задержка макролокализации деформации приводит к повышению пластичности материала одновременно с повышением его прочности.

Создать поверхностный слой с пониженной сдвиговой устойчивостью можно разными способами: нано-

структурированием поверхностного слоя в кристаллическом твердом теле; модифицированием поверхностного слоя атомами внедрения (азотом, водородом и др.); напылением неравновесной тонкой пленки.

Особенно эффективна роль наноструктурирован-ного поверхностного слоя в повышении усталостной прочности материалов и их сварных соединений. Реальные конструкции нагружаются ниже предела их текучести. Но это справедливо только по отношению к их объему. В ослабленных поверхностных слоях развиваются потоки поверхностных дефектов при нагруже-нии ниже макропредела текучести объема материала. Поверхностный слой гофрируется, и первая стадия усталостного разрушения всегда связана с развитием трещин в поверхностных слоях.

Этот процесс существенно усугубляется при наличии в конструкции макронеоднородностей: сварные соединения, отверстия, выточки, болтовые соединения и др. Связанные с ними макроконцентраторы напряжений генерируют макрополосы локализованной деформации, по которым быстро развиваются усталостные трещины.

в Панин В.Е., Сергеев В.П., Почивалов Ю.И., Панин С.В., Воронов А.В., 2005

Наноструктурирование поверхностных слоев путем их ультразвуковой ударной обработки не только снижает уровень макроконцентраторов напряжений в зонах мак-ронеоднородностей, но и задерживает развитие поверхностных усталостных трещин.

2. Влияние наноструктурирования поверхностного слоя ударной ультразвуковой обработкой на усталостную прочность сварных соединений стали ВКС12

В работе исследовали влияние наноструктурирования поверхностного слоя на кратковременную и усталостную прочность сварных соединений высокопрочной конструкционной стали ВКС12, используемой для изготовления элементов шасси самолетов нового поколения.

Сварные соединения этих материалов были получены аргонодуговой сваркой встык листов с применением присадочного материала. В качестве последнего для ВКС12 использовали прутки состава, отличного от состава основного материала. После сварки сварные соединения подвергали принятой в технических условиях термообработке для получения требуемых значений прочности и пластичности.

Исследования показали, что сварные соединения отличаются от основного материала структурой и меньшими значениями твердости. Для сварных соединений стали ВКС12 характерно увеличение размеров зерна и мартенситных ламелей. Послойное измерение микротвердости сварного соединения позволило установить, что по всей глубине наблюдается разупрочнение областей шва и зоны термического влияния. Разупрочнение корневого шва значительнее облицовочного. При микротвердости основного металла Н^ = 5 400 МПа (измерения проводились при нагрузке на индентор 200 г), микротвердость корневого шва составляет Н^ = = 4660 МПа, облицовочного — 5220 МПа. На основании полученных данных определены размеры зон для поверхностной обработки с целью повышения усталостной прочности сварных соединений стали ВКС12. Принято, что ширина обрабатываемого материала должна составлять до 20 мм при ширине сварного шва 8^10 мм и зоны термического влияния 4^5 мм.

Для получения наноструктурированного поверхностного слоя применяли технологию ультразвуковой ударной обработки с последующей термообработкой. Ультразвуковую ударную обработку проводили по поверхностям облицовочного и корневого швов и зон термического влияния.

Металлографические исследования сварных соединений, проведенные после ультразвуковой ударной обработки, показали, что травимость поверхностных слоев значительно снизилась. Очевидно, это связано с формированием в приповерхностных слоях мелкодисперсной структуры. Кроме того, следует отметить зна-

чительное повышение микротвердости (более чем на -10^12 %) обработанных ультразвуком поверхностей. Глубина упрочненных поверхностных слоев с обеих сторон сварного соединения составляет около 200 мкм.

Испытания на растяжение показали, что прочностные характеристики исходного сварного соединения стали ВКС12 определяются свойствами сварного шва (предел прочности составил ~ 1900 МПа, предел текучести — 1450 МПа, пластичность--3^5 %). Разрушение происходит исключительно по области сварного шва с формированием аккомодационных макрополос пластической деформации. Наноструктурирование поверхностного слоя не оказывает заметного влияния на прочность сварных соединений при растяжении (после поверхностной обработки предел прочности составил 1 850 МПа, предел текучести — 1460 МПа, пластичность --3^5 %). Характер разрушения для обработанных и необработанных образцов одинаков: в обоих случаях разрушение происходит по типу вязкого чашечного излома. Испытания на усталостную прочность сварных соединений высокопрочной стали ВКС12 с нанострук-турированным поверхностным слоем показали, что поверхностная обработка сварных соединений стали ВКС12 обеспечивает более чем 50 % увеличение количества циклов до разрушения при усталостных испытаниях по сравнению с необработанными соединениями. При напряжении 800 МПа образцы сварных соединений стали ВКС12 разрушаются после 48500^68500 циклов, тогда как необработанные соединения — после 33 000^38 500 циклов. Следует отметить, что разрушение образцов со сварным швом, имеющим наноструктурированный поверхностный слой, происходит не по шву, а в области основного металла у галтели. Это означает, что действительное повышение ресурса работы сварного соединения (областей шва и зон термического влияния) после поверхностной обработки значительно выше полученных данных.

3. Наноструктурирование поверхностного слоя высокодозной ионной имплантацией

В работе наноструктурирование поверхностного слоя образцов высокопрочных сталей при высокодозной имплантации ионов металлов и композиций из металлических и неметаллических ионов выполняли двумя способами.

1. Высокодозная прямая имплантация ионов металлов и композиций из металлических и неметаллических ионов с помощью вакуумно-дугового импульсного ионного источника ДИАНА при ускоряющем напряжении 70 кВ. Двухкомпонентные ионные пучки А1+ + В+, Т+ + В+, Т+ + C+, Ш+ + B+ получали путем применения композиционных катодов на основе боридов и карбидов соответствующих металлов А1В12, ТШ2, ТЮ, Н2, изготовленных методом порошковой металлургии. Прямую имплантацию ионов азота проводили с использованием

источника газовых ионов ИГИНД при ускоряющем напряжении 20 кВ и плотности тока ионного пучка до 50 мкА/см2.

2. Предварительное магнетронное напышение тонких 1.5 мкм нанокристаллических пленок с последующей ионной имплантацией в них композиций ионов с помощью ионного источника ДИАНА.

Изменение концентрации имплантированных элементов по глубине поверхностного слоя образцов определяли с помощью масс-спектрометра вторичных ионов МС-7201М в процессе распыления пучком ионов аргона.

При имплантации ионов азота в поверхностный слой стали 30ХГСА его объемная концентрация возрастает до ~7 %, сохраняя примерно постоянную величину в приповерхностном слое толщиной 40 нм, постепенно спадая до нуля на глубине 110^120 нм. При имплантации ионов титана, композиций ионов титана с углеродом и титана с бором, соответствующая толщина приповерхностного слоя с высокой объемной концентрацией внедренных элементов увеличивается до 90^100 нм, глубина спада до нуля — до 160^170 нм. Для композиции ионов гафния с бором наблюдаются наибольшие значения этих величин: 120^130 нм для слоя с высокой концентрацией и 190^200 нм для глубины уменьшения концентрации до нуля. Двукратное увеличение дозы облучения приводит к пропорциональному увеличению концентрации имплантированных атомов в приповерхностном слое. При имплантации композиции ионов алюминия с бором в напыленное покрытие ТЮК, толщина приповерхностного слоя с примерно постоянной объемной концентрацией внедренных атомов увеличивается до 100 нм, а глубина спада ее до нуля — до 170^180 нм. Во всех исследованных случаях за исключением внедрения ионов азота вблизи поверхности формируется узкая зона толщиной 20^30 нм с пониженной концентрацией внедренных элементов.

Для анализа изменений на поверхности высокопрочной стали 30ХГСА после ионной имплантации использовали сканирующую туннельную и атомно-силовую микроскопию. Облучение образцов ионами азота дозой 5 • 1017 и 1 • 1018 см-2 приводит к образованию фрактальных структур, выявляемых с помощью сканирующей туннельной микроскопии в диапазоне линейных размеров 0.3^16 мкм. Эти структуры могут образовываться в результате локальной деформации тонкого приповерхностного слоя за счет разницы упругих модулей между поверхностным слоем, имеющим высокую концентрацию имплантированных ионов, и основным материалом.

Таким образом, значительное изменение при высо-кодозной ионной имплантации, особенно при обработке композиционными ионными пучками, концентрационных профилей распределения имплантированных элементов по глубине поверхностного слоя, его фазового

состава и структуры приводит к эффективному нано-структурированию поверхностного слоя высокопрочных сталей.

4. Влияние имплантации поверхностного слоя на механические свойства стали 30ХГСА

Для определения предела прочности и микротвердости изготавливали плоские образцы из высокопрочной стали 30ХГСА размером 3.5x1.5x28 мм3. Все образцы проходили закалку и отпуск по стандартным режимам. Затем две лицевые грани плоских образцов и рабочую поверхность цилиндрических образцов шлифовали и полировали до Ra < 0.16 мкм и облучали ионным пучком при одинаковых условиях. Прямоугольные образцы деформировали с постоянной скоростью по схеме четы-рехопорного изгиба с записью кривой деформации ст-е. Нанотвердость и модуль упругости измеряли на приборе NanoHardness Tester (CSEM) по методу Оливера и Фарра при приложении нагрузки на алмазный ин-дентор в пределах 2^200 мН.

В табл. 1 приведены средние величины нанотвер-дости Н и модуля упругости Е поверхностного слоя высокопрочной стали 30ХГСА при имплантации ионов азота с разной дозой облучения. В табл. 2 — те же характеристики для образцов стали 30ХГСА, на поверхность которых перед имплантацией композиции ионов алюминия и бора была напылена нанокристаллическая пленка TiCN толщиной 1.5 мкм.

Видно, что имплантация ионами азота увеличивает среднюю величину нанотвердости поверхностного слоя стали 30ХГСА. Эффект усиливается с ростом дозы облучения, так что при дозе 2 • 1018 ион/см2 нанотвердость повышается в 2.1 раза по сравнению с необлученными образцами стали. При напылении нанокристаллической пленки карбонитрида титана толщиной 1.5 мкм на образцы этой стали средняя величина нанотвердости поверхностного слоя повышается в 4.7 раза в случае, если эта пленка не подвергается ионной имплантации, и в

Таблица 1

Средние значения нанотвердости Н и модуля упругости Е стали 30ХГСА, облученной ионами азота

Доза облучения, 1017 ион/см2 H, ГПа E, ГПа

Необлученный 3.5 ± 0.1 182 ± 10

2.5 4.4 ± 0.2 195 ± 11

5.0 6.1 ± 0.2 188 ± 11

10.0 7.4 ± 0.2 197 ± 10

Таблица 2

Средние значения нанотвердости Н и модуля упругости Е стали 30ХГСА с покрытием ТЮ^ облученным ионами алюминия и бора

Доза облучения, 1017 ион/см2 H, ГПа E, ГПа

Необлученный 16.5 ± 0.3 283 ± 14

1.0 20.1 ± 0.4 311 ± 15

О 40 80 120 160 200 Расстояние от поверхности, мкм

Рис. 1. Изменение микротвердости в приповерхностном слое образцов сплава ВТ-6 после ионного азотирования в атмосфере азота без предварительной ультразвуковой обработки (1) и с таковой (2). Ионная имплантация азота — 3 цикла при температуре 500^550 °С

5.7 раза, если она имплантируется композицией ионов алюминия и бора с дозой 1 • 1018 ион/см2. Имплантация ионов азота не приводит к изменению модуля упругости. При напылении пленки на поверхность стали 30ХГСА модуль упругости поверхностного слоя образцов увеличивается и становится равным его значению в покрытиях ТЮ^ при этом имплантация ионов в пленку в исследованном интервале доз также не влияет на его величину.

5. Комбинированная обработка поверхностного слоя путем совмещения ультразвуковой обработки и высокодозной ионной имплантации

В настоящей работе также предложено использовать комплексную обработку: предварительная ультразвуковая обработка с последующим поверхностным упрочнением. Предполагается, что предварительная обработка поверхности ультразвуком позволит как увеличить глубину «проработки» приповерхностного слоя при последующей его ионной имплантации (нанесении покрытия), а также обеспечит формирование неплоской границы раздела между упрочненным поверхностным слоем и матрицей. Основанием для подобного предположения являлись данные по многоэтапной химико-ме-хано-термической обработке образцов нержавеющей стали 16Х12 и их последующему статическому нагру-жению (одноосное растяжение). В процессе химико-ме-хано-термической обработки на поверхности стальных образцов формировался высокопрочный слой с неплоской границей раздела с матрицей. При дальнейшем одноосном растяжении плоских образцов наблюдалось их мелкое растрескивание (не сопровождавшееся формированием поперечных трещин через всю ширину образца), что снижало степень локализации деформации вследствие действия трещин как структурных надрезов. Формирование неплоской границы раздела, таким образом, стало возможным благодаря промежуточной ультразвуковой обработке.

В качестве материала исследований в данном разделе использовали титановый сплав ВТ-6. Образцы для

исследований были разделены на две партии: первую подвергали предварительной ультразвуковой ударной обработке, а вторую нет. В процессе работы проводились исследования влияния трехступенчатой ионной имплантации азотом при температуре 550 °С на изменение микротвердости в приповерхностном слое образцов сплава ВТ-6. Показано, что предварительная ультразвуковая обработка и последующее трехэтапное ионное азотирование в атмосфере азота позволяют увеличить микротвердость на поверхности в два раза по сравнению с материалом в сердцевине (рис. 1) и, тем самым, значительно повысить износостойкость образцов титанового сплава ВТ-6.

6. Заключение

В работе впервые показано, что наноструктуриро-вание поверхностных слоев позволяет увеличить в 1.5^2 раза усталостную прочность сварных соединений высокопрочной авиационной стали ВКС-12.

Возрастание прочности с увеличением атомного радиуса, массы и зарядности ионов при обработке поверхностного слоя образцов двухкомпонентными пучками ионов Ti + B, Ti + C, Hf + B связывается с увеличением толщины имплантированного поверхностного слоя и более значительным понижением его сдвиговой устойчивости за счет повышения концентрации и мощности дефектов решетки, создания в нем значительных упругих напряжений.

Предлагается комбинированная обработка поверхностных слоев с целью создания в них наноструктуры, основанная на последовательном проведении ультразвуковой поверхностной обработки и ионной имплантации. Увеличение усталостной прочности материалов, подвергнутых подобного типа обработке, будет увеличиваться за счет создания в процессе нагружения в поверхностном слое «клеточной» структуры, обеспечивающей эффективную релаксацию напряжений, формирования упрочненного слоя большей толщины, а также реализации неплоской границы раздела между подложкой и упрочненным поверхностным слоем.

Благодарности

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ 04-0108030, а также при финансовой поддержке гранта Мин-обрнауки (грант № 02.442.11.7020) и грантов Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (грант НШ-2324.2003.1) и молодых ученых — кандидатов наук и их научных руководителей (грант МК-2507.2005.8).

Литература

1. Панин В.Е. Поверхностные слои твердых тел как синергетический

активатор пластического течения нагруженного твердого тела // МиТОМ. - 2005. - № 7. - С. 62-68.

2. Панин В.Е., Панин А.В. Эффект поверхностного слоя в деформируемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2005. - Т.8. - №2 5. - C.7-15.