Повышение износостойкости титанового сплава ВТ6 путем наноструктурирования поверхностного слоя и последующей химико-термической обработки

Повышение износостойкости титанового сплава ВТ6 путем наноструктурирования поверхностного слоя и последующей химико-термической обработки

С.В. Панин, А.Е. Колгачев1, Ю.И. Почивалов, В.Е. Панин, И.Г. Горячева2

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

1 Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия 2 Институт проблем механики РАН, Москва, 117526, Россия

Представлены результаты сравнительного исследования поведения при трении и износе образцов титанового сплава ВТ6, подвергнутых наноструктурированию поверхностного слоя и последующей химико-термической обработке. Показано, что подобная комплексная обработка позволяет увеличить микротвердость приповерхностного слоя с 3.8 до 4.8+5.6 ГПа, а также существенно повысить износостойкость. Влияние предварительного наноструктурирования поверхностного слоя приводит при последующей химико-термической обработке к увеличению толщины поверхностно упрочненного слоя с повышенной микротвердостью до 50+150 мкм по сравнению с образцами, не подвергавшимися предварительной обработке.

Improvement of wear resistance of titanium alloy Ti-6Al-4V by nanostructuring surface layer and subsequent chemical-thermal treatment

S.V Panin, A.E. Kolgachev1, Yu.I. Pochivalov, VE. Panin, and I.G. Goryacheva2

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia

2 Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, 117526, Russia

The paper gives the comparison study results on the behavior of specimens of titanium alloy Ti-6Al-4V in friction and wear, which have been subjected to surface nanostructuring and subsequent chemical-thermal treatment. It is shown that such complex treatment allows improvement of subsurface layer microhardness from 3.8 to 4.8+5.6 GPa and a significant improvement of wear resistance. Preliminary nanostructuring of the surface layer with subsequent chemical-thermal treatment causes an increase in the thickness of the surface-hardened layer with increased microhardness up to 50+150 jam as compared to untreated specimens.

1. Введение

В последнее время было показано, что наноструктурирование поверхностного слоя металлических материалов может обеспечить повышение прочностных характеристик при одновременном увеличении их пластичности [1, 2]. Достижение подобного эффекта помимо формирования наноразмерных структур в поверхностном слое обеспечивается за счет создания так называемого барьерного подслоя, который представляет собой материал с полосовой дислокационной субструктурой, препятствующей проникновению дефектов с поверхности в объем нагружаемого материала [2].

Одним из методов создания наноструктурного состояния в поверхностном слое и обеспечения градиентного изменения характеристик прочности по глубине обработанного материала является ультразвуковая обработка (УЗО) поверхности. В работах А.В. Панина и соавторов [3] было показано, что характерной особенностью структуры поверхностного слоя холоднокатаного титана, подвергнутого УЗО, является наличие по-

лосовой дислокационной субструктуры в виде параллельных дислокационных субграниц. В работе [4] использовали ультразвуковую финишную обработку (УФО) для повышения эффективности ионного азотирования стали 40X13, что связывали с повышением интенсивности протекания диффузионных процессов при увеличении степени дефектности металлических сплавов. При этом были выявлены температурные режимы, обеспечивающие максимальное увеличение микротвердости в упрочненном поверхностном слое, а также показано, что предварительное безабразивное ультразвуковое выглаживание поверхности при последующем ионном азотировании оказывает влияние на увеличение толщины модифицированного слоя на глубину до 25+30 мкм. Также в литературе отмечается, что ультразвуковая (финишная) обработка сталей, как правило, сопровождается увеличением износостойкости рабочих (обработанных) поверхностей. Однако для титана и его сплавов такой эффект не проявляется, поэтому поиск эффективных методов и режимов поверхностного

© Панин C.B., Колгачев A.E., Почивалов Ю.И., Панин B.E., Горячева И.Г, 2005

упрочнения титана и его сплавов с позиции повышения износостойкости и сохранению высоких характеристик усталостной прочности является актуальной проблемой.

В настоящей работе ставилась задача отработки режимов поверхностного упрочнения образцов титанового сплава ВТ6, основанного на комплексной механо-химико-термической обработке, включающей ударную УЗО. Поскольку титановый сплав ВТ6 используется для изготовление лопаток паровых турбин, основным видом деградации которых является кавитационный износ капельной фракцией, исследовали поведение образцов титанового сплава ВТ6 после комплексной обработки в условиях трения и износа.

2. Материал и методика исследований

Испытания проводили на образцах титанового сплава ВТ6 в форме параллелепипеда 7x7x10 мм3 по схеме «вал - колодка» в условиях граничной смазки на машине трения СМТ-1. В качестве смазки использовали индустриальное масло И-20. Образцы для исследований были разделены на две партии: в первой в приповерхностных слоях образцов создавали наноструктурное состояние, а во второй нет. Для последующей обработки поверхности были использованы два режима химико-термической обработки и один режим ионно-плазменного поверхностного упрочнения. Поскольку в ближайшее время предполагается патентование данных методов, мы опустим их подробное описание. Обработка по режимам 1 и 2 различалась временем выдержки и проводилась при температуре ниже рекристаллизационной.

Контртело диаметром 62 мм изготавливали из стали ШХ-15. Испытания на трение проводили при начальной нагрузке на образец 25.8 Н и скорости вращения вала 150 об/мин. Продолжительность нагружения составляла 70 мин. Интенсивность изнашивания оценивали путем измерения ширины дорожки трения по оптическим изображениям, записывавшимся с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss Stemi 2000-C. Характер модификации поверхностного слоя при различных режимах поверхностного упрочнения оценивали путем измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 с нагрузкой на пирамидку Виккерса 100 г, а также путем травления.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

1. Образцы сплава ВТ6 в исходном состоянии. В течение первых пяти минут испытаний на рабочей части образцов сплава ВТ6 в исходном состоянии сформировалась дорожка трения шириной =3 мм (рис. 1, кривая 1). Коэффициент трения f за это время снизился от значения =0.4 до 0.1 и оставался таковым до окончания испытаний. За полное время испытаний 70 мин ширина дорожки трения возросла до 4.5 мм (рис. 1, кривая 1; рис. 2, а).

2. Образцы сплава ВТ6 с наноструктурированным поверхностным слоем. При испытаниях образцов с предварительно наноструктурированным поверхностным слоем за первые 5 мин на рабочей поверхности сформировалась дорожка трения шириной 2.5 мм. При дальнейшем нагружении (за 70 мин испытаний) ширина дорожки трения возросла до 3.8 мм (рис. 1, кривая 2; рис. 2, б). За первые 5 мин работы значение /тр падает от 0.12 до 0.06 и таковым остается до конца испытаний.

3. Химико-термическая обработка по режиму 1. После испытаний в течение первых 5 мин на рабочей поверхности образцов, обработанных по данному режиму, формировалась дорожка трения шириной =2.2 мм. При дальнейшем нагружении интенсивность изнашивания образцов, подвергнутых только наноструктурированию приповерхностного слоя и обработке по рассматриваемому режиму, была подобна вышеописанным (рис. 1, кривая 3, рис. 2, в). За 70 мин испытаний ширина дорожки трения возросла до 3.6 мм. Значение fтр за первые 10 мин работы колеблется от 0.06 до 0.1, после чего принимает постоянное значение 0.06 и остается таковым до конца испытания.

Различие ширины дорожки трения образцов, обработанных по режимам 1-3, становится более очевидной при сопоставлении оптических изображений их поверхностей трения (рис. 2). Однако несмотря на некоторое различие в величине интенсивности изнашивания характер последнего для всех образцов является подобным, что свидетельствует о подобии процессов и механизмов износа, реализующихся при их трибонагруже-нии.

4. Химико-термическая обработка по режиму 1 образцов с предварительным наноструктурированием поверхностного слоя. Обработка образцов в данном режиме приводила к увеличению микротвердости в приповерхностном слое примерно на =0.8 ГПа (рис. 3, а). При этом, предварительное наноструктурирование поверхностного слоя позволяло увеличивать толщину слоя с максимальной микротвердостью до 100 мкм (рис. 3, а, кривая 1). За время испытаний 70 мин на поверхности

0 20 40 60 80

Время, мин

Рис. 1. Зависимость ширины дорожки трения от времени нагружения образцов титанового сплава ВТ6 при различном состоянии поверхностного слоя: исходное состояние

Рис. 2. Изображения поверхностей трения образцов титанового сплава ВТ6 при различном состоянии поверхностного слоя: исходное состояние (а); наноструктурированное состояние (б); химико-термическая обработка, режим 1 (в); химико-термическая обработка, режим 1, с предварительным наноструктурированием (г); химико-термическая обработка, режим 2 (д). Время нагружения 70 мин

образца не было обнаружено следов износа, проявляющихся в виде образования дорожки трения (рис. 1, кривая 4), заметны только небольшие «потертости» (на рис. 2, г обозначены стрелками). Значения коэффициента fтр изменяются практически подобно всем вышерассмотренным образцам: в начале испытания его значение равно 0.18 и за 15 мин трения выходит на значение 0.1, каким и остается до конца испытаний.

5. Химико-термическая обработка по режиму 2. Обработка образцов сплава ВТ6 по данному режиму (при большем времени ХТО) не изменяет микротвердость поверхностного слоя по сравнению с режимом 1, однако возрастает глубина упрочненного слоя (что проявляется на глубине до 150 мкм (рис. 3, б, кривая 2)). Следует отметить, что более длительная выдержка образцов ВТ6 при температуре химико-термической обработки не приводит к изменению зеренной структуры в объеме, однако формирование в приповерхностном слое высокопрочных дисперсных фаз позволяет модифицировать (упрочнить) поверхностный слой без потери прочностных свойств всего образца.

Подобно результатам работы [4] предварительное наноструктурирование поверхностного слоя не приводит к увеличению микротвердости приповерхностного слоя после последующей химико-термической обработки: Н^ > 4.5 ГПа. Однако наблюдается увеличение глубины приповерхностного слоя с максимальным (повышенным) значением микротвердости до ~ 150 мкм (рис. 3, б, кривая 1). На рис. 3, в приведено изображе-

ние микроструктуры образца, подвергнутого описанной обработке.

Проведенные испытания на трение показали, что износостойкость образцов сплава ВТ6, обработанных по режиму 2, даже без предварительного наноструктурирования поверхности, повышается по сравнению со всеми вышеописанными режимами обработки. За время испытаний 70 мин на поверхности трения не удалось зафиксировать следов формирования дорожки трения (рис. 2, д) (подобно тому, что наблюдалось для описанного выше образца, обработанного в режиме 1 с предварительным поверхностным наноструктурированием (рис. 2, г)). В то же время, характер изменения значения коэффициента трения остается подобным для всех вышеописанных режимов обработки: значение ^р за первые 5 мин работы падает от 0.18 до 0.1 и дальнейшее испытание не сопровождается его ростом.

6. Ионно-плазменное поверхностное упрочнение с предварительным наноструктурированием поверхностного слоя. На рис. 4, а показаны кривые изменения микротвердости при удалении вглубь от поверхностно упрочненного слоя упрочненных образцов, обработанных (1) и не подвергавшихся наноструктурированию поверхностного слоя (2). Видно, что предварительное наноструктурирование поверхностных слоев и последующая ионно-плазменная обработка увеличивают микротвердость на поверхности до Нц = 5.4 ГПа, (т.е. примерно на 2 ГПа выше по сравнению с материалом сердцевины (рис. 4, кривая 1)).

Расстояние от поверхности, мкм

Расстояние от поверхности, мкм

>'Л'” ‘

Рис. 3. Распределение микротвердости по глубине образцов, подвергавшихся различной обработке поверхностного слоя: химико-термической обработка по режиму 1 (а); режиму 2 (б); с наноструктурированным поверхностным слоем (І); без предварительного поверхностного наноструктурирования (2); микроструктура образца, подвергнутого XTO по режиму 2 с предварительным наноструктурированием поверхностного слоя (в). Размер изображения 150x120 мкм

Расстояние от поверхности, мкм Время испытаний, с

Рис. 4. а — распределение микротвердости по толщине образцов сплава ВТ6, подвергнутых ионно-плазменному поверхностному упрочнению

При отсутствии предварительной механической обработки с целью создания наноструктурного состояния в приповерхностных слоях микротвердость на поверхности была лишь немного ниже (Н^ = 5.2 ГПа). В целом, характер распределения микротвердости по поперечному сечению в образцах обоих типов является подобным (рис. 4, а), хотя толщина слоя с максимальной микротвердостью на поверхности предварительно мех-обработанного образца выше.

Для исследования износостойкости образцов сплава ВТ6 в исходном состоянии и с упрочненным поверхностным слоем использовали нагрузку Р = 4 000 Н. Следует отметить, что скорость вращения контртела при испытаниях покрытий данного типа была снижена и составляла 100 об/мин. При этом в образцах в исходном состоянии практически с самого начала нагружения момент трения составлял М = 2.3Н-м. В случае ионноплазменной обработки образцов без предварительного наноструктурирования поверхностного слоя существенное увеличение момента трения (соответствовавшего срыву упрочненного слоя) наблюдалось при продолжительности испытаний =60с, в то время как в образцах с комбинированной обработкой резкое увеличение момента трения фиксировалось только после =120с испытаний (рис. 4, б).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что использование предварительного наноструктурирования приповерхностных слоев и последующей химикотермической обработки поверхности позволяют в использованном диапазоне нагрузок в значительной степени увеличить износостойкость титанового сплава ВТ6. Данный результат, по нашему мнению, связан не только с увеличением толщины упрочненного поверхностного слоя, но и с градиентным характером изменения прочностных характеристик по глубине.

Отметим, что в отличие от результатов работы [4] модификация поверхностного слоя производилась на большую глубину, что и позволило получить эффекты не только увеличения микротвердости, но и повышения износостойкости, что особенно актуально в приложении к титановым сплавам (в частности ВТ6).

К сожалению, в настоящей работе не удалось выявить, происходит ли в результате применявшихся комплексных механо-химико-термических обработок формирование неплоской границы раздела «модифицированный поверхностный слой - подложка», что могло бы частично объяснить наблюдавшийся эффект повышения износостойкости. Данная задача будет являться объектом наших ближайших исследований.

4. Заключение

Экспериментально показано, что предварительное наноструктурирование поверхностного слоя и последующая химико-термическая обработка образцов сплава ВТ6 при небольших величинах нагрузки в условиях трибонагружения исключает формирование на поверхности трибоконтакта дорожки трения.

Предварительное наноструктурирование образцов сплава ВТ6 при комбинированной механо-химико-тер-мической обработке позволяет значительно повысить износостойкость, при этом влияние первого в некотором смысле эквивалентно увеличению времени химикотермической обработки.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН № 3.12.4, Проекта Минобрнауки (грант

№ 02.442.11.7020), а также Гранта Президента РФ для поддержки молодых кандидатов наук и их научных руководителей № МК-2507.2005.8.

Литература

1. Панин А.В., Клименов В.А., Почивалов Ю.И., Сон А.А. Влияние состояния поверхностного слоя на механизм пластического течения и сопротивление деформации малоуглеродистой стали // Физ. ме-зомех. - 2001. - Т. 4. - № 4. - С. 85-92.

2. Панин В.Е., Панин Л.Е. Масштабные уровни гомеостаза в деформи-

руемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 4. - С. 5-23.

3. Панин А.В., Панин В.Е., Почивалов Ю.И. и др. Особенности локали-

зации деформации и механического поведения титана ВТ1-0 в различных структурных состояниях // Физ. мезомех. - 2002. - Т.5.-№ 4. - С. 73-84.

4. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Уваркин П.В. и др. Ультразвуковое

модифицирование поверхности и его влияние на свойства покрытий // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск. - Ч. 2. - С. 157-160.