СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
METHOD OF HARDENING TITANIUM ALLOYS IN GAS ENVIRONMENT

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам упрочнения металлов азотированием, и может быть использовано при изготовлении деталей из титановых сплавов, работающих при циклических нагрузках.
7
Известен способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, включающий отжиг в насыщающей атмосфере и последующее частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, о величине которого судят по оптимальному значению перепада микротвердости травленной поверхности по отношению к сердцевине, рассчитываемому по формуле (описание к патенту RU 2205890, МПК С22F 1/18, 2001/09/12).
Недостатками известного способа являются сложность и высокая трудоемкость используемого метода разрушающего контроля для выявления изменений микротвердости обрабатываемой поверхности при различной глубине травления.
Известен способ поверхностного упрочнения титана и титановых сплавов, предусматривающий стадии высокотемпературного азотирования и последующее удаление травлением части газонасыщенного слоя, соответствующей удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью (описание к заявке №2006124054).
Недостатком способа является потеря дорогостоящего металла при травлении и высокая трудоемкость.
Известен способ высокотемпературного азотирования хромоникелевых сплавов, легированных титаном, предусматривающий последовательное проведение стадий термообработки с выдержкой в активной газовой среде, содержащей азот, в течение 15 часов и в нейтральной газовой среде аргона в течение 1,5-2,5 часов при температуре 1200°С (описание к патенту RU 2148675, МПК 7 С23С 8/24, С23F 17/00, 26.06.1998).
Известный способ позволяет повысить жаростойкость и жаропрочность.
Известен способ упрочнения титановых сплавов в газовой среде, включающий высокотемпературное азотирование и восстановительный отжиг в аргоне (Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Москва, Машиностроение, 1965, с.334).
Задача изобретения - снижение энергозатрат и повышение циклической выносливости и долговечности конструкций из титановых сплавов.
Технический результат - оптимизация режимов высокотемпературного азотирования для поверхностного упрочнения титановых сплавов.
отж
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения титановых сплавов в газовой среде, включающем высокотемпературное азотирование и восстановительный отжиг в аргоне, азотирование проводят при температуре 700-750°С в течение 10-30 минут, а восстановительный отжиг - при температуре, превышающей температуру азотирования на 100-150°С, в течение времени τ, выбираемого из условия:
азот
р
где К, К - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя,
2
мкм/с;
азот
Е - энергия активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;
р
Е - энергия активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;
R - газовая постоянная, Дж/К·моль;
азот
Т - температура азотирования, К;
отж
Т- температура восстановительного отжига, К;
азот
τ - время азотирования, с.
Сущность технического решения заключается в том, что в процессе восстановительного отжига в поверхностном слое титана понижается концентрация азота в результате развития его диффузии в металлическую основу. Экспериментально установлено, что при проведении восстановительного отжига в течение времени, выбранного из условия (1), происходит перераспределение и снижение концентрации азота в поверхностных слоях до некоторого оптимального значения, обеспечивающего восстановление пластичности и, как следствие этого, повышение выносливости и долговечности азотированного титана.
азот
азот
отж
азот
Время проведения азотирования в течение τ≤0,5 часа при температуре Т≥700°С и температура проведения восстановительного отжига Т≈Т+(100-150)°С являются оптимальными для проведения химико-термических процессов с минимальными энергозатратами. При этом значение выбранного температурного режима азотирования является необходимым условием для проведения азотирования титановых сплавов в активной газовой среде азота.
отж
отж
Значения выбранного температурного режима проведения восстановительного отжига являются необходимыми условиями для возможности реализации способа. Так, после азотирования при 700°С в течение 0,5 часа в случае восстановительного отжига при Т<800°С его продолжительность возрастает на порядок. Это приводит к неоправданным дополнительным энергозатратам. При Т>850°С продолжительность восстановительного отжига, напротив, сокращается на порядок и более, что приводит к невозможности контроля за процессом и реализацией способа.
Пример
азот
азот
Апробирование способа осуществляли на образцах размером 2×5×10 мм из листового сплава ВТ6, которые после полирования и обезжиривания азотировали при температуре Т=700°С=973,15 К в течение τ = 0,5 часа = 30 мин = 1800 с в среде газовой смеси азота (40%) и аргона (60%) при атмосферном давлении. В качестве характеристики состояния поверхности титанового сплава использовали глубину охрупченного слоя и величину микротвердости поверхности, замеренную при нагрузке на индентор 0,2 Н.
В результате азотирования на поверхности образцов формировался охрупченный слой глубиной ≈ 1 мкм. Микротвердость при этом составляла 9-10 ГПа.
азот
р
азот
р
7
2
6
2
Для выбранного режима азотирования сплава ВТ6 экспериментально (по методике проведения экспериментов для определения численных значений констант скорости и энергии активации процессов роста и растворения оксидных пленок на поверхности титановых сплавов, приведенной в работе Бондарь А.В., Пешков В.В., Киреев Л.С., Шурупов В.В. Диффузионная сварка титана и его сплавов. - Воронеж: Издательство Воронежского Государственного Университета, 1998 с.29-50) установлены численные значения коэффициентов, учитывающих соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, К=3,5·10мкм/с и К=6,3·10 мкм/с, а также значения энергии активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном слое, Е=203000 Дж/моль и энергии активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном слое, Е=215000 Дж/моль.
отж
отж
Затем образцы отжигали при температуре Т=800°С в среде аргона высшего сорта в течение времени τ=45 минут.
Время проведения восстановительного отжига рассчитывали по зависимости (1):
отж
отж
При проведении восстановительного отжига при температуре Т=850°С время выдержки согласно зависимости (1) выбирается равным соответственно τ≅15 мин (882 с).
Измерение микротвердости образцов после восстановительного отжига показало, что она составляет (2,9-3,1) ГПа, т.е. значительно меньше микротвердости исходной азотированной поверхности (9-10) Гпа, и соизмерима с микротвердостью сплава ВТ6 в состоянии поставки (2,95 ГПа).
Образцы испытывали на повторно-статическое растяжение, и результаты испытаний показали, что количество циклов N до разрушения по сравнению с образцами в состоянии поставки возросло на 12-17%.